JP7503769B2 - DC/DC conversion device - Google Patents

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本開示は、直流電力を別の電圧の直流電力に変換するDC/DC変換装置に関する。 This disclosure relates to a DC/DC conversion device that converts DC power to DC power of a different voltage.

蓄電池、太陽電池、燃料電池などに接続されるパワーコンディショナでは、DC/DCコンバータとインバータが使用される。DC/DCコンバータとインバータは、高効率な電力変換と小型設計が望まれる。それを実現するためのDC/DCコンバータとして、リアクトルの後段に、フライングキャパシタ回路(直列接続された複数のスイッチング素子と、少なくとも一つのフライングキャパシタを含む)を接続し、リアクトルとフライングキャパシタ回路の接続点の電圧をマルチレベル化したマルチレベル電力変換装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Power conditioners connected to storage batteries, solar cells, fuel cells, etc. use DC/DC converters and inverters. Highly efficient power conversion and compact design are desired for DC/DC converters and inverters. As a DC/DC converter to achieve this, a multilevel power conversion device has been proposed in which a flying capacitor circuit (including multiple switching elements connected in series and at least one flying capacitor) is connected to the rear stage of a reactor, and the voltage at the connection point between the reactor and the flying capacitor circuit is multileveled (see, for example, Patent Document 1).

マルチレベル電力変換装置は、各スイッチング素子に印加される電圧を小さくでき、それによりスイッチング損失を少なくでき、高効率な電力変換を実現する。例えば、直列接続された4つのスイッチング素子と内側の2つのスイッチング素子にフライングキャパシタを接続したフライングキャパシタ回路を、直流バスに対して2つ直列に接続したマルチレベル電力変換装置では、各スイッチング素子に印加される電圧を、直流バス電圧の1/4倍まで小さくすることができる。耐圧の低いスイッチング素子は耐圧の高いスイッチング素子に対して安価であり、電力変換中の導通損失、及びスイッチング損失が少ない。 A multilevel power conversion device can reduce the voltage applied to each switching element, thereby reducing switching losses and achieving highly efficient power conversion. For example, in a multilevel power conversion device in which four switching elements are connected in series and two flying capacitor circuits, each with flying capacitors connected to the two inner switching elements, are connected in series to a DC bus, the voltage applied to each switching element can be reduced to 1/4 of the DC bus voltage. Switching elements with low voltage resistance are cheaper than switching elements with high voltage resistance, and have less conduction loss and switching loss during power conversion.

上述した、直流バスに対して8つのスイッチング素子が直列に接続されるマルチレベル電力変換装置において、8つのスイッチング素子に対してそれぞれ並列に8つの抵抗を接続する構成が考えられる。この構成では、8つのスイッチング素子が全オフの状態でも、8つの抵抗を介して、2つのフライングキャパシタ及び出力コンデンサをプリチャージすることができる。 In the multilevel power conversion device described above in which eight switching elements are connected in series to a DC bus, a configuration is possible in which eight resistors are connected in parallel to each of the eight switching elements. In this configuration, even when all eight switching elements are in the off state, the two flying capacitors and the output capacitor can be precharged via the eight resistors.

プリチャージ前の状態では入力コンデンサが0Vであるため、8つのスイッチング素子の内、第3スイッチング素子-第6スイッチング素子間の電圧が0Vになる。また、2つのフライングキャパシタも0Vであるため、第2スイッチング素子-第3スイッチング素子間の電圧、及び第6スイッチング素子-第7スイッチング素子間の電圧も0Vになる。従って、プリチャージを開始すると直流バスの電圧のほとんどが、第1スイッチング素子と第8スイッチング素子の2つに印加されることになる。 Because the input capacitor is at 0V before precharging, the voltage between the third and sixth switching elements of the eight switching elements is 0V. Furthermore, because the two flying capacitors are also at 0V, the voltage between the second and third switching elements, and the voltage between the sixth and seventh switching elements are also 0V. Therefore, when precharging begins, most of the voltage on the DC bus is applied to the first and eighth switching elements.

特開2019-92242号公報JP 2019-92242 A

一般的に、マルチレベル電力変換装置では、直流バスに対して直列に接続された複数のスイッチング素子の半数のスイッチング素子で、直流バスの電圧を分圧することを想定して各スイッチング素子の耐圧が設定されている。上述の例では、4つのスイッチング素子で、直流バスの電圧を分圧することを想定して各スイッチング素子の耐圧が設定されている。 Generally, in a multilevel power conversion device, the withstand voltage of each switching element is set on the assumption that the voltage of the DC bus is divided by half of the multiple switching elements connected in series to the DC bus. In the above example, the withstand voltage of each switching element is set on the assumption that the voltage of the DC bus is divided by four switching elements.

しかしながら、上述したプリチャージの場面では、第1スイッチング素子と第8スイッチング素子の2つのスイッチング素子で、直流バスの電圧を分圧する状態が発生する。この場合、第1スイッチング素子と第8スイッチング素子が耐圧超過になる可能性がある。 However, in the precharge situation described above, a state occurs in which the voltage of the DC bus is divided by two switching elements, the first switching element and the eighth switching element. In this case, there is a possibility that the first switching element and the eighth switching element may exceed their withstand voltage.

本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、フライングキャパシタを安全にプリチャージすることができるDC/DC変換装置を提供することにある。 This disclosure has been made in consideration of these circumstances, and its purpose is to provide a DC/DC conversion device that can safely precharge a flying capacitor.

上記課題を解決するために、本開示のある態様のDC/DC変換装置は、低圧側直流電源に並列接続される低圧側コンデンサと、高圧側直流電源に並列接続される高圧側コンデンサと、直列接続された複数のスイッチング素子と、少なくとも一つのフライングキャパシタを含み、前記直列接続された複数のスイッチング素子の両端に前記高圧側直流電源が接続され、前記直列接続された複数のスイッチング素子を構成する一部の複数のスイッチング素子の両端に前記低圧側直流電源が接続される、フライングキャパシタ部と、前記低圧側コンデンサの両端と、前記一部の複数のスイッチング素子の両端間の経路に挿入される少なくとも一つのリアクトルと、前記高圧側コンデンサと前記高圧側直流電源間の経路に挿入されるスイッチ回路と、を備える。 In order to solve the above problems, a DC/DC conversion device according to one aspect of the present disclosure includes a low-voltage side capacitor connected in parallel to a low-voltage side DC power supply, a high-voltage side capacitor connected in parallel to a high-voltage side DC power supply, a plurality of switching elements connected in series, and at least one flying capacitor, in which the high-voltage side DC power supply is connected to both ends of the plurality of switching elements connected in series, and the low-voltage side DC power supply is connected to both ends of a portion of the plurality of switching elements constituting the plurality of switching elements connected in series, a flying capacitor section, at least one reactor inserted in a path between both ends of the low-voltage side capacitor and both ends of the portion of the plurality of switching elements, and a switch circuit inserted in a path between the high-voltage side capacitor and the high-voltage side DC power supply.

本開示によれば、フライングキャパシタを安全にプリチャージすることができるDC/DC変換装置を実現できる。 This disclosure makes it possible to realize a DC/DC conversion device that can safely precharge a flying capacitor.

実施の形態に係るDC/DC変換装置の基本構成を説明するための図である。1 is a diagram for explaining a basic configuration of a DC/DC conversion device according to an embodiment; 図1に示したDC/DC変換装置の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンをまとめた図である。2 is a diagram showing switching patterns of a first switching element to an eighth switching element of the DC/DC conversion device shown in FIG. 1. 図3(a)-(d)は、昇圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。3(a) to 3(d) are circuit diagrams showing current paths for each switching pattern during boost operation. 図4(a)-(d)は、降圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。4(a) to 4(d) are circuit diagrams showing current paths for each switching pattern during step-down operation. 昇圧比が2倍以上の場合の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。11 is a timing chart showing an example of a switching pattern of a first switching element-an eighth switching element when a boost ratio is two or more; 昇圧比が2倍未満の場合の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。11 is a timing chart showing an example of a switching pattern of a first switching element-an eighth switching element when a boost ratio is less than two. 実施の形態に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。1 is a diagram for explaining a configuration of a DC/DC conversion device with a soft precharge function according to an embodiment; 図7に示したDC/DC変換装置の起動時の動作を説明するための図である。8 is a diagram for explaining an operation at the time of start-up of the DC/DC conversion device shown in FIG. 7 . 図9(a)-(f)は、スイッチ回路の構成例を示す図である。9A to 9F are diagrams showing configuration examples of the switch circuit. 実施の形態に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置の別の構成を説明するための図である。11 is a diagram for explaining another configuration of a DC/DC conversion device with a soft precharge function according to an embodiment. FIG. 変形例に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。11 is a diagram for explaining a configuration of a DC/DC conversion device with a soft precharge function according to a modified example. FIG. 図12(a)-(c)は、フライングキャパシタ回路の構成例を示す図である。12A to 12C are diagrams showing configuration examples of flying capacitor circuits. N(Nは自然数)段のフライングキャパシタ回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a flying capacitor circuit having N stages (N is a natural number).

図1は、実施の形態に係るDC/DC変換装置3の基本構成を説明するための図である。実施の形態に係るDC/DC変換装置3は、双方向の昇降圧DC/DCコンバータである。DC/DC変換装置3は、低圧側直流電源1から供給される直流電力を昇圧して高圧側直流電源2に供給することができる。またDC/DC変換装置3は、高圧側直流電源2から供給される直流電力を降圧して低圧側直流電源1に供給することができる。 Figure 1 is a diagram for explaining the basic configuration of a DC/DC conversion device 3 according to an embodiment. The DC/DC conversion device 3 according to an embodiment is a bidirectional step-up/step-down DC/DC converter. The DC/DC conversion device 3 can step up the DC power supplied from the low-voltage side DC power supply 1 and supply it to the high-voltage side DC power supply 2. The DC/DC conversion device 3 can also step down the DC power supplied from the high-voltage side DC power supply 2 and supply it to the low-voltage side DC power supply 1.

低圧側直流電源1は例えば、蓄電池、電気二重層コンデンサなどが該当する。高圧側直流電源2は例えば、双方向DC/ACインバータが接続された直流バスなどが該当する。当該双方向DC/ACインバータの交流側は、蓄電システムの用途では商用電力系統と交流負荷に接続される。電気自動車の用途ではモータ(回生機能あり)に接続される。蓄電システムの用途では当該直流バスに、太陽電池用のDC/DCコンバータや、他の蓄電池用のDC/DCコンバータがさらに接続されていてもよい。 The low-voltage DC power source 1 may be, for example, a storage battery or an electric double-layer capacitor. The high-voltage DC power source 2 may be, for example, a DC bus to which a bidirectional DC/AC inverter is connected. In a power storage system application, the AC side of the bidirectional DC/AC inverter is connected to a commercial power system and an AC load. In an electric vehicle application, it is connected to a motor (with regenerative function). In a power storage system application, a DC/DC converter for a solar cell or a DC/DC converter for another storage battery may be further connected to the DC bus.

DC/DC変換装置3は、低圧側コンデンサC3、第1リアクトルL1、第2リアクトルL2、フライングキャパシタ部30、高圧側コンデンサC4、電圧センサ41、及び制御部40を含む。 The DC/DC conversion device 3 includes a low-voltage side capacitor C3, a first reactor L1, a second reactor L2, a flying capacitor section 30, a high-voltage side capacitor C4, a voltage sensor 41, and a control section 40.

低圧側直流電源1と並列に入出力用の低圧側コンデンサC3が接続される。高圧側直流電源2と並列に入出力用の高圧側コンデンサC4が接続される。高圧側直流電源2の両端のそれぞれに接続された正側の直流バスと負側の直流バスの間に、フライングキャパシタ部30が接続される。図1に示す回路構成では、フライングキャパシタ部30は、上側の第1フライングキャパシタ回路と下側の第2フライングキャパシタ回路が直列に接続されて構成される。第1リアクトルL1は、低圧側直流電源1の正側端子と第1フライングキャパシタ回路の中点間に接続される。第2リアクトルL2は、低圧側直流電源1の負側端子と第2フライングキャパシタ回路の中点間に接続される。 A low-voltage side capacitor C3 for input/output is connected in parallel to the low-voltage side DC power supply 1. A high-voltage side capacitor C4 for input/output is connected in parallel to the high-voltage side DC power supply 2. A flying capacitor section 30 is connected between a positive DC bus and a negative DC bus connected to both ends of the high-voltage side DC power supply 2. In the circuit configuration shown in FIG. 1, the flying capacitor section 30 is configured by connecting an upper first flying capacitor circuit and a lower second flying capacitor circuit in series. A first reactor L1 is connected between the positive terminal of the low-voltage side DC power supply 1 and the midpoint of the first flying capacitor circuit. A second reactor L2 is connected between the negative terminal of the low-voltage side DC power supply 1 and the midpoint of the second flying capacitor circuit.

第1リアクトルL1と第2リアクトルL2は、コアを共通にした磁気結合リアクトルで構成されてもよい。その場合、通電時に、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2の磁束を相互に強め合うことができる。なお、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2の一方のみが接続される構成でもよい。 The first reactor L1 and the second reactor L2 may be configured as a magnetically coupled reactor with a common core. In this case, when current is applied, the magnetic fluxes of the first reactor L1 and the second reactor L2 can be mutually strengthened. Note that the configuration may be such that only one of the first reactor L1 and the second reactor L2 is connected.

上側の第1フライングキャパシタ回路は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4及び第1フライングキャパシタC1を含む。下側の第2フライングキャパシタ回路は、第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6、第7スイッチング素子S7、第8スイッチング素子S8及び第2フライングキャパシタC2を含む。第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8は、正側の直流バスと負側の直流バスの間に直列に接続される。 The first flying capacitor circuit on the upper side includes a first switching element S1, a second switching element S2, a third switching element S3, a fourth switching element S4, and a first flying capacitor C1. The second flying capacitor circuit on the lower side includes a fifth switching element S5, a sixth switching element S6, a seventh switching element S7, an eighth switching element S8, and a second flying capacitor C2. The first switching element S1 to the eighth switching element S8 are connected in series between the positive DC bus and the negative DC bus.

第1フライングキャパシタC1は、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2との接続点と、第3スイッチング素子S3と第4スイッチング素子S4との接続点との間に接続され、第1スイッチング素子S1-第4スイッチング素子S4により充放電される。第2フライングキャパシタC2は、第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6との接続点と、第7スイッチング素子S7と第8スイッチング素子S8との接続点との間に接続され、第5スイッチング素子S5-第8スイッチング素子S8により充放電される。 The first flying capacitor C1 is connected between the connection point between the first switching element S1 and the second switching element S2 and the connection point between the third switching element S3 and the fourth switching element S4, and is charged and discharged by the first switching element S1 and the fourth switching element S4. The second flying capacitor C2 is connected between the connection point between the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 and the connection point between the seventh switching element S7 and the eighth switching element S8, and is charged and discharged by the fifth switching element S5 and the eighth switching element S8.

第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8とそれぞれ並列に、第1抵抗R1-第8抵抗R8が接続される。従って、第1フライングキャパシタ回路と第2フライングキャパシタ回路との間の電圧(第4スイッチング素子S4と第5スイッチング素子S5との間の電圧)は、第1抵抗R1-第8抵抗R8により高圧側直流電源2の電圧Eの1/2に分圧された電圧に維持される。 The first resistor R1 to the eighth resistor R8 are connected in parallel with the first switching element S1 to the eighth switching element S8, respectively. Therefore, the voltage between the first flying capacitor circuit and the second flying capacitor circuit (the voltage between the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5) is maintained at a voltage divided by the first resistor R1 to the eighth resistor R8 to 1/2 of the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

第1フライングキャパシタ回路の中点には、第1スイッチング素子S1の上側端子に印加される高圧側直流電源2の電圧E[V]と、第4スイッチング素子S4の下側端子に印加される1/2E[V]の間の範囲の電位が生成される。第1フライングキャパシタC1は、第1抵抗R1-第8抵抗R8により1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第1フライングキャパシタ回路の中点には、概ね、E[V]、3/4E[V]、1/2E[V]の3レベルの電位が生成される。 At the midpoint of the first flying capacitor circuit, a potential is generated in the range between the voltage E [V] of the high-voltage DC power supply 2 applied to the upper terminal of the first switching element S1 and 1/2E [V] applied to the lower terminal of the fourth switching element S4. The first flying capacitor C1 is initially charged (precharged) to a voltage of 1/4E [V] by the first resistor R1 to the eighth resistor R8, and charging and discharging are repeated with the voltage at 1/4E [V] as the center. Therefore, three levels of potential, roughly E [V], 3/4E [V], and 1/2E [V], are generated at the midpoint of the first flying capacitor circuit.

第2フライングキャパシタ回路の中点には、第5スイッチング素子S5の上側端子に印加される1/2E[V]と、第8スイッチング素子S8の下側端子に印加される0[V]の間の範囲の電位が生成される。第2フライングキャパシタC2は、第1抵抗R1-第8抵抗R8により1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第2フライングキャパシタ回路の中点には、概ね、1/2E[V]、1/4E[V]、0[V]の3レベルの電位が生成される。 At the midpoint of the second flying capacitor circuit, a potential is generated in the range between 1/2E [V] applied to the upper terminal of the fifth switching element S5 and 0 [V] applied to the lower terminal of the eighth switching element S8. The second flying capacitor C2 is initially charged (precharged) to a voltage of 1/4E [V] by the first resistor R1-eighth resistor R8, and charging and discharging are repeated with the voltage of 1/4E [V] at the center. Therefore, three levels of potential, roughly 1/2E [V], 1/4E [V], and 0 [V], are generated at the midpoint of the second flying capacitor circuit.

第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にはそれぞれ、第1ダイオードD1-第8ダイオードD8が逆並列に形成/接続される。第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8には、低圧側直流電源1及び高圧側直流電源2の電圧より低い耐圧のスイッチング素子が使用される。以下、本実施の形態では第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に、150V耐圧のNチャネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用する例を想定する。NチャネルMOSFETでは、ソースからドレイン方向に寄生ダイオードが形成される。 The first to eighth switching elements S1 to S8 are respectively formed/connected in anti-parallel with the first to eighth diodes D1 to D8. The first to eighth switching elements S1 to S8 use switching elements with a lower withstand voltage than the voltages of the low-voltage side DC power supply 1 and the high-voltage side DC power supply 2. In the following embodiment, an example is assumed in which the first to eighth switching elements S1 to S8 use N-channel MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) with a withstand voltage of 150V. In the N-channel MOSFET, a parasitic diode is formed from the source to the drain.

なお、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やバイポーラトランジスタを使用してもよい。その場合、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に寄生ダイオードは形成されず、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にそれぞれ外付けダイオードが逆並列に接続される。なお、一般的なシリコン(Si)半導体に限らず、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンド(C)等を使用したワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。 Note that IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or bipolar transistors may be used for the first switching element S1 to the eighth switching element S8. In that case, no parasitic diodes are formed in the first switching element S1 to the eighth switching element S8, and external diodes are connected in inverse parallel to the first switching element S1 to the eighth switching element S8, respectively. Note that wide band gap semiconductors using silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), diamond (C), etc. may be used, in addition to general silicon (Si) semiconductors.

電圧センサ41は、高圧側コンデンサC4の両端電圧を検出して、検出した電圧値を制御部40に出力する。なお、図1には示していないが、低圧側コンデンサC3の両端電圧を検出する電圧センサ、第1フライングキャパシタC1の電圧を検出する電圧センサ、第2フライングキャパシタC2の電圧を検出する電圧センサ、及び第1リアクトルL1に流れる電流を検出する電流センサが設けられ、それぞれの計測値が制御部40に出力される。なお、第1リアクトルL1に流れる電流ではなく、第2リアクトルL2に流れる電流を検出してもよい。 The voltage sensor 41 detects the voltage across the high-voltage side capacitor C4 and outputs the detected voltage value to the control unit 40. Although not shown in FIG. 1, a voltage sensor that detects the voltage across the low-voltage side capacitor C3, a voltage sensor that detects the voltage of the first flying capacitor C1, a voltage sensor that detects the voltage of the second flying capacitor C2, and a current sensor that detects the current flowing through the first reactor L1 are provided, and the measured values of each are output to the control unit 40. It is also possible to detect the current flowing through the second reactor L2 instead of the current flowing through the first reactor L1.

制御部40は、第1フライングキャパシタ回路及び第2フライングキャパシタ回路を制御して、低圧側直流電源1から高圧側直流電源2へ昇圧動作で直流電力を伝送することができる。また高圧側直流電源2から低圧側直流電源1へ降圧動作で直流電力を伝送することができる。より具体的には制御部40は、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のゲート端子に駆動信号(PWM(Pulse Width Modulation)信号)を供給することにより、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8をオン/オフ制御して、昇圧動作または降圧動作で、双方向に電力を伝送することができる。 The control unit 40 controls the first flying capacitor circuit and the second flying capacitor circuit to transmit DC power from the low-voltage side DC power supply 1 to the high-voltage side DC power supply 2 by step-up operation. It can also transmit DC power from the high-voltage side DC power supply 2 to the low-voltage side DC power supply 1 by step-down operation. More specifically, the control unit 40 supplies a drive signal (PWM (Pulse Width Modulation) signal) to the gate terminals of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 to control the on/off of the first switching element S1 to the eighth switching element S8, thereby transmitting power in both directions by step-up operation or step-down operation.

制御部40の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、又はハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、ASIC、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。 The configuration of the control unit 40 can be realized by a combination of hardware and software resources, or by hardware resources alone. Analog elements, microcomputers, DSPs, ROMs, RAMs, FPGAs, ASICs, and other LSIs can be used as hardware resources. Programs such as firmware can be used as software resources.

図2は、図1に示したDC/DC変換装置3の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンをまとめた図である。図2に示すスイッチングパターンでは、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8の組と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5の組とが相補関係となる。また第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7の組と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6の組とが相補関係となる。 Figure 2 is a diagram summarizing the switching patterns of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 of the DC/DC conversion device 3 shown in Figure 1. In the switching patterns shown in Figure 2, the pair of the first switching element S1 and the eighth switching element S8 is complementary to the pair of the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5. Also, the pair of the second switching element S2 and the seventh switching element S7 is complementary to the pair of the third switching element S3 and the sixth switching element S6.

制御部40は、4つのモードを使用して昇圧動作または降圧動作を実行する。
モードaでは制御部40は、第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオン状態、並びに第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードaでは、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点間の電圧(即ち、フライングキャパシタ部30の低圧側の入出力電圧V)は1/2Eとなる。
The control unit 40 executes the voltage step-up operation or the voltage step-down operation using four modes.
In mode a, the control unit 40 controls the second switching element S2, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5, and the seventh switching element S7 to be in the on state, and the first switching element S1, the third switching element S3, the sixth switching element S6, and the eighth switching element S8 to be in the off state. In mode a, the voltage between the midpoint of the first flying capacitor circuit and the midpoint of the second flying capacitor circuit (i.e., the input/output voltage VL of the low-voltage side of the flying capacitor unit 30) is 1/2E.

モードbでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオン状態、並びに第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオフ状態に制御する。モードbでは、フライングキャパシタ部30の低圧側の入出力電圧Vは1/2Eとなる。 In mode b, the control unit 40 controls the first switching element S1, the third switching element S3, the sixth switching element S6, and the eighth switching element S8 to be in the ON state, and the second switching element S2, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5, and the seventh switching element S7 to be in the OFF state. In mode b, the input/output voltage VL on the low voltage side of the flying capacitor unit 30 becomes 1/2E.

モードcでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオン状態、並びに第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオフ状態に制御する。モードcでは、フライングキャパシタ部30の低圧側の入出力電圧VはEとなる。 In mode c, the control unit 40 controls the first switching element S1, the second switching element S2, the seventh switching element S7, and the eighth switching element S8 to be in the ON state, and the third switching element S3, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5, and the sixth switching element S6 to be in the OFF state. In mode c, the input/output voltage VL on the low voltage side of the flying capacitor unit 30 becomes E.

モードdでは制御部40は、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオン状態、並びに第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードdでは、フライングキャパシタ部30の低圧側の入出力電圧Vは0となる。 In mode d, the control unit 40 controls the third switching element S3, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5, and the sixth switching element S6 to be in the ON state, and the first switching element S1, the second switching element S2, the seventh switching element S7, and the eighth switching element S8 to be in the OFF state. In mode d, the input/output voltage VL on the low-voltage side of the flying capacitor unit 30 becomes 0.

図3(a)-(d)は、昇圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。図4(a)-(d)は、降圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。なお、図面の簡略化のためMOSFETを単純なスイッチ記号で描いている。 Figures 3(a)-(d) are circuit diagrams showing the current paths of each switching pattern during boost operation. Figures 4(a)-(d) are circuit diagrams showing the current paths of each switching pattern during buck operation. Note that to simplify the drawings, MOSFETs are depicted with simple switch symbols.

図3(a)は昇圧動作時のモードaの電流経路を示し、図3(b)は昇圧動作時のモードbの電流経路を示し、図3(c)は昇圧動作時のモードcの電流経路を示し、図3(d)は昇圧動作時のモードdの電流経路を示している。同様に、図4(a)は降圧動作時のモードaの電流経路を示し、図4(b)は降圧動作時のモードbの電流経路を示し、図4(c)は降圧動作時のモードcの電流経路を示し、図4(d)は降圧動作時のモードdの電流経路を示している。 Figure 3(a) shows the current path in mode a during boost operation, Figure 3(b) shows the current path in mode b during boost operation, Figure 3(c) shows the current path in mode c during boost operation, and Figure 3(d) shows the current path in mode d during boost operation. Similarly, Figure 4(a) shows the current path in mode a during buck operation, Figure 4(b) shows the current path in mode b during buck operation, Figure 4(c) shows the current path in mode c during buck operation, and Figure 4(d) shows the current path in mode d during buck operation.

昇圧動作時と降圧動作時とで電流の向きが反対になる。モードaにおいて、図3(a)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となるが、図4(a)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となる。モードbにおいて、図3(b)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となるが、図4(b)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となる。 The direction of the current is opposite during boost operation and step-down operation. In mode a, the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are charging during boost operation as shown in FIG. 3(a), but the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are discharging during step-down operation as shown in FIG. 4(a). In mode b, the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are discharging during boost operation as shown in FIG. 3(b), but the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are charging during step-down operation as shown in FIG. 4(b).

制御部40は低圧側直流電源1から高圧側直流電源2へ昇圧動作で電力を伝送する場合、正方向の電流指令値を設定し、第1リアクトルL1又は第2リアクトルL2に流れる電流の計測値が、当該正方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。反対に、制御部40は高圧側直流電源2から低圧側直流電源1へ降圧動作で電力を伝送する場合、負方向の電流指令値を設定し、第1リアクトルL1又は第2リアクトルL2に流れる電流の計測値が、当該負方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。 When power is transmitted from the low-voltage side DC power supply 1 to the high-voltage side DC power supply 2 by step-up operation, the control unit 40 sets a positive current command value and controls the duty ratio (on time) of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 so that the measured value of the current flowing through the first reactor L1 or the second reactor L2 maintains the positive current command value. Conversely, when power is transmitted from the high-voltage side DC power supply 2 to the low-voltage side DC power supply 1 by step-down operation, the control unit 40 sets a negative current command value and controls the duty ratio (on time) of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 so that the measured value of the current flowing through the first reactor L1 or the second reactor L2 maintains the negative current command value.

また制御部40は、低圧側直流電源1の電圧と高圧側直流電源2の電圧との比率が設定値より小さい場合、モードa、モードb及びモードcを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該比率が当該設定値より大きい場合、モードa、モードb及びモードdを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該比率が当該設定値と一致する場合、モードa及びモードbを使用して電力を伝送する。 When the ratio between the voltage of the low-voltage side DC power supply 1 and the voltage of the high-voltage side DC power supply 2 is smaller than a set value, the control unit 40 transmits power using modes a, b, and c. When the ratio is larger than the set value, the control unit 40 transmits power using modes a, b, and d. When the ratio matches the set value, the control unit 40 transmits power using modes a and b.

上記設定値は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧1/2Eと、高圧側直流電源2の電圧Eとの比率に応じて設定される。本実施の形態では上記設定値は2に設定される。 The above set value is set according to the ratio of the total voltage 1/2E of the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 to the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2. In this embodiment, the above set value is set to 2.

制御部40は、電流指令値と、第1リアクトルL1又は第2リアクトルL2に流れる電流の計測値とが一致し、かつ第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eになるようにデューティ比を生成する。具体的には制御部40は、第1リアクトルL1又は第2リアクトルL2に流れる電流の計測値が電流指令値に対して小さいほどデューティ比を上昇させ、大きいほどデューティ比を低下させる。 The control unit 40 generates a duty ratio so that the current command value matches the measured value of the current flowing through the first reactor L1 or the second reactor L2, and the voltage of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 is 1/4E, respectively. Specifically, the control unit 40 increases the duty ratio as the measured value of the current flowing through the first reactor L1 or the second reactor L2 is smaller than the current command value, and decreases the duty ratio as the measured value is larger.

図5は、昇圧比が2倍以上の場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図6は、昇圧比が2倍未満の場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図5及び図6に示す制御例は、ダブルキャリア駆動方式を使用した制御例を示している。ダブルキャリア駆動方式では、180°位相がずれた2つのキャリア信号(図5及び図6では三角波)を使用する。デューティ比dutyは2つのキャリア信号と比較される閾値となる。昇圧比が2倍以上の場合、デューティ比dutyは0.5~1.0の範囲の値をとり、昇圧比が2倍未満の場合、デューティ比dutyは0.0~0.5の範囲の値をとる。 Figure 5 is a timing chart showing an example of the switching pattern of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 when the step-up ratio is 2 or more. Figure 6 is a timing chart showing an example of the switching pattern of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 when the step-up ratio is less than 2. The control examples shown in Figures 5 and 6 show control examples using a double carrier drive method. In the double carrier drive method, two carrier signals (triangular waves in Figures 5 and 6) that are 180 degrees out of phase with each other are used. The duty ratio duty is a threshold value that is compared with the two carrier signals. When the step-up ratio is 2 or more, the duty ratio duty takes a value in the range of 0.5 to 1.0, and when the step-up ratio is less than 2, the duty ratio duty takes a value in the range of 0.0 to 0.5.

太線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8に供給する第1ゲート信号と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5に供給する第4ゲート信号を生成する。具体的には太線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第1ゲート信号がオン及び第4ゲート信号がオフになる。太線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第1ゲート信号がオフ及び第4ゲート信号がオンになる。第1ゲート信号と第4ゲート信号は相補関係にある。なお、第1ゲート信号と第4ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第1ゲート信号と第4ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。 The first gate signal to be supplied to the first switching element S1 and the eighth switching element S8, and the fourth gate signal to be supplied to the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are generated based on the result of comparing the thick carrier signal with the duty ratio (duty). Specifically, in the region where the thick carrier signal is higher than the duty ratio (duty), the first gate signal is on and the fourth gate signal is off. In the region where the thick carrier signal is lower than the duty ratio (duty), the first gate signal is off and the fourth gate signal is on. The first gate signal and the fourth gate signal are complementary. Note that when the first gate signal and the fourth gate signal switch on/off, a dead time period is set during which the first gate signal and the fourth gate signal are simultaneously off.

細線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7に供給する第2ゲート信号と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6に供給する第3ゲート信号を生成する。具体的には細線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第2ゲート信号がオン及び第3ゲート信号がオフになる。細線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第2ゲート信号がオフ及び第3ゲート信号がオンになる。第2ゲート信号と第3ゲート信号は相補関係にある。なお、第2ゲート信号と第3ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第2ゲート信号と第3ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。 Based on the comparison result between the carrier signal of the thin line and the duty ratio (duty), a second gate signal to be supplied to the second switching element S2 and the seventh switching element S7, and a third gate signal to be supplied to the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are generated. Specifically, in an area where the carrier signal of the thin line is higher than the duty ratio (duty), the second gate signal is on and the third gate signal is off. In an area where the carrier signal of the thin line is lower than the duty ratio (duty), the second gate signal is off and the third gate signal is on. The second gate signal and the third gate signal are complementary. Note that when the second gate signal and the third gate signal are switched on/off, a dead time period is set during which the second gate signal and the third gate signal are simultaneously off.

昇圧比が2倍以上の場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードdを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードd→モードb→モードd→モードa→モードd→モードb→モードd・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍以上の場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードdの期間が長くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。 When the boost ratio is 2x or more, the control unit 40 alternates between modes a and b, inserting mode d between the two. That is, the control unit 40 switches between modes in the following order: mode a → mode d → mode b → mode d → mode a → mode d → mode b → mode d... While the duty ratio (duty) does not change, the periods of mode a and mode b are equal, and the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are each maintained at 1/4E. When the boost ratio is 2x or more, the higher the duty ratio (duty), the longer the period of mode d relative to the periods of mode a and mode b, and the amount of energy transmitted increases.

昇圧比が2倍未満の場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードcを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードc→モードb→モードc→モードa→モードc→モードb→モードc・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍未満の場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードcの期間が短くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。 When the boost ratio is less than 2, the control unit 40 alternates between modes a and b, inserting mode c between the two. That is, the control unit 40 switches between modes in the following order: mode a → mode c → mode b → mode c → mode a → mode c → mode b → mode c.... While the duty ratio (duty) does not change, the periods of mode a and mode b are equal, and the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are each maintained at 1/4E. When the boost ratio is less than 2, the higher the duty ratio (duty), the shorter the period of mode c relative to the periods of mode a and mode b, and the amount of energy transmitted increases.

昇圧比が理想的に2倍を維持し、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ理想的に1/4Eを維持すれば、デューティ比dutyは0.5を維持する。 If the boost ratio is ideally maintained at 2x and the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are ideally maintained at 1/4E, respectively, the duty ratio duty will be maintained at 0.5.

制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを下回ると、モードa及びモードbの内、充電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。反対に制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを上回ると、モードa及びモードbの内、放電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。 When the total voltage of the voltage of the first flying capacitor C1 and the voltage of the second flying capacitor C2 falls below 1/2E, the control unit 40 increases the time of the charging mode of mode a or mode b to bring the total voltage closer to 1/2E. Conversely, when the total voltage of the voltage of the first flying capacitor C1 and the voltage of the second flying capacitor C2 exceeds 1/2E, the control unit 40 increases the time of the discharging mode of mode a or mode b to bring the total voltage closer to 1/2E.

なお制御部40は、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を使用せずに、モードcとモードdを交互に切り替えることにより、DC/DC変換装置3を通常の昇圧チョッパの動作をさせることも可能である。この場合、昇圧比による動作モードの切り替えは発生しない。 The control unit 40 can also operate the DC/DC conversion device 3 as a normal boost chopper by alternately switching between mode c and mode d without using the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2. In this case, the operating mode is not switched based on the boost ratio.

図1に示した回路構成において、高圧側直流電源2から第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2をプリチャージすると、高圧側直流電源2の電圧Eが第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8の2つに印加され、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8が耐圧超過に陥る可能性がある。低圧側コンデンサC3に電荷がチャージされていない状態(低圧側コンデンサC3の両端電圧が0Vの状態)では、低圧側コンデンサC3に対して並列接続されている、直列接続された第3スイッチング素子S3-第6スイッチング素子S6の両端電圧も0Vになる。 In the circuit configuration shown in FIG. 1, when the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are precharged from the high-voltage DC power supply 2, the voltage E of the high-voltage DC power supply 2 is applied to both the first switching element S1 and the eighth switching element S8, and the first switching element S1 and the eighth switching element S8 may exceed their withstand voltage. When the low-voltage side capacitor C3 is not charged (when the voltage across the low-voltage side capacitor C3 is 0V), the voltage across the third switching element S3-sixth switching element S6, which are connected in series and are connected in parallel to the low-voltage side capacitor C3, also becomes 0V.

第1フライングキャパシタC1に電荷がチャージされていない状態(第1フライングキャパシタC1の両端電圧が0Vの状態)では、第1フライングキャパシタC1に対して並列接続されている、直列接続された第2スイッチング素子S2-第3スイッチング素子S3の両端電圧も0Vになる。同様に、第2フライングキャパシタC2に電荷がチャージされていない状態(第2フライングキャパシタC2の両端電圧が0Vの状態)では、第2フライングキャパシタC2に対して並列接続されている、直列接続された第6スイッチング素子S6-第7スイッチング素子S7の両端電圧も0Vになる。 When the first flying capacitor C1 is not charged (the voltage across the first flying capacitor C1 is 0V), the voltages across the second switching element S2 and the third switching element S3, which are connected in series and are connected in parallel to the first flying capacitor C1, are also 0V. Similarly, when the second flying capacitor C2 is not charged (the voltage across the second flying capacitor C2 is 0V), the voltages across the sixth switching element S6 and the seventh switching element S7, which are connected in series and are connected in parallel to the second flying capacitor C2, are also 0V.

従って、直列接続された第2スイッチング素子S2-第7スイッチング素子S7の両端電圧が0Vになり、高圧側直流電源2の電圧Eが第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8の2つに印加される状態が発生する。上述したように本実施の形態では、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8に150V耐圧のMOSFEを使用している。従って、高圧側直流電源2の電圧Eが300Vを超えると、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8に耐圧超過が発生する。 As a result, the voltage across the series-connected second switching element S2 and seventh switching element S7 becomes 0V, and the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 is applied to both the first switching element S1 and the eighth switching element S8. As described above, in this embodiment, MOSFETs with a withstand voltage of 150V are used for the first switching element S1 and the eighth switching element S8. Therefore, when the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 exceeds 300V, the first switching element S1 and the eighth switching element S8 exceed their withstand voltage.

以下、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8に耐圧超過が発生することを防止しつつ、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を安全にプリチャージする機能を有するDC/DC変換装置3を説明する。 The following describes a DC/DC conversion device 3 that has the function of safely precharging the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 while preventing the first switching element S1 and the eighth switching element S8 from exceeding their withstand voltages.

図7は、実施の形態に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。図7に示すDC/DC変換装置3は、図1に示したDC/DC変換装置3に対して、スイッチ回路50が追加された構成である。スイッチ回路50は、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2との間の経路に挿入され、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2との間を電気的に遮断することができる。 Figure 7 is a diagram for explaining the configuration of a DC/DC converter 3 with a soft precharge function according to an embodiment. The DC/DC converter 3 shown in Figure 7 has a configuration in which a switch circuit 50 is added to the DC/DC converter 3 shown in Figure 1. The switch circuit 50 is inserted in the path between the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2, and can electrically cut off the connection between the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2.

図7に示す例では、スイッチ回路50が正側の直流バスに挿入されているが、負側の直流バスに挿入されてもよいし、その両方に挿入されてもよい。図7に示す例では、スイッチ回路50として第9スイッチング素子S9が使用されている。より具体的には、第9スイッチング素子S9として、ソース端子が高圧側コンデンサC4、ドレイン端子が高圧側直流電源2に接続されたNチャンネルMOSFETが使用されている。 In the example shown in FIG. 7, the switch circuit 50 is inserted in the positive DC bus, but it may be inserted in the negative DC bus or in both. In the example shown in FIG. 7, a ninth switching element S9 is used as the switch circuit 50. More specifically, an N-channel MOSFET with a source terminal connected to the high-voltage side capacitor C4 and a drain terminal connected to the high-voltage side DC power source 2 is used as the ninth switching element S9.

図8は、図7に示したDC/DC変換装置3の起動時の動作を説明するための図である。DC/DC変換装置3の起動時において、制御部40は3つのフェーズで、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2をプリチャージする。 Figure 8 is a diagram for explaining the operation of the DC/DC conversion device 3 shown in Figure 7 at startup. At startup of the DC/DC conversion device 3, the control unit 40 precharges the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 in three phases.

(1)第1フェーズでは、制御部40はスイッチ回路50をオフ状態に制御するとともに、低圧側直流電源1から低圧側コンデンサC3、高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電されるように、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8を制御する。 (1) In the first phase, the control unit 40 controls the switch circuit 50 to the off state and controls the first switching element S1 to the eighth switching element S8 so that the low-voltage side capacitor C3, the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2 are charged from the low-voltage side DC power supply 1.

具体的には、制御部40は少なくとも第3スイッチング素子S3-第6スイッチング素子S6をオフ状態に制御する。制御部40は第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオン状態に制御してもよいし、オフ状態に制御してもよい。オン状態に制御する場合は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8を経由して低圧側直流電源1から高圧側コンデンサC4が充電される。オフ状態に制御する場合は、第1ダイオードD1、第2ダイオードD2、第3ダイオードD3及び第4ダイオードD4を経由して低圧側直流電源1から高圧側コンデンサC4が充電される。 Specifically, the control unit 40 controls at least the third switching element S3 to the sixth switching element S6 to the off state. The control unit 40 may control the first switching element S1, the second switching element S2, the seventh switching element S7, and the eighth switching element S8 to the on state or to the off state. When controlling them to the on state, the high-voltage side capacitor C4 is charged from the low-voltage side DC power supply 1 via the first switching element S1, the second switching element S2, the seventh switching element S7, and the eighth switching element S8. When controlling them to the off state, the high-voltage side capacitor C4 is charged from the low-voltage side DC power supply 1 via the first diode D1, the second diode D2, the third diode D3, and the fourth diode D4.

低圧側コンデンサC3と高圧側コンデンサC4の電圧は、低圧側直流電源1の電圧まで上昇する。高圧側コンデンサC4と並列に、第1抵抗R1-第8抵抗R8が直列に接続されているため、第1フライングキャパシタC1と第2フライングキャパシタC2の電圧はそれぞれ、高圧側コンデンサC4の電圧(=低圧側直流電源1の電圧)の1/4の電圧まで上昇する。 The voltages of the low-voltage side capacitor C3 and the high-voltage side capacitor C4 rise to the voltage of the low-voltage side DC power supply 1. Because the first resistor R1 and the eighth resistor R8 are connected in series in parallel with the high-voltage side capacitor C4, the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 each rise to 1/4 of the voltage of the high-voltage side capacitor C4 (= the voltage of the low-voltage side DC power supply 1).

高圧側コンデンサC4の電圧が低圧側直流電源1の電圧に対応する電圧まで上昇すると、第2フェーズに移行することができる。なお、起動時から設定時間後に第2フェーズに移行するシーケンスでもよい。 When the voltage of the high-voltage side capacitor C4 rises to a voltage corresponding to the voltage of the low-voltage side DC power supply 1, the second phase can be entered. Note that the sequence may be such that the second phase is entered after a set time from startup.

(2)第2フェーズでは、制御部40は高圧側コンデンサC4の電圧が昇圧されるように、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8を制御する。例えば、制御部40は、図6に示した昇圧比が2倍未満の場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンに従い、高圧側コンデンサC4の電圧を徐々に昇圧させる。 (2) In the second phase, the control unit 40 controls the first switching element S1 to the eighth switching element S8 so that the voltage of the high-voltage side capacitor C4 is boosted. For example, the control unit 40 gradually boosts the voltage of the high-voltage side capacitor C4 according to the switching pattern of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 when the boost ratio is less than 2 times as shown in FIG. 6.

高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eに対応する電圧まで上昇すると、第3フェーズに移行することができる。第3フェーズに移行する条件として、必ずしも高圧側コンデンサC4の電圧と高圧側直流電源2の電圧Eが一致している必要はなく、高圧側コンデンサC4の電圧と高圧側直流電源2の電圧Eが近似的に所定の範囲内に収まっていればよい。なお、図7に示した回路構成では、スイッチ回路50を構成する第9スイッチング素子S9の第9ダイオードD9により、高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eより高くなると、高圧側コンデンサC4側から高圧側直流電源2側に電流が流れ、高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eにクランプされる。 When the voltage of the high-voltage side capacitor C4 rises to a voltage corresponding to the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2, the third phase can be entered. The condition for entering the third phase does not necessarily require that the voltage of the high-voltage side capacitor C4 and the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 are the same, but it is sufficient that the voltage of the high-voltage side capacitor C4 and the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 are approximately within a predetermined range. In the circuit configuration shown in FIG. 7, when the voltage of the high-voltage side capacitor C4 becomes higher than the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 due to the ninth diode D9 of the ninth switching element S9 constituting the switch circuit 50, a current flows from the high-voltage side capacitor C4 side to the high-voltage side DC power supply 2 side, and the voltage of the high-voltage side capacitor C4 is clamped to the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eまで上昇した状態では、第1フライングキャパシタC1と第2フライングキャパシタC2の電圧はそれぞれ、高圧側直流電源2の電圧Eの1/4の電圧まで上昇した状態になる。 When the voltage of the high-voltage side capacitor C4 rises to the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2, the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 each rise to 1/4 of the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

(3)第3フェーズでは、制御部40はスイッチ回路50をターンオンする。これにより、フライングキャパシタ部30と高圧側直流電源2間が導通する。導通した段階で、第1フライングキャパシタC1と第2フライングキャパシタC2は既に1/4Eにプリチャージされているため、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8に耐圧超過は発生しない。 (3) In the third phase, the control unit 40 turns on the switch circuit 50. This establishes electrical continuity between the flying capacitor unit 30 and the high-voltage side DC power supply 2. At the stage of electrical continuity, the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are already precharged to 1/4E, so the first switching element S1 and the eighth switching element S8 do not exceed their withstand voltages.

図9(a)-(f)は、スイッチ回路50の構成例を示す図である。図7に示した回路構成ではスイッチ回路50として、ソース端子が高圧側コンデンサC4、ドレイン端子が高圧側直流電源2に接続されるNチャンネルMOSFET(第9スイッチング素子S9)を使用した。上述したように、この構成例では、高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eより高くならないように、高圧側コンデンサC4の電圧をクランプすることができる。 Figures 9(a)-(f) are diagrams showing examples of the configuration of the switch circuit 50. In the circuit configuration shown in Figure 7, an N-channel MOSFET (ninth switching element S9) with a source terminal connected to the high-voltage side capacitor C4 and a drain terminal connected to the high-voltage side DC power supply 2 is used as the switch circuit 50. As described above, in this configuration example, the voltage of the high-voltage side capacitor C4 can be clamped so that it does not become higher than the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

図9(a)は、スイッチ回路50を双方向スイッチで構成する例である。双方向スイッチは、2つのNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9a、S9b)が逆向きに直列接続されて構成される。一方のNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9a)のソース端子が高圧側コンデンサC4に接続され、他方のNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9b)のソース端子が高圧側直流電源2に接続される。 Figure 9 (a) shows an example in which the switch circuit 50 is configured as a bidirectional switch. The bidirectional switch is configured by connecting two N-channel MOSFETs (switching elements S9a, S9b) in series in the opposite directions. The source terminal of one N-channel MOSFET (switching element S9a) is connected to the high-voltage side capacitor C4, and the source terminal of the other N-channel MOSFET (switching element S9b) is connected to the high-voltage side DC power supply 2.

2つのNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9a、S9b)のドレイン端子同士が接続される。この構成例では、一方のNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9a)の寄生ダイオードD9aのカソードと、他方のNチャンネルMOSFET(スイッチング素子S9b)の寄生ダイオードD9bのカソードが向き合う構成になる。従って、双方向スイッチがオフ状態において、寄生ダイオードを経由して、高圧側コンデンサC4から高圧側直流電源2へ電流が流れること、及び高圧側直流電源2から高圧側コンデンサC4へ電流が流れることを阻止することができる。 The drain terminals of the two N-channel MOSFETs (switching elements S9a, S9b) are connected to each other. In this configuration example, the cathode of the parasitic diode D9a of one N-channel MOSFET (switching element S9a) faces the cathode of the parasitic diode D9b of the other N-channel MOSFET (switching element S9b). Therefore, when the bidirectional switch is in the off state, it is possible to prevent current from flowing from the high-voltage side capacitor C4 to the high-voltage side DC power supply 2 via the parasitic diode, and from flowing from the high-voltage side DC power supply 2 to the high-voltage side capacitor C4.

図9(b)は、スイッチ回路50をリレーRY1で構成する例である。リレーRY1を使用する場合、寄生ダイオードが形成されない。したがって、リレーRY1がオフ状態では、いずれの方向からの電流も阻止することができる。 Figure 9 (b) shows an example in which the switch circuit 50 is configured with a relay RY1. When relay RY1 is used, a parasitic diode is not formed. Therefore, when relay RY1 is in the off state, it is possible to block current from either direction.

高圧側直流電源2がインバータ(不図示)を介して系統電源に接続されている場合、高圧側直流電源2はリップルノイズの影響を受ける。このリップルノイズの影響により、高圧側直流電源2の電圧Eが変動すると、高圧側コンデンサC4の電圧と高圧側直流電源2の電圧との大小関係が変動し、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2間で電流の入出力が発生する可能性がある。図9(a)に示した双方向スイッチや図9(b)に示したリレーRY1を使用すれば、この電流の入出力を阻止することができる。 When the high-voltage side DC power supply 2 is connected to a system power supply via an inverter (not shown), the high-voltage side DC power supply 2 is affected by ripple noise. When the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2 fluctuates due to the influence of this ripple noise, the magnitude relationship between the voltage of the high-voltage side capacitor C4 and the voltage of the high-voltage side DC power supply 2 fluctuates, and there is a possibility that input and output of current will occur between the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2. By using the bidirectional switch shown in FIG. 9(a) or the relay RY1 shown in FIG. 9(b), it is possible to prevent input and output of this current.

図9(c)は、スイッチ回路50を、双方向スイッチ、第10スイッチング素子S10及び制限抵抗R9で構成する例である。第10スイッチング素子S10と制限抵抗R9は直列に接続される。直列接続された第10スイッチング素子S10と制限抵抗R9は、図9(a)に説明した双方向スイッチと並列に接続される。第10スイッチング素子S10は、ソース端子が高圧側コンデンサC4、ドレイン端子が制限抵抗R9を介して高圧側直流電源2に接続されるNチャンネルMOSFETである。 Figure 9 (c) shows an example of a switch circuit 50 configured with a bidirectional switch, a tenth switching element S10, and a limiting resistor R9. The tenth switching element S10 and the limiting resistor R9 are connected in series. The tenth switching element S10 and the limiting resistor R9 connected in series are connected in parallel to the bidirectional switch described in Figure 9 (a). The tenth switching element S10 is an N-channel MOSFET whose source terminal is connected to the high-voltage side capacitor C4 and whose drain terminal is connected to the high-voltage side DC power source 2 via the limiting resistor R9.

図9(c)に示すスイッチ回路50は突入電流防止機能を備える。即ち、双方向スイッチがオフ状態では、制限抵抗R9を介して電流が流れる。制御部40は、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2を導通させる際、先に第10スイッチング素子S10をターンオンし、所定時間経過後に第10スイッチング素子S10をターンオフし、双方向スイッチをターンオンする。これにより、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2間を導通させる際、仮に、両者の電圧に大きな差が発生している場合でも、突入電流が発生することを防止することができる。 The switch circuit 50 shown in FIG. 9(c) has an inrush current prevention function. That is, when the bidirectional switch is in the off state, current flows through the limiting resistor R9. When the control unit 40 connects the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2, it first turns on the tenth switching element S10, and after a predetermined time has elapsed, turns off the tenth switching element S10 and turns on the bidirectional switch. This makes it possible to prevent an inrush current from occurring when connecting the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2, even if a large difference in voltage between the two occurs.

また仮に、高圧側直流電源2側から高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を充電する必要が発生した場合でも、スイッチ回路50が突入電流防止機能を有していれば、高圧側直流電源2から高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2に突入電流が流れることを防止することができる。 Even if it becomes necessary to charge the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2 from the high-voltage side DC power supply 2, if the switch circuit 50 has an inrush current prevention function, it is possible to prevent inrush current from flowing from the high-voltage side DC power supply 2 to the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2.

また図9(c)に示す構成例では、図7に示したスイッチ回路50と同様に、双方向スイッチがオフ状態では、高圧側コンデンサC4の電圧が高圧側直流電源2の電圧Eより高くならないように、高圧側コンデンサC4の電圧がクランプされる。 In the configuration example shown in FIG. 9(c), similarly to the switch circuit 50 shown in FIG. 7, when the bidirectional switch is in the off state, the voltage of the high-voltage side capacitor C4 is clamped so that the voltage of the high-voltage side capacitor C4 does not become higher than the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

図9(d)に示す構成は、図9(c)に示した構成に含まれる双方向スイッチをリレーRY1に置き換えた構成である。図9(d)に示す構成は、図9(c)に示した構成と同様の作用効果を有する。 The configuration shown in FIG. 9(d) is a configuration in which the bidirectional switch included in the configuration shown in FIG. 9(c) is replaced with a relay RY1. The configuration shown in FIG. 9(d) has the same effect as the configuration shown in FIG. 9(c).

図9(e)は、スイッチ回路50を、双方向スイッチ、第10スイッチング素子S10、制限抵抗R9及び第11ダイオードD11で構成する例である。第10スイッチング素子S10、制限抵抗R9及び第11ダイオードD11は直列に接続される。直列接続された第10スイッチング素子S10、制限抵抗R9及び第11ダイオードD11は、図9(a)に説明した双方向スイッチと並列に接続される。第10スイッチング素子S10は、ソース端子が制限抵抗R9、第11ダイオードD11を介して高圧側直流電源2に接続され、ドレイン端子が低圧側コンデンサC3に接続されるNチャンネルMOSFETである。第11ダイオードD11はアノード端子が制限抵抗R9に接続され、カソード端子が高圧側直流電源2に接続される。 9(e) is an example in which the switch circuit 50 is configured with a bidirectional switch, a tenth switching element S10, a limiting resistor R9, and an eleventh diode D11. The tenth switching element S10, the limiting resistor R9, and the eleventh diode D11 are connected in series. The tenth switching element S10, the limiting resistor R9, and the eleventh diode D11 connected in series are connected in parallel to the bidirectional switch described in FIG. 9(a). The tenth switching element S10 is an N-channel MOSFET whose source terminal is connected to the high-voltage side DC power supply 2 via the limiting resistor R9 and the eleventh diode D11, and whose drain terminal is connected to the low-voltage side capacitor C3. The eleventh diode D11 has an anode terminal connected to the limiting resistor R9, and a cathode terminal connected to the high-voltage side DC power supply 2.

図9(e)に示すスイッチ回路50は突入電流防止機能を備え、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2間を導通させる際、突入電流が発生することを防止することができる。また、双方向スイッチがオフ状態において、高圧側直流電源2の電圧Eが変動することによる、高圧側コンデンサC4と高圧側直流電源2間の電流の入出力を阻止することができる。 The switch circuit 50 shown in FIG. 9(e) has an inrush current prevention function, and can prevent the occurrence of inrush current when conducting between the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2. In addition, when the bidirectional switch is in the off state, it can prevent input and output of current between the high-voltage side capacitor C4 and the high-voltage side DC power supply 2 due to fluctuations in the voltage E of the high-voltage side DC power supply 2.

図9(f)に示す構成は、図9(e)に示した構成に含まれる双方向スイッチをリレーRY1に置き換えた構成である。図9(f)に示す構成は、図9(e)に示した構成と同様の作用効果を有する。 The configuration shown in FIG. 9(f) is a configuration in which the bidirectional switch included in the configuration shown in FIG. 9(e) is replaced with a relay RY1. The configuration shown in FIG. 9(f) has the same effect as the configuration shown in FIG. 9(e).

図10は、実施の形態に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置3の別の構成を説明するための図である。図10に示すDC/DC変換装置3は、図7に示したDC/DC変換装置3に対して、突入電流防止機能を有する別のスイッチ回路50aが追加された構成である。スイッチ回路50aは、低圧側直流電源1と低圧側コンデンサC3との間の経路に挿入され、低圧側直流電源1と低圧側コンデンサC3との間を電気的に遮断することができる。 Figure 10 is a diagram for explaining another configuration of a DC/DC converter 3 with a soft precharge function according to an embodiment. The DC/DC converter 3 shown in Figure 10 has a configuration in which another switch circuit 50a having an inrush current prevention function is added to the DC/DC converter 3 shown in Figure 7. The switch circuit 50a is inserted in the path between the low-voltage side DC power supply 1 and the low-voltage side capacitor C3, and can electrically cut off the connection between the low-voltage side DC power supply 1 and the low-voltage side capacitor C3.

図10に示す例では、スイッチ回路50aとして図9(f)に示したスイッチ回路50が使用されている。なお、図9(e)に示したスイッチ回路50が使用されてもよい。制御部40は、DC/DC変換装置3の起動時において、先に第10スイッチング素子S10をターンオンし、所定時間経過後に第10スイッチング素子S10をターンオフし、リレーRY1をターンオンする。これにより、低圧側直流電源1から、低圧側コンデンサC3、高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2に突入電流が流れることを防止することができる。 In the example shown in FIG. 10, the switch circuit 50 shown in FIG. 9(f) is used as the switch circuit 50a. The switch circuit 50 shown in FIG. 9(e) may also be used. When starting up the DC/DC conversion device 3, the control unit 40 first turns on the tenth switching element S10, turns off the tenth switching element S10 after a predetermined time has elapsed, and turns on the relay RY1. This makes it possible to prevent inrush current from flowing from the low-voltage side DC power supply 1 to the low-voltage side capacitor C3, the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2.

以上説明したように本実施の形態によれば、DC/DC変換装置3を高圧側直流電源2から遮断し、低圧側直流電源1から低圧側コンデンサC3、高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を充電する。その後、高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧を徐々に上昇させていくことにより、高圧側コンデンサC4、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を安全にプリチャージすることができる。即ち、高圧側直流電源2の電圧により、第1スイッチング素子S1と第8スイッチング素子S8が耐圧超過に陥ることを防止することができる。また、プリチャージの際、突入電流が流れることを抑制することができる。 As described above, according to this embodiment, the DC/DC conversion device 3 is disconnected from the high-voltage side DC power supply 2, and the low-voltage side capacitor C3, the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2 are charged from the low-voltage side DC power supply 1. After that, the voltages of the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2 are gradually increased, so that the high-voltage side capacitor C4, the first flying capacitor C1, and the second flying capacitor C2 can be safely precharged. In other words, it is possible to prevent the first switching element S1 and the eighth switching element S8 from exceeding their withstand voltage due to the voltage of the high-voltage side DC power supply 2. In addition, it is possible to suppress the flow of inrush current during precharging.

以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on the embodiments. The embodiments are merely examples, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible in the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure.

上述した実施の形態では、フライングキャパシタ部30として、3レベル出力のフライングキャパシタ回路を直列に2つ接続した構成を説明した。この点、フライングキャパシタ部30は、直列接続された複数のスイッチング素子と、少なくとも一つのフライングキャパシタを含み、当該複数のスイッチング素子の両端に高圧側直流電源2が接続され、当該複数のスイッチング素子を構成する一部の複数のスイッチング素子の両端に低圧側直流電源1が接続される構成であれば、上述した実施の形態の構成に限定されない。 In the above-described embodiment, the flying capacitor section 30 is configured to have two three-level output flying capacitor circuits connected in series. In this regard, the flying capacitor section 30 is not limited to the configuration of the above-described embodiment, as long as it includes a plurality of switching elements connected in series and at least one flying capacitor, the high-voltage side DC power supply 2 is connected to both ends of the plurality of switching elements, and the low-voltage side DC power supply 1 is connected to both ends of a portion of the plurality of switching elements that make up the plurality of switching elements.

図11は、変形例に係る、ソフトプリチャージ機能付きのDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。変形例ではフライングキャパシタ部30は、3レベル出力のフライングキャパシタ回路を一つ有する。直列接続された第1スイッチング素子S1-第4スイッチング素子S4の両端に高圧側直流電源2が接続される。 Figure 11 is a diagram for explaining the configuration of a DC/DC conversion device 3 with a soft precharge function according to a modified example. In this modified example, the flying capacitor section 30 has one flying capacitor circuit with a three-level output. The high-voltage side DC power supply 2 is connected to both ends of the first switching element S1 to the fourth switching element S4 that are connected in series.

低圧側直流電源1の正側端子は、第1リアクトルL1を介して、第2スイッチング素子S2と第3スイッチング素子S3との間の接続点に接続される。低圧側直流電源1の負側端子は、第2リアクトルL2を介して、第4スイッチング素子S4の下側の端子に接続される。 The positive terminal of the low-voltage DC power supply 1 is connected to the connection point between the second switching element S2 and the third switching element S3 via the first reactor L1. The negative terminal of the low-voltage DC power supply 1 is connected to the lower terminal of the fourth switching element S4 via the second reactor L2.

図11に示した回路構成において、高圧側直流電源2から第1フライングキャパシタC1をプリチャージすると、高圧側直流電源2の電圧Eが第1スイッチング素子S1に印加され、第1スイッチング素子S1が耐圧超過に陥る可能性がある。低圧側コンデンサC3に電荷がチャージされていない状態(低圧側コンデンサC3の両端電圧が0Vの状態)では、低圧側コンデンサC3に対して並列接続されている、直列接続された第3スイッチング素子S3-第4スイッチング素子S4の両端電圧も0Vになる。第1フライングキャパシタC1に電荷がチャージされていない状態(第1フライングキャパシタC1の両端電圧が0Vの状態)では、第1フライングキャパシタC1に対して並列接続されている、直列接続された第2スイッチング素子S2-第3スイッチング素子S3の両端電圧も0Vになる。 In the circuit configuration shown in FIG. 11, when the first flying capacitor C1 is precharged from the high-voltage DC power supply 2, the voltage E of the high-voltage DC power supply 2 is applied to the first switching element S1, and the first switching element S1 may exceed its withstand voltage. When the low-voltage side capacitor C3 is not charged (when the voltage across the low-voltage side capacitor C3 is 0V), the voltage across the third switching element S3-fourth switching element S4, which are connected in series and are connected in parallel to the low-voltage side capacitor C3, is also 0V. When the first flying capacitor C1 is not charged (when the voltage across the first flying capacitor C1 is 0V), the voltage across the second switching element S2-third switching element S3, which are connected in series and are connected in parallel to the first flying capacitor C1, is also 0V.

従って、直列接続された第2スイッチング素子S2-第4スイッチング素子S4の両端電圧が0Vになり、高圧側直流電源2の電圧Eが第1スイッチング素子S1の一つに印加される状態が発生する。これに対して、上述したソフトプリチャージ機能で第1フライングキャパシタC1をプリチャージすれば、第1スイッチング素子S1が耐圧超過に陥ることを防止することができる。 As a result, the voltage across the series-connected second switching element S2 and fourth switching element S4 becomes 0V, and a state occurs in which the voltage E of the high-voltage DC power supply 2 is applied to one of the first switching elements S1. In response to this, if the first flying capacitor C1 is precharged using the soft precharge function described above, it is possible to prevent the first switching element S1 from exceeding its withstand voltage.

上記実施の形態では、フライングキャパシタ部30を構成する各フライングキャパシタ回路の構成例として、直列接続された4つのスイッチング素子と、1つのフライングキャパシタを使用する1段のフライングキャパシタ回路を例に挙げた。この点、さらに段数を増やしたフライングキャパシタ回路を使用することもできる。 In the above embodiment, a one-stage flying capacitor circuit using four switching elements connected in series and one flying capacitor is given as an example of the configuration of each flying capacitor circuit constituting the flying capacitor section 30. In this regard, a flying capacitor circuit with more stages can also be used.

図12(a)-(c)は、フライングキャパシタ回路の構成例を示す図である。図12(a)は1段のフライングキャパシタ回路を示す。図12(a)に示すフライングキャパシタ回路は、上記実施の形態で説明した回路構成と同様である。 Figures 12(a)-(c) are diagrams showing configuration examples of flying capacitor circuits. Figure 12(a) shows a one-stage flying capacitor circuit. The flying capacitor circuit shown in Figure 12(a) has the same circuit configuration as that described in the above embodiment.

図12(b)は2段のフライングキャパシタ回路を示す。2段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42と、2つのフライングキャパシタC11、C12を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。 Figure 12(b) shows a two-stage flying capacitor circuit. The two-stage flying capacitor circuit includes six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42 connected in series, and two flying capacitors C11 and C12. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/6E. The second innermost flying capacitor C12 is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 1/6E.

図12(c)は3段のフライングキャパシタ回路を示す。3段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43と、3つのフライングキャパシタC11、C12、C13を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/8Eの電圧を維持するように制御される。 Figure 12(c) shows a three-stage flying capacitor circuit. The three-stage flying capacitor circuit includes six switching elements S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, and S43 connected in series, and three flying capacitors C11, C12, and C13. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/8E. The second innermost flying capacitor C12 is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 2/8E. The third innermost flying capacitor C13 is connected in parallel to the six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42, and is controlled to maintain a voltage of 3/8E.

図13は、N(Nは自然数)段のフライングキャパシタ回路を示す。N段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された(2N+2)個のスイッチング素子S1n、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4nと、N個のフライングキャパシタC11、C12、C13、・・・、C1nを備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。最も外側のフライングキャパシタC1nは、2N個のS1(n-1)、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4(n-1)に対して並列に接続され、N/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。 Figure 13 shows an N-stage (N is a natural number) flying capacitor circuit. The N-stage flying capacitor circuit includes (2N+2) switching elements S1n, ..., S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, S43, ..., S4n connected in series, and N flying capacitors C11, C12, C13, ..., C1n. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/(2N+2)E. The second innermost flying capacitor C12 is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 2/(2N+2)E. The third innermost flying capacitor C13 is connected in parallel to the six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42, and is controlled to maintain a voltage of 3/(2N+2)E. The outermost flying capacitor C1n is connected in parallel to 2N switching elements S1(n-1), ..., S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, S43, ..., S4(n-1), and is controlled to maintain a voltage of N/(2N+2)E.

図7、図10に示した第1フライングキャパシタ回路及び第2フライングキャパシタ回路では、図12(a)に示した1段のフライングキャパシタ回路を使用している。1段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に3レベル(E、1/2E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図12(b)に示した2段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に5レベル(E、2/3E、1/2E、1/3E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図12(c)に示した3段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に7レベル(E、3/4E、5/8E、1/2E、3/8E、1/4E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図13に示したN段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に(2N+1)レベルの電圧を発生させることが可能となる。 In the first and second flying capacitor circuits shown in FIG. 7 and FIG. 10, the one-stage flying capacitor circuit shown in FIG. 12(a) is used. When the one-stage flying capacitor circuit is used, it is possible to generate a voltage of three levels (E, 1/2E, 0) between the midpoint of the first flying capacitor circuit and the midpoint of the second flying capacitor circuit. When the two-stage flying capacitor circuit shown in FIG. 12(b) is used, it is possible to generate a voltage of five levels (E, 2/3E, 1/2E, 1/3E, 0) between the midpoint of the first flying capacitor circuit and the midpoint of the second flying capacitor circuit. When the three-stage flying capacitor circuit shown in FIG. 12(c) is used, it is possible to generate a voltage of seven levels (E, 3/4E, 5/8E, 1/2E, 3/8E, 1/4E, 0) between the midpoint of the first flying capacitor circuit and the midpoint of the second flying capacitor circuit. By using the N-stage flying capacitor circuit shown in FIG. 13, it is possible to generate (2N+1) levels of voltage between the midpoint of the first flying capacitor circuit and the midpoint of the second flying capacitor circuit.

フライングキャパシタ回路の段数を増やすほど、安価で耐圧が低いスイッチング素子を使用することができる一方、使用するスイッチング素子の数が増大する。従って設計者は、トータルのコストとトータルの変換効率を考慮して、フライングキャパシタ回路の最適な段数を決定すればよい。また、高圧側直流部の電圧が1000Vを超えるアプリケーションや、10000Vを超えるアプリケーションでは、各スイッチング素子の耐圧を下げるために、フライングキャパシタ回路の段数を増やすことが有効である。 Increasing the number of stages in a flying capacitor circuit allows the use of cheaper switching elements with lower voltage resistance, but it also increases the number of switching elements used. Therefore, designers need only determine the optimal number of stages in the flying capacitor circuit, taking into account the total cost and total conversion efficiency. Also, in applications where the voltage of the high-voltage side DC section exceeds 1000V or exceeds 10,000V, it is effective to increase the number of stages in the flying capacitor circuit in order to reduce the voltage resistance of each switching element.

フライングキャパシタ回路の段数がいずれの場合であっても、上述したソフトプリチャージ機能でフライングキャパシタをプリチャージすることにより、フライングキャパシタ部30の両端のスイッチング素子が耐圧超過に陥ることを防止することができる。 Regardless of the number of stages in the flying capacitor circuit, the switching elements at both ends of the flying capacitor section 30 can be prevented from exceeding their withstand voltage by precharging the flying capacitor with the soft precharge function described above.

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。 The embodiment may be specified by the following:

[項目1]
低圧側直流電源(1)に並列接続される低圧側コンデンサ(C3)と、
高圧側直流電源(2)に並列接続される高圧側コンデンサ(C4)と、
直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)と、少なくとも一つのフライングキャパシタ(C1-C2)を含み、前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)の両端に前記高圧側直流電源(2)が接続され、前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)を構成する一部の複数のスイッチング素子(S3-S6)の両端に前記低圧側直流電源(1)が接続される、フライングキャパシタ部(30)と、
前記低圧側コンデンサ(C3)の両端と、前記一部の複数のスイッチング素子(S3-S6)の両端間の経路に挿入される少なくとも一つのリアクトル(L1-L2)と、
前記高圧側コンデンサ(C4)と前記高圧側直流電源(2)間の経路に挿入されるスイッチ回路(50)と、
を備える、
DC/DC変換装置(3)。
これによれば、高圧側直流電源(2)からではなく、低圧側直流電源(1)からフライングキャパシタ(C1-C2)を安全にプリチャージすることができる。
[項目2]
前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)とそれぞれ並列接続された複数の抵抗(R1-R8)と、
前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)と、前記スイッチ回路(50)を制御する制御部(40)と、
をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記DC/DC変換装置(3)の起動時において、
前記スイッチ回路(50)をオフ状態に制御するとともに、前記低圧側直流電源(1)から前記低圧側コンデンサ(C3)、前記高圧側コンデンサ(C4)、及び前記少なくとも一つのフライングキャパシタ(C1-C2)が充電されるように、前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)を制御し、
前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が前記低圧側直流電源(1)の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が昇圧されるように、前記直列接続された複数のスイッチング素子(S1-S8)を制御し、
前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が前記高圧側直流電源(2)の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記スイッチ回路(50)をオン状態に制御する、
項目1に記載のDC/DC変換装置(3)。
これによれば、フライングキャパシタ(C1-C2)の電圧を、高圧側コンデンサ(C4)の電圧上昇に応じて徐々に上昇させることができ、フライングキャパシタ(C1-C2)を安全にプリチャージすることができる。
[項目3]
前記フライングキャパシタ部(30)は、
直列接続された第1スイッチング素子(S1)、第2スイッチング素子(S2)、第3スイッチング素子(S3)、第4スイッチング素子(S4)と、第5スイッチング素子(S5)、第6スイッチング素子(S6)、第7スイッチング素子(S7)及び第8スイッチング素子(S8)と、
前記第1スイッチング素子(S1)と第2スイッチング素子(S2)との接続点と、第3スイッチング素子(S3)と第4スイッチング素子(S4)との接続点との間に接続された第1フライングキャパシタ(C1)と、
前記第5スイッチング素子(S5)と第6スイッチング素子(S6)との接続点と、第7スイッチング素子(S7)と第8スイッチング素子(S8)との接続点との間に接続された第2フライングキャパシタ(C2)と、を含み、
前記低圧側直流電源(1)の正側端子が、前記第2スイッチング素子(S2)と前記第3スイッチング素子(S3)との間の接続点に電気的に接続され、
前記低圧側直流電源(1)の負側端子が、前記第6スイッチング素子(S6)と前記第7スイッチング素子(S7)との間の接続点に電気的に接続される、
項目1に記載のDC/DC変換装置(3)。
これによれば、3レベルのマルチレベルDC/DC変換装置(3)を実現することができる。高圧側直流電源(2)と並列に、8個のスイッチング素子(S1-S8)を直列接続することにより、従来より低耐圧のスイッチング素子を使用することが可能となる。
[項目4]
前記第1スイッチング素子(S1)-前記第8スイッチング素子(S8)にそれぞれ並列接続された第1抵抗(R1)-第8抵抗(R8)と、
前記第1スイッチング素子(S1)-前記第8スイッチング素子(S8)と、前記スイッチ回路(50)を制御する制御部(40)をさらに備え、
前記制御部(40)は、前記DC/DC変換装置(3)の起動時において、
前記スイッチ回路(50)と、前記第3スイッチング素子(S3)、前記第4スイッチング素子(S4)と、前記第5スイッチング素子(S5)及び前記第6スイッチング素子(S6)をオフ状態に制御し、
前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が前記低圧側直流電源(1)の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が昇圧されるように、前記第1スイッチング素子(S1)-前記第8スイッチング素子(S8)を制御し、
前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧が前記高圧側直流電源(2)の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記スイッチ回路(50)をオン状態に制御する、
項目3に記載のDC/DC変換装置(3)。
これによれば、第1フライングキャパシタ(C1)と第2フライングキャパシタ(C2)の電圧を、高圧側コンデンサ(C4)の電圧上昇に応じて徐々に上昇させることができ、第1フライングキャパシタ(C1)と第2フライングキャパシタ(C2)を安全にプリチャージすることができる。
[項目5]
前記制御部(40)は、
前記第2スイッチング素子(S2)、前記第4スイッチング素子(S4)、前記第5スイッチング素子(S5)及び前記第7スイッチング素子(S7)をオン状態、並びに前記第1スイッチング素子(S1)、前記第3スイッチング素子(S3)、前記第6スイッチング素子(S6)及び前記第8スイッチング素子(S8)をオフ状態に制御する第1モード、
前記第1スイッチング素子(S1)、前記第3スイッチング素子(S3)、前記第6スイッチング素子(S6)及び前記第8スイッチング素子(S8)をオン状態 並びに前記第2スイッチング素子(S2)、前記第4スイッチング素子(S4)、前記第5スイッチング素子(S5)及び前記第7スイッチング素子(S7)をオフ状態に制御する第2モード、
前記第1スイッチング素子(S1)、前記第2スイッチング素子(S2)、前記第7スイッチング素子(S7)及び前記第8スイッチング素子(S8)をオン状態 並びに前記第3スイッチング素子(S3)、前記第4スイッチング素子(S4)、前記第5スイッチング素子(S5)及び前記第6スイッチング素子(S6)をオフ状態に制御する第3モード、
前記第3スイッチング素子(S3)、前記第4スイッチング素子(S4)、前記第5スイッチング素子(S5)及び前記第6スイッチング素子(S6)をオン状態 並びに前記第1スイッチング素子(S1)、前記第2スイッチング素子(S2)、前記第7スイッチング素子(S7)及び前記第8スイッチング素子(S8)をオフ状態に制御する第4モード、の4つのモードの内、
前記第1モードと、前記第2モードと、前記第3モード又は前記第4モードとの3つのモードを使用して、前記高圧側コンデンサ(C4)の電圧を昇圧させる、
項目4に記載のDC/DC変換装置(3)。
これによれば、3つのモードを組み合わせて、高効率な昇圧動作が可能となる。
[項目6]
前記スイッチ回路(50)は、
ソース端子が前記高圧側コンデンサ(C4)、ドレイン端子が前記高圧側直流電源(2)に接続される、NチャンネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)(S9)である、
項目1から5のいずれか1項に記載のDC/DC変換装置(3)。
これによれば、高圧側コンデンサ(C4)の電圧が高圧側直流電源(2)の電圧より高くならないように、高圧側コンデンサ(C4)の電圧がクランプさせることができる。また、スイッチ回路(50)を低コストで構成することができる。
[Item 1]
A low-voltage side capacitor (C3) connected in parallel to the low-voltage side DC power supply (1);
A high-voltage side capacitor (C4) connected in parallel to the high-voltage side DC power supply (2);
a flying capacitor section (30) including a plurality of switching elements (S1-S8) connected in series and at least one flying capacitor (C1-C2), the high-voltage side DC power supply (2) being connected across both ends of the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series, and the low-voltage side DC power supply (1) being connected across both ends of a portion of a plurality of switching elements (S3-S6) constituting the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series;
At least one reactor (L1-L2) inserted in a path between both ends of the low-voltage side capacitor (C3) and both ends of the part of the plurality of switching elements (S3-S6);
a switch circuit (50) inserted in a path between the high-voltage side capacitor (C4) and the high-voltage side DC power supply (2);
Equipped with
DC/DC converter (3).
This makes it possible to safely precharge the flying capacitors (C1-C2) from the low-voltage side DC power supply (1) rather than from the high-voltage side DC power supply (2).
[Item 2]
a plurality of resistors (R1-R8) connected in parallel with the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series;
a control unit (40) that controls the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series and the switch circuit (50);
Further equipped with
The control unit (40) performs, at the start-up of the DC/DC conversion device (3),
The switch circuit (50) is controlled to an off state, and the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series are controlled so that the low-voltage side capacitor (C3), the high-voltage side capacitor (C4), and the at least one flying capacitor (C1-C2) are charged from the low-voltage side DC power supply (1);
After the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) rises to a voltage corresponding to the voltage of the low-voltage side DC power supply (1), the plurality of switching elements (S1-S8) connected in series are controlled so that the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) is boosted;
After the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) rises to a voltage corresponding to the voltage of the high-voltage side DC power supply (2), the switch circuit (50) is controlled to be in an on state.
Item 2. A DC/DC conversion device (3) according to item 1.
This allows the voltage of the flying capacitors (C1-C2) to be gradually increased in accordance with the increase in voltage of the high-voltage side capacitor (C4), and allows the flying capacitors (C1-C2) to be safely precharged.
[Item 3]
The flying capacitor section (30) comprises:
a first switching element (S1), a second switching element (S2), a third switching element (S3), a fourth switching element (S4), a fifth switching element (S5), a sixth switching element (S6), a seventh switching element (S7), and an eighth switching element (S8) connected in series;
a first flying capacitor (C1) connected between a connection point between the first switching element (S1) and the second switching element (S2) and a connection point between the third switching element (S3) and the fourth switching element (S4);
a second flying capacitor (C2) connected between a connection point between the fifth switching element (S5) and the sixth switching element (S6) and a connection point between the seventh switching element (S7) and the eighth switching element (S8);
a positive terminal of the low-voltage side DC power supply (1) is electrically connected to a connection point between the second switching element (S2) and the third switching element (S3);
A negative terminal of the low-voltage side DC power supply (1) is electrically connected to a connection point between the sixth switching element (S6) and the seventh switching element (S7).
Item 2. A DC/DC conversion device (3) according to item 1.
This makes it possible to realize a three-level multilevel DC/DC converter (3). By connecting eight switching elements (S1-S8) in series in parallel with the high-voltage side DC power supply (2), it becomes possible to use switching elements with lower voltage resistance than before.
[Item 4]
a first resistor R1 to an eighth resistor R8 connected in parallel to the first switching element S1 to the eighth switching element S8, respectively;
The power supply circuit further includes a control unit (40) that controls the first switching element (S1) to the eighth switching element (S8) and the switch circuit (50),
The control unit (40) performs, at the start-up of the DC/DC conversion device (3),
The switch circuit (50), the third switching element (S3), the fourth switching element (S4), the fifth switching element (S5), and the sixth switching element (S6) are controlled to be in an off state,
After the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) rises to a voltage corresponding to the voltage of the low-voltage side DC power source (1), the first switching element (S1) to the eighth switching element (S8) are controlled so that the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) is boosted;
After the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) rises to a voltage corresponding to the voltage of the high-voltage side DC power supply (2), the switch circuit (50) is controlled to be in an on state.
Item 3. A DC/DC conversion device (3) according to item 3.
This allows the voltages of the first flying capacitor (C1) and the second flying capacitor (C2) to be gradually increased in accordance with the increase in voltage of the high-voltage side capacitor (C4), and allows the first flying capacitor (C1) and the second flying capacitor (C2) to be safely pre-charged.
[Item 5]
The control unit (40)
a first mode in which the second switching element (S2), the fourth switching element (S4), the fifth switching element (S5), and the seventh switching element (S7) are controlled to an on state, and the first switching element (S1), the third switching element (S3), the sixth switching element (S6), and the eighth switching element (S8) are controlled to an off state;
a second mode in which the first switching element (S1), the third switching element (S3), the sixth switching element (S6), and the eighth switching element (S8) are controlled to an ON state and the second switching element (S2), the fourth switching element (S4), the fifth switching element (S5), and the seventh switching element (S7) are controlled to an OFF state;
a third mode in which the first switching element (S1), the second switching element (S2), the seventh switching element (S7), and the eighth switching element (S8) are controlled to an ON state, and the third switching element (S3), the fourth switching element (S4), the fifth switching element (S5), and the sixth switching element (S6) are controlled to an OFF state;
a fourth mode in which the third switching element (S3), the fourth switching element (S4), the fifth switching element (S5), and the sixth switching element (S6) are controlled to be in an on state, and the first switching element (S1), the second switching element (S2), the seventh switching element (S7), and the eighth switching element (S8) are controlled to be in an off state;
The voltage of the high-voltage side capacitor (C4) is boosted by using three modes, namely, the first mode, the second mode, the third mode, and the fourth mode.
5. A DC/DC conversion device (3) according to item 4.
This allows a highly efficient boost operation by combining three modes.
[Item 6]
The switch circuit (50)
A source terminal of the N-channel MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) (S9) is connected to the high-voltage side capacitor (C4) and a drain terminal of the N-channel MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) (S9) is connected to the high-voltage side DC power supply (2).
6. A DC/DC conversion device (3) according to any one of items 1 to 5.
According to this, the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) can be clamped so that the voltage of the high-voltage side capacitor (C4) does not become higher than the voltage of the high-voltage side DC power supply (2). Also, the switch circuit (50) can be constructed at low cost.

1 低圧側直流電源、 2 高圧側直流電源、 3 DC/DC変換装置、 30 フライングキャパシタ部、 40 制御部、 41 電圧センサ、 50 スイッチ回路、 S1-S10 スイッチング素子、 D1-D11 ダイオード、 C1 第1フライングキャパシタ、 C2 第2フライングキャパシタ、 C3 低圧側コンデンサ、 C4 高圧側コンデンサ、 L1 第1リアクトル、 L2 第2リアクトル、 R1-R8 抵抗、 R9 制限抵抗、 RY1 リレー。 1 Low-voltage side DC power supply, 2 High-voltage side DC power supply, 3 DC/DC conversion device, 30 Flying capacitor section, 40 Control section, 41 Voltage sensor, 50 Switch circuit, S1-S10 Switching elements, D1-D11 Diodes, C1 First flying capacitor, C2 Second flying capacitor, C3 Low-voltage side capacitor, C4 High-voltage side capacitor, L1 First reactor, L2 Second reactor, R1-R8 Resistor, R9 Limiting resistor, RY1 Relay.

Claims (4)

低圧側直流電源に並列接続される低圧側コンデンサと、
高圧側直流電源に並列接続される高圧側コンデンサと、
直列接続された複数のスイッチング素子と、少なくとも一つのフライングキャパシタを含み、前記直列接続された複数のスイッチング素子の両端に前記高圧側直流電源が接続され、前記直列接続された複数のスイッチング素子を構成する一部の複数のスイッチング素子の両端に前記低圧側直流電源が接続される、フライングキャパシタ部と、
前記低圧側コンデンサの両端と、前記一部の複数のスイッチング素子の両端間の経路に挿入される少なくとも一つのリアクトルと、
前記高圧側コンデンサと前記高圧側直流電源間の経路に挿入されるスイッチ回路と、
前記直列接続された複数のスイッチング素子とそれぞれ並列接続された複数の抵抗と、
前記直列接続された複数のスイッチング素子と、前記スイッチ回路を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、本DC/DC変換装置の起動時において、
前記スイッチ回路をオフ状態に制御するとともに、前記低圧側直流電源から前記低圧側コンデンサ、前記高圧側コンデンサ、及び前記少なくとも一つのフライングキャパシタが充電されるように、前記直列接続された複数のスイッチング素子を制御し、
前記高圧側コンデンサの電圧が前記低圧側直流電源の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記高圧側コンデンサの電圧がさらに上昇されるように、前記直列接続された複数のスイッチング素子を制御し、
前記高圧側コンデンサの電圧が前記高圧側直流電源の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記スイッチ回路をオン状態に制御する、
DC/DC変換装置。
a low-voltage side capacitor connected in parallel to the low-voltage side DC power supply;
A high-voltage side capacitor connected in parallel to the high-voltage side DC power supply;
a flying capacitor unit including a plurality of switching elements connected in series and at least one flying capacitor, the high-voltage side DC power supply being connected to both ends of the plurality of switching elements connected in series, and the low-voltage side DC power supply being connected to both ends of a portion of the plurality of switching elements constituting the plurality of switching elements connected in series;
at least one reactor inserted in a path between both ends of the low-voltage side capacitor and both ends of the part of the plurality of switching elements;
a switch circuit inserted in a path between the high-voltage side capacitor and the high-voltage side DC power supply;
a plurality of resistors connected in parallel with the plurality of switching elements connected in series, respectively;
A control unit that controls the plurality of switching elements connected in series and the switch circuit;
Equipped with
When the DC/DC conversion device is started, the control unit
controlling the switch circuit to an off state and controlling the plurality of switching elements connected in series so that the low-voltage side capacitor, the high-voltage side capacitor, and the at least one flying capacitor are charged from the low-voltage side DC power supply;
After the voltage of the high-voltage side capacitor has increased to a voltage corresponding to the voltage of the low-voltage side DC power supply, the plurality of switching elements connected in series are controlled so that the voltage of the high-voltage side capacitor is further increased;
After the voltage of the high-voltage side capacitor has increased to a voltage corresponding to the voltage of the high-voltage side DC power supply, the switch circuit is controlled to an on state.
DC/DC conversion device.
低圧側直流電源に並列接続される低圧側コンデンサと、
高圧側直流電源に並列接続される高圧側コンデンサと、
直列接続された複数のスイッチング素子と、少なくとも一つのフライングキャパシタを含み、前記直列接続された複数のスイッチング素子の両端に前記高圧側直流電源が接続され、前記直列接続された複数のスイッチング素子を構成する一部の複数のスイッチング素子の両端に前記低圧側直流電源が接続される、フライングキャパシタ部と、
前記低圧側コンデンサの両端と、前記一部の複数のスイッチング素子の両端間の経路に挿入される少なくとも一つのリアクトルと、
前記高圧側コンデンサと前記高圧側直流電源間の経路に挿入されるスイッチ回路と、
を備えたDC/DC変換装置であって
前記フライングキャパシタ部は、
前記直列接続された複数のスイッチング素子である、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子、第4スイッチング素子と、第5スイッチング素子、第6スイッチング素子、第7スイッチング素子及び第8スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との接続点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との接続点との間に接続された、前記少なくとも一つのフライングキャパシタの一つである第1フライングキャパシタと、
前記第5スイッチング素子と第6スイッチング素子との接続点と、第7スイッチング素子と第8スイッチング素子との接続点との間に接続された、前記少なくとも一つのフライングキャパシタの一つである第2フライングキャパシタと、を含み、
前記DC/DC変換装置は、
前記第1スイッチング素子-前記第8スイッチング素子にそれぞれ並列接続された第1抵抗-第8抵抗と、
前記第1スイッチング素子-前記第8スイッチング素子と、前記スイッチ回路を制御する制御部をさらに備え、
前記低圧側直流電源の正側端子が、前記第2スイッチング素子と前記第3スイッチング素子との間の接続点に電気的に接続され、
前記低圧側直流電源の負側端子が、前記第6スイッチング素子と前記第7スイッチング素子との間の接続点に電気的に接続され
前記制御部は、本DC/DC変換装置の起動時において、
前記スイッチ回路と、前記第3スイッチング素子、前記第4スイッチング素子と、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子をオフ状態に制御し、
前記高圧側コンデンサの電圧が前記低圧側直流電源の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記高圧側コンデンサの電圧がさらに上昇されるように、前記第1スイッチング素子-前記第8スイッチング素子を制御し、
前記高圧側コンデンサの電圧が前記高圧側直流電源の電圧に対応する電圧まで上昇した後、前記スイッチ回路をオン状態に制御する、
DC/DC変換装置。
a low-voltage side capacitor connected in parallel to the low-voltage side DC power supply;
A high-voltage side capacitor connected in parallel to the high-voltage side DC power supply;
a flying capacitor unit including a plurality of switching elements connected in series and at least one flying capacitor, the high-voltage side DC power supply being connected to both ends of the plurality of switching elements connected in series, and the low-voltage side DC power supply being connected to both ends of a portion of the plurality of switching elements constituting the plurality of switching elements connected in series;
at least one reactor inserted in a path between both ends of the low-voltage side capacitor and both ends of the part of the plurality of switching elements;
a switch circuit inserted in a path between the high-voltage side capacitor and the high-voltage side DC power supply;
A DC/DC conversion device comprising :
The flying capacitor unit includes:
the plurality of switching elements connected in series, including a first switching element, a second switching element, a third switching element, a fourth switching element, a fifth switching element, a sixth switching element, a seventh switching element, and an eighth switching element;
a first flying capacitor, which is one of the at least one flying capacitor, connected between a connection point between the first switching element and the second switching element and a connection point between the third switching element and the fourth switching element;
a second flying capacitor, which is one of the at least one flying capacitor, connected between a connection point between the fifth switching element and the sixth switching element and a connection point between the seventh switching element and the eighth switching element;
The DC/DC conversion device includes:
a first resistor and an eighth resistor connected in parallel to the first switching element and the eighth switching element, respectively;
A control unit that controls the first switching element to the eighth switching element and the switch circuit,
a positive terminal of the low-voltage side DC power supply is electrically connected to a connection point between the second switching element and the third switching element,
a negative terminal of the low-voltage DC power supply is electrically connected to a connection point between the sixth switching element and the seventh switching element ,
When the DC/DC conversion device is started, the control unit
controlling the switch circuit, the third switching element, the fourth switching element, the fifth switching element, and the sixth switching element to an off state;
After the voltage of the high-voltage side capacitor has increased to a voltage corresponding to the voltage of the low-voltage side DC power supply, the first switching element-the eighth switching element are controlled so that the voltage of the high-voltage side capacitor is further increased;
After the voltage of the high-voltage side capacitor has increased to a voltage corresponding to the voltage of the high-voltage side DC power supply, the switch circuit is controlled to an on state.
DC/DC conversion device.
前記制御部は、
前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第7スイッチング素子をオン状態、並びに前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をオフ状態に制御する第1モード、
前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をオン状態、並びに前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第7スイッチング素子をオフ状態に制御する第2モード、
前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第7スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をオン状態、並びに前記第3スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子をオフ状態に制御する第3モード、
前記第3スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子をオン状態、並びに前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第7スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をオフ状態に制御する第4モード、の4つのモードの内、
前記第1モードと、前記第2モードと、前記第3モード又は前記第4モードとの3つのモードを使用して、前記高圧側コンデンサの電圧をさらに上昇させる、
請求項2に記載のDC/DC変換装置。
The control unit is
a first mode in which the second switching element, the fourth switching element, the fifth switching element, and the seventh switching element are controlled to an on state, and the first switching element, the third switching element, the sixth switching element, and the eighth switching element are controlled to an off state;
a second mode in which the first switching element, the third switching element, the sixth switching element, and the eighth switching element are controlled to an on state, and the second switching element, the fourth switching element, the fifth switching element, and the seventh switching element are controlled to an off state;
a third mode in which the first switching element, the second switching element, the seventh switching element, and the eighth switching element are controlled to an on state, and the third switching element, the fourth switching element, the fifth switching element, and the sixth switching element are controlled to an off state;
a fourth mode in which the third switching element, the fourth switching element, the fifth switching element, and the sixth switching element are controlled to be in an on state, and the first switching element, the second switching element, the seventh switching element, and the eighth switching element are controlled to be in an off state;
further increasing the voltage of the high-voltage side capacitor by using three modes, namely, the first mode, the second mode, and the third mode or the fourth mode;
3. The DC/DC conversion device according to claim 2.
前記スイッチ回路は、
ソース端子が前記高圧側コンデンサ、ドレイン端子が前記高圧側直流電源に接続される、NチャンネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である、
請求項1から3のいずれか1項に記載のDC/DC変換装置。
The switch circuit includes:
A source terminal of the N-channel MOSFET is connected to the high-voltage side capacitor, and a drain terminal of the N-channel MOSFET is connected to the high-voltage side DC power supply.
The DC/DC conversion device according to claim 1 .
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