JP7527738B2 - Bidirectional DC/DC Converter - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電システムなどに用いられるARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole:補助共振転流ポール)回路を備えた双方向DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a bidirectional DC/DC converter equipped with an ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole) circuit for use in energy storage systems, etc.

夜間に価格の安い電力を蓄電池に蓄電しておき、昼間に蓄電池からの放電で機器を運転する蓄電システムは、蓄電池のほか、系統電源に接続される双方向インバータ、双方向DC/DCコンバータなどを備えて構成される。 A storage battery system stores cheap electricity at night and operates equipment by discharging the electricity from the battery during the day. In addition to the battery, the system is equipped with a bidirectional inverter and a bidirectional DC/DC converter that are connected to the power grid.

蓄電システムはいまだ高価なものであり、蓄電池の直列数を削減することで価格を下げる努力がなされている。蓄電池の直列数を削減すると、電池電圧が低下し、双方向DC/DCコンバータの昇降圧比が増加(充電時は降圧比増加、放電時は昇圧比増加)するため、変換効率の悪化が問題となっていた。効率悪化の対策技術としてARCP回路が提案されている。 Energy storage systems are still expensive, and efforts are being made to lower prices by reducing the number of storage batteries connected in series. Reducing the number of storage batteries connected in series reduces the battery voltage and increases the step-up/step-down ratio of the bidirectional DC/DC converter (step-down ratio increases when charging, step-up ratio increases when discharging), resulting in a problem of deterioration in conversion efficiency. The ARCP circuit has been proposed as a technology to address the deterioration in efficiency.

しかしながら、ARCP回路を採用しても、蓄電池の低価格化を考慮すると、昇降圧比が5倍程度にもなり、変換効率のさらなる改善が求められている。そこで、本出願人は図23、図24、図25および図15に示すような改良型のARCP回路を備えた双方向DC/DCコンバータを提案している。これらの各回路の基本的動作はほぼ共通している。 However, even if an ARCP circuit is used, the step-up/step-down ratio is about five times higher, and further improvements in conversion efficiency are required, considering the trend toward lowering the cost of storage batteries. Therefore, the applicant has proposed bidirectional DC/DC converters equipped with improved ARCP circuits as shown in Figures 23, 24, 25, and 15. The basic operation of each of these circuits is almost the same.

以下、図15の回路構成を例に挙げて説明する。図15において、Tp1は双方向インバータ側(本発明の「一方端側」)のハイサイド入出力端子、Tn1は双方向インバータ側のローサイド入出力端子、Tp2は蓄電池側(本発明の「他方端側」)のハイサイド入出力端子、BTは蓄電池、Tn2は蓄電池側のローサイド入出力端子、L1はハイサイドライン、L2はローサイドライン、C1は第1の平滑コンデンサ、C2は第2の平滑コンデンサ、Qm1はハイサイドのメインスイッチング素子、Qm2はローサイドのメインスイッチング素子、Dm1,Dm2は逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr1,Cr2は共振用コンデンサ(寄生コンデンサ)、Loutは出力用(充電方向で見た場合)の直流リアクトル、10はARCP回路、11は転流制御回路、12は整流回路、Lrは共振用リアクトル、Qt1はハイサイドの転流用スイッチング素子、Qt2はローサイドの転流用スイッチング素子、Dt1,Dt2は逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、T1は充放電兼用の共振用トランス、LT1は共振用トランスT1の一次巻線で、この一次巻線LT1はセンタータップを有しない1つ巻線方式の巻線に構成されている。LT2は共振用トランスT1のセンタータップ方式の二次巻線、LT21 は二次巻線LT2における第1の二次巻線、LT22 は二次巻線LT2における第2の二次巻線、D1は第1の整流ダイオード、D2は第2の整流ダイオードである。 The circuit configuration of FIG. 15 will be described below as an example. In FIG. 15 , Tp1 is a high-side input/output terminal on the bidirectional inverter side ("one end" of the present invention), Tn1 is a low-side input/output terminal on the bidirectional inverter side, Tp2 is a high-side input/output terminal on the storage battery side ("the other end" of the present invention), BT is a storage battery, Tn2 is a low-side input/output terminal on the storage battery side, L1 is a high-side line, L2 is a low-side line, C1 is a first smoothing capacitor, C2 is a second smoothing capacitor, Qm1 is a high-side main switching element, Qm2 is a low-side main switching element, Dm1 and Dm2 are anti-parallel connected diodes (parasitic diodes), Cr1 and Cr2 are resonant capacitors (parasitic capacitors), Lout is an output (when viewed in the charging direction) DC reactor, 10 is an ARCP circuit, 11 is a commutation control circuit, 12 is a rectifier circuit, Lr is a resonant reactor, Qt1 is a high-side commutation switching element, Q t2 is a low-side commutation switching element, Dt1 and Dt2 are inverse-parallel connected diodes (parasitic diodes), T1 is a resonant transformer for both charging and discharging, Lt1 is a primary winding of the resonant transformer T1, and this primary winding Lt1 is configured as a single-winding winding without a center tap, Lt2 is a center-tapped secondary winding of the resonant transformer T1, Lt21 is a first secondary winding in the secondary winding Lt2 , Lt22 is a second secondary winding in the secondary winding Lt2 , D1 is a first rectifier diode, and D2 is a second rectifier diode.

図23の場合、ARCP回路10の構成要素である転流制御回路11の共振用トランスT0の一次巻線NH1,NL1に転流用スイッチング素子Qt1,Qt2を接続する直列回路において、その内部に逆流防止用のダイオードDG1,DG2を挿入しておく必要がある。図25の場合は、逆流防止用のダイオードD3,D4を挿入しておく必要がある。しかしながら、逆流防止用のダイオードにおいて電力消費が大きいという問題がある。 In the case of Fig. 23, it is necessary to insert reverse current prevention diodes DG1 , DG2 into a series circuit in which commutation switching elements Qt1, Qt2 are connected to primary windings NH1 , NL1 of resonance transformer T0 of commutation control circuit 11, which is a component of ARCP circuit 10. In the case of Fig. 25, it is necessary to insert reverse current prevention diodes D3, D4. However, there is a problem in that reverse current prevention diodes consume large power.

図15の回路構成の場合、共振用トランスT1の一次巻線LT1が共振用リアクトルLrに直列に接続されているため、逆流防止用のダイオードを省略できる。 In the case of the circuit configuration of FIG. 15, the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 is connected in series with the resonant reactor Lr, so that the diode for preventing reverse current can be omitted.

次に、図15に示す双方向DC/DCコンバータについて、図15~図20および図21のタイミングチャート(波形図)を用いて蓄電池からの放電モードの動作を説明する。 Next, the operation of the bidirectional DC/DC converter shown in Figure 15 in the discharge mode from the storage battery will be explained using the timing charts (waveform diagrams) of Figures 15 to 20 and Figure 21.

[A1]転流前定常状態
図15に示すように、ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2のいずれもがオフ状態にあるとき(図21のタイミングt1 )、直流リアクトルLoutがエネルギーを放出すると、第2の平滑コンデンサC2に並列接続されている蓄電池BTからの出力電流は、〔蓄電池BTの正極端子→直流リアクトルLout→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1に逆並列接続の寄生ダイオードDm1→(ハイサイドラインL1)→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→(ローサイドラインL2)→蓄電池BTの負極端子〕の経路で流れる。ここでは蓄電池BTの放電によって第1の平滑コンデンサC1に対する充電が行われている。第1の平滑コンデンサC1の両端子間の印加電圧、すなわち、ハイサイド入出力端子Tp1とローサイド入出力端子Tn1間の電圧は当該端子間に接続された双方向インバータ(図示省略)に出力され、双方向インバータを介して端子Tp1から端子Tn1に向けて電流が流れる。この動作モードは、転流動作以前の定常状態である。転流前にあっては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
[A1] Steady state before commutation As shown in Fig. 15, when the high-side and low-side main switching elements Qm1 , Qm2 and the high-side and low-side commutation switching elements Qt1 , Qt2 are all in the off state (timing t1 in Fig. 21), when the DC reactor Lout releases energy, the output current from the storage battery BT connected in parallel to the second smoothing capacitor C2 flows through the following path: [positive terminal of storage battery BT → DC reactor Lout → parasitic diode Dm1 connected in anti-parallel to the high-side main switching element Qm1 → (high-side line L1) → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → (low-side line L2) → negative terminal of storage battery BT]. Here, the first smoothing capacitor C1 is charged by discharging the storage battery BT. The voltage applied between both terminals of the first smoothing capacitor C1, i.e., the voltage between the high-side input/output terminal Tp1 and the low-side input/output terminal Tn1 , is output to a bidirectional inverter (not shown) connected between the terminals, and a current flows from the terminal Tp1 to the terminal Tn1 via the bidirectional inverter. This operation mode is a steady state before the commutation operation. Before the commutation, no current flows in the commutation control circuit 11, and no current flows in the rectifier circuit 12.

[A2]転流開始
図16に示すように、タイミングt2 において、転流制御回路11におけるローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオンすると、上記[A1]で逆並列接続の寄生ダイオードDm1に流れていた電流が徐々にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2の側に転流する。その転流電流は、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路で流れる。
16, at timing t2 , when the low-side commutation switching element Qt2 in the commutation control circuit 11 is turned on, the current that flowed through the anti-parallel connected parasitic diode Dm1 in the above [A1] gradually commutates to the low-side commutation switching element Qt2 . The commutation current flows through the path [storage battery BT → DC reactor Lout → resonant reactor Lr → primary winding Lt1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Qt2 → storage battery BT].

併せて、共振用トランスT1の一次巻線LT1から二次巻線LT2に誘起された電力により、整流回路12において、〔第1の二次巻線LT21 →第1の整流ダイオードD1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→二次巻線LT2のセンタータップ〕の経路と、〔第2の二次巻線LT22 →第2の整流ダイオードD2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→二次巻線LT2のセンタータップ〕の経路とに電流が流れる。 In addition, due to power induced in the secondary winding L T2 from the primary winding L T1 of the resonant transformer T1, in the rectifier circuit 12, a current flows through a path of [first secondary winding L T21 → first rectifier diode D1 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → center tap of the secondary winding L T2 ] and a path of [second secondary winding L T22 → second rectifier diode D2 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → center tap of the secondary winding L T2 ].

すなわち、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオンすることによって、それまでエネルギーを蓄積していた直流リアクトルLoutからエネルギーの放出が開始される。これにより、共振回路系における共振電流の生成の開始点となる。ここでは、第1の平滑コンデンサC1に対する充電が継続されている。 That is, when the low-side commutation switching element Qt2 is turned on, the DC reactor Lout that had been storing energy starts to release energy. This marks the start of the generation of a resonant current in the resonant circuit system. Here, the charging of the first smoothing capacitor C1 continues.

[A3]共振開始
図17に示すように、タイミングt3 において、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2はオン状態を継続し、上記[A2]の状態で流れていた〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路では引き続き電流が流れるが、共振用リアクトルLrおよび共振用トランスT1の一次巻線LT1を流れる電流が直流リアクトルLoutを流れる電流を超えると、ハイサイドおよびローサイドの共振用コンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、〔ローサイドの共振用コンデンサCr2→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→ローサイドの共振用コンデンサCr2〕の経路と、〔第1の平滑コンデンサC1→ハイサイドの共振用コンデンサCr1→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→第1の平滑コンデンサC1〕の経路で電流が流れる。その結果、ハイサイドおよびローサイドの共振用コンデンサCr1,Cr2と共振用トランスT1のリーケージインダクタンスとで共振が開始される。
[A3] Resonance begins As shown in FIG. 17, at timing t3 , the low-side commutation switching element Qt2 remains on, and current continues to flow through the path that it did in the state of [A2] above (storage battery BT → DC reactor Lout → resonant reactor Lr → primary winding L T1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → storage battery BT). However, when the current flowing through the resonant reactor Lr and the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 exceeds the current flowing through the DC reactor Lout, the high-side and low-side resonant capacitors C r1 , C r2 begin to charge and discharge. That is, current flows through a path of [low-side resonant capacitor C r2 → resonant reactor Lr → primary winding L T1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → low-side resonant capacitor C r2 ] and a path of [first smoothing capacitor C1 → high-side resonant capacitor C r1 → resonant reactor Lr → primary winding L T1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → first smoothing capacitor C1 ]. As a result, resonance begins between the high-side and low-side resonant capacitors C r1 and Cr2 and the leakage inductance of the resonant transformer T1.

ハイサイドの共振用コンデンサCr1では充電が行われ、ローサイドの共振用コンデンサCr2では放電が行われる。ローサイドの共振用コンデンサCr2、共振用リアクトルLr、共振用トランスT1の一次巻線LT1、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2からなる共振回路系を流れる共振電流ir の波形は、0レベルから正弦波状に立ち上がり、ピークに達するとこんどは0レベルに向けて立ち下がる。 The high-side resonant capacitor C r1 is charged, and the low-side resonant capacitor C r2 is discharged. The waveform of the resonant current i r flowing through the resonant circuit system consisting of the low-side resonant capacitor C r2 , the resonant reactor Lr, the primary winding L T1 of the resonant transformer T1, and the low-side commutation switching element Q t2 rises sinusoidally from the 0 level, reaches a peak, and then falls back toward the 0 level.

また、タイミングt3 からタイミングt4 にかけて、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2の印加電圧(ドレイン・ソース間電圧)が低減し、タイミングt4 におけるゼロボルトへと接近してゆく。なお、整流回路12での電流の流れは上記[A2]と同様のものとなる。 Furthermore, from timing t3 to timing t4 , the applied voltage (drain-source voltage) of the low-side main switching element Qm2 decreases and approaches zero volts at timing t4 . The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as that in [A2] above.

[A4]定常状態への遷移
図18に示すように、ローサイドの共振用コンデンサCr2の両端電圧つまりローサイドのメインスイッチング素子Qm2にかかるドレイン・ソース間電圧が0レベルになったタイミングt4 において、そのメインスイッチング素子Qm2がターンオンする。このローサイドのメインスイッチング素子Qm2のターンオンは、共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
18, at timing t4 when the voltage across the low-side resonant capacitor C r2 , i.e., the drain-source voltage applied to the low-side main switching element Q m2 , becomes zero level, the main switching element Q m2 is turned on. This turning on of the low-side main switching element Q m2 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to the resonance phenomenon, thereby reducing switching loss.

このタイミングt4 では、ハイサイドの共振用コンデンサCr1に対する充電とローサイドの共振用コンデンサCr2からの放電が終了し、第1の接続ノードN1の電圧がゼロボルトとなる。ただし、上記[A2]、[A3]の状態で流れていた〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路では引き続き電流が流れる。 At this timing t4 , charging of the high-side resonant capacitor C r1 and discharging of the low-side resonant capacitor C r2 end, and the voltage of the first connection node N1 becomes zero V. However, current continues to flow through the path [storage battery BT → DC reactor Lout → resonant reactor Lr → primary winding L T1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → storage battery BT] that flowed in the above states [A2] and [A3].

ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオンすると、そのメインスイッチング素子Qm2に電流が分流する。すなわち、共振用リアクトルLrに流れる電流(共振電流)が徐々に減少し、それまで〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→共振用リアクトルLr→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路で流れていた電流が、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→蓄電池BT〕の経路の流れへと遷移する。前者の共振電流は次第に減少し、後者のメインスイッチング素子Qm2を流れるドレイン電流は次第に増加する(タイミングt4 ~t5 )。共振回路系を流れる共振電流ir の波形は、ピーク経過後は0レベルに向けて立ち下がってゆく。 When the low-side main switching element Q m2 is turned on, a current is shunted to the main switching element Q m2 . That is, the current (resonant current) flowing through the resonant reactor Lr gradually decreases, and the current that had previously flowed through the path [storage battery BT → DC reactor Lout → resonant reactor Lr → primary winding L T1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → storage battery BT] transitions to the path [storage battery BT → DC reactor Lout → low-side main switching element Q m2 → storage battery BT]. The former resonant current gradually decreases, and the latter drain current flowing through the main switching element Q m2 gradually increases (timing t 4 to t 5 ). The waveform of the resonant current i r flowing through the resonant circuit system falls toward the 0 level after passing the peak.

なお、整流回路12での電流の流れは上記[A2],[A3]と同様のものとなる。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as that described above in [A2] and [A3].

[A5]定常状態
図19に示すように、タイミングt5 は共振用リアクトルLrおよび共振用トランスT1の一次巻線LT1を通る共振電流が無くなった時点であるが、その直後のタイミングt6 において、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
19, at timing t5 , the resonant current passing through the resonant reactor Lr and the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 disappears, and immediately thereafter at timing t6 , the low-side commutation switching element Q t2 is turned off. This turning off of the commutation switching element Q t2 utilizes soft switching (zero current switching (ZCS)), thereby reducing switching loss.

蓄電池BTからの電流は、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→蓄電池BT〕の経路のみを流れることになる。転流制御回路11における共振用リアクトルLrおよび共振用トランスT1の一次巻線LT1を通る共振電流は流れなくなるとともに、整流回路12でも電流は流れなくなり、定常状態に移行する。その結果、直流リアクトルLoutにエネルギーが蓄積される。 The current from the storage battery BT flows only through the path [storage battery BT → DC reactor Lout → low-side main switching element Qm2 → storage battery BT]. The resonant current through the resonant reactor Lr and the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 in the commutation control circuit 11 stops flowing, and the current also stops flowing in the rectifier circuit 12, resulting in a transition to a steady state. As a result, energy is stored in the DC reactor Lout.

[A6]転流前定常状態へ回帰
図20に示すように、タイミングt7 において、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオフすると、[A1]の転流前定常状態に回帰する。このメインスイッチング素子Qm2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
20, when the low-side main switching element Qm2 is turned off at timing t7 , the state returns to the pre-commutation steady state of [A1]. This turning off of the main switching element Qm2 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)), and switching loss is reduced.

“高効率・双方向絶縁型DCDCコンバータ”、[online]、2014年、ポニー電機株式会社、[令和3年2月17日検索]、インターネット<URL:http://pony-e.jp/High_efficiency_bi-directional_insulated_DCDCconverter.pdf>“High-efficiency bidirectional insulated DCDC converter”, [online], 2014, Pony Electric Co., Ltd., [Retrieved February 17, 2021], Internet <URL: http://pony-e.jp/High_efficiency_bi-directional_insulated_DCDCconverter.pdf>

上記の従来例の説明において、図21は負荷条件が標準負荷の場合のタイミングチャート(波形図)を表している。ここで、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2を流れる電流im2の波形と共振用リアクトルLrを流れる共振電流irの波形との関係を考察する。 In the above description of the conventional example, a timing chart (waveform diagram) is shown in Fig. 21 when the load condition is a standard load. Here, the relationship between the waveform of the current i m2 flowing through the low-side main switching element Q m2 and the waveform of the resonant current i r flowing through the resonant reactor Lr will be considered.

共振電流ir の波形がピークを過ぎた時点から0レベルに収束するタイミングt4 辺りからタイミングt6 の期間において、メインスイッチング素子Qm2を流れる電流im2の波形が立ち上がり、これに連動するかたちで共振電流ir の波形が立ち下がっている。つまり、一方の増加のタイミングと他方の減少のタイミングとが互いに重なり合って、全体としてバランスが図られており、共振電流ir の正弦波状の波形形成を支えている。 In the period from about timing t4 to timing t6 , when the waveform of the resonant current i r passes its peak and converges to the 0 level, the waveform of the current i m2 flowing through the main switching element Q m2 rises, and in conjunction with this, the waveform of the resonant current i r falls. In other words, the timing of the increase in one and the timing of the decrease in the other overlap each other, achieving an overall balance, and supporting the formation of a sine wave-like waveform of the resonant current i r .

しかしながら、このような適正な動作態様は、負荷条件が標準負荷であるという制約のもとに成立している。もし、負荷条件が軽負荷となれば、動作態様は不適正なものとなってしまう。以下、この問題点について説明する。 However, this proper operating mode is only possible under the constraint that the load conditions are standard loads. If the load conditions are light, the operating mode becomes inappropriate. This problem is explained below.

軽負荷時にあっては、図22に示すように、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2のオン期間が短いものとなり、これに伴ってローサイドのメインスイッチング素子Qm2を流れる電流im2のパルス幅も短いものとなる。それにもかかわらず、共振電流ir の波形が標準負荷の場合(図21)と同様の比較的大きな時間幅をもつもののままであるために、メインスイッチング素子Qm2を流れる電流im2の波形の立ち上がりの期間と同じ期間に共振電流ir の波形も立ち上がることとなり、一方の増加のタイミングと他方の増加のタイミングとが互いに重なり合ってしまい、上記の標準負荷の場合の、一方の増加のタイミングと他方の減少のタイミングとが互いに重なり合ってバランスを保つという条件が崩れてしまっている。また、共振電流ir のピークを過ぎた時点から0レベルに収束する時点までの正弦半波の後半部が、メインスイッチング素子Qm2を流れる電流im2の波形の“H”レベル部分からはみ出したかたちになっている。 At the time of light load, as shown in Fig. 22, the ON period of the low-side main switching element Q m2 becomes short, and accordingly, the pulse width of the current i m2 flowing through the low-side main switching element Q m2 also becomes short. Nevertheless, since the waveform of the resonant current i r remains the same as that at the time of the standard load (Fig. 21) with a relatively large time width, the waveform of the resonant current i r also rises in the same period as the rising period of the waveform of the current i m2 flowing through the main switching element Q m2 , and the timing of the increase of one and the timing of the increase of the other overlap with each other, thus destroying the condition at the time of the standard load described above that the timing of the increase of one and the timing of the decrease of the other overlap with each other to maintain balance. In addition, the latter half of the sine half wave from the time when the resonant current i r passes the peak to the time when it converges to the 0 level protrudes from the "H" level part of the waveform of the current i m2 flowing through the main switching element Q m2 .

このような共振電流ir の波形の位相関係の齟齬は、軽負荷時においてARCP回路の共振許容時間が確保できないということを意味し、そのことのために軽負荷時にはARCP回路の動作を一時的に停止させなければならず、結果としてスイッチングロスを増大させる不都合を招いていた。 Such a discrepancy in the phase relationship of the waveform of the resonant current i r means that the allowable resonance time of the ARCP circuit cannot be secured under light load conditions, and as a result, the operation of the ARCP circuit must be temporarily stopped under light load conditions, resulting in the inconvenience of increased switching loss.

以上の不具合の問題は、図15~図20で説明したところの、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のターンオンからローサイドのメインスイッチング素子Qm2のターンオンを経て、次いでローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のターンオフからローサイドのメインスイッチング素子Qm2のターンオフに至る遷移を伴う放電モード(昇圧モード)において、軽負荷時に発生するものであるが、同様の問題が、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のターンオンからハイサイドのメインスイッチング素子Qm1のターンオンを経て、次いでハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のターンオフからハイサイドのメインスイッチング素子Qm1のターンオフに至る遷移を伴う充電モード(降圧モード)においても、軽負荷時に発生する。 The above-mentioned problems occur under light load in the discharge mode (step-up mode) accompanied by a transition from turning on of the low-side commutation switching element Qt2 to turning on of the low-side main switching element Qm2 , and then turning off of the low-side commutation switching element Qt2 to turning off of the low-side main switching element Qm2 , as described in FIGS. 15 to 20. However, a similar problem also occurs under light load in the charge mode (step-down mode) accompanied by a transition from turning on of the high-side commutation switching element Qt1 to turning on of the high-side main switching element Qm1 , and then turning off of the high-side commutation switching element Qt1 to turning off of the high-side main switching element Qm1 .

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、負荷条件が軽負荷になっても、ARCP回路の動作を停止せずに継続させて対応でき、スイッチングロスの低減効果を実現することを目的としている。 The present invention was created in consideration of these circumstances, and aims to achieve the effect of reducing switching loss by allowing the ARCP circuit to continue operating without stopping, even when the load conditions become light.

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。 The present invention solves the above problems by taking the following measures:

本発明による双方向DC/DCコンバータは、
一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入された、ハイサイドのメインスイッチング素子と出力用の直流リアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記直流リアクトルとを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
転流制御回路と整流回路からなり、前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記転流制御回路は、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に直列に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子とローサイドの転流用スイッチング素子とを含む転流用スイッチ直列回路と、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用リアクトルと、
前記共振用リアクトルの他端と前記転流用スイッチ直列回路との間に一次巻線が接続された共振用トランスとを有し、
前記整流回路は、前記共振用トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
さらに、軽負荷時に前記共振用リアクトルのインダクタンスを減少させる共振インダクタンス減少手段を備えることを特徴とする。
The bidirectional DC/DC converter according to the present invention comprises:
a first smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal and the low-side input/output terminal on one end;
a second smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal and the low-side input/output terminal on the other end;
a series circuit of a high-side main switching element and an output DC reactor, the series circuit being inserted in a high-side line connecting the high-side input/output terminal on the one end side and the high-side input/output terminal on the other end side;
a low-side main switching element inserted between a low-side line connecting the low-side input/output terminal on the one end side and the low-side input/output terminal on the other end side and a first connection node connecting the high-side main switching element and the DC reactor;
an ARCP circuit including a commutation control circuit and a rectifier circuit, the ARCP circuit being connected between the high side line and the low side line;
The commutation control circuit includes:
a commutation switch series circuit including a high-side commutation switching element and a low-side commutation switching element connected in series between the high-side line and the low-side line;
a resonant reactor having one end connected to the first connection node;
a resonant transformer having a primary winding connected between the other end of the resonant reactor and the commutation switch series circuit,
the rectifier circuit is connected between the high-side line and the low-side line in a state capable of receiving power induced in a secondary winding of the resonant transformer, and is configured to supply a current to the first smoothing capacitor only in one direction from the high-side line side to the low-side line side;
The power supply circuit further comprises a resonant inductance reducing means for reducing the inductance of the resonant reactor under a light load.

本発明の上記構成によれば、次のような作用効果が発揮される。 The above-mentioned configuration of the present invention provides the following effects:

負荷条件が軽負荷でなくて標準負荷のときは、共振インダクタンス減少手段が不動作で、共振用リアクトルはARCP回路内の転流制御回路においてその本来の実効性を発揮し、共振回路系の全インダクタンス値は比較的大きなものとなる。このため、ハイサイド・ローサイドの各一方サイドにおいて転流用スイッチング素子およびメインスイッチング素子のオンデューティが比較的に大きくて標準負荷状態にあるときは、共振電流の0レベルからピーク値を経て0レベルへ戻るまでの時間幅を持つ半波相当部分が、転流用スイッチング素子の立ち上がりタイミングからメインスイッチング素子の立ち下がりタイミングまでの時間領域内に収まる。 When the load condition is not a light load but a standard load, the resonant inductance reduction means is inactive, the resonant reactor exerts its inherent effectiveness in the commutation control circuit in the ARCP circuit, and the total inductance value of the resonant circuit system becomes relatively large. Therefore, when the on-duty of the commutation switching element and the main switching element on one side of the high side or low side is relatively large and in a standard load state, the half-wave portion, which has the time width from the 0 level of the resonant current to the peak value and back to the 0 level, falls within the time region from the rising timing of the commutation switching element to the falling timing of the main switching element.

負荷条件が標準負荷から軽負荷になると、ハイサイドまたはローサイドのメインスイッチング素子のオン時間を短く、オフ時間を長くする必要がある。その結果、転流用スイッチング素子およびメインスイッチング素子のオンデューティが短いものとなるが、従来技術の場合、共振電流の半波相当部分が転流用スイッチング素子の立ち上がりタイミングからメインスイッチング素子の立ち下がりタイミングまでの時間領域内に収まりきらなくなる。つまり、軽負荷になると、ARCP回路の共振許容時間を確保することができなくなり、ARCP回路の動作を停止することで対応しなければならない(スイッチングロスの増加)。 When the load condition changes from a standard load to a light load, it is necessary to shorten the on-time of the high-side or low-side main switching element and lengthen the off-time. As a result, the on-duty of the commutation switching element and the main switching element becomes short, but in the case of conventional technology, the half-wave portion of the resonant current cannot be contained within the time domain from the rising timing of the commutation switching element to the falling timing of the main switching element. In other words, when the load becomes light, it is no longer possible to ensure the resonant allowable time of the ARCP circuit, and it is necessary to deal with this by stopping the operation of the ARCP circuit (increased switching loss).

これに対し、本発明においては、負荷条件が標準負荷から軽負荷になると、共振インダクタンス減少手段が動作して共振用リアクトルのインダクタンスが減少する。共振回路系の全インダクタンス値を小さくすると、共振電流の周波数が高いものに切り替わり、共振電流の共振電流の0レベルからピーク値を経て0レベルへ戻るまでの半波相当部分の時間幅が短縮化される(共振電流の波形が急峻化する)。 In contrast, in the present invention, when the load condition changes from a standard load to a light load, the resonant inductance reducing means operates to reduce the inductance of the resonant reactor. When the total inductance value of the resonant circuit system is reduced, the frequency of the resonant current is switched to a higher one, and the time width of the half-wave portion of the resonant current from the 0 level to the peak value and back to the 0 level is shortened (the waveform of the resonant current becomes steeper).

つまり、軽負荷時には転流用スイッチング素子およびメインスイッチング素子のオンデューティが短縮化するのに対応させて、共振電流の半波相当部分の時間幅も短縮化するので、共振電流の半波相当部分が、転流用スイッチング素子の立ち上がりタイミングからメインスイッチング素子の立ち下がりタイミングまでの時間領域内に収まることとなり、ARCP回路の共振許容時間を確保することができる。 In other words, when the load is light, the on-duty of the commutation switching element and the main switching element is shortened, and the time width of the half-wave portion of the resonant current is also shortened, so that the half-wave portion of the resonant current falls within the time region from the rising edge of the commutation switching element to the falling edge of the main switching element, ensuring the allowable resonance time of the ARCP circuit.

上記観点から、共振インダクタンス減少手段の動作タイミングとしては、転流用スイッチング素子の立ち上がりタイミングからメインスイッチング素子の立ち下がりタイミングまでの時間が共振電流の半波相当部分の時間幅を超えるタイミングで共振インダクタンス減少手段を動作させることが好ましい。 From the above viewpoint, it is preferable that the resonant inductance reducing means is operated at a timing when the time from the rising edge of the commutation switching element to the falling edge of the main switching element exceeds the time width of the half-wave portion of the resonant current.

ここで、共振インダクタンス減少手段として、共振用リアクトルの両端子間に、当該共振用リアクトルを軽負荷時にバイパスして短絡するためのバイパス回路が接続されていることが好ましい。この構成によれば、共振用リアクトルの両端子間を短絡し、共振用リアクトルを共振回路系から切り離すことができる。すなわち、共振用リアクトルが有しているインダクタンス値を共振回路系において無効化することができる。 Here, as a resonant inductance reducing means, it is preferable that a bypass circuit is connected between both terminals of the resonant reactor to bypass and short-circuit the resonant reactor when the load is light. With this configuration, it is possible to short-circuit both terminals of the resonant reactor and to separate the resonant reactor from the resonant circuit system. In other words, the inductance value of the resonant reactor can be nullified in the resonant circuit system.

本発明によれば、軽負荷時に共振用リアクトルのインダクタンスを減少させる共振インダクタンス減少手段を設けたので、軽負荷時には転流用スイッチング素子およびメインスイッチング素子のオンデューティが短縮化するのに対応させて、共振電流の半波相当部分の時間幅も短縮化する。その結果、共振電流の半波相当部分が、転流用スイッチング素子の立ち上がりタイミングからメインスイッチング素子の立ち下がりタイミングまでの時間領域内に収まることとなり、ARCP回路の共振許容時間を確保することができ、負荷条件が軽負荷になっても、ARCP回路の動作を停止せずに継続させて対応し、スイッチングロスの低減効果を軽負荷時においても実現することができる。 According to the present invention, a resonant inductance reduction means is provided for reducing the inductance of the resonant reactor under light load conditions, and therefore the time width of the half-wave portion of the resonant current is shortened in response to the shortening of the on-duty of the commutation switching element and the main switching element under light load conditions. As a result, the half-wave portion of the resonant current falls within the time domain from the rising timing of the commutation switching element to the falling timing of the main switching element, and the resonant allowable time of the ARCP circuit can be secured. Even when the load condition becomes light, the operation of the ARCP circuit is continued without being stopped, and the effect of reducing switching loss can be achieved even under light load conditions.

本発明の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a bidirectional DC/DC converter according to an embodiment of the present invention; 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その1)FIG. 1 is a diagram for explaining the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その2)FIG. 2 is an explanatory diagram of the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 2) 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その3)FIG. 3 is an explanatory diagram of the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 3) 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その4)FIG. 4 is an explanatory diagram of the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その5)FIG. 5 is an explanatory diagram of the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の放電動作説明図(その6)FIG. 6 is an explanatory diagram of the discharge operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明に供するタイムチャート(波形図)FIG. 2 is a time chart (waveform diagram) for explaining the operation of the bidirectional DC/DC converter according to the embodiment; 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その1)FIG. 1 is a diagram illustrating the charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 1) 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その2)FIG. 2 is an explanatory diagram of the charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 2) 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その3)FIG. 3 is a diagram illustrating the charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その4)FIG. 4 is an explanatory diagram of the charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load. 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その5)Charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 5) 実施例の双方向DC/DCコンバータの軽負荷時の充電動作説明図(その6)Charging operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment under light load (part 6) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その1)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 1) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その2)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 2) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その3)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 3) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その4)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 4) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その5)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 5) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その6)Operational diagram of a conventional bidirectional DC/DC converter (part 6) 従来例の双方向DC/DCコンバータの動作説明に供するタイムチャート(波形図)FIG. 1 is a time chart (waveform diagram) for explaining the operation of a conventional bidirectional DC/DC converter; 従来例の問題点を指摘するタイミングチャート(波形図)Timing chart (waveform diagram) pointing out the problems of the conventional example その他の従来例の回路図(その1)Other conventional circuit diagrams (part 1) その他の従来例の回路図(その2)Other conventional circuit diagrams (part 2) その他の従来例の回路図(その3)Other conventional circuit diagrams (part 3)

以下、上記構成の本発明の双方向DC/DCコンバータにつき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。 The following describes in detail the bidirectional DC/DC converter of the present invention with the above configuration, using specific examples.

図1は本発明の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図である。図1において、Tp1は双方向インバータ側(本発明の「一方端側」)のハイサイド入出力端子、Tn1は双方向インバータ側のローサイド入出力端子、Tp2は蓄電池側(本発明の「他方端側」)のハイサイド入出力端子、Tn2は蓄電池側のローサイド入出力端子、L1はハイサイド入出力端子Tp1とハイサイド入出力端子Tp2とを接続するハイサイドライン、L2はローサイド入出力端子Tn1とローサイド入出力端子Tn2とを接続するローサイドライン、C1はインバータ側のハイサイド入出力端子Tp1とローサイド入出力端子Tn1との間に接続された第1の平滑コンデンサ、C2は蓄電池側のハイサイド入出力端子Tp2とローサイド入出力端子Tn2との間に接続された第2の平滑コンデンサ、Qm1はハイサイドのメインスイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Qm2はローサイドのメインスイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Dm1はハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の両端子間(ドレイン・ソース間)の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr1は同じ両端子間の共振用コンデンサ、Dm2はローサイドのメインスイッチング素子Qm2の両端子間(ドレイン・ソース間)の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr2は同じ両端子間の共振用コンデンサ、Loutは出力用の直流リアクトルである。 FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a bidirectional DC/DC converter according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1 , T p1 is a high-side input/output terminal on the bidirectional inverter side ("one end" of the invention), T n1 is a low-side input/output terminal on the bidirectional inverter side, T p2 is a high-side input/output terminal on the storage battery side ("the other end" of the invention), T n2 is a low-side input/output terminal on the storage battery side, L1 is a high-side line connecting the high-side input/output terminal T p1 and the high-side input/output terminal T p2 , L2 is a low-side line connecting the low-side input/output terminal T n1 and the low-side input / output terminal T n2 , C1 is a first smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal T p1 and the low-side input/output terminal T n1 on the inverter side, C2 is a second smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal T p2 and the low-side input/output terminal T n2 on the storage battery side, Q m1 is a high-side main switching element (NMOS transistor), Q m2 is a low-side main switching element (NMOS transistor), D m1 is a diode (parasitic diode) connected in reverse parallel between both terminals (drain-source) of the high-side main switching element Q m1 , C r1 is a resonant capacitor between the same two terminals, Dm2 is a diode (parasitic diode) connected in anti-parallel between the both terminals (drain-source) of the low-side main switching element Qm2 , Cr2 is a resonant capacitor between the same two terminals, and Lout is a DC reactor for output.

なお、ハイサイドおよびローサイドの入出力端子Tp1-Tn1間に接続される機器は双方向インバータに限らず、またハイサイドおよびローサイドの入出力端子Tp2-Tn2間に接続される機器も蓄電池BTに限らず、直流電力を入出力可能な機器であればよい。 In addition, the device connected between the high-side and low-side input/output terminals T p1 -T n1 is not limited to a bidirectional inverter, and the device connected between the high-side and low-side input/output terminals T p2 -T n2 is not limited to a storage battery BT, but may be any device capable of inputting and outputting DC power.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1と直流リアクトルLoutとの直列回路がハイサイドラインL1に挿入されている。ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1はそのドレインがインバータ側のハイサイド入出力端子Tp1に接続され、そのソースが直流リアクトルLoutの一端に接続され、直流リアクトルLoutの他端が蓄電池側のハイサイド入出力端子Tp2に接続されている。ローサイドのメインスイッチング素子Qm2は、そのドレインがハイサイドのメインスイッチング素子Qm1と直流リアクトルLoutとの接続点である第1の接続ノードN1に接続され、そのソースがローサイドラインL2に接続されている。 A series circuit of a high-side main switching element Qm1 and a DC reactor Lout is inserted in a high-side line L1. The drain of the high-side main switching element Qm1 is connected to a high-side input/output terminal Tp1 on the inverter side, the source of the high-side main switching element Qm1 is connected to one end of the DC reactor Lout, and the other end of the DC reactor Lout is connected to a high-side input/output terminal Tp2 on the storage battery side. The drain of the low-side main switching element Qm2 is connected to a first connection node N1 which is a connection point between the high-side main switching element Qm1 and the DC reactor Lout, and the source of the low-side main switching element Qm2 is connected to a low-side line L2.

10はハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間に接続されたARCP(補助共振転流ポール)回路であり、転流制御回路11と整流回路12を備えている。 10 is an ARCP (auxiliary resonant commutation pole) circuit connected between the high side line L1 and the low side line L2, and includes a commutation control circuit 11 and a rectifier circuit 12.

転流制御回路11の構成要素として、11aは転流用スイッチ直列回路、Lrは共振用リアクトル、T1は共振用トランス(ARCP共振用トランス)、Qt1はハイサイドの転流用スイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Qt2はローサイドの転流用スイッチング素子(NMOSトランジスタ)である。LT1は共振用トランスT1の一次巻線で、この一次巻線LT1はセンタータップを有しない1つ巻線方式の巻線に構成されている。LT2は共振用トランスT1のセンタータップ方式の二次巻線、LT21 は二次巻線LT2における第1の二次巻線 共振用リアクトルLrの一端は第1の接続ノードN1に接続され、共振用リアクトルLrの他端は共振用トランスT1における一次巻線LT1の一端に接続されている。 The components of the commutation control circuit 11 are a commutation switch series circuit 11a, a resonant reactor Lr, a resonant transformer T1 (ARCP resonant transformer), a high-side commutation switching element (NMOS transistor), and a low-side commutation switching element (NMOS transistor). L T1 is a primary winding of the resonant transformer T1, and the primary winding L T1 is configured as a single-winding winding without a center tap. L T2 is a center-tapped secondary winding of the resonant transformer T1, and L T21 is a first secondary winding in the secondary winding L T2. One end of the resonant reactor Lr is connected to the first connection node N1, and the other end of the resonant reactor Lr is connected to one end of the primary winding L T1 in the resonant transformer T1.

転流制御回路11の構成要素であるハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のハイサイド端子(ドレイン)はハイサイドラインL1に接続され、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のローサイド端子(ソース)はローサイドラインL2に接続され、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のローサイド端子およびローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のハイサイド端子は共通接続されている。この共通接続の接続点が第2の接続ノードN2である。さらに、1つ巻線方式の一次巻線LT1の他端(共振用リアクトルLrとの接続点とは反対側の接続点)は第2の接続ノードN2に接続されている。 The high-side terminal (drain) of the high-side commutation switching element Qt1 , which is a component of the commutation control circuit 11, is connected to the high-side line L1, the low-side terminal (source) of the low-side commutation switching element Qt2 is connected to the low-side line L2, and the low-side terminal of the high-side commutation switching element Qt1 and the high-side terminal of the low-side commutation switching element Qt2 are commonly connected. The connection point of this common connection is the second connection node N2. Furthermore, the other end of the single-winding type primary winding Lt1 (the connection point on the opposite side to the connection point with the resonant reactor Lr) is connected to the second connection node N2.

つまり、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2とは直接に接続され(共通接続点N2)、共振用トランスT1における1つ巻線方式の一次巻線LT1は、その一端が共振用リアクトルLrに接続され、その他端がハイサイド・ローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2の共通接続点である第2の接続ノードN2に接続されている。 In other words, the high-side commutation switching element Qt1 and the low-side commutation switching element Qt2 are connected in series (common connection point N2), and the single-winding primary winding Lt1 of the resonant transformer T1 has one end connected to the resonant reactor Lr and the other end connected to a second connection node N2, which is the common connection point of the high-side and low-side commutation switching elements Qt1 , Qt2 .

本実施例においては、ハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間に直列に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2とを含む状態で、発明の構成にいう転流用スイッチ直列回路11aが構成されている。 In this embodiment, a commutation switch series circuit 11a according to the configuration of the present invention is configured to include a high-side commutation switching element Qt1 and a low-side commutation switching element Qt2 connected in series between a high-side line L1 and a low-side line L2.

共振用トランスT1において、1つ巻線方式の一次巻線LT1に磁気結合される二次巻線LT2は、センタータップ方式の巻線に構成されている。すなわち、センタータップ方式の二次巻線LT2は、第1の二次巻線LT21 と第2の二次巻線LT22 とからなり、これらの巻線L21と巻線L22とがセンタータップにおいて結線された構成を有している。 In the resonant transformer T1, the secondary winding L T2 magnetically coupled to the single-winding primary winding L T1 is configured as a center-tapped winding, that is, the center-tapped secondary winding L T2 is configured to include a first secondary winding L T21 and a second secondary winding L T22 , and these windings L 21 and L 22 are connected at a center tap.

整流回路12は、共振用トランスT1におけるセンタータップ方式の二次巻線LT2に接続された第1の整流ダイオードD1と第2の整流ダイオードD2を有している。二次巻線LT2における第1の二次巻線LT21 と第2の二次巻線LT22 とを接続するセンタータップがローサイドラインL2に直接に接続され、第1の二次巻線LT21 の両端部のうちセンタータップとは反対側の端部が第1の整流ダイオードD1を介してハイサイドラインL1に接続され、同様に第2の二次巻線LT22 の両端部のうちセンタータップとは反対側の端部が第2の整流ダイオードD2を介してハイサイドラインL1に接続されている。 The rectifier circuit 12 has a first rectifier diode D1 and a second rectifier diode D2 connected to a center-tapped secondary winding L T2 in the resonant transformer T1. A center tap connecting the first secondary winding L T21 and the second secondary winding L T22 in the secondary winding L T2 is directly connected to the low-side line L2, one end of the first secondary winding L T21 opposite to the center tap is connected to the high-side line L1 via the first rectifier diode D1, and similarly, one end of the second secondary winding L T22 opposite to the center tap is connected to the high-side line L1 via the second rectifier diode D2.

この構成によれば、第1の平滑コンデンサC1へ充電を行わせるための整流回路12の回路構成が簡素化され、整流ダイオードでの損失を低減することが可能となっている。 This configuration simplifies the circuit configuration of the rectifier circuit 12 for charging the first smoothing capacitor C1, making it possible to reduce losses in the rectifier diode.

共振用リアクトルLrと共振用トランスT1における1つ巻線方式の一次巻線LT1との直列回路は、ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2および直流リアクトルLoutを共通に接続する第1の接続ノードN1と、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2とを接続する第2の接続ノードN2との間に接続されている。 A series circuit of the resonant reactor Lr and the single-winding primary winding L T1 of the resonant transformer T1 is connected between a first connection node N1 that commonly connects the high-side main switching element Q m1 , the low-side main switching element Q m2 , and the DC reactor Lout, and a second connection node N2 that connects the high-side commutation switching element Q t1 and the low-side commutation switching element Q t2 .

整流回路12は、共振用トランスT1において1つ巻線方式の一次巻線LT1からセンタータップ方式の二次巻線LT2に誘起される電力を受電可能な状態でハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間に接続されている。整流回路12における第1の整流ダイオードD1、第2の整流ダイオードD2はいずれも、第1の平滑コンデンサC1に対してハイサイドラインL1側からローサイドラインL2側に向けた一方向にのみ電流を供給する。 The rectifier circuit 12 is connected between the high-side line L1 and the low-side line L2 in a state in which it can receive power induced in the center-tapped secondary winding L2 from the single-winding primary winding L1 in the resonant transformer T1. The first rectifier diode D1 and the second rectifier diode D2 in the rectifier circuit 12 each supply a current to the first smoothing capacitor C1 only in one direction, from the high-side line L1 side to the low-side line L2 side.

13は転流制御回路11の構成要素としてのバイパス回路であり、軽負荷時において、転流制御回路11における共振用リアクトルLrをバイパスして短絡する機能を有している。バイパス回路13は、第1のバイパス用スイッチング素子Qb1と第2のバイパス用スイッチング素子Qb2を逆極性で直列接続した双方向スイッチの構成となっている。第1のバイパス用スイッチング素子Qb1のソースと第2のバイパス用スイッチング素子Qb2のソースが共通に接続され、第1のバイパス用スイッチング素子Qb1のドレインと第2のバイパス用スイッチング素子Qb2のドレインがそれぞれ共振用リアクトルLrの一端と他端とに接続されている。第1のバイパス用スイッチング素子Qb1の両端子間の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)Db1は第2のバイパス用スイッチング素子Qb2との協働でバイパス経路を形成し、第2のバイパス用スイッチング素子Qb2の両端子間の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)Db2は第1のバイパス用スイッチング素子Qb1との協働でバイパス経路を形成する。 Reference numeral 13 denotes a bypass circuit as a component of the commutation control circuit 11, and has the function of bypassing and shorting the resonant reactor Lr in the commutation control circuit 11 during light load. The bypass circuit 13 is configured as a bidirectional switch in which a first bypass switching element Qb1 and a second bypass switching element Qb2 are connected in series with opposite polarity. The sources of the first bypass switching element Qb1 and the second bypass switching element Qb2 are commonly connected, and the drains of the first bypass switching element Qb1 and the second bypass switching element Qb2 are connected to one end and the other end of the resonant reactor Lr, respectively. A diode (parasitic diode) Db1 connected in anti-parallel between both terminals of the first bypass switching element Qb1 forms a bypass path in cooperation with the second bypass switching element Qb2 , and a diode (parasitic diode) Db2 connected in anti-parallel between both terminals of the second bypass switching element Qb2 forms a bypass path in cooperation with the first bypass switching element Qb1 .

次に、上記のように構成された実施例の双方向DC/DCコンバータの動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the bidirectional DC/DC converter of the embodiment configured as described above.

負荷条件が標準負荷であるときにはバイパス回路13が動作せず、共振用リアクトルLrは常時的に有効に機能するので、双方向DC/DCコンバータの動作態様は、従来例(図15)の場合と同じものとなる。負荷条件が軽負荷である場合には、第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2に対するゲート信号が印加され、両第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2がともにターンオンして共振用リアクトルLrを短絡し、共振用リアクトルLrの機能を無効化する(不動作状態とする)。その結果、共振回路系の全インダクタンス値が小さくなる。 When the load condition is a standard load, the bypass circuit 13 does not operate and the resonant reactor Lr always functions effectively, so that the bidirectional DC/DC converter operates in the same manner as in the conventional example (FIG. 15). When the load condition is a light load, gate signals are applied to the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 , and both the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 are turned on to short-circuit the resonant reactor Lr, disabling its function (bringing it into an inoperative state). As a result, the total inductance value of the resonant circuit system is reduced.

以下、軽負荷状態において蓄電池BTから放電される動作モードについて、図2~図8を用いて説明する。 Below, the operating mode in which the storage battery BT is discharged under a light load condition is explained using Figures 2 to 8.

(A)軽負荷状態における蓄電池BTからの放電の動作モード
(A1)転流前定常状態
図2に示すように、ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2、さらに軽負荷対応のために追加されたバイパス回路13における第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2のいずれもがオフ状態にあるとき(図8のタイミングt11)、直流リアクトルLoutがエネルギーを放出する。その結果、第2の平滑コンデンサC2に並列接続されている蓄電池BTからの出力電流は、〔蓄電池BTの正極端子→直流リアクトルLout→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1に逆並列接続の寄生ダイオードDm1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→蓄電池BTの負極端子〕の経路で流れる。この転流動作以前の定常状態においては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。その他の動作態様は上記[A1]と同様である。
(A) Operation mode of discharging from the storage battery BT in a light load state (A1) Steady state before commutation As shown in Fig. 2, when the high-side and low-side main switching elements Qm1 , Qm2 , the high-side and low-side commutation switching elements Qt1 , Qt2 , and the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 in the bypass circuit 13 added for light load are all in the off state (timing t11 in Fig. 8), the DC reactor Lout discharges energy. As a result, the output current from the storage battery BT connected in parallel to the second smoothing capacitor C2 flows through the path [positive terminal of the storage battery BT → DC reactor Lout → parasitic diode Dm1 connected in anti-parallel to the high-side main switching element Qm1 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → negative terminal of the storage battery BT]. In the steady state before this commutation operation, no current flows through the commutation control circuit 11, and no current flows through the rectifier circuit 12. The other operation modes are the same as those in [A1] above.

(A2)転流開始
負荷条件が軽負荷であることから、図3に示すように、タイミングt12において、転流制御回路11におけるローサイドの転流用スイッチング素子Qt2および第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2がターンオンする。ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のターンオンにより、蓄電池BTに対して共振回路系が接続され、同時に第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2のターンオンにより共振用リアクトルLrがバイパス(短絡)され、共振回路系のインダクタンス値が減少する。この状態では、共振用リアクトルLrは共振回路系から切り離される。
(A2) Commutation Start Because the load condition is a light load, the low-side commutation switching element Qt2 and the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 in the commutation control circuit 11 are turned on at timing t12 , as shown in Fig. 3. When the low-side commutation switching element Qt2 is turned on, the resonant circuit system is connected to the storage battery BT, and at the same time, when the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 are turned on, the resonant reactor Lr is bypassed (short-circuited), and the inductance value of the resonant circuit system decreases. In this state, the resonant reactor Lr is disconnected from the resonant circuit system.

すると、上記(A1)でハイサイドのメインスイッチング素子Qm1に逆並列接続の寄生ダイオードDm1を流れていた電流が徐々にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2の側である共振回路系に転流する。その結果、蓄電池BTからの出力電流は、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→逆並列接続の寄生ダイオードDm1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→蓄電池BT〕の経路に流れるとともに、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路で流れる。 Then, the current that flowed through the parasitic diode Dm1 connected in anti-parallel to the high-side main switching element Qm1 in the above (A1) gradually commutates to the resonant circuit system on the side of the low-side commutation switching element Qt2 . As a result, the output current from the storage battery BT flows along the path of [storage battery BT → DC reactor Lout → anti-parallel connected parasitic diode Dm1 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → storage battery BT], and also flows along the path of [storage battery BT → DC reactor Lout → first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 → primary winding Lt1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Qt2 → storage battery BT].

その他の動作態様は上記(A2)と同様である。すなわち、共振用トランスT1の一次巻線LT1から二次巻線LT2に誘起された電力により、〔二次巻線LT2→第1の整流ダイオードD1、第2の整流ダイオードD2→第1の平滑コンデンサC1→二次巻線LT2のセンタータップ〕の経路に電流が流れ、第1の平滑コンデンサC1に対する充電が開始される。 The other operation modes are the same as those of (A2) above. That is, due to the power induced from the primary winding L T1 to the secondary winding L T2 of the resonance transformer T1, a current flows through the path of [secondary winding L T2 →first rectifier diode D1, second rectifier diode D2 →first smoothing capacitor C1 →center tap of the secondary winding L T2] , and charging of the first smoothing capacitor C1 begins.

(A3)LC共振
図4に示すように、第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2および共振用トランスT1の一次巻線LT1を流れる電流が直流リアクトルLoutを流れる電流を超えると、タイミングt13で共振用コンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、〔共振用コンデンサCr2→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→共振用コンデンサCr2〕の経路と、〔第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの共振用コンデンサCr1→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)〕の経路で電流が流れる。その結果、共振用コンデンサCr1,Cr2と共振用トランスT1のリーケージインダクタンスとで共振動作が行われる。ハイサイドの共振用コンデンサCr1では充電が行われ、ローサイドの共振用コンデンサCr2では放電が行われる。
4, when the current flowing through the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 and the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 exceeds the current flowing through the DC reactor Lout, the resonant capacitors C r1 , Cr2 start charging and discharging at timing t13 . That is, a current flows through a path of [resonant capacitor C r2 → bypass switching elements Qb1 , Qb2 → primary winding L T1 of the resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → resonant capacitor C r2 ] and a path of [first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side resonant capacitor C r1 → bypass switching elements Qb1 , Qb2 → primary winding L T1 of the resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Q t2 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter)]. As a result, a resonance operation is performed by the resonance capacitors C r1 and C r2 and the leakage inductance of the resonance transformer T1. The high-side resonance capacitor C r1 is charged, and the low-side resonance capacitor C r2 is discharged.

この動作モードにおいても、(A2)の場合と同様に、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2の機能により共振用リアクトルLrがバイパスされているため共振回路系のインダクタンス値が減少している。 In this operation mode, as in the case of (A2), the resonant reactor Lr is bypassed by the function of the bypass switching elements Q b1 and Q b2 , so that the inductance value of the resonant circuit system is reduced.

(A4)定常状態への遷移
図5に示すように、ローサイドの共振用コンデンサCr2の両端電圧つまりローサイドのメインスイッチング素子Qm2の印加電圧が0レベルになったタイミングt14において、そのメインスイッチング素子Qm2がターンオンする。このローサイドのメインスイッチング素子Qm2のターンオンは、共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
5, at timing t14 when the voltage across the low-side resonant capacitor C r2 , i.e., the voltage applied to the low-side main switching element Q m2 , becomes zero level, the main switching element Q m2 is turned on. This turning on of the low-side main switching element Q m2 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to the resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオンしてそのメインスイッチング素子Qm2に電流が分流すると、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2に流れる電流(共振電流)が徐々に減少し、それまで〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用トランスT1の一次巻線LT1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→蓄電池BT〕の経路で流れていた電流が、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→蓄電池BT〕の経路の流れへと遷移する。 When the low-side main switching element Qm2 is turned on and current is shunted to this main switching element Qm2 , the current (resonant current) flowing through the bypass switching elements Qb1 , Qb2 gradually decreases, and the current that had been flowing along the path [storage battery BT → DC reactor Lout → bypass switching elements Qb1 , Qb2 → primary winding Lt1 of resonant transformer T1 → low-side commutation switching element Qt2 → storage battery BT] transitions to a flow along the path [storage battery BT → DC reactor Lout → low-side main switching element Qm2 → storage battery BT].

このモードにおいては、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2を流れるドレイン電流が徐々に増加し、共振電流は徐々に減少する。 In this mode, the drain current flowing through the low-side main switching element Qm2 gradually increases, and the resonant current gradually decreases.

上記の(A2)から(A3)を経て(A4)に至る期間においては、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2の機能により共振用リアクトルLrがバイパスされているため共振回路系のインダクタンス値が減少している。そのため、共振電流の波形が尖鋭化し、共振の周期が減少(共振周波数が増加)する。共振電流は急速に増加し、ピークに達した後に減少へ転じる。タイミングt14にかけて、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2の印加電圧(ドレイン・ソース間電圧)が低減し、タイミングt14においてゼロボルトとなる。 During the period from (A2) through (A3) to (A4) above, the resonant reactor Lr is bypassed by the function of the bypass switching elements Q b1 and Q b2 , so the inductance value of the resonant circuit system is reduced. As a result, the waveform of the resonant current becomes sharp and the resonance period decreases (the resonant frequency increases). The resonant current increases rapidly, reaches a peak, and then starts to decrease. Towards timing t14 , the applied voltage (drain-source voltage) of the low-side main switching element Q m2 decreases, and becomes zero volts at timing t14 .

このように、軽負荷のためにARCP回路の充分な共振許容時間が確保できなくなっても、共振回路系を流れる共振電流の周期を短縮化することにより、その短縮化した共振許容時間内で共振電流を所期通り適正に発生させることができるため、ARCP回路の動作を停止させる必要がなく、したがって、軽負荷時のスイッチングロス増加の問題を解消することができる。 In this way, even if a sufficient resonant allowable time for the ARCP circuit cannot be secured due to a light load, the period of the resonant current flowing through the resonant circuit system can be shortened to generate the resonant current appropriately as desired within the shortened resonant allowable time, so there is no need to stop the operation of the ARCP circuit, and therefore the problem of increased switching loss during light loads can be resolved.

(A5)定常状態
共振用リアクトルLrおよび共振用トランスT1の一次巻線LT1の電流が無くなった直後のタイミングt15において、図6に示すように、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
(A5) Steady state At timing t15 immediately after the current in the resonant reactor Lr and the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 disappears, the low-side commutation switching element Q t2 is turned off as shown in Fig. 6. This turning off of the commutation switching element Q t2 utilizes soft switching (zero current switching (ZCS)), thereby reducing switching loss.

この定常状態では、電流は、〔蓄電池BT→直流リアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→蓄電池BT〕の経路のみを流れることになる。したがって、直流リアクトルLoutにエネルギーが蓄積される。 In this steady state, the current flows only through the path of [storage battery BT → DC reactor Lout → low-side main switching element Q m2 → storage battery BT]. Therefore, energy is stored in the DC reactor Lout.

(A6)転流前定常状態へ回帰
図7に示すように、タイミングt17において、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオフすると、(A1)の転流前定常状態に回帰する。このメインスイッチング素子Qm2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
7, when the low-side main switching element Qm2 is turned off at timing t17 , the state returns to the pre-commutation steady state of (A1). This turning off of the main switching element Qm2 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)), which reduces switching loss.

(B)軽負荷状態における蓄電池BTへの充電の動作モード
(B1)転流前定常状態
図9に示すように、ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2、さらに軽負荷対応のために追加されたバイパス回路13における第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2のいずれもがオフ状態にあるとき、直流リアクトルLoutがエネルギーを放出する。その結果、直流リアクトルLoutから放出される電流は、〔直流リアクトルLout→蓄電池BT→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2に逆並列接続の寄生ダイオードDm2→直流リアクトルLout〕の経路で流れ、蓄電池BTに対する充電が行われる。この転流動作以前の定常状態においては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
(B) Operation mode of charging the storage battery BT in a light load state (B1) Steady state before commutation As shown in Fig. 9, when the high-side and low-side main switching elements Qm1 , Qm2 , the high-side and low-side commutation switching elements Qt1 , Qt2 , and the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 in the bypass circuit 13 added to handle light loads are all in the off state, the DC reactor Lout discharges energy. As a result, the current discharged from the DC reactor Lout flows through the route [DC reactor Lout → storage battery BT → parasitic diode Dm2 connected in reverse parallel to the low-side main switching element Qm2 → DC reactor Lout], and the storage battery BT is charged. In this steady state before the commutation operation, no current flows in the commutation control circuit 11, and no current flows in the rectifier circuit 12.

(B2)転流開始
図10に示すように、転流制御回路11におけるハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオンするとともに、負荷条件が軽負荷であることから、バイパス回路13における第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2がターンオンする。第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2のターンオンにより共振用リアクトルLrがバイパス(短絡)され、共振回路系のインダクタンス値が減少する。この状態では、共振用リアクトルLrは共振回路系から切り離される。
(B2) Commutation Start As shown in Fig. 10, the high-side commutation switching element Qt1 in the commutation control circuit 11 is turned on, and since the load condition is a light load, the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 in the bypass circuit 13 are turned on. By turning on the first and second bypass switching elements Qb1 , Qb2 , the resonant reactor Lr is bypassed (short-circuited), and the inductance value of the resonant circuit system decreases. In this state, the resonant reactor Lr is disconnected from the resonant circuit system.

すると、ハイサイド入出力端子Tp1から流入した電流は、〔ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→共振用トランスT1の一次巻線LT1→第1のバイパス用スイッチング素子Qb1→逆並列接続の寄生ダイオードDb2→直流リアクトルLout→蓄電池BT→ローサイド入出力端子Tn1〕の経路で流れる。 Then, the current flowing in from the high-side input/output terminal Tp1 flows through the path [high-side commutation switching element Qt1 → primary winding LT1 of resonant transformer T1 → first bypass switching element Qb1 → inverse-parallel connected parasitic diode Db2 → DC reactor Lout → storage battery BT → low-side input/output terminal Tn1 ].

共振電流が共振用トランスT1の一次巻線LT1を流れることから、二次巻線LT2に誘起された電力により、〔二次巻線LT2→第1の整流ダイオードD1、第2の整流ダイオードD2→第1の平滑コンデンサC1→二次巻線LT2のセンタータップ〕の経路に電流が流れ、第1の平滑コンデンサC1に対する充電が開始される。この第1の平滑コンデンサC1からの電流によって蓄電池BTに対する充電が補償される。 Since the resonant current flows through the primary winding L of the resonant transformer T1 , the power induced in the secondary winding L causes a current to flow through the path [secondary winding L → first rectifier diode D1 , second rectifier diode D2 → first smoothing capacitor C1 → center tap of the secondary winding L], and charging of the first smoothing capacitor C1 begins. The current from the first smoothing capacitor C1 compensates for the charging of the storage battery BT.

(B3)LC共振
図11に示すように、共振用トランスT1の一次巻線LT1および第1および第2のバイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2を流れる電流が直流リアクトルLoutを流れる電流を超えると、共振用コンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、〔ハイサイドの共振用コンデンサCr1→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→共振用トランスT1の一次巻線LT1→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用コンデンサCr1〕の経路と、〔ローサイドの共振用コンデンサCr2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→共振用トランスT1の一次巻線LT1→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→共振用コンデンサCr2〕の経路で電流が流れる。その結果、共振用コンデンサCr1,Cr2と共振用トランスT1のリーケージインダクタンスとで共振動作が行われる。ハイサイドの共振用コンデンサCr1では放電が行われ、ローサイドの共振用コンデンサCr2では充電が行われる。
11, when the current flowing through the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 and the first and second bypass switching elements Q b1 and Q b2 exceeds the current flowing through the DC reactor Lout, the resonant capacitors C r1 and Cr2 start charging and discharging. That is, a current flows through a path of [high-side resonant capacitor C r1 → high-side commutation switching element Q t1 → primary winding L T1 of the resonant transformer T1 → bypass switching elements Q b1 and Q b2 → resonant capacitor C r1 ] and a path of [low-side resonant capacitor C r2 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side commutation switching element Q t1 → primary winding L T1 of the resonant transformer T1 → bypass switching elements Q b1 and Q b2 → resonant capacitor C r2 ]. As a result, a resonance operation is performed by the resonance capacitors C r1 and C r2 and the leakage inductance of the resonance transformer T1. The high-side resonance capacitor C r1 is discharged, and the low-side resonance capacitor C r2 is charged.

この動作モードにおいても、(B2)の場合と同様に、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2の機能により共振用リアクトルLrがバイパスされているため共振回路系のインダクタンス値が減少している。 In this operation mode, as in the case of (B2), the resonant reactor Lr is bypassed by the function of the bypass switching elements Q b1 and Q b2 , so that the inductance value of the resonant circuit system is reduced.

(B4)定常状態への遷移
図12に示すように、ハイサイドの共振用コンデンサCr1の両端電圧つまりハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の印加電圧が0レベルになったタイミングにおいて、そのメインスイッチング素子Qm1がターンオンする。このハイサイドのメインスイッチング素子Qm1のターンオンは、共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
12, at the timing when the voltage across the high-side resonant capacitor C r1 , i.e., the voltage applied to the high-side main switching element Q m1 , becomes zero level, the main switching element Q m1 turns on. This turning on of the high-side main switching element Q m1 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to the resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオンしてそのメインスイッチング素子Qm1に電流が分流すると、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2に流れる電流(共振電流)が徐々に減少し、それまで〔蓄電池BT→第1の平滑コンデンサC1→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→共振用トランスT1の一次巻線LT1→バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2→直流リアクトルLout→蓄電池BT〕の経路で流れていた電流が、〔蓄電池BT→第1の平滑コンデンサC1→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→直列リアクトルLout →蓄電池BT〕の経路の流れへと遷移する。 When the high-side main switching element Qm1 is turned on and current is shunted to this main switching element Qm1 , the current (resonant current) flowing through the bypass switching elements Qb1 , Qb2 gradually decreases, and the current that had been flowing along the path [storage battery BT → first smoothing capacitor C1 → high-side commutation switching element Qt1 → primary winding Lt1 of resonant transformer T1 → bypass switching elements Qb1 , Qb2 → DC reactor Lout → storage battery BT] transitions to flow along the path [storage battery BT → first smoothing capacitor C1 → high-side main switching element Qm1 → series reactor Lout → storage battery BT].

このモードにおいては、ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1を流れるドレイン電流が徐々に増加し、共振電流は徐々に減少する。 In this mode, the drain current flowing through the high-side main switching element Qm1 gradually increases, and the resonant current gradually decreases.

上記の(B2)から(B3)を経て(B4)に至る期間においては、バイパス用スイッチング素子Qb1,Qb2の機能により共振用リアクトルLrがバイパスされているため共振回路系のインダクタンス値が減少している。そのため、共振電流の波形が尖鋭化し、共振の周期が減少(共振周波数が増加)する。共振電流は急速に増加し、ピークに達した後に減少へ転じる。時間経過とともにハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の印加電圧(ドレイン・ソース間電圧)が低減し、次いでゼロボルトとなる。 During the period from (B2) through (B3) to (B4) above, the resonant reactor Lr is bypassed by the function of the bypass switching elements Q b1 and Q b2 , so the inductance value of the resonant circuit system is reduced. As a result, the waveform of the resonant current becomes sharp and the resonance period decreases (the resonant frequency increases). The resonant current increases rapidly, reaches a peak, and then starts to decrease. Over time, the applied voltage (drain-source voltage) of the high-side main switching element Q m1 decreases and then becomes zero volts.

このように、軽負荷のためにARCP回路の充分な共振許容時間が確保できなくなっても、共振回路系を流れる共振電流の周期を短縮化することにより、その短縮化した共振許容時間内で共振電流を所期通り適正に発生させることができるため、ARCP回路の動作を停止させる必要がなく、したがって、軽負荷時のスイッチングロス増加の問題を解消することができる。 In this way, even if a sufficient resonant allowable time for the ARCP circuit cannot be secured due to a light load, the period of the resonant current flowing through the resonant circuit system can be shortened to generate the resonant current appropriately as desired within the shortened resonant allowable time, so there is no need to stop the operation of the ARCP circuit, and therefore the problem of increased switching loss during light loads can be resolved.

(B5)定常状態
共振用トランスT1の一次巻線LT1および共振用リアクトルLrの電流が無くなった直後のタイミングにおいて、図13に示すように、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt1のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
(B5) Steady state Immediately after the current in the primary winding L T1 of the resonant transformer T1 and the resonant reactor Lr disappears, the high-side commutation switching element Q t1 turns off as shown in Fig. 13. This turning off of the commutation switching element Q t1 utilizes soft switching (zero current switching (ZCS)), thereby reducing switching loss.

この定常状態では、電流は、〔第1の平滑コンデンサC1→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→直流リアクトルLout→蓄電池BT→第1の平滑コンデンサC1〕の経路のみを流れることになる。したがって、直流リアクトルLoutにエネルギーが蓄積される。 In this steady state, the current flows only through the path of [first smoothing capacitor C1 → high-side main switching element Q m1 → DC reactor Lout → storage battery BT → first smoothing capacitor C1]. Therefore, energy is stored in the DC reactor Lout.

(B6)転流前定常状態へ回帰
図14に示すように、ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオフすると、(A1)の転流前定常状態に回帰する。このメインスイッチング素子Qm1のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスの軽減が図られている。
14, when the high-side main switching element Qm1 is turned off, the state returns to the pre-commutation steady state of (A1). This turning off of the main switching element Qm1 utilizes soft switching (zero voltage switching (ZVS)), which reduces switching loss.

以上のように、軽負荷時においては共振用リアクトルLrを短絡して共振回路系の全インダクタンス値を減少させるので、ARCP回路の共振許容時間を確保することができ、負荷条件が軽負荷になっても、ARCP回路の動作を停止せずに継続させて対応し、スイッチングロスを適切に低減することができる。 As described above, when the load is light, the resonant reactor Lr is short-circuited to reduce the total inductance value of the resonant circuit system, so that the allowable resonance time of the ARCP circuit can be secured, and even if the load condition becomes light, the operation of the ARCP circuit can be continued without being stopped, and switching loss can be appropriately reduced.

重負荷時に共振許容時間を低減する場合には共振電流の波高値が増加して導通損失が増加するが、軽負荷時は共振電流の波高値が小さいので、共振許容時間を低減しても導通損失は問題にならない。 When the allowable resonance time is reduced under heavy load conditions, the peak value of the resonant current increases, resulting in increased conduction loss. However, under light load conditions, the peak value of the resonant current is small, so even if the allowable resonance time is reduced, conduction loss does not become a problem.

なお、軽負荷がさらに進行し共振許容時間の確保が制御上困難になる場合があるが、その場合には、バイパス回路作動によるインダクタンス値軽減に加えて、発振周波数を低減して1周期の絶対的長さを増やすことにより、その1周期の中でのARCP動作の実効期間を相対的に短くすることで共振期間を確保するようにしてもよい(発振周波数を低減しても、共振許容時間は共振用のインダクタンス値で決定されるので不都合はない)。さらには、先に発振周波数を低減させ、そののちに共振用リアクトルLrの両端を短絡させてもよい。 In addition, if the light load continues to progress and it becomes difficult to ensure the resonant allowable time in terms of control, in that case, in addition to reducing the inductance value by operating the bypass circuit, the oscillation frequency can be reduced to increase the absolute length of one cycle, thereby relatively shortening the effective period of ARCP operation within that one cycle, thereby ensuring the resonant period (there is no problem with reducing the oscillation frequency, since the resonant allowable time is determined by the resonant inductance value). Furthermore, the oscillation frequency can be reduced first, and then both ends of the resonant reactor Lr can be short-circuited.

無負荷に近い軽負荷の場合は、発振周波数を20kHzまで低下させても共振許容時間の確保が制御上困難なので、ARCP回路を動作停止させ、単なるPMW制御に移行させる。 When there is a light load close to no load, it is difficult to ensure the allowable resonance time even if the oscillation frequency is lowered to 20 kHz, so the ARCP circuit is stopped and the system switches to simple PWM control.

可聴周波数領域まで発振周波数を低減させると異音の問題があるので、最低発振周波数は20kHz程度に抑えることが好ましい。無負荷に近い軽負荷では、スイッチングしている電流が小さく、また発振周波数を20kHzまで低減させれば、スイッチングロスは大きくない。 Because reducing the oscillation frequency to the audible frequency range can cause problems with abnormal noise, it is preferable to keep the minimum oscillation frequency at around 20 kHz. At light loads close to no load, the switching current is small, and if the oscillation frequency is reduced to 20 kHz, the switching loss is not large.

本発明の適用については、図1の方式の回路構成に限るものではなく、図23の方式や図24の方式や図25の方式などの各種の回路構成に適用可能である。 The application of the present invention is not limited to the circuit configuration of FIG. 1, but can be applied to various circuit configurations such as the configurations of FIG. 23, FIG. 24, and FIG. 25.

また、共振用リアクトルLrの両端を短絡するバイパス回路13は、上記実施例に記載の回路に限定されず、本発明の目的を達成する限り、他の回路で代替してもよい。また、バイパス回路13に限らず、共振用リアクトルLrのインダクタンスを減少させる共振インダクタンス減少手段を設けてもよい。共振用リアクトルLrのインダクタンスを減少させ、共振回路系を流れる共振電流の周期を短縮化することにより、その短縮化した共振許容時間内で共振電流を所期通り適正に発生させることができる。 In addition, the bypass circuit 13 that shorts both ends of the resonant reactor Lr is not limited to the circuit described in the above embodiment, and may be replaced with another circuit as long as the object of the present invention is achieved. Also, instead of being limited to the bypass circuit 13, a resonant inductance reduction means for reducing the inductance of the resonant reactor Lr may be provided. By reducing the inductance of the resonant reactor Lr and shortening the period of the resonant current flowing through the resonant circuit system, the resonant current can be generated appropriately as desired within the shortened resonant allowable time.

本発明は、軽負荷時においてもARCP回路の動作を停止せずに継続させ、スイッチングロスの低減効果を実現する技術として有用である。 The present invention is useful as a technology that allows the ARCP circuit to continue operating without stopping even under light load conditions, thereby achieving the effect of reducing switching loss.

10 ARCP回路
11 転流制御回路
11a 転流用スイッチ直列回路
12 整流回路
13 バイパス回路(共振インダクタンス減少手段)
C1 第1の平滑コンデンサ
C2 第2の平滑コンデンサ
L1 ハイサイドライン
L2 ローサイドライン
Lout 直流リアクトル
Lr 共振用リアクトル
T1 一次巻線
T2 二次巻線
N1 第1の接続ノード
m1 ハイサイドのメインスイッチング素子
Qm2 ローサイドのメインスイッチング素子
t1 ハイサイドの転流用スイッチング素子
t2 ローサイドの転流用スイッチング素子
T1 共振用トランス
p1 一方端側のハイサイド入出力端子
p2 他方端側のハイサイド入出力端子
n1 一方端側のローサイド入出力端子
n2 他方端側のローサイド入出力端子
10 ARCP circuit 11 Commutation control circuit 11a Commutation switch series circuit 12 Rectification circuit 13 Bypass circuit (resonant inductance reducing means)
C1 First smoothing capacitor C2 Second smoothing capacitor L1 High side line L2 Low side line Lout DC reactor Lr Resonant reactor L T1 Primary winding L T2 Secondary winding N1 First connection node Q m1 High side main switching element Qm2 Low side main switching element Q t1 High side commutation switching element Q t2 Low side commutation switching element T1 Resonant transformer T p1 High side input/output terminal on one end T p2 High side input /output terminal on the other end T n1 Low side input/output terminal on one end T n2 Low side input/output terminal on the other end

Claims (3)

一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入された、ハイサイドのメインスイッチング素子と出力用の直流リアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記直流リアクトルとを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
転流制御回路と整流回路からなり、前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記転流制御回路は、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に直列に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子とローサイドの転流用スイッチング素子とを含む転流用スイッチ直列回路と、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用リアクトルと、
前記共振用リアクトルの他端と前記転流用スイッチ直列回路との間に一次巻線が接続された共振用トランスとを有し、
前記整流回路は、前記共振用トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
さらに、軽負荷時に前記共振用リアクトルのインダクタンスを減少させる共振インダクタンス減少手段を備え、
前記共振インダクタンス減少手段は、軽負荷時に前記共振用リアクトルのインダクタンスを減少させることで、前記共振用リアクトルおよび前記共振用トランスを含む共振回路系の共振電流の周期を短縮化し、前記ARCP回路の共振許容時間内に前記共振電流を発生させる、
ことを特徴とする双方向DC/DCコンバータ。
a first smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal and the low-side input/output terminal on one end;
a second smoothing capacitor connected between the high-side input/output terminal and the low-side input/output terminal on the other end;
a series circuit of a high-side main switching element and an output DC reactor, the series circuit being inserted in a high-side line connecting the high-side input/output terminal on the one end side and the high-side input/output terminal on the other end side;
a low-side main switching element inserted between a low-side line connecting the low-side input/output terminal on the one end side and the low-side input/output terminal on the other end side and a first connection node connecting the high-side main switching element and the DC reactor;
an ARCP circuit including a commutation control circuit and a rectifier circuit, the ARCP circuit being connected between the high side line and the low side line;
The commutation control circuit includes:
a commutation switch series circuit including a high-side commutation switching element and a low-side commutation switching element connected in series between the high-side line and the low-side line;
a resonant reactor having one end connected to the first connection node;
a resonant transformer having a primary winding connected between the other end of the resonant reactor and the commutation switch series circuit,
the rectifier circuit is connected between the high-side line and the low-side line in a state capable of receiving power induced in a secondary winding of the resonant transformer, and is configured to supply a current to the first smoothing capacitor only in one direction from the high-side line side to the low-side line side;
Further, a resonant inductance reducing means is provided for reducing the inductance of the resonant reactor under a light load,
the resonant inductance reducing means reduces the inductance of the resonant reactor under light load conditions, thereby shortening a period of a resonant current of a resonant circuit system including the resonant reactor and the resonant transformer, and causing the resonant current to occur within a resonant allowable time of the ARCP circuit.
A bidirectional DC/DC converter comprising:
前記共振インダクタンス減少手段として、前記共振用リアクトルの両端子間に、当該共振用リアクトルを軽負荷時にバイパスして短絡するためのバイパス回路が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。 The bidirectional DC/DC converter according to claim 1, characterized in that, as the resonant inductance reducing means, a bypass circuit is connected between both terminals of the resonant reactor to bypass and short-circuit the resonant reactor when the load is light. 前記共振用トランスは、前記ハイサイドの転流用スイッチング素子と前記共振用リアクトルの他端との間および前記ローサイドの転流用スイッチング素子と前記共振用リアクトルの他端との間に前記一次巻線が接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の双方向DC/DCコンバータ。 The bidirectional DC/DC converter according to claim 1 or 2, characterized in that the primary winding of the resonant transformer is connected between the high-side commutation switching element and the other end of the resonant reactor, and between the low-side commutation switching element and the other end of the resonant reactor.
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