TWI327410B - Two-way dc-dc converter - Google Patents

Description

1327410 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於雙向直流-直流變換器，特別是關於可以 抑制轉接損失’同時可以簡化控制系統的雙向直流-直流變 換器。 【先前技術】 某種車輛具備有，由不同電壓值的電池構成的兩種電 源系統。以這種電壓值不同的兩個直流電源系統相互融通 電力時，一般是採用，在直流電源系統間並聯配設直流昇 壓電路及直流降壓電路，而適宜使用該等的架構。 而’以直流電源系統間相互融通電力時，為了能以小 規模的電路獲得充分的高廢直流電壓，也有人提案使用雙 向直流-直流變換器。 例如：曰本特開平2002-165448號公報記載有：在變 壓器的兩側分別具有雙方向型的直交變換部，尤其是二次 側直交變換部在順送電（從第丨直流端子至第2直流端子的 降壓送電）時，將可當作平滑線圈動作的抗流線圈，當作利 用抗流線圈的截波電路型反相器的抗流線圈使用，而具有 在此抗流線圈與變壓器的二次線圈間的轉接•整流部在順 送電時的整流器的功能，逆送電（從第2直流端子至第i直 流端子的昇壓送電）時，當作截波電路使用的雙向直流—直 流變換器。 然而’在兩個直流電源系統間並聯配設直流昇壓電路 及直流降壓電路的架構，會使電路規模變大，又在同時動 5 1327410 而有無法獲得充分的性 作時，因電路内部的電壓損失等 能的課題。 一同時，上述公報所記載的雙向直流_直流變換器，其 直父變換部的轉接元件是用以通·斷大電流者，轉接元件 斷開’從大電流變成電流"，會通過轉接元件的非飽和 領域，iUb ’實際上會成為類比式動作，會產生很大的轉 同時，一次側直交變換部與二次側直交變換部完全同 步驅動時’來自一方的直交變換部的電流流通時，若另一 方的直父變換部接通，大電流便有可能流過轉接元件。 【發明内容】 本發明的目的是在提供，可解決上述課題，轉接損失 很少，可以避免通•斷時在轉接元件流通大電流的可能， 能夠藉簡單的控制系統以兩個直流電源线有效率相互融 通電力的雙向直流-直流變換器。 為了解決上述課題，本發明的第1特徵是，在具備有； 低壓側端子；高壓側端子；含有低壓側繞組及高壓侧繞組 的變壓器，插入在上述低壓側端子與上述低壓側繞組之間 的低壓側轉接部；插入在上述高壓側端子與上述高壓側繞 組之間的高壓側轉接部；並聯連接在上述低壓側轉接部的 各轉接元件的低壓侧整流元件；並聯連接在上述高壓側轉 接部的各轉接元件的高壓侧整流元件；以及控制上述低壓 側轉接部的轉接元件及上述高壓側轉接部的轉接元件的控 制電路的雙向直流_直流變換器’於上述高壓側繞組與上述 1327410 高壓側轉接部之間，七、+、/rf 或上述低壓側繞組與上述低壓側轉接 邠之間，配設LC共振電路。 而本發明的第2特徵是，上述Lc共振電路是配設在 上述高壓側繞Μ與上述高壓側轉接部之間。 而且本發明的第3特徵是’上述低Μ側轉接部及上 述高壓側轉接部’均具有包含4個轉接元件的電橋連接架 依據本發明的第1特徵時，因為能夠藉由LC共振電路 使轉接Φ成的電流波形成為正弦波狀，因此，可以將轉接 元件截斷的疋時設定在電流值的零交又點附近。因此，能 夠在電流值的零交又點附近轉接，可以大幅度抑制轉接損 失0 同時，能夠藉由同一驅動信號控制一次側直交變換部 與一次側直交變換部，因此可以簡化控制系統的架構。這 個時候，因為不需要延長防止起因於變壓器的傳遞延遲等 轉接元件的短路的無效時間，或縮短轉接元件的驅動期 間’因此可以提高變換效率。 同時，依據第2特徵時，由於將lc共振電路是配設在 電流值小的高壓側，較之將LC共振電路是配設在低壓側， 可以減低在LC共振電路的損失。 而且，依據第3特徵時，低壓側轉接部及高壓側轉接 部均成為電橋型的單相反相電路，因此可以簡化連接在此 的變壓器的構造。 【實施方式】 1327410 兹參照附圖詳細說明本發明如下。第1圖是表示本發 明的雙向直流-直流變換器的一實施形態的電路圖。本實施 形態的雙向直流-直流變換器，是在連接於低壓側端子id 、1-2的直流電源，與連接於高壓側端子2_丨、2_2的直流 電源之間’經由變壓器3在雙方向相互融通電力。以下， 有時稱呼低壓側端子1 _1、1 _2為.一次側，稱呼高壓側端子 2-1 ' 2-2為高壓側。 變壓器3包含：一次側的低壓側繞組3_i及二次側的 高壓側繞組3-2。此雙向直流一直流變換器的昇壓比，是由 低壓側繞組3-1與高壓側繞組3—2的區數決定。低壓側轉 接部4是插入在低壓側端子丨^、^與低壓側繞組3—丨之 間，高壓側轉接部5是插入在高壓側端子2_卜2_2與高壓 側繞組3-2之間。 一低壓側轉接部4是以電橋方式連接FET等的4個轉接 元件（以下無作.FET) 4-卜4-4而成，高壓側轉接部5是 以電橋方式連接4個轉接元件5_丨〜5_4而成。 各個FET4卜4-4, 5-1〜5-4並聯連接有二極體等的整 >:心牛。此等整流元件可以是m的雜散二極體，也可以 =另订裝β又的接合二極體。將並聯連接的整流元件加起 炼，=侧轉接部4及高壓側轉接部5可以分別看成是轉 接•整洎都。 ^壓側端子2—卜2_2與高壓側繞組Μ之間插入 '振電路㈣共振電路6是本發明的特徵 低壓側轉接部4的阳4小4—4衣高屋側轉接部5 8 1327410 FET 5-1〜5_4，是由cpu等構成的控制電路（未圖示）所轉接 控制。再者，連接在低壓側端子1_丨、丨_2間，及連接在高 壓側端子2-1、2-2間的電容器7、8是輸出平滑用電容器。 其次說明第1圖的動作慨要。首先，從一次側（圖的左 側）向二次側（圖的右側）供應電力時，使低壓側轉接部4的 對FET 4-1、4-4與一對FET 4-2、4-3交互通•斷。隨 者此通•斷所產生的電流在變壓器3的低壓側繞組3—丨流 通〇 在高壓側繞組3 - 2感應的電流通過L c共振電路6輸入 高壓侧轉接部5,由並聯在FET 5—^—4的整流元件加以 整⑽由平滑電谷器8加以平滑而輸出。這時，流通於一 人側及一次側的電流因存在有Lc共振電路而成為正弦波 以上是從一次側向二次側供應電力時的動作，饵從二 次側向-次側供應電力時也相同。同時，也能夠以完全同 步方式，亦即關-驅動錢驅動—次側及二次側。這時 ，月b夠以變壓盗的繞線比形成的—次側與二次側的相對電 壓差送受電力。 25IA'"帛2圖D是本發明與傳統技術的動作上合 差別的5兒明圖。在此暑缔明 . , 隹此疋忒明從一次側向二次側供應電乂 時，但從二次側向一次側供應電力時也相同。

开1 = 1圖A—第2圖C分別是’僅抽出說明本發明-實旋 形…、傳統技術的雙向直流—直流變換器從—次側向二次 側供應電力時的動作所需要的電路部分㈣路圖，該圖B 1327410 D分別是第2圖A、C的A點、B點的電流波形。 在傳統技術的雙向直流-直流變換器（第2圖c)，當低 壓側轉接部4的一對FET 4-1、4-4與一對FET 4-2、 交互通•斷時，經由變壓器3的低壓側繞組3-1及高塵側 繞組3-2輸出的電流將如該圖的d所示，成為矩形波狀。 亦即，在FET截斷的時點，有大電流流動，而隨著其截斷， 從大電流變成電流〇。這時會通過FET的不飽和領域，因 此會產生报大的轉接損失。 對此，本發明的雙向直流_直流變換器（第2圖A)則 疋，虽低壓側轉接部4的一對FET 4-1、4-4與一對FET 4-2、 4-3交互通•斷時，經由變壓器3的低壓侧繞組3_丨及高 壓侧繞組3-2輸出的電流將如該圖的B所示，成為正弦波 狀。這是因為有LC共振電路6存在之故。 藉此，能夠將FET截斷的定時設定在電流值大致上成 ，零的零交又點附近。因此，在電流值大致上成為零的零 =又點附近的FET的轉接變為可能，可以大幅度減低轉接 本發明對以完全同步方十a . 万式驅動一次側及二次側時，亦 即以同一驅動信號驅動—今彳日，丨n _ 人側及二次側時也很有效。對此 說明如下》第3圖A、C分別β ^ 刀〜疋，僅抽出說明以完全同步方 式驅動本發明一實施形態鱼 认 〜興傳統技術的雙向直流-直流變 換器的一次側及二次側時的 θ _ η „ m動作所需要的電路部分的電路 圖，該圖B、D分別是著眼於一 .L . 、-欠側的轉接’表示因此而產 生的一次電流及二次電流。 10 1327410 在傳統技術的雙向直流-直流變換器（第3圖c)，由於 低Μ側轉接部4的一對FET 4-1、4-4與一對FET 4-2、4-3 交互通•斷，在一次側（變壓器3的低壓側繞組3_η流通 該圖D的一點虛線所示的矩形波狀的一次側電流。 藉由此一次側電流，在二次側（變壓器3的高壓側繞組 3 - 2)流通該圖D的實線所示的矩形波狀的二次側電流， 但此二次側電流因變壓器3的相位落後等，會較一次側電 流有一些落後。 在此狀態下，以二次側與一次側完全同步的狀態驅動 時’若二次侧電流的落後超過無效時間，因一次側導通而 有大電流流通時會發生二次側導通（圖中以〇所圍的部 分）’藉此會有因一次側導通而發生的大電流再重疊因二次 側導通而發生的大電流的電流流通。 要防止這種電流’可以使二次側的驅動期間狹窄化， 或延長無效時間，使一次側導通而有大電流流通時不發生 二次側導通即可’但這樣會成為變換效率降低的很大的原 因。 對此’本發明的一實施形態的雙向直流-直流變換器 (第3圖Α) ’因為低壓側轉接部4的一對FET 4_i、4_4與 一對FE1T4-2、4-3交互通•斷，在一次側流通該圖B的一 點虛線所示的正弦波狀的一次側電流。 藉由此—次側電流，在二次側流通該圖B的實線所示 的正弦波狀的二次側電流，但此二次側電流因變壓器3的 相位落後等’會較一次側電流有一些落後。 11 1327410 在此狀態下，以二次侧與一次側完全同步的方式驅動 時’縱使二次側電流的落後超過無效時間，會在—次側導 通而發生的電流的零交又點附近發生二次側導通（圖中以 〇所圍的部分），而一次側導通而發生的電流與二次侧導通 而發生的電流均很小，因此不會有大電流流通。 第4圖是表示本發明的應用例子的電路圖，是在包含 發電機10的直流電源與電池12間融通電力的例子，發電 機10是例如引擎驅動式的3相多極磁石發電機。引擎起動 時，驅動直流-直流變換器丨丨的低壓側轉接部，將藉此昇 壓的電池12的直流電壓加在驅動用反相電路（整流電 路）13。驅動用反相電路丨3將施加的直流電壓變換成3相 的交流電壓加在發電機10，將其當作引擎起動用電動機’ 而加以起動。 引擎一起動，發電機10則被引擎驅動，驅動用反相電 路13的轉接動作便停下來。發電機1〇的輸出在整流電路 (驅動用反相電路）13加以整流，在電壓調節器14加以調 整，再於反向電路15變換成規定頻率的交流電力而輸出。 電池12的電壓降低時，若驅動雙向直流—直流變換 器11的高壓側轉接部’可以藉由雙向直流一直流變換器u 降低整流電路13的輸出，而可以藉由此電壓將電池 電。 u 發電機1G由引擎驅動時，能夠以完成同步的方式驅動 又向直流-直流變換器u的低虔侧轉接部與高壓側轉接 如此便可以在整流電路（驅動用反相電路）13側與電 12 1^27410 池12側依照變壓器繞線比的一次側與二次側的相對電壓 差’使其自動送受電力。 以上是就實施形態進行說明，但本發明可以有各種變 形。例如，LC共振電路也可以設在一次側而非二次側。這 時，將LC共振電路插入低壓側轉接部與變壓器的低壓側繞 組之間即可。 本發明不限定在電池間，或引擎驅動式發電機構成的 直流電源與電池間，也可以使用在平f的發電機、太陽能 發電機 '風力發電機、燃料電池等的適宜的直流電源系統 以相互融通電力，例如，混合車輛等的行駛電力系統與保 安電裝系統間送受電力。 如以上所詳細說明，依據本發明時，因為能夠以Lc共 振電路將轉接產生的電流波形變成正弦波狀，因此可以將 轉接元件截斷的定時設定在電流值的零交叉點附近。因 此，可以在電流值的零交又點附近的轉接，可以大幅度抑 制轉接損失》 ，同時，由於能夠以同一驅動信號抑制低壓側轉接部與 问壓側轉接部，而在這個時候抑制起因變壓器3的相位落 後等引起的大電流流通於轉接元件，因而不需要延長無效 時間的長度，或縮短轉接元件的驅動期間，因此能夠提高 變換效率。 而且，由於能夠以同一驅動信號抑制低壓側轉接部與 南壓側轉接部，沒有必要對雙方向變換時的方向性來變更 驅動，因此可以減輕對控制系統的負擔。 13 1327410 【圖式間早說明】 第1圖係表示本發明雙向直流-直流變換器的—實施 形態的電路圖。 第2圖A-第2圖D係說明本發明的一實施形態與傳統 技術的雙向直流-直流變換器的變換動作上的差異的說明 圖。 第3圖A-第3圖D係說明本發明的一實施形態與傳統

技術的雙向直流-直流變換器在完全同步時的動作上的差 異的說明圖。 第4圖係表示本發明的適用例子的電路圖。 【符號說明】 4 :低壓側轉接部 6 . LC共振電路 1-1 、 1-2 : FET 3- 1 :低壓側繞組 4- 1-4-4 ： FET 10 :發電機 12 :電池 14 :電壓調節器

3 :變壓器 5 :高壓側轉接部 7、8 :電容器

2- 1 、 2-2 : FET

3- 2 ·‘高壓側繞組 5-1-5-4 ： FET 11 :雙向直流-直流變換器 13:驅動用反相電路 15 :反相器 14

Claims (1)

1327410 第93104038號專利申請案 補充、修正後無劃線之說明書修正頁一式三份 y::... 拾、申請專利範圍： 1. 一種雙向直流-直流變換器，具備有；低壓側端子；高 壓側端子；含有低壓側繞組及高壓側繞組的變壓器；插入在 上述低壓側端子與上述低壓側繞組之間的低壓側轉接部；插 入在上述两壓側端子與上述高壓側繞組之間的高壓側轉接 部；並聯連接在上述低壓側轉接部的各轉接元件的低壓側整 流元件；並聯連接在上述高壓側轉接部的各轉接元件的高壓 側整流元件，以及控制上述低壓側轉接部的轉接元件及上述 高壓侧轉接部的轉接元件的控制電路，其特徵乃在： 在上述高壓側繞組與上述高壓側轉接部之間，或在上述 低壓側繞組與上述低壓側轉接部之間，配設LC共振電路； 上述控制電路藉同一驅動信號驅動上述高壓侧轉接部及 上述低壓側轉接部’且在低壓側及高壓側之正弦波電流值成 為零之零交又點附近使上述各轉接元件斷開。 2. 如申請專利範圍第1項所述之雙向直流-直流變換器， 其中： 上述低麗側轉接部及上述高墨側轉接部，均為含有4個 轉接元件的電橋連接架構。 15