TWI390831B - 雙向ｄｃ-ｄｃ轉換器(直流-直流轉換器)及使用其之電源裝置 - Google Patents

雙向ｄｃ-ｄｃ轉換器(直流-直流轉換器)及使用其之電源裝置 Download PDF

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Description

雙向DC-DC轉換器(直流-直流轉換器)及使用其之電源裝置
本發明關於具有軟式切換(soft switching)功能之雙向DC－DC轉換器及使用其之電源裝置。
近年來，隨地球環保意識之高漲，高效率之油電混合車(hybrid car)之普及被進展。油電混合車，係將能源儲存於蓄電裝置，必要時利用儲存之能源來改善效率。為控制該蓄電裝置之充放電而使用雙向DC－DC轉換器。
習知雙向DC－DC轉換器之主流為，在對開/關切換(switching)元件施加電壓狀態或流入電流狀態下進行開/關切換(switching)的硬式切換(hard switching)。又，對開關元件之ON(導通)/OFF(非導通)進行切換的動作稱為開/關切換(切換)(switching)。硬式切換時，伴隨切換產生之能源損失較大，效率變差。
專利文獻1揭示，為降低伴隨切換產生之損失，改善效率的共振型雙向DC－DC轉換器。該共振型雙向DC－DC轉換器，為於12V與42V之電源間進行升壓(boost)/降壓(buck)動作，基本上具備一對之主MOSFET與主(平滑用)電抗器。除該基本主電路以外，為實現軟式切換而具備一對之補助MOSFET與共振用電抗器以此作為補助共振電路。一對之主MOSFET，係串接於第2電源之兩母線間，於該串接點與第1電源之正母線間連接補助(平滑用)電抗器。於一對之主MOSFET分別並接緩衝用(snubber)電容器。補助共振電路，係被連接於主電抗器之兩端間，由逆串接之一對補助MOSFET，以及串接之補助(共振用)電抗器構成。
補助共振電路，係於升壓/降壓動作兩方，藉由流入共振用電抗器之共振電流而控制主MOSFET之緩衝用電容器之充放電，以此方式進行一對補助MOSFET之切換控制，而實現軟式切換功能。
另外，專利文獻2揭示之共振型雙向DC－DC轉換器，係以橋式連接4個主電晶體，於該橋路點間連接主電抗器之同時，和該主電抗器並接而連接於補助共振電路。和專利文獻1同樣，該補助共振電路，亦由：逆串接之一對補助電晶體，以及串接之補助(共振用)電抗器構成。
另外，專利文獻3揭示使用多數元件之雙向DC－DC轉換器。
另外，關於單向DC－DC轉換器，減輕切換損失，改善效率之技術揭示於專利文獻4~8等。
專利文獻1：特開2003－33013號公報專利文獻2：特開2005－176540號公報專利文獻3：特開2005－184965號公報專利文獻4：特開2004－343923號公報專利文獻5：特開2001－37214號公報專利文獻6：特開2003－153527號公報專利文獻7：特開2003－189602號公報專利文獻8：特開2004－201373號公報
於專利文獻1或2揭示之習知共振型雙向DC－DC轉換器，主(平滑用)電抗器需要使用規格電流較大之電抗器，而導致尺寸、重量之增大。為使主開關元件之緩衝用電容器儲存之電荷放出，為使本來流入主電抗器之電壓之反向電流流入補助電抗器，而需要規格電流較大之主電抗器。
又，為實現主開關元件之軟式切換，需要一對補助開關元件，此舉導致開關元件數增加，導致複雜化及成本增加。
又，主開關元件與補助開關元件之控制時，單純之互補切換乃不夠，甚至連時序也是重要者，控制極為困難，因而亦導致複雜化及成本增加。
另外，補助開關元件之ON為0電流切換(ZCS)，和0電壓切換(ZVS)比較，切換損失變大。
專利文獻3揭示之技術，元件數較多，伴隨元件數之增加，將導致複雜化及成本增加。
如上述說明，習知雙向DC－DC轉換器之缺點為，為實現主開關元件之軟式切換，而增加其之尺寸、重量及成本之要因變多。
本發明目的在於提供雙向DC－DC轉換器，其使用規格電流較小之電抗器作為平滑用電抗器而實現軟式切換。
本發明另一目的在於提供雙向DC－DC轉換器，其使用較少之開關元件數而實現軟式切換。
本發明另一目的在於提供雙向DC－DC轉換器，其可以開關元件之較簡單切換控制而實現軟式切換。
本發明另一目的在於提供雙向DC－DC轉換器，其於補助開關元件之ON/OFF時，亦可實現0電壓切換(ZVS)。
本發明之一觀點之雙向DC－DC轉換器，係具備：第1平滑用電容器，並接於第1電源；第2平滑用電容器，並接於第2電源；第1、第2開關元件；平滑用電抗器；及控制裝置，對上述平滑用電抗器重複能源之儲存與放出，於上述第1、第2平滑用電容器之間進行電力之授受而使上述第1、第2開關元件設為ON(導通)/OFF(非導通)者；其特徵為：具備：共振用電抗器；儲存電路，在放出上述平滑用電抗器所儲存能源之期間，儲存上述平滑用電抗器及/或上述共振用電抗器放出之能源之一部分；及第3開關元件，用於使該儲存電路所儲存能源之一部分儲存於上述共振用電抗器；上述控制裝置，係使用上述共振用電抗器儲存之能源，在使上述第1及第2開關元件設為ON之前，以使彼等第1及第2開關元件之緩衝用電容器所儲存之電荷放出的方式，而使上述第1~第3開關元件設為ON/OFF。
本發明之較佳實施形態中，上述共振用電抗器，係藉由上述平滑用電抗器之能源儲存及/或放出電流來儲存能源，使該共振用電抗器之儲存能源及/或上述平滑用電抗器之能源，移轉至上述儲存電路之電容器，使該電容器之儲存能源介由上述第3開關元件儲存於上述共振用電抗器，藉由該共振用電抗器儲存之能源，使儲存於第1、第2開關元件之緩衝用電容器(輸出容量)的電荷被拉出。
本發明之其他目的及特徵可由以下實施形態之說明而理解。
以下依圖面說明本發明實施形態。又，實施形態說明之全圖中同一或相當之部分附加同一符號並省略重複說明。又，開關元件之一例以IGBT作為說明。又，和ON(導通)狀態之開關元件或二極體之順向壓降同等程度或其以下之電壓被稱為0(零)電壓。
(第1實施形態)
圖1為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之電路構成。
雙向DC－DC轉換器10，係具備：第1、第2開關元件(IGBT)Q1、Q2，及第3開關元件(IGBT)Q3，彼等藉由控制裝置2進行開/關之切換控制。於控制裝置2，被輸入電流感測器3及電壓感測器4、5之輸出。其他之電路要素具備：平滑用電容器Cs1、Cs2；平滑用電抗器Ls；共振用電抗器Lr1、Lr2；共振用電容器Cr；二極體D1~D3；及緩衝用電容器C1~C3。
雙向DC－DC轉換器10，連接於電源V1與電壓高於電源V1的電源V2之間，於電源V1與電源V2之間進行電壓轉換。於電源V1連接負荷R1，於電源V2連接負荷R2。
平滑用電容器Cs1，係連接於電源V1之正母線LN1與負母線LN0之間，平滑用電容器Cs2，係連接於電源V2之正母線LN2與負母線LN0之間。IGBTQ1之射極連接於負母線LN0，IGBTQ2之集極連接於正母線LN2，平滑用電抗器Ls之一端連接於正母線LN1，平滑用電抗器Ls之另一端連接於節點N0。
共振用電抗器Lr1連接於IGBTQ1之集極與節點N0之間，共振用電抗器Lr2連接於IGBTQ2之射極與節點N0之間。彼等共振用電抗器Lr1、Lr2，藉由磁性耦合使磁芯(core)共通化而提升鐵芯之利用率，可實現小型化。IGBTQ1與共振用電抗器Lr1之連接點設為節點N1，IGBTQ2與共振用電抗器Lr2之連接點設為節點N2。
將IGBTQ3與共振用電容器Cr串接而構成主動(active)共振電路。於節點N1與節點N2之間，以使IGBTQ3之射極面對節點N1之方式連接主動共振電路。
於IGBTQ1~Q3之集極－射極間分別連接二極體D1~D3而使電流由射極側流入集極側連接主動共振電路。又，於IGBTQ1~Q3之集極－射極間分別連接緩衝用電容器C1~C3。
於詳細動作說明之前，先定義圖1之電路中之電壓、電流之記號。首先，IGBTQ1~Q3之集極－射極間電壓VQ1~VQ，係以集極設為正。又，流入IGBTQ1~Q3、及彼等分別並接之二極體D1~D3的合成電流，係以由IGBTQ1~Q3之集極流入射極之方向為正，分別設為IQD1~IQD3。
流入平滑用電抗器Ls之電流ILs之方向定義如下。在將電源V1之能源傳送至電源V2之升壓動作時，以由正母線LN1流入節點N0之方向為正，在將電源V2之能源傳送至電源V1之降壓動作時，以由節點N0流入正母線LN1之方向為正。又，流入共振用電抗器Lr1之電流ILr1以由節點N1流入節點N0之方向為正，流入共振用電抗器Lr2之電流ILr2以由節點N0流入節點N2之方向為正。
流入共振用電容器Cr之電流ICr以在二極體D3流入順向電流之方向設為正。
(V1→V2：升壓動作)圖2、圖3分別為本發明第1實施形態之升壓動作說明電路圖之一及二。圖4為本發明第1實施形態之升壓動作說明之電壓/電流波形圖。
以下參照圖2－4說明本發明第1實施形態之升壓動作。其中定義電源V1之能源傳送至電源V2之動作為升壓動作。圖2(A)－圖3(L)對應於圖4之模態A－模態L。
(模態A)於模態A，IGBTQ1為ON狀態，IGBTQ2、Q3為OFF狀態，平滑用電抗器Ls之電流ILs漸漸增加，共振用電抗器Lr1之電流ILr1之大小朝負之方向漸漸增加，電源V1之能源被蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr1。此時，緩衝用電容器C2、C3、共振用電容器Cr依圖2(A)之極性被充電。
(模態B)之後，於時刻t1，IGBTQ1設為OFF狀態，此時和IGBTQ1並接之緩衝用電容器C1之電壓VQ1，由0電壓起漸漸增加。因此，IGBTQ1，於時刻t1被進行0電壓切換。伴隨電壓VQ1之增加，IGBTQ2之集極與IGBTQ1之集極間之電壓雖減少，但共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化。緩衝用電容器C2、C3放出蓄積之電荷，電壓VQ2、VQ3減少。電壓VQ3到達0電壓時，二極體D3導通，此時之電路狀態如圖2(B)所示。亦即，流入平滑用電抗器Ls之電流ILs分流為以下2路徑。亦即，流入共振用電抗器Lr1之後，流入緩衝用電容器C1之路徑，及流入緩衝用電容器C3(電壓VQ3為0電壓時為二極體D3)、共振用電容器Cr、緩衝用電容器C2之路徑。換言之，共振用電抗器Lr1、Lr2，作為將平滑用電抗器Ls之電流ILs導引至共振用電容器Cr之功能。
(模態C)於時刻t2，電壓VQ2到達0電壓時，二極體D2導通，成為模態C之狀態。流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，流向共振用電抗器Lr1、二極體D3、共振用電容器Cr、二極體D2。其中，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加共振用電容器Cr之電壓。因此，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正。亦即，流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，其之一部分分流至共振用電抗器Lr2，而與流入共振用電容器Cr之電流合流，流向二極體D2。此時，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V1之能源被供給至電源V2。電流ILs漸漸減少，又，蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr1之能源之一部分，係被蓄積於共振用電容器Cr。
(模態D)之後，於時刻t3，IGBTQ2、Q3設為ON狀態，又，IGBTQ2不設為ON狀態亦可。IGBTQ2，在時刻t3起至後述時刻t9之期間為止可為ON狀態或OFF狀態之任一。於時刻t3，電壓VQ2、VQ3為0電壓，因此IGBTQ2、Q3被設為0電壓切換，成為模態D之狀態。亦即，流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，分流為共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2。流入共振用電抗器Lr1之電流ILr1，在流入二極體D3、共振用電容器Cr之後，與流入共振用電抗器Lr2之電流ILr2合流，而流向二極體D2。和模態C同樣，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正，因此電流ILr1之大小呈現減少，電流ILr2增加。此時，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V1之能源被供給至電源V2。電流ILs漸漸減少，又，蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr1之能源之一部分，係被蓄積於共振用電容器Cr。
(模態E)之後，於時刻t4，電流ILr1由正變為負，成為模態E之狀態。流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，係流向共振用電抗器Lr2、二極體D2，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V1之能源被供給至電源V2，電流ILs漸漸減少。又，IGBTQ3為ON狀態之故，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加共振用電容器Cr之電壓。共振用電容器Cr之電荷依IGBTQ3、共振用電抗器Lr1、共振用電抗器Lr2、共振用電容器Cr之路徑放電出。於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2，被蓄積共振用電容器Cr之能源。
(模態F)之後，於時刻t5，IGBTQ2、Q3設為OFF狀態，而成為模態E之狀態。又，IGBTQ2，在後述時刻t9之期間為止設為OFF狀態即可。此時，並接於IGBTQ3之緩衝用電容器C3之電壓VQ3由0電壓漸漸增加。因此，IGBTQ3於時刻t5被施予0電壓切換。伴隨電壓VQ3之增加，電壓VQ1成為減少，使緩衝用電容器C1蓄積之電荷被放出。共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化。因此，緩衝用電容器C1之放電電流，將減少共振用電容器Cr之放電電流，增加二極體D2之導通電流。之後，流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，流向共振用電抗器Lr2、二極體D2，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V1之能源被供給至電源V2，電流ILs漸漸減少。
(模態G)於時刻t6，電壓VQ1到達0電壓時，二極體D1導通，成為模態G之狀態。又，緩衝用電容器C3之充電結束，於模態F，流入共振用電容器Cr之電流，流向二極體D2。流入二極體D1之電流，則通過共振用電抗器Lr1，與流入平滑用電抗器Ls之電流ILs合流之後，通過共振用電抗器Lr2，流向二極體D2。於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加電源V2之電壓，蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被供給至電源V2，電流ILr1、ILr2漸漸減少，伴隨此，二極體D1、D2之導通電流亦減少。
(模態H)之後，於時刻t7，IGBTQ1設為ON狀態。於時刻t7，電壓VQ1為0電壓，因此IGBTQ1被設為0電壓切換，成為模態H之狀態。電路狀態，如圖3之(G)、(H)所示，和模態G同樣，蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被供給至電源V2，電流ILr1、ILr2及二極體D1、D2之導通電流減少。
(模態I)之後，於時刻t8，電流ILr1由正變為負，成為模態I之狀態。IGBTQ1為ON狀態之故，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加V2之電壓，電流ILr1之大小朝負向增加，電流ILr2減少。因此，流入平滑用電抗器Ls之電流ILs，分流成為通過共振用電抗器Lr2流向二極體D2之路徑，與通過共振用電抗器Lr1流向IGBTQ1之路徑。IGBTQ2為ON狀態時，在模態I之期間結束前設為OFF狀態。
(模態J)之後，於時刻t9，電流ILr2由負變為正，成為模態J之狀態。IGBTQ2為OFF狀態。二極體D2由導通狀態移行至(逆回復)OFF狀態之必要期間(逆回復時間)之模態。之後，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加V2之電壓，電流ILr1、ILr2之大小朝負向增加。二極體D2之逆向電流流向共振用電抗器Lr2，與平滑用電抗器Ls之電流ILs合流，通過共振用電抗器Lr1流向IGBTQ1。
(模態K)之後，於時刻t10，二極體D2逆回復，成為模態K之狀態。此時，IGBTQ2並接之緩衝用電容器C2之電壓VQ2，由0電壓漸漸增加，伴隨電壓VQ2之增加，電壓VQ3減少，緩衝用電容器C3將蓄積之電荷放出。緩衝用電容器C3之放電電流通過共振用電容器Cr，與充電緩衝用電容器C2之電流合流，流向共振用電抗器Lr2，與平滑用電抗器Ls之電流ILs合流，流向共振用電抗器L1。共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化。因此，緩衝用電容器C3之放電電流使IGBTQ1之電流減少。
(模態L)之後，於時刻t11，電壓VQ3到達0電壓時二極體D3導通，成為模態L之狀態。又，由電源V2對緩衝用電容器C2之充電結束，伴隨此，IGBTQ1之電流減少。又，共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化，因此，充電共振用電容器Cr之電流增加。於平滑用電抗器Ls被蓄積電源V1之能源，電流ILs漸漸增加。於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加共振用電容器Cr之電壓，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正。蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被蓄積於共振用電容器Cr。如此則，二極體D2之逆回復時間引起而被蓄積之共振用電抗器Lr1、Lr2之能源，不會產生突波而可回收於共振用電容器Cr。
之後，於時刻t12，共振用電抗器Lr2之電流到達0時，回復模態A之狀態。此時，於共振用電抗器Lr1、Lr2、共振用電容器Cr與緩衝用電容器C3流入共振電流，波形成為振動。
(V2→V1：降壓動作)圖5、圖6分別為本發明第1實施形態之降壓動作說明電路圖之一及二。圖7為本發明第1實施形態之降壓動作說明之電壓/電流波形圖。
以下參照圖5－7說明本發明第1實施形態之降壓動作。其中定義電源V2之能源傳送至電源V1之動作為降壓動作。圖5(A)－圖6(L)對應於圖7之模態A－模態L。
(模態A)於模態A，IGBTQ2為ON狀態，IGBTQ1、Q3為OFF狀態。平滑用電抗器Ls之電流ILs漸漸增加，共振用電抗器Lr2之電流ILr2之大小朝負之方向漸漸增加，電源V2之能源被蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr2。此時，緩衝用電容器C1、C3、共振用電容器Cr依圖5(A)之極性被充電。
(模態B)之後，於時刻t1，IGBTQ2設為OFF狀態，此時和IGBTQ2並接之緩衝用電容器C2之電壓VQ2，係由0電壓起漸漸增加。因此，IGBTQ2，於時刻t1被進行0電壓切換。伴隨電壓VQ2之增加，IGBTQ2之射極與IGBTQ1之射極間之電壓雖減少，但共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化。緩衝用電容器C1、C3放出蓄積之電荷，電壓VQ1、VQ3減少。電壓VQ3到達0電壓時，二極體D3導通，此時之電路狀態如圖5(B)所示。亦即，流入緩衝用電容器C1之電流，係流向緩衝用電容器C3(電壓VQ3為0電壓時為二極體D3)與共振用電容器Cr。之後，與流入緩衝用電容器C2之電流合流，流入共振用電抗器Lr2之後，流入平滑用電抗器Ls。換言之，共振用電抗器Lr1、Lr2，作為將平滑用電抗器Ls之電流ILs導引至共振用電容器Cr之功能。
(模態C)之後，於時刻t2，電壓VQ1到達0電壓時，二極體D1導通，成為模態C之狀態。流入二極體D1之電流，係流入二極體D3、共振用電容器Cr、共振用電抗器Lr2之後，流入平滑用電抗器Ls。其中，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加共振用電容器Cr之電壓。因此，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正。亦即，流入二極體D1之電流，其之一部分分流至共振用電抗器Lr1，而與流入共振用電抗器Lr2之電流合流，流向平滑用電抗器Ls。此時，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V2之能源被供給至電源V1，電流ILs漸漸減少。又，蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr2之能源之一部分，係被蓄積於共振用電容器Cr。
(模態D)之後，於時刻t3，IGBTQ1、Q3設為ON狀態，又，IGBTQ1不設為ON狀態亦可。IGBTQ1，在時刻t3起至後述時刻t9之期間為止可為ON狀態或OFF狀態之任一。於時刻t3，電壓VQ1、VQ3為0電壓，因此IGBTQ1、Q3被設為0電壓切換，成為模態D之狀態。流入二極體D1之電流，係分流為共振用電抗器Lr1與二極體D3。流入二極體D3之電流，係流向共振用電容器Cr、共振用電抗器Lr2之後，與流入共振用電抗器Lr1之電流合流，而流向平滑用電抗器Ls。和模態C同樣，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正，因此電流ILr2之大小呈現減少，電流ILr1增加。此時，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V2之能源被供給至電源V1。電流ILs漸漸減少，又，蓄積於平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr2之能源之一部分，係被蓄積於共振用電容器Cr。
(模態E)之後，於時刻t4，電流ILr2由正變為負，成為模態E之狀態。流入二極體D1之電流，係流向共振用電抗器Lr1、平滑用電抗器Ls，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V2之能源被供給至電源V1，電流ILs漸漸減少。又，IGBTQ3為ON狀態之故，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加共振用電容器Cr之電壓。共振用電容器Cr之電荷依IGBTQ3、共振用電抗器Lr1、共振用電抗器Lr2、共振用電容器Cr之路徑放電，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2，被蓄積共振用電容器Cr之能源。
(模態F)之後，於時刻t5，IGBTQ1、Q3設為OFF狀態，而成為模態F之狀態。又，IGBTQ1，在後述時刻t9之期間為止設為OFF狀態即可。此時，並接於IGBTQ3之緩衝用電容器C3之電壓VQ3由0電壓漸漸增加。因此，IGBTQ3於時刻t5被施予0電壓切換。伴隨電壓VQ3之增加，電壓VQ2成為減少，使緩衝用電容器C2蓄積之電荷被放出。共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化。因此，緩衝用電容器C2之放電電流，將減少共振用電容器Cr之放電電流，增加二極體D1之導通電流。之後，流入二極體D1之電流，流向共振用電抗器Lr1、平滑用電抗器Ls，蓄積於平滑用電抗器Ls之電源V2之能源被供給至電源V1，電流ILs漸漸減少。
(模態G)於時刻t6，電壓VQ2到達0電壓時，二極體D2導通，成為圖6(G)之模態G之狀態。又，緩衝用電容器C3之充電結束，於模態F，流入共振用電容器Cr之電流，係流向二極體D1。流入二極體D1之電流，則通過共振用電抗器Lr1，分流為平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr2。流入共振用電抗器Lr2之電流，係流向二極體D2。於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加電源V2之電壓，蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被回收至電源V2，電流ILr1、ILr2漸漸減少，伴隨此，二極體D1、D2之導通電流亦減少。
(模態H)之後，於時刻t7，IGBTQ2設為ON狀態。於時刻t7，電壓VQ2為0電壓，因此IGBTQ2被設為0電壓切換，成為模態H之狀態。電路狀態和模態G同樣，蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被回收至電源V2，電流ILr1、ILr2及二極體D1、D2之導通電流減少。
(模態I)之後，於時刻t8，電流ILr2由正變為負，成為模態I之狀態。IGBTQ2為ON狀態之故，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加電源V2之電壓，電流ILr2之大小朝負向增加，電流ILr1減少。因此，通過二極體D1流入共振用電抗器Lr1之電流，與通過IGBTQ2流入共振用電抗器Lr2之電流被合流，流入平滑用電抗器Ls。IGBTQ1為ON狀態時，在模態I之期間結束前設為OFF狀態。
(模態J)之後，於時刻t9，電流ILr1由正變為負，成為模態J之狀態。IGBTQ1為OFF狀態。二極體D1由導通狀態移行至(逆回復)OFF狀態之必要期間(逆回復時間)之模態。之後，於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路被施加電源V2之電壓，電流ILr1、ILr2之大小朝負向增加。流入IGBTQ2之電流，係流向共振用電抗器Lr2，分流至平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr1。流入共振用電抗器Lr1之電流成為二極體D1之逆向電流。
(模態K)之後，於時刻t10，二極體D1逆回復，成為模態K之狀態。此時，IGBTQ1並接之緩衝用電容器C1之電壓VQ1，係由0電壓漸漸增加，伴隨電壓VQ1之增加，電壓VQ3減少，緩衝用電容器C3將蓄積之電荷放出。緩衝用電容器C3之放電電流通過共振用電容器Cr，與流入IGBTQ2之電流合流，流向共振用電抗器Lr2，分流至平滑用電抗器Ls與共振用電抗器Lr1。流入共振用電抗器Lr1之電流，係分流至緩衝用電容器C3與緩衝用電容器C1。因此，緩衝用電容器C3之放電電流使IGBTQ2之電流減少。
(模態L)之後，於時刻t11，電壓VQ3到達0電壓時二極體D3導通，成為模態L之狀態。又，由電源V2對緩衝用電容器C1之充電結束，伴隨此，IGBTQ2之電流減少。又，共振用電抗器Lr1、Lr2之電流ILr1、ILr2相對於時刻未呈現急速變化，因此，充電共振用電容器Cr之電流增加。於平滑用電抗器Ls被蓄積電源V2之能源，電流ILs漸漸增加。於共振用電抗器Lr1與共振用電抗器Lr2之串接電路，被施加共振用電容器Cr之電壓，電流ILr1、ILr2之時間變化成為正。蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之能源被蓄積於共振用電容器Cr。如此則，二極體D2之逆回復時間引起而被蓄積之共振用電抗器Lr1、Lr2之能源，不會產生突波而可回收於共振用電容器Cr。
之後，於時刻t12，共振用電抗器Lr1之電流到達0時，回復模態A之狀態。此時，於共振用電抗器Lr1、Lr2、共振用電容器Cr與緩衝用電容器C3流入共振電流，波形成為振動。
以下說明本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10之升壓動作與降壓動作之共通動作。首先，在放出平滑用電抗器Ls蓄積之能源期間，共振用電抗器Lr1、Lr2將平滑用電抗器Ls放出之能源之一部分導入共振用電容器Cr。此時，二極體D3導通，IGBTQ3設為ON狀態時成為0電壓切換。之後，共振用電容器Cr之電荷經由IGBTQ3放電，共振用電容器Cr之能源被蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2。之後，IGBTQ3設為ON狀態時，蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之電流使二極體D1、D2導通，IGBTQ1、Q2被設為0電壓切換。其中，蓄積於共振用電容器Cr之電壓，與蓄積於共振用電抗器Lr1、Lr2之電流，於升壓動作與降壓動作為同一極性，因此不受動作方向影響可依同樣原理而實現軟式切換。
如上述說明，雙向DC－DC轉換器10，於雙向動作中不必改變電路之連接而可以實現全部元件之0電壓切換。又，二極體D1、D2之逆回復時間引起而被蓄積之共振用電抗器Lr1、Lr2之能源，不會產生突波而可回收於共振用電容器Cr。
如上述說明，雙向DC－DC轉換器10，具備控制裝置2而設置，於升壓動作時使IGBTQ1、Q3，於降壓動作時使IGBTQ2、Q3同時設為OFF狀態之期間，而交互控制ON/OFF，因此容易控制。只要檢測出流入平滑用電抗器Ls之電流之方向即可判斷升壓動作與降壓動作。因此，具備電流感測器3用於檢測流入平滑用電抗器Ls之電流，具備控制裝置2，在流入平滑用電抗器Ls之電流係由平滑用電抗器Ls流向節點N0時，設置使IGBTQ1、Q3同時設為OFF狀態之期間，而交互控制ON/OFF。另外，電流由節點N0流向平滑用電抗器Ls時，設置使IGBTQ2、Q3同時設為OFF狀態之期間，而交互控制ON/OFF，如此則，控制變為容易。
於第1實施形態，使共振用電抗器Lr1與Lr2成為磁性耦合，但不限定於磁性耦合。另外，省略共振用電抗器Lr1與Lr2之其中一方而達成小型化亦可。該第2、第3實施形態如下。
(第2實施形態)
圖8為本發明第2實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。第2實施形態之雙向DC－DC轉換器11，係由圖1之第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成。
電路動作及控制方法係和第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第3實施形態)
圖9為本發明第3實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。第3實施形態之雙向DC－DC轉換器12，係由圖1之第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成。
電路動作及控制方法係和第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第4實施形態)
於第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10，無法利用IGBTQ1、Q2未被連接，2個IGBT之集極與射極被連接之IGBT模組。於第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13，則構成可利用IGBT模組之電路。
圖10為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13之主電路，係將圖1之第1之IGBTQ1與共振用電抗器Lr1，及第2之IGBTQ2與共振用電抗器Lr2分別替換的構成，具備同一電路要素。
說明和圖1之不同點。將IGBTQ1之集極與IGBTQ2之射極連接於節點N0。於IGBTQ1之射極與負母線LN0之間連接共振用電抗器Lr1，於IGBTQ2之射極與正母線LN2之間連接共振用電抗器Lr2。IGBTQ1與共振用電抗器Lr1之連接點設為節點N1，IGBTQ2與共振用電抗器Lr2之連接點設為節點N2。將IGBTQ3與共振用電容器Cr串接構成主動共振電路。於節點N1與節點N2之間使IGBTQ3之射極朝向節點N2而連接主動共振電路。
於圖10之電路圖，定義電壓、電流之記號。首先，流入共振用電抗器Lr1之電流ILr1，係以由負母線LN0流入節點N1之方向為正，流入共振用電抗器Lr2之電流ILr2，係以由節點N2流向L節點N2之方向為正。其他之電壓、電流之記號則依第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10。
圖11、圖12為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明電路圖之一及二。圖13、圖14為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明電路圖之一及二。控制方法同第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10，電路之各部之波形同圖4、圖7。
使該第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13具有之共振用電抗器Lr1、Lr2磁性耦合亦可(未圖示)。藉由磁芯共通化而提升鐵芯之利用率，可實現小型化。或者或者省略共振用電抗器Lr1與Lr2之其中一方而設為小型化亦可，其實施形態如第5實施形態(圖15)－第10實施形態(圖20)所示。
(第5實施形態)
圖15為本發明第5實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第5實施形態之雙向DC－DC轉換器14，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN1之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第6實施形態)
圖16為本發明第6實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第6實施形態之雙向DC－DC轉換器15，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN2之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第7實施形態)
圖17為本發明第7實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第7實施形態之雙向DC－DC轉換器16，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於負母線LN0之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第8實施形態)
圖18為本發明第8實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第8實施形態之雙向DC－DC轉換器17，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN1之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第9實施形態)
圖19為本發明第9實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第9實施形態之雙向DC－DC轉換器18，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN2之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第10實施形態)
圖20為本發明第10實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第10實施形態之雙向DC－DC轉換器19，係由圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於負母線LN0之構成。
電路動作及控制方法係和圖10之第4實施形態之雙向DC－DC轉換器13同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第11實施形態)
圖21為本發明第11實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。於圖21，和圖1之第1實施形態之不同為，以圖1之平滑用電抗器Ls為主軸，將其右側電路，亦於左側展開而成之雙向DC－DC轉換器30之構成。因此，具備：將第1、第2開關元件Q11、Q12串接而成之第1上下臂部；及將第3、第4開關元件Q21、Q22串接而成之第2上下臂部。又，具備：平滑用電抗器Ls，其之一端連接於上述第1、第2開關元件Q11、Q12之串接點，且另一端連接於上述第3、第4開關元件Q21、Q22之串接點。具備：第1平滑用電容器Cs1，連接於上述第1上下臂部之兩端間、且並接於第1電源V1；及第2平滑用電容器Cs2，連接於上述第2上下臂部之兩端間、且並接於第2電源V2。具備第1共振用電抗器Lr11、Lr12，分別串接於上述第1、第2開關元件Q11、Q12。同樣，具備第2共振用電抗器Lr21、Lr22，分別串接於上述第3、第4開關元件Q21、Q22。彼等共振用電抗器Lr11、Lr12或共振用電抗器Lr21、Lr22，如上述實施形態所述，不各具備2個，而只具備至少一方亦可。
藉由第5開關元件Q13與第1共振用電容器Cr1之串接體構成第1主動共振電路6。同樣，藉由第6開關元件Q23與第2共振用電容器Cr2之串接體構成第2主動共振電路7。依此則，構成可實現軟式切換之雙向DC－DC轉換器30。
該實施形態，在將電源V1之能源傳送至電源V2的動作，與將電源V2之能源傳送至電源V1的動作之雙向動作中，具有升壓及降壓功能。電路動作及控制方法，係具備2組圖1之第1實施形態之雙向DC－DC轉換器10，因此可以和圖1同樣予以理解。
(第12實施形態)
以下藉由第12實施形態(圖22)－第21實施形態(圖39)說明，作為主開關元件僅以一對元件，於電源V1與V2間之雙向動作中，具有升壓及降壓功能，可進行能源之處理的雙向DC－DC轉換器。
圖22為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20之主電路。上下臂部分別具備平滑用電容器Cs1、Cs2，於彼等分別並接電源V1與電源V2，於電源V1與電源V2間進行電壓轉換。
圖23、圖24為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之一及二。圖25、圖26同樣為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之一及二。設置使IGBTQ1與Q3同時設為OFF之期間，使交互控制為ON/OFF而將電源V1之能源傳送至電源V2，設置使IGBTQ2與Q3同時設為OFF之期間，使交互控制為ON/OFF而將電源V2之能源傳送至電源V1。其他之控制方法係和圖1之第1實施形態之雙向DC－DC轉換器1同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
使圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20具有之共振用電抗器Lr1、Lr2磁性耦合亦可(未圖示)。藉由磁芯共通化而提升磁芯之利用率，可實現小型化。或者省略共振用電抗器Lr1與Lr2之其中一方而設為小型化亦可，其實施形態如第13、14實施形態所示。
(第13實施形態)
圖27為本發明第13實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第13實施形態之雙向DC－DC轉換器21，係由圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成。電路動作及控制方法係和圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第14實施形態)
圖28為本發明第14實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第14實施形態之雙向DC－DC轉換器22，係由圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成。電路動作及控制方法係和圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第15實施形態)
於圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20，無法利用IGBTQ1、Q2未被連接，2個IGBT之集極與射極被連接之IGBT模組。於第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23，則構成可利用IGBT模組之電路。
圖29為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23，係將圖22之第1之IGBTQ1與共振用電抗器Lr1，及第2之IGBTQ2與共振用電抗器Lr2分別替換的構成，具備同一電路要素。
以下僅說明和圖221之不同點。將IGBTQ1之集極與IGBTQ2之射極連接於節點N0。於IGBTQ1之射極與負母線LN0之間連接共振用電抗器Lr1，於IGBTQ2之集極與正母線LN2之間連接共振用電抗器Lr2。IGBTQ1與共振用電抗器Lr1之連接點設為節點N1，IGBTQ2與共振用電抗器Lr2之連接點設為節點N2。將IGBTQ3與共振用電容器Cr串接構成主動共振電路。於節點N1與節點N2之間使IGBTQ3之射極朝向節點N2而連接主動共振電路。
於圖29之電路圖，定義電壓、電流之記號。首先，流入共振用電抗器Lr1之電流ILr1，係以由負母線LN0流入節點N1之方向為正，流入共振用電抗器Lr2之電流ILr2，係以由節點N2流向正母線LN2之方向為正。其他之電壓、電流之記號則依圖22之第12實施形態之雙向DC－DC轉換器20。
圖30、圖31為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之一及二。圖32、圖33為同樣將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之一及二。控制方法同第2實施形態之雙向DC－DC轉換器20，電路之各部之波形同圖4、圖7。
使該第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23具有之共振用電抗器Lr1、Lr2磁性耦合亦可(未圖示)。藉由鐵芯(core)共通化而提升鐵芯之利用率，可實現小型化。或者省略共振用電抗器Lr1與Lr2之其中一方而設為小型化亦可，其實施形態如第16實施形態(圖34)－第21實施形態(圖39)所示。
(第16實施形態)
圖34為本發明第16實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
該第16實施形態之雙向DC－DC轉換器24，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN1之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第17實施形態)
圖35為本發明第17實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第17實施形態之雙向DC－DC轉換器25，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN2之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第18實施形態)
圖36為本發明第18實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第18實施形態之雙向DC－DC轉換器26，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr2而予以短路之構成，使連接於節點N2之主動共振電路之一端變更連接於負母線LN0之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第19實施形態)
圖37為本發明第19實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第19實施形態之雙向DC－DC轉換器27，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN1之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第20實施形態)
圖38為本發明第20實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第20實施形態之雙向DC－DC轉換器28，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於正母線LN2之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
(第21實施形態)
圖39為本發明第21實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。該第21實施形態之雙向DC－DC轉換器29，係由圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23去掉共振用電抗器Lr1而予以短路之構成，使連接於節點N1之主動共振電路之一端變更連接於負母線LN0之構成。
電路動作及控制方法係和圖29之第15實施形態之雙向DC－DC轉換器23同樣，電路之各部之波形和圖4、圖7同樣。
以上說明本發明之雙向DC－DC轉換器之21種不同實施形態。接著說明可使用上述變化之本發明實施形態之任一的應用例。
圖40為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之油電混合車之電源裝置之概略構成。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接，被連接於馬達106的變頻器105，於另一方連接直流電源101。於DC－DC轉換器102連接直流電源101及電壓較直流電源101低的直流電源103，在直流電源101與直流電源103之間進行能源之授受。在直流電源103連接例如以14V系動作的電子機器104。
雙向DC－DC轉換器10，在變頻器105作動馬達106時，係將直流電源101之電壓升壓而對變頻器105供給能源，在變頻器105回生馬達106時，則降低變頻器105之電壓而對直流電源101供給回生(回收)能源。又，直流電源101可由電容器構成。
圖41為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之汽車之電源裝置之概略構成。在對14V系動作的電子機器113供給能源的直流電源111，與對42V系動作的電子機器114供給能源的直流電源112之間，被連接雙向DC－DC轉換器10。由直流電源111對直流電源112供給能源時設為升壓動作，由直流電源112對直流電源111供給能源時設為降壓動作。
圖42為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之燃料電池汽車之電源裝置之概略構成。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接，被連接於馬達126的變頻器125，於另一方連接直流電源121。DC－DC轉換器122連接於燃料電池123及直流電源121，轉換燃料電池123之電壓對直流電源121供給能源。
依該構成，可將燃料電池123之能源蓄積於直流電源121。雙向DC－DC轉換器10，在變頻器125作動馬達126時，係將直流電源121之電壓升壓而對變頻器125供給能源，在變頻器105回生馬達126時，則降壓變頻器125之電壓而對直流電源121供給回生能源。又，直流電源121可由電容器構成。
依圖40－42之實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可達成輕量化，可節省汽車之燃料費，可改善行走性能。又，DC－DC轉換器可以小型化，因此可提升車輛設計之自由度，使車輛構造多樣化。
圖43為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，使用燃料電池作為電源之攜帶型機器之電源裝置之概略構成。DC－DC轉換器133轉換燃料電池134之電壓對攜帶型負荷供給能源。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接電容器131，於另一方連接攜帶型負荷132。依該構成，可由燃料電池134與電容器131之任一方或雙方對攜帶型負荷供給能源。又，燃料電池134之能源可蓄積於電容器131。電容器131可由直流電源構成。又，亦可考慮將燃料電池134變更為太陽能電池之系統。
依該實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可延長連續動作時間，因此轉換效率之提升，可達成蓄電裝置之小型化、輕量化。因為，DC－DC轉換器之小型化、輕量化，而可達成攜帶型機器之小型化、輕量化。
圖44為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之系統連系太陽光發電系統之電源裝置之概略構成。DC－DC轉換器143轉換太陽能電池144之電壓而對變頻器142之直流側供給能源。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接直流電源141，於另一方連接變頻器142之直流側。變頻器142之交流側連接於例如家電等之交流負荷145與交流電源系統146。
依該構成，可由太陽能電池144與直流電源141之任一方或雙方對交流負荷145或交流電源系統146供給能源。又，太陽能電池144之能源可蓄積於直流電源141。又，可由交流電源系統146將能源蓄積於直流電源141。直流電源141可由電容器構成。又，亦可考慮將太陽能電池144變更為燃料電池之系統。
依該實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可減少光熱費用，可達成蓄電裝置之小容量化。另外，可減少二氧化碳排放量，具有減少一次能源供給量之效果。有助於電力變動吸收容量之確保，又，可減少雜訊，有助於電力品質之確保。
圖45為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之迴路控制器之電源裝置之概略構成。變頻器152、153之交流側分別連接於電力系統154、155。變頻器152、153之直流側互相連接。變頻器152、153係於電力系統154、電力系統155之間授受能源。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接直流電源151，於另一方連接變頻器152、153之直流側。
依該構成，可由電力系統154、155之任一方或雙方將能源蓄積於直流電源151。又，可由直流電源151對電力系統154、155之任一方或雙方供給能源。直流電源151可由電容器構成。又，該迴路控制器具有電力系統之潮流控制與能源貯存功能，可改善電力系統之電力品質或負荷率。
依該實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可達成蓄電裝置之小容量化。另外，可減少二氧化碳排放量，具有減少一次能源供給量之效果。有助於送配電容量、電力變動吸收容量之確保，又，可減少雜訊，有助於電力品質之確保。
圖46為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之升降機之電源裝置之概略構成。AC－DC轉換器162，係整流交流電源164之電壓，對連接於馬達165之變頻器163供給能源。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接電容器161，於另一方連接變頻器162之直流側。
依該構成，可由交流電源164與電容器161之任一方或雙方對變頻器163供給能源，可作動馬達165。又，變頻器163回收馬達165而得之能源可蓄積於電容器161。又，電容器161可由直流電源構成。
依該實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可達成蓄電裝置之小容量化。另外，可減少二氧化碳排放量，具有減少一次能源供給量之效果。有助於電力變動吸收容量之確保，又，可減少雜訊，有助於電力品質之確保。
圖47為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之無停電電源裝置之概略構成。無停電電源裝置178具備：雙向DC－DC轉換器10；直流電源171；DC－DC轉換器172；AC－DC轉換器173；及變頻器174。AC－DC轉換器173，係整流交流電源175之電壓，對DC－DC轉換器172與變頻器174供給能源。DC－DC轉換器172對直流負荷177，變頻器174對交流負荷176分別供給能源。於雙向DC－DC轉換器10之一方連接電容器171，於另一方連接AC－DC轉換器173之直流側。
依該構成，即使交流電源175停電或瞬間電壓下降時，藉由雙向DC－DC轉換器10之動作可對DC－DC轉換器172與變頻器174供給直流電源171之能源。當交流電源175回復時AC－DC轉換器173可將整流電壓而產生之交流電源175之能源蓄積於直流電源171。又，直流電源171可由電容器構成。
依該實施形態，藉由使用本發明之雙向DC－DC轉換器可提升轉換效率，可達成蓄電裝置之小容量化。另外，可延長停電時之電力供給時間。
(發明效果)
依據本發明之較佳實施形態，於平滑用電抗器只需流入和不實現軟式切換時同等程度之電流即可，可以提供使用較小規格電流之電抗器而實現軟式切換的雙向DC－DC轉換器。
又，依據本發明之較佳實施形態，可以提供以較少開關元件數而實現軟式切換的雙向DC－DC轉換器。
又，依據本發明之較佳實施形態，可以提供藉由主(第1、第2)及補助(第3)開關元件之較簡單之開關切換(switching)控制而實現軟式切換的雙向DC－DC轉換器。
又，依據本發明之較佳實施形態，可以提供在補助(第3)開關元件之ON/OFF時亦可實現0電壓切換(ZVS)的雙向DC－DC轉換器。
1、6、7．．．主動共振電路
2．．．控制裝置
3．．．電流感測器
4、5．．．電壓感測器
10~30．．．雙向DC－DC轉換器
V1、V2．．．直流電源
R1、R2．．．負荷
LN0．．．電源負母線
LN1、LN2．．．電源正母線
N0、N1、N2．．．節點
Cs1、Cs2．．．平滑用電容器
Ls．．．平滑用電抗器
Lr1、Lr2．．．共振用電抗器
Cr．．．共振用電容器
Q1~Q3．．．開關元件(IGBT)
D1~D3．．．二極體
C1~C3．．．緩衝用電容器
圖1為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之電路構成。
圖2為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明電路圖之一。
圖3為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明電路圖之二。
圖4為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明之電壓/電流波形圖。
圖5為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明電路圖之一。
圖6為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明電路圖之二。
圖7為本發明第1實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明之電壓/電流波形圖。
圖8為本發明第2實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖9為本發明第3實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖10為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖11為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明電路圖之一。
圖12為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之升壓動作說明電路圖之二。
圖13為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明電路圖之一。
圖14為本發明第4實施形態之雙向DC－DC轉換器之降壓動作說明電路圖之二。
圖15為本發明第5實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖16為本發明第6實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖17為本發明第7實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖18為本發明第8實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖19為本發明第9實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖20為本發明第10實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖21為本發明第11實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖22為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖23為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之一。
圖24為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之二。
圖25為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之一。
圖26為本發明第12實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之二。
圖27為本發明第13實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖28為本發明第14實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖29為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖30為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之一。
圖31為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V1之能源傳送至電源V2之動作說明電路圖之二。
圖32為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之一。
圖33為本發明第15實施形態之雙向DC－DC轉換器將電源V2之能源傳送至電源V1之動作說明電路圖之二。
圖34為本發明第16實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖35為本發明第17實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖36為本發明第18實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖37為本發明第19實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖38為本發明第20實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖39為本發明第21實施形態之雙向DC－DC轉換器之主電路。
圖40為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之油電混合車之電源裝置之概略構成。
圖41為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之汽車之電源裝置之概略構成。
圖42為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之燃料電池汽車之電源裝置之概略構成。
圖43為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，使用燃料電池作為電源之攜帶型機器之電源裝置之概略構成。
圖44為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之系統連系太陽光發電系統之電源裝置之概略構成。
圖45為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之迴路控制器之電源裝置之概略構成。
圖46為採用本發明之雙向DC－DC轉換器，具備蓄電裝置之升降機之電源裝置之概略構成。
圖47為採用本發明之雙向DC－DC轉換器之無停電電源裝置之概略構成。
1．．．主動共振電路
2．．．控制裝置
3．．．電流感測器
4、5．．．電壓感測器
10．．．雙向DC－DC轉換器
V1、V2．．．直流電源
R1、R2．．．負荷
LN0．．．電源負母線
LN1、LN2．．．電源正母線
N0、N1、N2．．．節點
Cs1、Cs2．．．平滑用電容器
Ls．．．平滑用電抗器
Lr1、Lr2．．．共振用電抗器
Cr．．．共振用電容器
Q1~Q3．．．開關元件(IGBT)
D1~D3．．．二極體
C1~C3．．．緩衝用電容器
ILs．．．電流
ILr1、ILr2．．．電流
ICr．．．電流
VQ1~VQ3．．．電壓
IQD1~IQD3．．．合成電流

Claims (28)

  1. 一種雙向DC-DC轉換器(直流-直流轉換器)，係具備：第1平滑用電容器，並接於第1電源；第2平滑用電容器，並接於第2電源；第1、第2開關元件；平滑用電抗器；及控制裝置，對上述平滑用電抗器重複能之儲存與放出，於上述第1、第2平滑用電容器之間進行電力之授受而使上述第1、第2開關元件設為ON(導通)/OFF(非導通)者；其特徵為：具備：共振用電抗器；共振用電容器，在放出上述平滑用電抗器所儲存能源之期間，係用以儲存上述平滑用電抗器及/或上述共振用電抗器放出之能源之一部分；及共振閉迴路電路，其包含上述共振用電容器、上述平滑用電抗器及第3開關元件；在上述第3開關元件設為ON時，係使上述共振用電容器所儲存能源之一部分儲存於上述共振用電抗器而予以連接；上述控制裝置，係使用上述共振用電抗器儲存之能源，在使上述第1及/或第2開關元件設為ON之前，以使彼等第1及/或第2開關元件之輸出容量、以及/或者和彼等第1及/或第2開關元件呈並聯連接之緩衝用電容器，所儲存之電荷予以放出的方式，將上述第1及/或第 2開關元件之OFF期間中事先被設為ON的上述第3開關元件設定成為OFF之後，將上述第1及/或第2開關元件設定成為ON。
  2. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振用電抗器，係藉由上述平滑用電抗器之能源儲存及/或放出電流來儲存能源，使該共振用電抗器之儲存能源及/或上述平滑用電抗器之能源移轉至上述共振用電容器，使該共振用電容器之儲存能源，經由上述第3開關元件儲存於上述共振用電抗器而構成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之雙向DC-DC轉換器，其中，不論上述第1、第2電源間之電力授受之方向，在放出上述平滑用電抗器所儲存能源之期間中施加於上述共振用電抗器之電壓為同極性。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：二極體及/或寄生二極體，其逆並接於上述第1~第3開關元件之各個。
  5. 如申請專利範圍第4項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：控制裝置，在上述二極體及/或寄生二極體導通期間，用於對該二極體並接之上述第1~第3開關元件供給turn-on(開啟)信號。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述緩衝用電容器，係並接於上述第1、第2及/或第3開關元件。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振用電抗器具備：分別串接於上述第1、第2開關元件的第1、第2共振用電抗器。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振用電抗器具備：分別串接於上述第1、第2開關元件、磁性耦合的第1、第2共振用電抗器。
  9. 一種雙向DC-DC轉換器，係具備：上下臂部，將第1、第2開關元件串接而成；平滑用電抗器，其之一端連接於上述第1、第2開關元件之串接點；第1平滑用電容器，連接於該平滑用電抗器之另一端與上述上下臂部之一端之間、且並接於第1電源；及第2平滑用電容器，連接於上述平滑用電抗器之另一端與上述上下臂部之另一端之間或者上述上下臂部之兩端間、且並接於第2電源；其特徵為：具備：共振用電抗器，串接於上述第1、第2開關元件之至少一方；及第3開關元件與共振用電容器之串接體；上述第3開關元件與上述共振用電容器之串接體之兩 端，和上述共振用電抗器之兩端，係被互相連接而形成共振閉迴路電路。
  10. 一種雙向DC-DC轉換器，係具備：上下臂部，將第1、第2開關元件串接而成；平滑用電抗器，其之一端連接於上述第1、第2開關元件之串接點；第1平滑用電容器，連接於該平滑用電抗器之另一端與上述上下臂部之一端之間、且並接於第1電源；及第2平滑用電容器，連接於上述上下臂部之兩端間、且並接於第2電源；其特徵為：具備：共振用電抗器，串接於上述第1、第2開關元件之至少一方；及第3開關元件與共振用電容器之串接體；上述第3開關元件與上述共振用電容器之串接體之兩端，和上述共振用電抗器之兩端，係被互相連接而形成共振閉迴路電路。
  11. 一種雙向DC-DC轉換器，係具備：上下臂部，將第1、第2開關元件串接而成；平滑用電抗器，其之一端連接於上述第1、第2開關元件之串接點；第1平滑用電容器，連接於該平滑用電抗器之另一端與上述上下臂部之一端之間、且並接於第1電源；及第2平滑用電容器，連接於上述平滑用電抗器之另一端與上述上下臂部之另一端之間、且並接於第2電源；其特徵為：具備：共振用電抗器，串接於上述第1、第2開關元件之至 少一方；及第3開關元件與共振用電容器之串接體；上述第3開關元件與上述共振用電容器之串接體之兩端，和上述共振用電抗器之兩端，係被互相連接而形成共振閉迴路電路。
  12. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振閉迴路電路，係於該閉迴路電路內包含上述第1及/或第2平滑用電容器。
  13. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振用電抗器具備：分別串接於上述第1、第2開關元件的第1、第2共振用電抗器。
  14. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：二極體及/或寄生二極體，其逆並接於上述第1~第3開關元件之各個。
  15. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：並接於上述第1、第2及/或第3開關元件的緩衝用電容器。
  16. 如申請專利範圍第14項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：控制裝置，在上述二極體及/或寄生二極體導通期間，用於對該二極體並接之上述第1~第3開關元件 供給turn-on信號。
  17. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：控制裝置，用於設置上述第1與第3開關元件、或上述第2與第3開關元件同時成為OFF之期間，以互補方式使成為ON/OFF。
  18. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，上述共振用電抗器具備：分別串接於上述第1、第2開關元件、磁性耦合的第1、第2共振用電抗器。
  19. 如申請專利範圍第9~11項中任一項之雙向DC-DC轉換器，其中，具備：電流感測器，用於檢測流入上述平滑用電抗器之電流之方向；具備：控制裝置，用於將上述第1或第2開關元件之任一方、與上述第3開關元件依據上述電流之方向予以組合，而設置同時成為OFF之期間，以互補方式使成為ON/OFF。
  20. 一種雙向DC-DC轉換器，係具備：第1上下臂部，將第1、第2開關元件串接而成；第2上下臂部，將第3、第4開關元件串接而成：平滑用電抗器，其之一端連接於上述第1、第2開關元件之串接點，且另一端連接於上述第3、第4開關元件之串接點；第1平滑用電容器，連接於上述第1上下臂部之兩端間、且並接於第1電源；及第2平滑用電容器，連接於上述第2上下臂部之兩 端間、且並接於第2電源；其特徵為具備：第1共振用電抗器，串接於上述第1、第2開關元件之至少一方；第2共振用電抗器，串接於上述第3、第4開關元件之至少一方；第5開關元件與第1共振用電容器之串接體；及第6開關元件與第2共振用電容器之串接體；以具備由第1共振用電抗器、上述第5開關元件及上述第1共振用電容器，或者由上述第1共振用電抗器、上述第5開關元件、上述第1共振用電容器及上述第1及/或第2平滑用電容器構成之第1共振閉迴路電路的方式予以連接；以具備由第2共振用電抗器、上述第6開關元件及上述第2共振用電容器，或者由上述第2共振用電抗器、上述第6開關元件、上述第2共振用電容器及上述第1及/或第2平滑用電容器構成之第2共振閉迴路電路的方式予以連接。
  21. 一種電源裝置，係搭載於油電混合車者，該油電混合車具備：變頻器，連接於馬達；及蓄電裝置，經由該變頻器在其與上述馬達之間進行能源之授受；其特徵為具備：連接於上述蓄電裝置與上述變頻器之間的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  22. 一種電源裝置，係具備：第1直流電源，及電壓高於該第1直流電源的第2直流電源，在上述第1、第2 直流電源間進行能源之授受而搭載於汽車者；其特徵為具備：連接於上述第1、第2直流電源的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  23. 一種電源裝置，係具備：變頻器，連接於馬達；燃料電池；蓄電裝置；及DC-DC轉換器，連接於上述燃料電池；其特徵為具備：連接於上述蓄電裝置與上述變頻器之間的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  24. 一種電源裝置，係具備：燃料電池；DC-DC轉換器，連接於該燃料電池；及蓄電裝置；用於對直流負荷供給能源者；其特徵為具備：連接於上述DC-DC轉換器與上述蓄電裝置之間的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  25. 一種電源裝置，係具備：燃料電池或太陽電池；DC-DC轉換器，連接於該燃料電池或太陽電池；蓄電裝置；及變頻器，使交流與直流互相轉換；用於對交流負荷供給能源者；其特徵為具備：連接於上述蓄電裝置的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  26. 一種電源裝置，係具備：蓄電裝置；及第1、第2變頻器，使交流與直流互相轉換；使上述第1、第2變頻器之直流側互相連接，使上述第1變頻器之交流側連接於第1電力系統，使上述第2變頻器之交流側連接於第2電力系統而成的迴路控制器之電源裝置；其特徵為具備：連接於上述蓄電裝置與上述第1、第2變頻器之直流側之間 的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  27. 一種電源裝置，係具備：整流電路，用於整流交流電源之電壓；及變頻器，將該整流電路之輸出電壓轉換為交流而供給至馬達；其特徵為具備：蓄電裝置；及在該蓄電裝置與上述變頻器之間進行能源之授受而被連接的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
  28. 一種電源裝置，係具備：整流電路，用於整流交流電源之電壓；變頻器，將該整流電路之輸出電壓轉換為交流而供給至交流負荷；DC-DC轉換器，用於輸入上述整流電路與上述變頻器之連接點之電壓，對直流負荷供給能源；及蓄電裝置的無停電電源裝置；其特徵為具備：連接於上述蓄電裝置與上述連接點之間的申請專利範圍第1~20項中任一項之雙向DC-DC轉換器。
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