TWI401875B - Bidirectional DC - DC converter and its control method - Google Patents

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Takae Shimada
Kimiaki Taniguchi
Hiroyuki Shoji
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Description

雙向DC-DC轉換器及其控制方法
本發明關於具有絕緣功能的雙向DC-DC轉換器及其控制方法。
近年來地球環保之意識高漲，效率高的混合動力車(Hybrid Car)漸漸普及。混合動力車具備：行走馬達驅動用之主電池與補助驅動用之補助電池。彼等電壓能於2個電池間融通電力時，可增加車輛電源系統之設計自由度。
在不同電壓之2個電源間雙向進行電力轉換的雙向DC-DC轉換器揭示於專利文獻1。該轉換器，係使高壓側電路與低壓側電路介由變壓器予以連接。藉由高壓側電路之開關元件之動作而由高壓側電源對低壓側電源供給電力。藉由低壓側電路之開關元件之動作而由低壓側電源對高壓側電源供給電力。
另外，使包含開關元件與電容器之串接體的電壓箝位電路連接於低壓側電路而成的雙向DC-DC轉換器揭示於專利文獻2。該轉換器，係藉由電壓箝位電路減少降壓動作時循環電流引起之損失。另外，升壓動作時防止低壓側電路之突波電壓之產生，減少開關元件之耐壓，而提供高效率、小型之雙向DC-DC轉換器。
另外，和變壓器之繞線以串接方式連接LC共振電路而成的雙向DC-DC轉換器揭示於專利文獻3。該轉換器，其之開關損失少、ON/OFF時可消除大電流流入開關元件之可能性，提供可以簡單控制系有效地在2個直流電源系互相支援電力的雙向DC-DC轉換器。
專利文獻1：特開2002-165448號公報
專利文獻2：特開2006-187147號公報
專利文獻3：特開2004-282828號公報
通常為實現雙向DC-DC轉換器之小型、高效率化，使用快速之開關元件作為開關元件乃有效者。但是，上述專利文獻揭示之習知雙向DC-DC轉換器，欲進行和高電壓直流電源間之電力收/送、而且實現小型、高效率化，作為開關元件即使使用例如高耐壓MOSFET時，因為MOSFET之本體二極體(body diode)之逆回復特性較MOSFET之開關特性為慢，而成為小型、高效率化之障礙。
本發明目的在於提供，即使使用如高耐壓MOSFET等開關特性較快、本體二極體之逆向回復特性較慢的元件作為開關元件時，亦可以減少開關損失，而且可以減少本體二極體之逆向回復特性較慢所引起之影響，小型、高效率化之雙向DC-DC轉換器及其控制方法。
為解決上述問題，本發明之雙向DC-DC轉換器，係具備：第1平滑電容器，被並接於第1直流電源，而且連接於第1開關電路之直流端子間；第2平滑電容器，被並接於第2直流電源，而且連接於第2開關電路之直流端子間；1次繞線，被連接於上述第1開關電路之交流端子間；2次繞線，被連接於上述第2開關電路之交流端子間；變壓器，用於磁性耦合上述1次繞線與上述2次繞線；及控制手段，控制上述第1、第2開關電路，俾於上述第1、第2直流電源之間進行電力之收/送；其特徵為具備：第1二極體，係在上述第1直流電源及上述第1平滑電容器與上述第1開關電路之直流端子之間，以陰極朝向上述第1直流電源之正極的方式被串接插入；及第1開關，被並接於上述第1二極體；上述控制手段，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為ON狀態，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為OFF狀態。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為具備：共振電抗器，其被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為具備：共振電容器，其被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第1開關電路，係具備：將第1、第2開關元件串接而成的第1開關接腳；及將第3、第4開關元件串接、而且並接於上述第1開關接腳的第2開關接腳；以上述第1開關接腳之兩端間作為直流端子間，以上述第1、第2開關元件之串接點、與上述第3、第4開關元件之串接點之間作為交流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：以上述第3、第4開關元件分別替換第1、第2電容器另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述1次繞線，係具備第1之1次繞線之一端與第2之1次繞線之一端之間的連接體；上述第1開關電路係具備第1、第2開關元件；於上述第1之1次繞線之另一端被連接上述第1開關元件之一端；於上述第2之1次繞線之另一端被連接上述第2開關元件之一端；將上述第1開關元件之另一端與上述第2開關元件之另一端予以連接，以上述第1、第2開關元件之連接點、與上述第1、第2之1次繞線之連接點之間作為直流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第2開關電路，係具備：平滑電抗器；將第5、第6開關元件串接而成的第3開關接腳；及將第7、第8開關元件串接而成、而且被並接於上述第3開關接腳的第4開關接腳；於上述第3開關接腳之一端被連接上述平滑電抗器之一端，以上述平滑電抗器之另一端與上述第3開關接腳之另一端之間作為直流端子間；以上述第5、第6開關元件之串接點、與上述第7、第8開關元件之串接點之間作為交流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述2次繞線，係具備第1之2次繞線之一端與第2之2次繞線之一端之間的連接體；上述第2開關電路係具備：平滑電抗器與第5、第6開關元件；於上述第1之2次繞線之另一端被連接上述第5開關元件之一端；於上述第2之2次繞線之另一端被連接上述第6開關元件之一端；將上述第5開關元件之另一端與上述第6開關元件之另一端予以連接，於上述第1、第2之2次繞線之連接點被連接上述平滑電抗器之一端；以上述平滑電抗器之另一端、與上述第5、第6開關元件之連接點之間作為直流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第2開關電路，係具備：將第1平滑電抗器之一端與第2平滑電抗器之一端的連接體；及第5開關元件之一端與第6開關元件之一端的連接體；於上述第5開關元件之另一端被連接上述第1平滑電抗器之另一端；於上述第6開關元件之另一端被連接上述第2平滑電抗器之另一端；以上述第5開關元件之另一端、與上述6開關元件之另一端之間作為交流端子間；以上述第1、第2平滑電抗器之連接點、與上述第5、第6開關元件之連接點之間作為直流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：在上述第2直流電源、上述第2平滑電抗器與上述第2開關電路之直流端子間，具備：陰極朝向上述第2直流電源之正極而被串接插入的第2二極體；及被並接於上述第2二極體的第2開關；上述控制手段，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係保持上述第2開關為ON狀態，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係保持上述第2開關為OFF狀態。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第2開關電路，係具備：將第5、第6開關元件串接而成的第3開關接腳；及將第7、第8開關元件串接、而且並接於上述第3開關接腳的第4開關接腳；以上述第3開關接腳之兩端間作為直流端子間，以上述第5、第6開關元件之串接點、與上述第7、第8開關元件之串接點之間作為交流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：以上述第7、第8開關元件分別替換第3、第4電容器。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述2次繞線，係具備第1之2次繞線之一端與第2之2次繞線之一端之間的連接體；上述第2開關電路係具備第5、第6開關元件；於上述第1之2次繞線之另一端被連接上述第5開關元件之一端；於上述第2之2次繞線之另一端被連接上述第6開關元件之一端；將上述第5開關元件之另一端與上述第6開關元件之另一端予以連接，以上述第5、第6開關元件之連接點、與上述第1、第2之2次繞線之連接點之間作為直流端子間。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為具備：逆向並接二極體，其被逆向並接於上述第1～第8開關元件之各個。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為具備：緩衝電容器(snubber condenser)，其被並接於上述第1～第8開關元件之各個。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第1、第2開關，係設為電磁繼電器。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第1、第2開關，係設為半導體開關元件。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第1～第8開關元件，係設為MOSFET。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為：上述第1、第2二極體，其之逆向回復特性係較上述第1～第8開關元件之本體二極體(body diode)及/或上述逆向並接二極體為快。
為解決上述問題，本發明之雙向DC-DC轉換器之控制方法中，該雙向DC-DC轉換器係具備：第1開關電路，被並接於第1直流電源；第2開關電路，被並接於第2直流電源；1次繞線，被連接於上述第1開關電路之交流端子間；2次繞線，被連接於上述第2開關電路之交流端子間；變壓器，用於磁性耦合上述1次繞線與上述2次繞線；及控制手段，控制上述第1、第2開關電路，而於上述第1、第2直流電源之間進行電力之收/送；其特徵為：使第1整流元件，在上述第1直流電源與上述第1開關電路之直流端子之間，以整流方向朝向上述第1直流電源之正極的方式被串接插入；於上述第1整流元件並接第1開關；上述控制手段，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為ON狀態，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為OFF狀態。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器之控制方法，其特徵為具備：共振電抗器，其被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器，其特徵為具備：共振電容器，其被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
(實施發明之最佳形態)
以下參照圖面詳細說明本發明之實施形態。
本說明書中稱呼由直流電源V1對直流電源V2之電力傳送為順向送電，反之，稱呼由直流電源V2對直流電源V1之電力傳送為逆向送電。另外，稱呼ON狀態之開關元件之電壓或和二極體之順向壓降同等程度或其以下之電壓為0電壓，將藉由施加於開關元件之電壓成為0電壓之狀態，來切換該開關元件之ON與OFF，而減少開關損失稱為0電壓開關。
(第1實施形態)
圖1為本發明第1實施形態之雙向DC-DC轉換器之電路構成圖。該雙向DC-DC轉換器，係被連接於直流電源V1與直流電源V2之間，於直流電源V1與直流電源V2之間進行電力之收/送。於直流電源V1被連接負荷R1，於直流電源V2被連接負荷R2。
於圖1，平滑電容器C1被連接於直流電源V1，平滑電容器C2被連接於直流電源V2。開關電路11之直流端子，係介由二極體D1被連接於平滑電容器C1。該二極體D1係被連接成為，由開關電路11對直流電源V1流入電力，無法反向由直流電源V1對開關電路11流入電力，於二極體D1被並接開關SW1。另外，開關電路12之直流端子係被連接於平滑電容器C2。
於開關電路11之交流端子被連接繞線N1，於開關電路12之交流端子被連接繞線N2。變壓器2，用於使繞線N1與繞線N2產生磁性耦合。
開關電路11、開關電路12、開關SW1，係藉由控制手段1來控制。於控制手段1被連接電壓感側器21、22及電流感側器31、32。
以下說明第1實施形態之雙向DC-DC轉換器之順向送電時之動作。控制手段1，係將開關SW1保持於ON狀態之同時，使開關電路11進行開關動作，而對繞線N1施加交流電壓。開關電路12係對產生於繞線N2之感應電壓施予整流，對直流電源V2供給電力。
如上述說明，於順向送電時，將開關SW1保持於ON狀態。如此則，二極體D1之兩端被短路之同時，開關電路11之直流端子成為，和不介由二極體D1而直接連接於平滑電容器C1之情況同樣之狀態。此狀態係和上述說明之專利文獻1-3之電路構成同樣，開關動作亦可以設為同樣。
以下說明第1實施形態之雙向DC-DC轉換器之逆向送電時之動作。控制手段1，係將開關SW1保持於OFF狀態之同時，使開關電路12進行開關動作，而對繞線N2施加交流電壓。開關電路11係對產生於繞線N1之感應電壓施予整流，對直流電源V1供給電力。
如上述說明，逆向送電時，將開關SW1保持於OFF狀態，開關電路11作為整流電路之作用。此時，作為構成開關電路11之整流元件，即使使用如高耐壓MOSFET之本體二極體(body diode)般逆向回復特性較慢的元件時，逆向回復特性較快的二極體D1，亦可防止由直流電源V1或平滑電容器C1對開關電路11之電力之逆流。如此則，本發明之雙向DC-DC轉換器可有效防止電力之逆向傳送。在不具備二極體D1的習知電路構成中，於整流元件之逆向導通期間中，電力會由直流電源V1或平滑電容器C1對開關電路11產生逆流，妨礙有效之逆向送電乃容易被理解者。
作為非依據上述實施形態之解決方法有，作為開關電路11之開關、整流元件，而使用具備逆向並接二極體的IGBT的方法。但是，和高耐壓MOSFET比較，IGBT之開關特性較慢，開關損失較大，導致順向送電時之效率降低。另外，欲抑制開關損失而降低開關頻率時，非得增大變壓器2或平滑電容器C1、C2不可，會導致雙向DC-DC轉換器之體積增加。
作為非依據本發明之其他解決方法有，作為開關電路11之開關、整流元件，使用具備逆向並接二極體的逆向防止MOSFET的方法。但是，該方法之元件數會增加，導致成本增加或體積增加。
另外，本發明之雙向DC-DC轉換器中，開關SW1，係僅於順向送電與逆向送電之切換時，才會切換ON狀態與OFF狀態，因此可使用動作較慢的IGBT或電磁繼電器等機械式開關。使用IGBT時，若使用內藏逆向並接二極體的封裝時，無須外加二極體D1，有利於小型化。另外，使用機械式開關時，導通損失變小，可實現更高效率之順向送電。
(第2實施形態)
圖2為本發明第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之電路構成圖。該雙向DC-DC轉換器，係於其兩端被連接的直流電源V1與直流電源V2之間進行電力之收/送。於直流電源V1被連接負荷R1，於直流電源V2被連接負荷R2。
於圖2，平滑電容器C1被連接於直流電源V1，平滑電容器C2被連接於直流電源V2。開關元件H1、H2被串接而成的第1開關接腳，係介由二極體D1被連接於平滑電容器C1。該二極體D1係被連接成為，由第1開關接腳對直流電源V1流入電力，無法反向由直流電源V1對第1開關接腳流入電力，於二極體D1被並接開關SW1。開關元件H3、H4被串接而成的第2開關接腳，係被並接於第1開關接腳。在開關元件H1、H2之串接點與開關元件H3、H4之串接點之間，係被串接繞線N1、共振電抗器Lr、與共振電容器Cr。
變壓器3，用於使繞線N1、繞線N21、繞線N22產生磁性耦合。繞線N21之一端被連接於繞線N22之一端，繞線N21之另一端被連接於開關元件S1之一端，繞線N22之另一端被連接於開關元件S2之一端。開關元件S1之另一端與開關元件S2之另一端，係被連接於平滑電容器C2之一端。繞線N21、繞線N22之連接點，係介由平滑電抗器L被連接於平滑電容器C2之另一端。
在將開關元件S3、開關元件S4、箝位電容器(clamp condenser)Cc之個別之一端予以連接而成的電壓箝位電路之中，開關元件S3之另一端係被連接於開關元件S1之一端，開關元件S4之另一端係被連接於開關元件S2之一端，箝位電容器Cc之另一端係被連接於開關元件S1、S2之另一端。
於開關元件H1～H4、開關元件S1～S4，係被連接分別呈逆向並接之二極體DH1～DH4、DS1～DS4。其中，使用MOSFET作為彼等開關元件時，可利用MOSFET之本體二極體作為逆向並接二極體。
開關元件H1～H4、開關元件S1～S4、開關SW1，係藉由控制手段1來控制。於控制手段1被連接電壓感側器21、22及電流感側器31、32。
(V1→V2：順向送電)
圖3為第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之順向送電時之動作說明之電路圖。以下參照圖3說明順向送電時之動作。但是，於圖3，(a)～(f)表示模態a～f。
(模態a)
首先，於模態a，開關SW1、開關元件H1、H4成為ON狀態，開關元件H2、H3成為OFF狀態，直流電源V1之電壓係介由開關SW1、開關元件H1、H4、共振電容器Cr、共振電抗器Lr被施加於繞線N1。
開關元件S2、S3成為OFF狀態，產生於繞線N21之電壓，係介由二極體DS1、平滑電抗器L被施加於直流電源V2，直流電源V2被供給能源。另外，產生於繞線N21、N22之電壓，係介由二極體DS1、DS4、被施加於箝位電容器Cc，箝位電容器Cc被充電。
此時，使用MOSFET作為開關元件S1～S4時，設定開關元件S1～S4成為ON狀態時，藉由使流入二極體二極體DS1、DS4之電流往開關元件S1、S4予以分流可以減少損失。如上述說明，於MOSFET與逆向並接二極體或MOSFET之本體二極體，被流入二極體之順向電流時，將該MOSFET設為ON狀態而減少損失一事，以下將其稱為同步整流。此時，設定開關元件S4成為ON(0電壓開關)。
(模態b)
箝位電容器Cc之充電電流減少，不久變化為放電。箝位電容器Cc之放電電流，係介由開關元件S4、繞線N22、平滑電抗器L被連接供給至直流電源V2。
(模態c)
設定開關元件H4成為OFF狀態時，流入開關元件H4之電流，會流入二極體DH3、開關元件H1、共振電容器Cr、共振電抗器Lr、繞線N1。此時，設定開關元件H3成為ON狀態(0電壓開關)。
又，設定開關元件H4成為OFF狀態時，箝位電容器Cc之放電終了，流入開關元件H4之電流，會轉而流入二極體DS2。此時，設定開關元件S2成為ON狀態即可成為同步整流。蓄積於平滑電抗器L的能源會被供給至直流電源V2。
(模態d)
設定開關元件H1成為OFF狀態時，流入開關元件H1之電流，會流入開關SW1及/或二極體D1、直流電源V1、二極體DH2、共振電容器Cr、共振電抗器Lr、繞線N1、二極體DH3。此時，設定開關元件H2成為ON狀態(0電壓開關)。於共振電抗器Lr被施加直流電源V1之電壓，該電流變為減少。
(模態e)
開關元件H2、H3成為ON狀態，因此共振電抗器Lr之電流達0之後，該電流朝相反方向增加。伴隨此，通過二極體DS1與繞線N21之電流變減少，通過二極體DS2與繞線N22之電流變增加。在通過繞線N21之電流達0之前，設定開關元件S1成為OFF狀態。
(模態f)
通過繞線N21之電流達0時，二極體DS1成為逆向導通之後，進行逆向回復。該逆向導通中流通知電流，係於逆向回復後，轉流入二極體DS3。此時，設定開關元件S3成為ON狀態(0電壓開關)。又，直流電源V1之電壓被施加於繞線N1。
開關元件S1、S4成為OFF狀態，繞線N22產生之電壓，會介由二極體DS2、平滑電抗器L被施加於直流電源V2，直流電源V2被供給能源。另外，繞線N21、N22產生之電壓，會介由二極體DS2、DS3被施加於箝位電容器Cc，箝位電容器Cc被充電。
該模態f為模態a之對稱動作。以下，在模態b～e之對稱動作之後回至模態a，因為容易理解而省略其詳細說明。
(V1←V2：逆向送電)
圖4為第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之順向送電時之動作說明之電路圖。以下參照圖4說明順向送電時之動作。但是，於圖4，(A)～(H)表示模態A～H。
(模態A)
首先，於模態A，開關元件S1、S2成為ON狀態，開關元件S3、S4成為OFF狀態。直流電源V2之電壓係介由繞線N21、N22、開關元件S1、S2被施加於平滑電抗器L，使直流電源V2之能源蓄積於平滑電抗器L。
另外，開關SW1、開關元件H1、H4成為OFF狀態，開關元件H2、H3成為ON狀態。於共振電抗器Lr，會流入通過共振電容器Cr、二極體DH1、DH4、開關元件H2、H3、繞線N1之電流。此時，使用MOSFET作為開關元件H1～H4時，設定開關元件S1、S4成為ON狀態即可成為同步整流。
(模態B)
設定開關元件S2成為OFF狀態時，流入開關元件S2之電流，會流入二極體DS4對箝位電容器Cc進行充電。此時，設定開關元件S1成為ON狀態(0電壓開關)。
於繞線N21、N22被施加箝位電容器Cc之電壓，於繞線N1產生電壓。該繞線N1之電壓被施加於共振電抗器Lr，共振電抗器Lr之電流增加。
另外，蓄積於平滑電抗器L之能量被放出。
(模態C)
設定開關元件H2、H3成為OFF狀態時，流入開關元件H2、H3之電流，會經由二極體DH4、繞線N1、共振電抗器Lr、共振電容器Cr、二極體DH1、二極體D1流入直流電源V1，而對直流電源V1供給能源。此時，設定開關元件H1、H4成為ON狀態(0電壓開關)。
(模態D)
伴隨共振電抗器Lr之電流增加，箝位電容器Cc之充電電流減少，不久轉為放電。
(模態E)
設定開關元件S4成為OFF狀態時，流入開關元件S4之箝位電容器Cc之放電電流使二極體DS2導通。此時，設定開關元件S2成為ON狀態(0電壓開關)。
於繞線N21、N22未被施加箝位電容器Cc之電壓VCc，於繞線N1未產生電壓，於共振電抗器Lr被施加直流電源V1之電壓，共振電抗器Lr之電流變為減少。
另外，和模態A同樣，使直流電源V2之能量蓄積於平滑電抗器L。
(模態F)
伴隨共振電抗器Lr之電流之減少，開關元件S2之電流方向被反轉。
(模態G)
開關元件H1、H4成為ON狀態，開關SW1成為OFF狀態，因此共振電抗器Lr之電流更減少而到達0時，首先，二極體D1呈逆向導通，於共振電抗器Lr被流入和模態F逆向之電流。
(模態H)
二極體D1呈逆向回復時，於該二極體D1之逆向導通中被蓄積之共振電抗器Lr之電流，會使二極體DH2、DH3導通，而流入二極體DH2、DH3、共振電容器Cr、繞線N1、開關元件H1、H4。此時，於共振電抗器Lr被蓄積電荷，朝增加共振電抗器Lr之電流的方向而產生電壓，共振電抗器Lr之電流漸漸增加。
該模態H為模態A之對稱動作。以下，在模態B～G之對稱動作之後回至模態A，因為容易理解而省略其詳細說明。
於上述模態A(H)之期間中，二極體DH2(DH1)、DH3(DH4)係呈逆向回復。但是，作為二極體DH1～DH4，使用MOSFET之本體二極體等逆向回復特性較慢的二極體時，於該期間中有可能無法逆向回復。於模態A之期間中，在二極體DH2、DH3未呈逆向回復時，於模態B之期間中使呈逆向回復，則成為和上述說明之動作同樣。於模態B之期間中亦未呈逆向回復時，移至逆向回復之次一模態C之動作。但是，放慢由模態B至模態C之動作移行時，輸出電力有可能增加。此情況下，為使輸出電力容易調整成為所要值，較好是在模態B之期間終了之前使二極體DH2、DH3逆向回復。因此，由如下述說明，和二極體D1並聯附加靜電容量成份之方法。
另外，於模態A(H)，具有和二極體D1並接之靜電容量成份時，在二極體D1之逆向回復之後，流入對該靜電容量成份充電之電流。在該充電電流之流入期間中，於共振電抗器Lr亦被蓄積電流。例如將電容器和二極體D1予以並接時，可增加模態A(H)中之共振電抗器Lr之電流。該共振電抗器Lr之電流之增加，具有促進二極體DH2(DH1)、DH3(DH4)之逆向回復效果。
但是，於模態A(H)，共振電抗器Lr之電流變大時，開關元件S1、S2之ON不容易成為0電壓開關之情況有可能存在。於模態A，當共振電抗器Lr之電流、亦即繞線N1之電流變大時，繞線N1、繞線N21、繞線N22呈磁性耦合，因此相較於繞線N21與開關元件S1之電流，繞線N22與開關元件S2之電流會變為較小。於模態B，開關元件S2之切斷電流會成為箝位電容器Cc之充電電流。因此，該切斷電流變小時，模態B、C中之箝位電容器Cc之充電電流變小，模態D中之箝位電容器Cc之放電電流亦變小。於模態E，使箝位電容器Cc之放電電流，藉由開關元件S4予以切斷，而使該電流轉流至二極體DS2，依此來實現開關元件S2之ON時之0電壓開關。
模態A(H)中之共振電抗器Lr之電流設為較大時，開關元件S1、S2之ON亦容易成為0電壓開關之方法，可以使開關元件S1、S2之ON時間比率之上限，對應於輸入電壓、亦即直流電源V2之電壓來變化之方法。增大開關元件S1、S2之ON時間比率時，隨輸出電力之增加，會導致箝位電容器Cc之電壓上升。於開關元件S1～S4被施加箝位電容器Cc之電壓，因此該電壓之上升有可能導致開關元件S1～S4之破壞。因此，於開關元件S1、S2之ON時間比率設置上限，使該ON時間比率於上限動作之情況下，輸出電力亦不足時，在設定ON時間比率為上限之狀態下藉由增長模態B之期間，而可以獲得輸出電力。此時，輸出電力係依據模態B之期間之長度予以調整。又，模態B之期間之長度設為0、亦即於模態B，和設定開關元件S2成為OFF之時序大略同時，於模態C設定開關元件H2、H3成為OFF亦可獲得充分之輸出電力時，在將模態B之期間之長度固定為例如0之狀態下，調整開關元件S1、S2之ON時間比率，而調整輸出電力亦可。
但是，欲獲得輸出電力而增長模態B之期間之長度時，開關元件S1、S2之ON難以成為0電壓開關之情況存在。於模態B，產生於繞線N1之電壓，大略全被施加於共振電抗器Lr，因此共振電抗器Lr之電流急速增加。因此，箝位電容器Cc之充電電流急速減少，模態B～C之充電電荷量變少，模態D之箝位電容器Cc之放電電流亦變少。於模態E，使箝位電容器Cc之放電電流，藉由開關元件S4予以切斷，而使該電流轉流至二極體DS2，依此來實現開關元件S2之ON時之0電壓開關。
將上述開關元件S1、S2之ON時間比率固定於上限，調整模態B之期間之長度，調整輸出電力，而欲獲得所要輸出電力時，係藉由提升ON時間比率之上限，如此則即使縮短模態B之期間亦可獲得所要輸出電力，可使開關元件S2之ON容易成為0電壓開關。此時，欲防止箝位電容器Cc之電壓上升引起之開關元件S1～S4之破壞，只需伴隨輸入電壓、亦即直流電源V2之電壓之減少，而提升ON時間比率之上限即可。因為將ON時間比率予以固定時，箝位電容器Cc之電壓大概和輸入電壓、亦即直流電源V2之電壓呈比例。
如上述說明，欲促進二極體DH1～DH4之逆向回復時，即使將模態A(H)之共振電抗器Lr之電流設為較大時，使開關元件S1、S2之ON時間比率之上限，對應於輸入電壓、亦即直流電源V2之電壓而變化，如此則，可使開關元件S1、S2之ON容易成為0電壓開關。
如上述說明，第2實施形態之雙向DC-DC轉換器，於順向送電時係將開關SW1保持於ON狀態，逆向送電時將開關SW1保持於OFF狀態，此為其最大特徵。如此則，於逆向送電時，作為二極體DH1～DH4即使使用如高耐壓MOSFET之本體二極體等逆向回復特性較慢的元件時，逆向回復特性較快的二極體D1，可以防止由直流電源V1或平滑電容器C1對二極體DH1～DH4之電力之逆流，可以有效防止逆向送電。如此則，作為開關元件H1～H4與二極體DH1～DH4，即使使用如高耐壓MOSFET之本體二極體時，亦可以有效防止逆向送電。
其他特徵，第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之開關元件H1～H4與二極體DH1～DH4，係相當於第1實施形態之雙向DC-DC轉換器之開關電路11之開關/整流元件，只需留意此，則和第1實施形態同樣，因此省略其詳細說明。
另外，於該第2實施形態，雖設為電壓型全橋式電路(full bridge circuit)與電流型中心接頭(center tap)電路之組合，但亦可為電壓型中心接頭電路、或半橋式電路、電流型全橋式電路之組合，可以具有同樣之構成、效果。
(第3實施形態)
圖5為本發明第3實施形態之雙向DC-DC轉換器之電路構成圖。該雙向DC-DC轉換器，係於其兩端被連接之直流電源V1與直流電源V2之間進行電力之收/送。
於圖5，平滑電容器C1被連接於直流電源V1，平滑電容器C2被連接於直流電源V2。將開關元件H1、H2串接而成的第1開關接腳，係介由二極體D1被連接於平滑電容器C1。該二極體D1係被連接成為，由第1開關接腳對直流電源V1流入電力，無法反向由直流電源V1對第1開關接腳流入電力，於二極體D1被並接開關SW1。另外，於開關元件H2之兩端間，被串接繞線N1與共振電抗器Lr與共振電容器Cr。
將開關元件S1、S2串接而成的第21開關接腳，係介由二極體D2被連接於平滑電容器C2。該二極體D2係被連接成為，由第2開關接腳對直流電源V2流入電力，無法反向由直流電源V2對第2開關接腳流入電力，於二極體D2被並接開關SW1。另外，於開關元件H2之兩端間，被串接繞線N1與共振電抗器Lr與共振電容器Cr。將開關元件S3、S4串接而成的第22開關接腳，係被並接於第21開關接腳。在開關元件S1、S2之串接點與開關元件S3、S4之串接點之間被連接繞線N2。變壓器2進行繞線N1、N2之磁性耦合。
於開關元件H1、H2、S1～S4被連接分別被逆向並接之二極體DH1、DH2、DS1～DS4。其中，彼等開關元件使用MOSFET時，可利用MOSFET之本體二極體作為逆向並接二極體。
以下說明第3實施形態之雙向DC-DC轉換器之動作。順向送電時，係將開關SW1保持於ON狀態，將開關SW2保持於OFF狀態。使開關元件H1、H2互補進行ON/OFF之動作，經由共振電容器Cr與共振電抗器Lr使交流之共振電流流入繞線N1。二極體DS1～DS4係進行產生於繞線N2之感應電流之整流，介由二極體D2對直流電源V2供給電力。
此時，作為二極體DS1～DS4，即使使用逆向回復特性較慢的元件時，逆向回復特性較快的二極體D2，亦可防止由直流電源V2或平滑電容器C2對二極體DS1～DS4之電力之逆流，可以有效進行順向送電。如此則，開關元件S1～S4與二極體DS1～DS4，即使使用例如高耐壓MOSFET與其之本體二極體時，亦可以有效進行順向送電。
逆向送電時，係將開關SW2保持於ON狀態，將開關SW1保持於OFF狀態。使開關元件S1、S2互補進行ON/OFF之動作之同時，使開關元件S4、S3分別同步於開關元件S1、S2而進行ON/OFF之動作，於繞線N2被流入交流之共振電流。產生於繞線N1之感應電流，係經由共振電容器Cr與共振電抗器Lr，被二極體DH1、DH2進行整流，介由二極體D1而對直流電源V1供給電力。
此時，作為二極體DH1、DH2，即使使用逆向回復特性較慢的元件時，逆向回復特性較快的二極體D1，亦可防止由直流電源V1或平滑電容器C1對二極體DH1、DH2之電力之逆流，可以有效進行逆向送電。如此則，開關元件H1、H2與二極體DH1、DH2，即使使用例如高耐壓MOSFET與其之本體二極體時，亦可以有效進行逆向送電。
通常，二極體，提高其之耐電壓時逆向回復特性有變差之傾向。於第3實施形態中，直流電源V1與直流電源V2之兩方之電壓較高，二極體DH1、DH2、DS1～DS4之全部耐電壓較高情況下，亦可防止來自直流電源V1、V2之電力之逆流，可以雙向進行高效率之電力轉換。
二極體D1、D2、開關SW1、SW2之效果，係和上述第1實施形態、第2實施形態同樣，因此省略詳細說明。
又，於第3實施形態中，雖設為單端點推挽電路(single end push-pull circuit)與全橋式電路之組合，但亦可構成為半橋式電路或中心接頭電路之組合。
如上述說明，本發明，係於絕緣型雙向DC-DC轉換器之電壓型電路所具備之平滑電容器與開關電路之間，插入具備逆向並接二極體的開關，如此而獲得本說明書中所示效果者，當然可適用於具備電壓型電路之大多數絕緣型雙向DC-DC轉換器。
(產業上可利用性)
如上述說明，本發明可以適用於具有絕緣功能的雙向DC-DC轉換器全體。
(發明效果)
依據本發明可以提供，使用例如高耐壓MOSFET等開關特性較快、本體二極體之逆向回復特性較慢的元件作為開關元件，可以減少開關損失，而且可以減少本體二極體之逆向回復特性較慢所引起之影響，可實現小型、高效率之雙向DC-DC轉換器。
1．．．控制手段
2、3．．．變壓器
11、12．．．開關電路
21、22．．．電壓感側器
31、32．．．電流感側器
V1、V2．．．直流電源
R1、R2．．．負荷
C1、C2．．．平滑電容器
L．．．平滑電抗器
Lr．．．共振電抗器
Cr．．．共振電容器
Cc．．．箝位電容器
N1、N2、N21、N22．．．繞線
SW1、SW2．．．開關
H1～H4、S1～S4．．．開關元件
D1、D2、DH1～DH4、DS1～DS4．．．二極體
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。
圖2為本發明第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之電路構成圖。
圖3為本發明第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之順向送電時之動作說明之電路圖。
圖4為本發明第2實施形態之雙向DC-DC轉換器之逆向送電時之動作說明之電路圖。
圖5為本發明第3實施形態之雙向DC-DC轉換器之電路構成圖。
1．．．控制手段
2．．．變壓器
11、12．．．開關電路
21、22．．．電壓感側器
31、32．．．電流感側器
V1、V2．．．直流電源
R1、R2．．．負荷
C1、C2．．．平滑電容器
N1、N2．．．繞線
SW1．．．開關
D1．．．二極體

Claims (17)

  1. 一種雙向DC-DC轉換器，係具備：第1平滑電容器，係在第1直流電源與第1開關電路之間，被並接於上述第1直流電源與上述第1開關電路之直流端子間；第2平滑電容器，被並接於第2直流電源，而且連接於第2開關電路之直流端子間；1次繞線，被連接於上述第1開關電路之交流端子間；2次繞線，被連接於上述第2開關電路之交流端子間；變壓器，用於磁性耦合上述1次繞線與上述2次繞線；及控制手段，控制上述第1、第2開關電路，俾於上述第1、第2直流電源之間進行電力之收/送；其特徵為：具備：第1二極體，係在上述第1平滑電容器與上述第1開關電路之直流端子之間，在阻止電力由上述第1平滑電容器流入上述第1開關電路的方向，以陰極朝向上述第1直流電源之正極的方式被串接插入；及第1開關，被並接於上述第1二極體；上述控制手段，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為ON狀態，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係設 定上述第1開關成為OFF狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中具備：共振電抗器，被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
  3. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中具備：共振電容器，被串接插入上述1次繞線及/或上述2次繞線。
  4. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第1開關電路，係具備：將第1、第2開關元件串接而成的第1開關接腳；及將第3、第4開關元件串接、而且並接於上述第1開關接腳的第2開關接腳；以上述第1開關接腳之兩端間作為直流端子間，以上述第1、第2開關元件之串接點、與上述第3、第4開關元件之串接點之間作為交流端子間。
  5. 如申請專利範圍第4項之雙向DC-DC轉換器，其中以上述第3、第4開關元件分別替換第1、第2電容器。
  6. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中 上述1次繞線，係具備第1之1次繞線之一端與第2之1次繞線之一端之間的連接體；上述第1開關電路係具備第1、第2開關元件；於上述第1之1次繞線之另一端被連接上述第1開關元件之一端；於上述第2之1次繞線之另一端被連接上述第2開關元件之一端；將上述第1開關元件之另一端與上述第2開關元件之另一端予以連接，以上述第1、第2開關元件之連接點、與上述第1、第2之1次繞線之連接點之間作為直流端子間。
  7. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第2開關電路，係具備：平滑電抗器；將第5、第6開關元件串接而成的第3開關接腳；及將第7、第8開關元件串接、而且被並接於上述第3開關接腳的第4開關接腳；於上述第3開關接腳之一端被連接上述平滑電抗器之一端，以上述平滑電抗器之另一端與上述第3開關接腳之另一端之間作為直流端子間；以上述第5、第6開關元件之串接點、與上述第7、第8開關元件之串接點之間作為交流端子間。
  8. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中上述2次繞線，係具備第1之2次繞線之一端與第2之2次繞線之一端之間的連接體；上述第2開關電路係具備：平滑電抗器與第5、第6開關元件；於上述第1之2次繞線之另一端被連接上述第5開關元件之一端；於上述 第2之2次繞線之另一端被連接上述第6開關元件之一端；將上述第5開關元件之另一端與上述第6開關元件之另一端予以連接，於上述第1、第2之2次繞線之連接點被連接上述平滑電抗器之一端；以上述平滑電抗器之另一端、與上述第5、第6開關元件之連接點之間作為直流端子間。
  9. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第2開關電路，係具備：第1平滑電抗器之一端與第2平滑電抗器之一端的連接體；及第5開關元件之一端與第6開關元件之一端的連接體；於上述第5開關元件之另一端被連接上述第1平滑電抗器之另一端；於上述第6開關元件之另一端被連接上述第2平滑電抗器之另一端；以上述第5開關元件之另一端、與上述6開關元件之另一端之間作為交流端子間；以上述第1、第2平滑電抗器之連接點、與上述第5、第6開關元件之連接點之間作為直流端子間。
  10. 如申請專利範圍第1項之雙向DC-DC轉換器，其中在上述第2直流電源、上述第2平滑電抗器與上述第2開關電路之直流端子間，具備：陰極朝向上述第2直流電源之正極而被串接插入的第2二極體；及被並接於上述第2二極體的第2開關；上述控制手段，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係保持上述第2開 關為ON狀態，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係保持上述第2開關為OFF狀態。
  11. 如申請專利範圍第10項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第2開關電路，係具備：將第5、第6開關元件串接而成的第3開關接腳；及將第7、第8開關元件串接、而且並接於上述第3開關接腳的第4開關接腳；以上述第3開關接腳之兩端間作為直流端子間，以上述第5、第6開關元件之串接點、與上述第7、第8開關元件之串接點之間作為交流端子間。
  12. 如申請專利範圍第11項之雙向DC-DC轉換器，其中以上述第7、第8開關元件分別替換第3、第4電容器。
  13. 如申請專利範圍第10項之雙向DC-DC轉換器，其中上述2次繞線，係具備第1之2次繞線之一端與第2之2次繞線之一端之間的連接體；上述第2開關電路係具備第5、第6開關元件；於上述第1之2次繞線之另一端被連接上述第5開關元件之一端；於上述第2之2次繞線之另一端被連接上述第6開關元件之一端；將上述第5開關元件之另一端與上述第6開關元件之另一端予以連接，以上述第5、第6開關元件之連接點、與上述第1、第2之2次繞線之連接點之間作為直流端子間。
  14. 如申請專利範圍第10項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第1、第2開關，係設為電磁繼電器。
  15. 如申請專利範圍第7項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第1~第8開關元件，係設為MOSFET。
  16. 如申請專利範圍第10項之雙向DC-DC轉換器，其中上述第1、第2二極體，其之逆向回復特性係較上述第1~第8開關元件之本體二極體及/或上述逆向並接二極體為快。
  17. 一種雙向DC-DC轉換器之控制方法，該雙向DC-DC轉換器係具備：第1開關電路，被並接於第1直流電源；第2開關電路，被並接於第2直流電源；第1平滑電容器，係並接於上述第1直流電源與上述第1開關電路，被形成於上述第1直流電源與上述第1開關電路之間；1次繞線，被連接於上述第1開關電路之交流端子間；2次繞線，被連接於上述第2開關電路之交流端子間；變壓器，用於磁性耦合上述1次繞線與上述2次繞線；及 控制手段，控制上述第1、第2開關電路，而於上述第1、第2直流電源之間進行電力之收/送；其特徵為：第1整流元件，係在上述第1平滑電容器與上述第1開關電路之直流端子之間，以使整流方向成為阻止電力由上述第1平滑電容器流入上述第1開關電路的方向，而朝向上述第1直流電源之正極的方式被串接插入；於上述第1整流元件並接第1開關；上述控制手段，在由上述第1直流電源對上述第2直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為ON狀態，在由上述第2直流電源對上述第1直流電源傳送電力時係設定上述第1開關成為OFF狀態。
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