WO2021024566A1 - Dc/dc変換装置 - Google Patents

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向志 秋政
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後藤 周作
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    • H02M3/155Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Abstract

第1コンデンサC3及び第2コンデンサC4は高圧側直流部と並列に直列接続される。第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32は高圧側直流部と並列に直列接続される。第1リアクトルL1は、低圧側直流部の正側端子と第1スイッチ部31の低圧側端子に接続される。第2リアクトルL2は、低圧側直流部の負側端子と第2スイッチ部32の低圧側端子間に接続される。第1コンデンサC3と第2コンデンサC4との間の接続点と、第1スイッチ部31と第2スイッチ部32との間の接続点が高圧側直流部の中間電位で接続される。第1スイッチ部31は、スイッチング素子S1、S2と、コンデンサC6及びリアクトルL3の少なくとも一方を含む。第2スイッチ部32は第1スイッチ部31と同一構成である。第1リアクトルL1と第2リアクトルL2が同一仕様のリアクトルである。

Description

DC/DC変換装置
 本開示は、直流電力を別の電圧の直流電力に変換するDC/DC変換装置に関する。
 太陽電池、蓄電池、燃料電池などに接続されるパワーコンディショナでは、DC/DCコンバータが使用される。一般的な昇圧チョッパや降圧チョッパでは、リアクトルはプラス側にしか設置されず、プラス側とマイナス側で非対称な回路構成となっている。
特開2011-10519号公報
 プラス側とマイナス側で非対称な回路構成のDC/DCコンバータでは、入力側の中点の対地電圧が変動し、漏洩電流が流れることがあった。出力側の中点も同様に対地電圧が変動し、漏洩電流が流れることがあった。
 本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、対地電圧の変動に起因する漏洩電流が低減されたDC/DC変換装置を提供することにある。
 上記課題を解決するために、本開示のある態様のDC/DC変換装置は、高圧側直流部と並列に直列接続された第1コンデンサ及び第2コンデンサと、前記高圧側直流部と並列に直列接続された第1スイッチ部及び第2スイッチ部と、低圧側直流部の正側端子と、前記第1スイッチ部の低圧側端子に接続された第1リアクトルと、前記低圧側直流部の負側端子と、前記第2スイッチ部の低圧側端子間に接続された第2リアクトルと、を備える。前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの間の接続点と、前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部との間の接続点が、前記高圧側直流部の中間電位で接続され、前記第1スイッチ部は、スイッチング素子と、コンデンサ及びリアクトルの少なくとも一方を含む。前記第2スイッチ部は、前記第1スイッチ部と同一構成であり、前記第1リアクトルと前記第2リアクトルが同一仕様のリアクトルである。
 本開示によれば、対地電圧の変動に起因する漏洩電流が低減されたDC/DC変換装置を実現することができる。
実施の形態に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 実施例1に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 実施例1に係るDC/DC変換装置の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンをまとめた図である。 図4(a)-(d)は、昇圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。 図5(a)-(d)は、降圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。 昇圧比が2倍より大きい場合の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。 昇圧比が2倍より小さい場合の第1スイッチング素子-第8スイッチング素子のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。 実施例2に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 実施例3に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 実施の形態の応用例に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 図11(a)-(c)は、フライングキャパシタ回路の構成例を示す図である。 N(Nは自然数)段のフライングキャパシタ回路を示す図である。 実施例1の変形例1に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。 実施例1の変形例2に係るDC/DC変換装置の構成を説明するための図である。
 図1は、実施の形態に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態に係るDC/DC変換装置3は、双方向の昇降圧DC/DCコンバータである。DC/DC変換装置3は、第2直流電源2から供給される直流電力を昇圧して第1直流電源1に供給することができる。またDC/DC変換装置3は、第1直流電源1から供給される直流電力を降圧して第2直流電源2に供給することができる。本明細書では、第2直流電源2が第1直流電源1より低圧な電源であることを前提とする。
 第2直流電源2は例えば、蓄電池、電気二重層コンデンサなどが該当する。第1直流電源1は例えば、双方向DC/ACインバータが接続された直流バスなどが該当する。当該双方向DC/ACインバータの交流側は、蓄電システムの用途では商用電力系統と交流負荷に接続される。電気自動車の用途ではモータ(回生機能あり)に接続される。蓄電システムの用途では当該直流バスに、太陽電池用のDC/DCコンバータや、他の蓄電池用のDC/DCコンバータがさらに接続されていてもよい。
 DC/DC変換装置3は、DC/DC変換部30及び制御部40を備える。DC/DC変換部30は、入力コンデンサC5、第1リアクトルL1、第2リアクトルL2、第1スイッチ部31、第2スイッチ部32、第1コンデンサC3及び第2コンデンサC4を含む。
 第2直流電源2と並列に入力コンデンサC5が接続される。第1直流電源1の正側バスと負側バスの間に、第1コンデンサC3及び第2コンデンサC4が直列に接続される。第1コンデンサC3及び第2コンデンサC4は、第1直流電源1の電圧Eを1/2に分圧する作用、DC/DC変換部30内で発生するサージ電圧を抑制するためのスナバコンデンサとしての作用を有する。本明細書では、入力コンデンサC5より前段の構成を低圧直流部と呼び、第1コンデンサC3及び第2コンデンサC4より後段の構成を高圧直流部と呼ぶ。
 第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32は、高圧側直流部と並列に直列接続される。第1リアクトルL1は、低圧側直流部の正側端子と、第1スイッチ部31の低圧側端子間に直列に接続される。第2リアクトルL2は、低圧側直流部の負側端子と、第2スイッチ部32の低圧側端子間に直列に接続される。本実施の形態では、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2に、同一仕様のリアクトルを使用する。
 第1スイッチ部31と第2スイッチ部32との間の接続点は、高圧側直流部の中間電位点M(第1コンデンサC3と第2コンデンサC4の分圧点)に接続される。第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32は同一の回路構成で形成され、それぞれ、少なくとも1つのスイッチング素子と、コンデンサ及びリアクトルの少なくとも一方を含む。
 制御部40は、第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32を制御して、第1リアクトルL1及び第2リアクトルL2へのエネルギーの蓄積、及び第1リアクトルL1及び第2リアクトルL2からのエネルギーの放出を制御する。
 制御部40の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、又はハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、ASIC、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
 以下、第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32の構成例を説明する。
(実施例1)
 図2は、実施例1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施例1では第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32をそれぞれ、フライングキャパシタ回路で構成する。
 第1スイッチ部31は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4及び第1フライングキャパシタC1を含む。第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3及び第4スイッチング素子S4は直列接続され、高圧直流部の正側バスと中間電位点Mの間に接続される。第1フライングキャパシタC1は、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2との接続点と、第3スイッチング素子S3と第4スイッチング素子S4との接続点との間に接続され、第1スイッチング素子S1-第4スイッチング素子S4により充放電される。
 第1スイッチ部31の中点には、第1スイッチング素子S1の上側端子に印加される第1直流電源1の電圧E[V]と、第4スイッチング素子S4の下側端子に印加される1/2E[V]の間の範囲の電位が生成される。第1フライングキャパシタC1は1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第1スイッチ部31の中点には、概ね、E[V]、3/4E[V]、1/2E[V]の3レベルの電位が生成される。
 第2スイッチ部32は、第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6、第7スイッチング素子S7、第8スイッチング素子S8及び第2フライングキャパシタC2を含む。第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8は直列接続され、高圧直流部の中間電位点Mと負側バスの間に接続される。第2フライングキャパシタC2は、第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6との接続点と、第7スイッチング素子S7と第8スイッチング素子S8との接続点との間に接続され、第5スイッチング素子S5-第8スイッチング素子S8により充放電される。
 第2スイッチ部32の中点には、第5スイッチング素子S5の上側端子に印加される1/2E[V]と、第8スイッチング素子S8の下側端子に印加される0[V]の間の範囲の電位が生成される。第2フライングキャパシタC2は1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第2スイッチ部32の中点には、概ね、1/2E[V]、1/4E[V]、0[V]の3レベルの電位が生成される。
 第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にはそれぞれ、第1ダイオードD1-第8ダイオードD8が逆並列に形成/接続される。
 第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8には、第1直流電源1及び第2直流電源2の電圧より低い耐圧のスイッチング素子が使用されることが好ましい。以下、実施例1では第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に、150V耐圧のNチャネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用する例を想定する。NチャネルMOSFETでは、ソースからドレイン方向に寄生ダイオードが形成される。
 なお、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やバイポーラトランジスタを使用してもよい。その場合、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に寄生ダイオードは形成されず、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にそれぞれ外付けダイオードが逆並列に接続される。
 図2には示していないが、低圧直流部の両端電圧を検出する第1電圧センサ、第1リアクトルL1又は第2リアクトルL2に流れる電流を検出する電流センサ、及び高圧直流部の両端電圧を検出する第2電圧センサが設けられ、それぞれの計測値が制御部40に出力される。
 制御部40は、第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32を制御して、低圧側直流部から高圧側直流部へ昇圧動作で直流電力を伝送することができる。また高圧側直流部から低圧側直流部へ降圧動作で直流電力を伝送することができる。より具体的には制御部40は、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のゲート端子に駆動信号(PWM(Pulse Width Modulation)信号)を供給することにより、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8をオン/オフ制御して、昇圧動作または降圧動作で、双方向に電力を伝送することができる。
 図3は、実施例1に係るDC/DC変換装置3の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンをまとめた図である。図3に示すスイッチングパターンでは、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8の組と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5の組とが相補関係となる。また第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7の組と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6の組とが相補関係となる。
 制御部40は、4つのモードを使用して昇圧動作または降圧動作を実行する。
 モードaでは制御部40は、第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオン状態、並びに第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードaでは、第1スイッチ部31の中点と第2スイッチ部32の中点間の電圧(即ち、低圧側の入出力電圧V)は1/2Eとなる。
 モードbでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオン状態 並びに第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオフ状態に制御する。モードbでは、第1スイッチ部31と第2スイッチ部32の低圧側の入出力電圧Vは1/2Eとなる。
 モードcでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオン状態 並びに第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオフ状態に制御する。モードcでは、第1スイッチ部31と第2スイッチ部32の低圧側の入出力電圧VはEとなる。
 モードdでは制御部40は、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオン状態 並びに第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードdでは、第1スイッチ部31と第2スイッチ部32の低圧側の入出力電圧Vは0となる。
 図4(a)-(d)は、昇圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。図5(a)-(d)は、降圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。なお、図面の簡略化のためMOSFETを単純なスイッチ記号で描いている。
 図4(a)は昇圧動作時のモードaの電流経路を示し、図4(b)は昇圧動作時のモードbの電流経路を示し、図4(c)は昇圧動作時のモードcの電流経路を示し、図4(d)は昇圧動作時のモードdの電流経路を示している。同様に、図5(a)は降圧動作時のモードaの電流経路を示し、図5(b)は降圧動作時のモードbの電流経路を示し、図5(c)は降圧動作時のモードcの電流経路を示し、図5(d)は降圧動作時のモードdの電流経路を示している。
 昇圧動作時と降圧動作時とで電流の向きが反対になる。モードaにおいて、図4(a)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となるが、図5(a)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となる。モードbにおいて、図4(b)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となるが、図5(b)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となる。
 制御部40は低圧直流部から高圧直流部へ昇圧動作で電力を伝送する場合、正方向の電流指令値を設定し、第1リアクトルL1(第2リアクトルL2でもよい)に流れる電流の計測値が、当該正方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。反対に、制御部40は高圧直流部から低圧直流部へ降圧動作で電力を伝送する場合、負方向の電流指令値を設定し、第1リアクトルL1に流れる電流の計測値が、当該負方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。
 また制御部40は、低圧側直流部の電圧と高圧側直流部の電圧との比率(以下、昇圧比で定義する)が設定値より小さい場合、モードa、モードb及びモードcを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該昇圧比が当該設定値より大きい場合、モードa、モードb及びモードdを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該昇圧比が当該設定値と一致する場合、モードa及びモードbを使用して電力を伝送する。
 低圧側直流部の電圧と高圧側直流部の電圧は、それぞれ電圧センサにより計測される。上記設定値は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧1/2Eと、第1直流電源1の電圧Eとの比率に応じて設定される。本実施の形態では上記設定値は2に設定される。なお、低圧側直流部の電圧と高圧側直流部の電圧との比率を降圧比で定義する場合、上記設定値は1/2に設定される。
 制御部40は、電流指令値と第1リアクトルL1に流れる電流の計測値とが一致し、かつ第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eになるようにデューティ比を生成する。具体的には制御部40は、第1リアクトルL1に流れる電流が電流指令値に対して小さいほどデューティ比を上昇させ、大きいほどデューティ比を低下させる。
 図6は、昇圧比が2倍より大きい場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図7は、昇圧比が2倍より小さい場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図6及び図7に示す制御例は、ダブルキャリア駆動方式を使用した制御例を示している。ダブルキャリア駆動方式では、180°位相がずれた2つのキャリア信号(図6及び図7では三角波)を使用する。デューティ比dutyは2つのキャリア信号と比較される閾値となる。昇圧比が2倍より大きい場合、デューティ比dutyは0.5~1.0の範囲の値をとり、昇圧比が2倍より小さい場合、デューティ比dutyは0.0~0.5の範囲の値をとる。
 太線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8に供給する第1ゲート信号と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5に供給する第4ゲート信号を生成する。具体的には太線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第1ゲート信号がオン及び第4ゲート信号がオフになる。太線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第1ゲート信号がオフ及び第4ゲート信号がオンになる。第1ゲート信号と第4ゲート信号は相補関係にある。なお、第1ゲート信号と第4ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第1ゲート信号と第4ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。
 細線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7に供給する第2ゲート信号と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6に供給する第3ゲート信号を生成する。具体的には細線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第2ゲート信号がオン及び第3ゲート信号がオフになる。細線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第2ゲート信号がオフ及び第3ゲート信号がオンになる。第2ゲート信号と第3ゲート信号は相補関係にある。なお、第2ゲート信号と第3ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第2ゲート信号と第3ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。
 昇圧比が2倍より大きい場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードdを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードd→モードb→モードd→モードa→モードd→モードb→モードd・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍より大きい場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードdの期間が長くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。
 昇圧比が2倍より小さい場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードcを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードc→モードb→モードc→モードa→モードc→モードb→モードc・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍より小さい場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードcの期間が短くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。
 昇圧比が理想的に2倍を維持し、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ理想的に1/4Eを維持すれば、デューティ比dutyは0.5を維持する。
 制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを下回ると、モードa及びモードbの内、充電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。反対に制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを上回ると、モードa及びモードbの内、放電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。
 なお制御部40は、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を使用せずに、モードcとモードdを交互に切り替えることにより、DC/DC変換部30に、通常の昇圧チョッパの動作をさせることも可能である。この場合、昇圧比による動作モードの切り替えは発生しない。
 実施例1によれば、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に低耐圧のスイッチング素子(例えば、150V耐圧のMOSFET)の使用が可能となる。低耐圧のスイッチング素子を使用することにより、スイッチング素子の導通損失を低減することができ、DC/DC変換装置3を高効率化することができる。また低耐圧のスイッチング素子を使用することにより発熱が低減され、放熱部品を小型化することができる。また低耐圧のスイッチング素子を使用することにより、低スイッチングロスで高周波化できるため、受動部品も小型化することができる。
(実施例2)
 図8は、実施例2に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施例2を、第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32をそれぞれ、SEPIC(Single Ended Primary Inductor Converter)+ZETA型の昇降圧コンバータで構成する。
 第1スイッチ部31は、第1スイッチング素子S1、第3コンデンサC6、第2スイッチング素子S2及び第3リアクトルL3を含む。第1スイッチング素子S1、第3コンデンサC6及び第2スイッチング素子S2は直列接続され、高圧直流部の正側バスと中間電位点Mの間に接続される。第3リアクトルL3は、第1スイッチング素子S1と第3コンデンサC6との接続点と、高圧直流部の中間電位点Mの間に接続される。第3コンデンサC6と第2スイッチング素子S2との接続点が第1スイッチ部31の低圧側端子に接続される。
 第2スイッチ部32は、第3スイッチング素子S3、第4コンデンサC7、第4スイッチング素子S4及び第4リアクトルL4を含む。第3スイッチング素子S3、第4コンデンサC7及び第4スイッチング素子S4は直列接続され、高圧直流部の中間電位点Mと負側バスとの間に接続される。第4リアクトルL4は、第4コンデンサC7と第4スイッチング素子S4との接続点と、高圧直流部の中間電位点Mの間に接続される。第3スイッチング素子S3と第4コンデンサC7との接続点が第2スイッチ部32の低圧側端子に接続される。
 制御部40は、第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4をオフ状態、並びに第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3をオン状態に制御することにより、第1リアクトルL1、第2リアクトルL2、第3リアクトルL3及び第4リアクトルL4にエネルギーを蓄積することができる。
 制御部40は、第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4をオン状態、並びに第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3をオフ状態に制御することにより、第1リアクトルL1、第2リアクトルL2、第3リアクトルL3及び第4リアクトルL4に蓄積されたエネルギーを放出することができる。第3リアクトルL3及び第4リアクトルL4から放出されたエネルギーはそれぞれ、第3コンデンサC6及び第4コンデンサC7を介して高圧側直流部に伝達される。この状態では、低圧側直流部の電圧が昇圧されて高圧側直流部に伝達される。
 実施例2によれば、第2直流電源2から第1リアクトルL1及び第2リアクトルL2に供給される電流を略一定にでき、入力電圧の高調波ノイズを低減することができる。
 なお実施例2においても、デューティ比=0.5を境に、昇圧モードと降圧モードを切り替えることができる。また双方向に電力を伝達することができる。
(実施例3)
 図9は、実施例3に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施例3では、第1スイッチ部31及び第2スイッチ部32を、ソフトスイッチング方式の昇降圧チョッパで構成する。
 第1スイッチ部31は、第1スイッチング素子S1、第3リアクトルL3及び第2スイッチング素子S2を含む。第1スイッチング素子S1、第3リアクトルL31及び第2スイッチング素子S2は直列接続され、高圧直流部の正側バスと中間電位点Mの間に接続される。第3リアクトルL3と第2スイッチング素子S2との接続点が第1スイッチ部31の低圧側端子に接続される。
 第2スイッチ部32は、第3スイッチング素子S3、第4リアクトルL4及び第4スイッチング素子S4を含む。第3スイッチング素子S3、第4リアクトルL4及び第4スイッチング素子S4は直列接続され、高圧直流部の中間電位点Mと負側バスとの間に接続される。第3スイッチング素子S3と第4リアクトルL4との接続点が第2スイッチ部32の低圧側端子に接続される。
 制御部40は、第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4をオフ状態、並びに第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3をオン状態に制御することにより、第1リアクトルL1及び第2リアクトルL2にエネルギーを蓄積することができる。
 制御部40は、第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4をオン状態、並びに第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3をオフ状態に制御することにより、第1リアクトルL1及び第2リアクトルL2に蓄積されたエネルギーを放出することができる。この状態では、低圧側直流部の電圧が昇圧されて高圧側直流部に伝達される。
 第3リアクトルL3及び第1コンデンサC3は、第1スイッチング素子S1がオンで第2スイッチング素子S2がオフの状態において、電流を振動させるための共振回路を構成する。第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2のオン/オフが切り替わるタイミングで電流がゼロになり、ZCS(Zero Current Siching)が実現される。これにより、高効率化を図ることができる。
 同様に第4リアクトルL4及び第2コンデンサC4は、第4スイッチング素子S4がオンで第3スイッチング素子S3がオフの状態において、電流を振動させるための共振回路を構成する。第3スイッチング素子S3と第4スイッチング素子S4のオン/オフが切り替わるタイミングで電流がゼロになり、ZCSが実現される。これにより、高効率化を図ることができる。
 図10は、実施の形態の応用例に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態の応用例では、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2を、コアを共通にした磁気結合リアクトルLc1で構成している。第1リアクトルL1と第2リアクトルL2の通電時に、相互に磁束を強め合う方向に閉磁路が形成されるように、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2が共通のコアに設置される。図4(a)-(d)に示したような昇圧動作時または図5(a)-(d)に示したような降圧動作時に、第1リアクトルL1に流れる電流と第2リアクトルL2に流れる電流によって、相互に磁束を強め合うように相互インダクタンスが発生する。
 以上説明したように実施の形態によれば、高圧側直流部の中間電位点Mに対して、プラス側とマイナス側に上下対称で同じ回路構成を持つDC/DC変換装置3を構築する。リアクトルもプラス側とマイナス側に分散配置する。これにより、入力側と出力側の中点の対地電圧が安定し、対地電圧の変動に起因する漏洩電流を低減することができる。また、コモンモードノイズも低減することができる。また第1リアクトルL1と第2リアクトルL2を同一仕様にすることで上下の対称性を確保しつつ、量産によるリアクトルの単価削減効果を得ることができる。また第1リアクトルL1と第2リアクトルL2を別体で構成せずに、昇圧動作時または降圧動作時に、内部の磁束を強め合うように磁気結合リアクトルLc1を構成すれば、リアクトルの小型化・軽量化・低コスト化を図ることができる。
 上記特許文献1の図2(b)に開示されるような、スイッチトキャパシタ型DC/DCコンバータでは、スイッチ部(通電制御部)に、リアクトル及びコンデンサのいずれも含まれていない。したがって、上記実施例2に示したような入力電圧の特性改善効果が得られない。また上記実施例3に示したようなソフトスイッングによる効率改善効率が得られない。また上記実施例1に示したようなスイッング素子の低耐圧化による効率およびサイズの改善効果が得られない。
 以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
 上記実施例1では、フライングキャパシタ回路の構成例として、直列接続された4つのスイッチング素子と、1つのフライングキャパシタを使用する1段のフライングキャパシタ回路を例に挙げた。この点、さらに段数を増やしたフライングキャパシタ回路を使用することもできる。
 図11(a)-(c)は、フライングキャパシタ回路の構成例を示す図である。図11(a)は1段のフライングキャパシタ回路を示す。図11(a)に示すフライングキャパシタ回路は、上記実施例1で説明した回路構成と同様である。
 図11(b)は2段のフライングキャパシタ回路を示す。2段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42と、2つのフライングキャパシタC11、C12を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。本明細書ではEは、高圧側直流部の電圧を示す。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。
 図11(c)は3段のフライングキャパシタ回路を示す。3段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43と、3つのフライングキャパシタC11、C12、C13を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/8Eの電圧を維持するように制御される。
 図12は、N(Nは自然数)段のフライングキャパシタ回路を示す。N段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された(2N+2)個のスイッチング素子S1n、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4nと、N個のフライングキャパシタC11、C12、C13、・・・、C1nを備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。最も外側のフライングキャパシタC1nは、2N個のS1(n-1)、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4(n-1)に対して並列に接続され、N/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。
 図2に示した第1フライングキャパシタ回路及び第2フライングキャパシタ回路では、図11(a)に示した1段のフライングキャパシタ回路を使用している。1段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に3レベル(E、1/2E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図11(b)に示した2段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に5レベル(E、2/3E、1/2E、1/3E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図11(c)に示した3段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に7レベル(E、3/4E、5/8E、1/2E、3/8E、1/4E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図12に示したN段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路の中点と第2フライングキャパシタ回路の中点との間に(2N+1)レベルの電圧を発生させることが可能となる。
 フライングキャパシタ回路の段数を増やすほど、安価で耐圧が低いスイッチング素子を使用することができる一方、使用するスイッチング素子の数が増大する。従って設計者は、トータルのコストとトータルの変換効率を考慮して、フライングキャパシタ回路の最適な段数を決定すればよい。また、高圧側直流部の電圧が1000Vを超えるアプリケーションや、10000Vを超えるアプリケーションでは、各スイッチング素子の耐圧を下げるために、フライングキャパシタ回路の段数を増やすことが有効である。
 図13は、実施例1の変形例1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。変形例1に係るDC/DC変換装置3は、単方向の降圧DC/DCコンバータであり、低圧側直流部から高圧側直流部へは電力を伝送することができない。変形例1に係るDC/DC変換装置3では、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の代わりに、4つのダイオード素子(第3ダイオードD3、第4ダイオードD4、第5ダイオードD5及び第6ダイオードD6)が使用される。これにより、スイッチング素子とドライバの数を減らすことができ、コストを削減することができる。変形例1に係るDC/DC変換装置3は例えば、第1直流電源1から基準電圧(例えば、DC12V、DC24V、DC48V)を生成する降圧回路として使用可能である。
 図14は、実施例1の変形例2に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。変形例2に係るDC/DC変換装置3は、単方向の昇圧DC/DCコンバータであり、高圧側直流部から低圧側直流部へは電力を伝送することができない。変形例2に係るDC/DC変換装置3では、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8の代わりに、4つのダイオード素子(第1ダイオードD1、第2ダイオードD2、第7ダイオードD7及び第8ダイオードD8)が使用される。これにより、スイッチング素子とドライバの数を減らすことができ、コストを削減することができる。変形例2に係るDC/DC変換装置3は例えば、太陽電池用の昇圧回路として使用可能である。
 なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
[項目1]
 高圧側直流部と並列に直列接続された第1コンデンサ(C3)及び第2コンデンサ(C4)と、
 前記高圧側直流部と並列に直列接続された第1スイッチ部(31)及び第2スイッチ部(32)と、
 低圧側直流部の正側端子と、前記第1スイッチ部(31)の低圧側端子に接続された第1リアクトル(L1)と、
 前記低圧側直流部の負側端子と、前記第2スイッチ部(32)の低圧側端子間に接続された第2リアクトル(L2)と、を備え、
 前記第1コンデンサ(C3)と前記第2コンデンサ(C4)との間の接続点と、前記第1スイッチ部(31)と前記第2スイッチ部(32)との間の接続点が、前記高圧側直流部の中間電位で接続され、
 前記第1スイッチ部(31)は、スイッチング素子(S1、S2)と、コンデンサ(C6)及びリアクトル(L3)の少なくとも一方を含み、
 前記第2スイッチ部(32)は、前記第1スイッチ部(31)と同一構成であり、
 前記第1リアクトル(L1)と前記第2リアクトル(L2)が同一仕様のリアクトルであることを特徴とするDC/DC変換装置(3)。
 中点に対して上下対称の回路構成にすることで、対地電圧の変動に起因する漏洩電流を低減することができる。
[項目2]
 前記第1リアクトル(L1)と前記第2リアクトル(L2)は磁気結合リアクトル(Lc1)を形成し、前記DC/DC変換装置(3)の昇圧動作または降圧動作時に、相互に磁束を強め合うことを特徴とする項目1に記載のDC/DC変換装置(3)。
 これによれば、小型化・軽量化・低コスト化を図ることができる。
[項目3]
 前記第1スイッチ部(31)は、
 前記第1コンデンサ(C3)と並列に直列接続された第1スイッチング素子(S1)、第3コンデンサ(C6)及び第2スイッチング素子(S2)と、
 前記第1スイッチング素子(S1)と前記第3コンデンサ(C6)の接続点と、前記高圧側直流部の中間電位点の間に接続される第3リアクトル(L3)と、を含み、
 前記第3コンデンサ(C6)と前記第2スイッチング素子(S2)との接続点が前記第1スイッチ部(31)の前記低圧側端子に接続され、
 前記第2スイッチ部(32)は、
 前記第2コンデンサ(C4)と並列に直列接続された第3スイッチング素子(S3)、第4コンデンサ(C7)及び第4スイッチング素子(S4)と、
 前記第4コンデンサ(C7)と前記第4スイッチング素子(S4)の接続点と、前記高圧側直流部の中間電位点の間に接続される第4リアクトル(L4)と、を含み、
 前記第3スイッチング素子(S3)と前記第4コンデンサ(C7)との接続点が前記第2スイッチ部(32)の前記低圧側端子に接続されることを特徴とする項目1または2に記載のDC/DC変換装置(3)。
 これによれば、低圧直流部からリアクトル(L1、L2)に供給される電流を略一定にでき、入力電圧の高調波ノイズを低減することができる。
[項目4]
 前記第1スイッチ部(31)は、
 前記第1コンデンサ(C3)と並列に直列接続された第1スイッチング素子(S1)、第3リアクトル(L3)及び第2スイッチング素子(S2)を含み、
 前記第3リアクトル(L3)と前記第2スイッチング素子(S2)との接続点が前記第1スイッチ部(31)の前記低圧側端子に接続され、
 前記第2スイッチ部(32)は、
 前記第2コンデンサ(C4)と並列に直列接続された第3スイッチング素子(S3)、第4リアクトル(L4)及び第4スイッチング素子(S4)を含み、
 前記第3スイッチング素子(S3)と前記第4リアクトル(L4)との接続点が前記第2スイッチ部(32)の前記低圧側端子に接続されることを特徴とする項目1または2に記載のDC/DC変換装置(3)。
 これによれば、ソフトスイッチングを実現でき、高効率化を図ることができる。
 本開示は、フライングキャパシタを用いたマルチレベルコンバータに利用可能である。
 1 第1直流電源、 2 第2直流電源、 3 DC/DC変換装置、 30 DC/DC変換部、 31,32 スイッチ部、 40 制御部、 S1-S8 スイッチング素子、 D1-D8 ダイオード、 C1,C2 フライングキャパシタ、 C3-C7 コンデンサ、 L1-L4 リアクトル。

Claims (4)

  1.  高圧側直流部と並列に直列接続された第1コンデンサ及び第2コンデンサと、
     前記高圧側直流部と並列に直列接続された第1スイッチ部及び第2スイッチ部と、
     低圧側直流部の正側端子と、前記第1スイッチ部の低圧側端子に接続された第1リアクトルと、
     前記低圧側直流部の負側端子と、前記第2スイッチ部の低圧側端子間に接続された第2リアクトルと、を備え、
     前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの間の接続点と、前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部との間の接続点が、前記高圧側直流部の中間電位で接続され、
     前記第1スイッチ部は、スイッチング素子と、コンデンサ及びリアクトルの少なくとも一方を含み、
     前記第2スイッチ部は、前記第1スイッチ部と同一構成であり、
     前記第1リアクトルと前記第2リアクトルが同一仕様のリアクトルであることを特徴とするDC/DC変換装置。
  2.  前記第1リアクトルと前記第2リアクトルは磁気結合リアクトルを形成し、前記DC/DC変換装置の昇圧動作または降圧動作時に、相互に磁束を強め合うことを特徴とする請求項1に記載のDC/DC変換装置。
  3.  前記第1スイッチ部は、
     前記第1コンデンサと並列に直列接続された第1スイッチング素子、第3コンデンサ及び第2スイッチング素子と、
     前記第1スイッチング素子と前記第3コンデンサの接続点と、前記高圧側直流部の中間電位点の間に接続される第3リアクトルと、を含み、
     前記第3コンデンサと前記第2スイッチング素子との接続点が前記第1スイッチ部の前記低圧側端子に接続され、
     前記第2スイッチ部は、
     前記第2コンデンサと並列に直列接続された第3スイッチング素子、第4コンデンサ及び第4スイッチング素子と、
     前記第4コンデンサと前記第4スイッチング素子の接続点と、前記高圧側直流部の中間電位点の間に接続される第4リアクトルと、を含み、
     前記第3スイッチング素子と前記第4コンデンサとの接続点が前記第2スイッチ部の前記低圧側端子に接続されることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC変換装置。
  4.  前記第1スイッチ部は、
     前記第1コンデンサと並列に直列接続された第1スイッチング素子、第3リアクトル及び第2スイッチング素子を含み、
     前記第3リアクトルと前記第2スイッチング素子との接続点が前記第1スイッチ部の前記低圧側端子に接続され、
     前記第2スイッチ部は、
     前記第2コンデンサと並列に直列接続された第3スイッチング素子、第4リアクトル及び第4スイッチング素子を含み、
     前記第3スイッチング素子と前記第4リアクトルとの接続点が前記第2スイッチ部の前記低圧側端子に接続されることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC変換装置。
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