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公開番号2024165987
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-28
出願番号2023082639
出願日2023-05-18
発明の名称インターリーブ方式高電圧比双方向DC-DCコンバータ
出願人国立大学法人神戸大学
代理人弁理士法人グローバル知財
主分類H02M 3/155 20060101AFI20241121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】放電モードでの電圧ダブラー特性と、充電モードでの分圧器特性を広範囲に拡張し、広い入力/出力範囲の用途のための電圧変換比の向上という点で優れた性能を有する双方向DC-DCコンバータを提供する。
【解決手段】インターリーブ方式双方向DC-DCコンバータにおいて、各相のインダクタ電流の合成値と基準値との誤差の増幅値に対して、充電モードと放電モードのモード毎にそれぞれ制御対象となる一部のスイッチの駆動パルスのオン時比率の上限又は下限のリミットが非対称に設けられ、スイッチングされる。
【選択図】図3

特許請求の範囲【請求項１】
インターリーブ方式双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、
各相のインダクタ電流の合成値と基準値との誤差の増幅値に対して、充電モードと放電モードのモード毎にそれぞれ制御対象となる一部のスイッチの駆動パルスのオン時比率の上限又は下限のリミットが非対称に設けられ、スイッチングされることを特徴とする双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 3,800 文字）【請求項２】
前記ＤＣ－ＤＣコンバータの回路は、
第１の低圧ＤＣ電源と第２の高圧ＤＣ電源の間に設けられ、
第１の低圧ＤＣ電源側フィルタキャパシタ（Ｃ
Ｌ
）と、
第２の高圧ＤＣ電源側フィルタキャパシタ（Ｃ
Ｈ
）と、
第１の低圧ＤＣ電源の正端子側に並列接続された２つの第１及び第２のインダクタ（Ｌ
１
，Ｌ
２
）と、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）に直列接続された第２のスイッチ（Ｑ
２
）と、
第２のスイッチ（Ｑ
２
）と第２の高圧ＤＣ電源の正端子の間に接続された第１のスイッチ（Ｑ
１
）と、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）と第２の高圧ＤＣ電源の負端子との間に接続された第３のスイッチ（Ｑ
３
）と、
第２のインダクタ（Ｌ
２
）と第２の高圧ＤＣ電源の負端子との間に接続された第４のスイッチ（Ｑ
４
）と、
第１及び第２のスイッチ（Ｑ
１
，Ｑ
２
）の接続点と、第２のインダクタ（Ｌ
２
）と第４のスイッチ（Ｑ
４
）の接続点の間に接続されたチャージポンプ（Ｃ
Ｂ
）と、
第１乃至第４のスイッチを制御する駆動回路、
を備え、
前記駆動回路は、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）電流と第２のインダクタ（Ｌ
２
）電流の合成値と基準値との誤差の増幅値に対して、第１のスイッチ（Ｑ
１
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率の上限リミットと、第４のスイッチ（Ｑ
４
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率の下限リミットとが設けられる、請求項１に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項３】
第１のスイッチ（Ｑ
１
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率（Ｄ
Ｑ１
）と第４のスイッチ（Ｑ
４
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率（Ｄ
Ｑ４
）は、充電モードと放電モードによらず共通で、それぞれ、０＜Ｄ
Ｑ１
≦０．５，０＜Ｄ
Ｑ４
≦０．５であり、
第２のスイッチ（Ｑ
２
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率（Ｄ
Ｑ２
）と第３のスイッチ（Ｑ
３
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率（Ｄ
Ｑ３
）は、充電モードと放電モードによらず共通で、それぞれ、０＜Ｄ
Ｑ１
＜１，０＜Ｄ
Ｑ４
＜１である、請求項２に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記駆動回路は、
第１のスイッチ（Ｑ
１
）と第４のスイッチ（Ｑ
４
）、及び、第２のスイッチ（Ｑ
２
）と第３のスイッチ（Ｑ
３
）を、それぞれ相補的に動作し、
第１のスイッチ（Ｑ
１
）のオン時比率と第４のスイッチ（Ｑ
４
）のオン時比率の合計、及び、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率と第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率の合計は、共に１であり、
充電モード時、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率が０．５未満である場合には、第１のスイッチ（Ｑ
１
）と第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率は同一とし、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率が０．５以上である場合には、第１のスイッチ（Ｑ
１
）のオン時比率は０．５に固定する、
及び、
放電モード時、第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率が０．５未満である場合には、第４のスイッチ（Ｑ
４
）のオン時比率は０．５に固定し、第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率が０．５以上である場合には、第４のスイッチ（Ｑ
４
）と第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率は同一とする、請求項２に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項５】
第２の高圧ＤＣ電圧に対する第１の低圧ＤＣ電圧比は、充電モード時、第１のスイッチ（Ｑ
１
）のオン時比率と第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率の積である、請求項３又は４に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項６】
第２の高圧ＤＣ電圧に対する第１の低圧ＤＣ電圧比は、放電モード時、値１から第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率を減算した値と、値１から第４のスイッチ（Ｑ
４
）のオン時比率を減算した値との積の逆数である、請求項３又は４に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項７】
第１の低圧ＤＣ電源と第２の高圧ＤＣ電源の間に設けられ、
第１の低圧ＤＣ電源側フィルタキャパシタ（Ｃ
Ｌ
）と、
第２の高圧ＤＣ電源側フィルタキャパシタ（Ｃ
Ｈ
）と、
第１の低圧ＤＣ電源の正端子側に並列接続された２つの第１及び第２のインダクタ（Ｌ
１
，Ｌ
２
）と、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）に直列接続された第２のスイッチ（Ｑ
２
）と、
第２のスイッチ（Ｑ
２
）と第２の高圧ＤＣ電源の正端子の間に接続された第１のスイッチ（Ｑ
１
）と、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）と第２の高圧ＤＣ電源の負端子との間に接続された第３のスイッチ（Ｑ
３
）と、
第２のインダクタ（Ｌ
２
）と第２の高圧ＤＣ電源の負端子との間に接続された第４のスイッチ（Ｑ
４
）と、
第１及び第２のスイッチ（Ｑ
１
，Ｑ
２
）の接続点と、第２のインダクタ（Ｌ
２
）と第４のスイッチ（Ｑ
４
）の接続点の間に接続されたチャージポンプ（Ｃ
Ｂ
）と、
第１乃至第４のスイッチを制御する駆動回路、
を備えるインターリーブ方式双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの回路の制御方法であって、
第１のインダクタ（Ｌ
１
）電流と第２のインダクタ（Ｌ
２
）電流の合成値と基準値との誤差の増幅値に対して、第１のスイッチ（Ｑ
１
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率の上限リミットと、第４のスイッチ（Ｑ
４
）のスイッチ駆動パルスのオン時比率の下限リミットとが設けられ、充電モード時に制御対象となる第１及び第２のスイッチ（Ｑ
１
，Ｑ
２
）と放電モード時に制御対象となる第３及び第４のスイッチ（Ｑ
３
，Ｑ
４
）をスイッチングする、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項８】
前記駆動回路の制御は、
第１のスイッチ（Ｑ
１
）と第４のスイッチ（Ｑ
４
）、及び、第２のスイッチ（Ｑ
２
）と第３のスイッチ（Ｑ
３
）を、それぞれ相補的に動作するステップと、
第１のスイッチ（Ｑ
１
）のオン時比率と第４のスイッチ（Ｑ
４
）のオン時比率の合計、及び、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率と第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率の合計は、共に１とするステップと、
充電モード時に、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率が０．５未満である場合には、第１のスイッチ（Ｑ
１
）と第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率は同一とし、第２のスイッチ（Ｑ
２
）のオン時比率が０．５以上である場合には、第１のスイッチ（Ｑ
１
）のオン時比率は０．５に固定するステップと、
放電モード時に、第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率が０．５未満である場合には、第４のスイッチ（Ｑ
４
）のオン時比率は０．５に固定し、第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率が０．５以上である場合には、第４のスイッチ（Ｑ
４
）と第３のスイッチ（Ｑ
３
）のオン時比率は同一とするステップを備える、請求項７に記載の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、インターリーブ方式の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータに関するものである。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年アジア諸国では深刻な電力トラブルに見舞われており、消費者は、電気自動車（ＥＶ；Electric Vehicle）を接続する直流マイクログリッド(ＤＣ Micro-Grid)を停電時の潜在的な電源として用いている。この実現には、広範囲の電圧変換比を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータが必要である。
図１２に示すような、太陽光発電（ＰＶ）用パワーコンディショナーや電力系統に電気自動車（ＥＶ）をつなげるＶ２Ｇシステムには、電位差の激しい２つの直流電圧源間で、双方向に電力を伝送できる双方向ＤＣ－ＤＣコンバータが不可欠である。一般に、直流電圧源間の電位差が大きい場合、ＤＣ－ＤＣコンバータを構成する半導体スイッチの耐圧が増加する傾向にあり、高耐圧のパワー半導体素子は電流導通損失が大きいことから、高効率な電力変換効率が達成し難い技術課題がある。
【０００３】
また、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの電力容量（動作電流）を向上させるため、２相の変換器を間欠駆動（インターリーブ）する回路方式がよく利用されるが、パワー半導体素子の動作責務や回路部品のパラメータのわずかな差異により電流の不均衡が起こりやすく、そのための電流バランス制御を必要とする。ここで、パワー半導体素子のオン時比率が５０％以下という従来技術の制約を受ければ、電流不平衡は解消せず、昇降圧比の制限も受けることから、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの応用先が限定的となる問題がある。
このような状況下、パワー半導体素子のオン時比率の制約が少なく、かつ、高昇降圧比を実現する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの実用的回路トポロジーを確立することが求められている。
【０００４】
燃料電池や太陽光発電（ＰＶ）のバッテリなど低電圧のクリーンエネルギー源に、一般的に使用されるコンバータの１つは、インターリーブ方式のバックブースト双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＩＢＤＣ）である。あるシナリオでは、インターリーブ方式の昇降圧双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの高電圧変換比の要件が満たされない可能性があり、そのため、低電圧のクリーンエネルギー源は、ＡＣ主電源または高電圧のＤＣバスに接続された家電製品への電力供給には適していないと言われている。
【０００５】
また、インターリーブ方式のチャージポンプ双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＩＣＰＢＤＣ；Interleaved Charge-Pump Bidirectional DC-DC Converter）が知られている（非特許文献１）。ＩＣＰＢＤＣは、従来のＩＢＤＣ（Interleaved Bidirectional DC-DC Converter）と比較して、優れた電圧変換比を備えているが、動作中のアンバランスな電流条件により、分圧器特性および電圧ダブラー特性が失われるという重大な問題がある。すなわち、入力電流リプルを効果的に低減し装置容量増にも対応できるメリットを持つ一方、２相スイッチのオン時比率のリミット値がともに０．５であることが条件となる（降圧動作は０．５以下、昇圧動作は０．５以上）。本明細書では、このオン時比率の条件をＦＤＣＬ（Fixed Duty Cycle Limit )と称す。このため、降圧動作では主となるスイッチのオン時比率が０．５以上の領域となり、昇圧動作では０．５以下の領域では２相電流のバランスが崩れ、高降圧および高昇圧特性が失われてしまう。
【０００６】
かかる問題に対処するために、広範囲のＤＣバス電圧動作とインダクタ電流の平衡化を可能にするＩＣＰＢＤＣの新たな提案が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特表２０１１－５０４３５６号公報
再表２０１８／０６６４４４号公報
【０００８】
C. M. Lai, “Development of a Novel BidirectionalDC/DC Converter Topology with High Voltage Conversion Ratio for ElectricVehicles and DC-Microgrids”, Energies, Vol. 9, No. 6, pp.410:1-25, June 2016.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
かかる状況に鑑みて、本発明は、降圧，昇圧の各動作に応じて２つの主スイッチのオン時比率を非対称かつ調整範囲に制限をつけることにより、２相インダクタ電流のバランスをとって、その結果、電圧変換比を改善することを図る。
すなわち、本発明は、ＩＣＰＢＤＣにおける動作中のアンバランスな電流条件により、分圧器特性および電圧ダブラー特性が失われるといった問題を解決すべく、放電モードでの電圧ダブラー特性と、充電モードでの分圧器特性を広範囲に拡張し、広い入力／出力範囲の用途のための電圧変換比の向上という点で優れた性能を有する双方向ＤＣ－ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、本発明の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータは、インターリーブ方式双方向ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、各相のインダクタ電流の合成値と基準値との誤差の増幅値に対して、充電モードと放電モードのモード毎にそれぞれ制御対象となる一部のスイッチの駆動パルスのオン時比率の上限又は下限のリミットが非対称に設けられ、スイッチングされることを特徴とする。
（【００１１】以降は省略されています）

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