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公開番号2025042369
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-27
出願番号2023149336
出願日2023-09-14
発明の名称LLC方式DC/DCコンバータ
出願人ニチコン株式会社
代理人弁理士法人みのり特許事務所
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250319BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】昇圧比が大きい場合にブースト電流が増加するのを抑制可能なLLC方式DC/DCコンバータを提供する。
【解決手段】トランス回路Trと、1次側スイッチング回路1と、2次側スイッチング回路3と、共振インダクタンスLrおよび共振キャパシタンスCrを含む共振回路2と、制御部4とを備えるLLC方式DC/DCコンバータ10であって、制御部4は、主回路部に昇圧動作を行わせるブースト制御を行い、ブースト制御時の制御部4は、1次側スイッチング回路1から2次側スイッチング回路3への電力伝送を行わせる場合、1次側スイッチング素子Q1～Q4の駆動周波数を減少させるとともに、2次側スイッチング素子Q5～Q8のいずれかをオンさせて、2次側スイッチング回路3に短絡回路を形成させることを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
トランス回路と、前記トランス回路の１次側に設けられた１次側スイッチング素子を含む１次側スイッチング回路と、前記トランス回路の２次側に設けられた２次側スイッチング素子を含む２次側スイッチング回路と、共振インダクタンスおよび共振キャパシタンスを含む共振回路と、を備える主回路部と、
前記１次側スイッチング素子および前記２次側スイッチング素子のオンオフ制御を行うための制御信号を生成する制御部と、
を備えたＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御部は、前記主回路部に昇圧動作を行わせるブースト制御を行い、
前記ブースト制御時の前記制御部は、
前記主回路部に前記１次側スイッチング回路から前記２次側スイッチング回路への電力伝送を行わせる場合、
前記制御信号により、前記１次側スイッチング素子の駆動周波数を減少させるとともに、前記２次側スイッチング素子をオンさせて前記２次側スイッチング回路に短絡回路を形成する
ことを特徴とするＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記ブースト制御時の前記制御部は、
前記主回路部に前記２次側スイッチング回路から前記１次側スイッチング回路への電力伝送を行わせる場合、
前記制御信号により、前記２次側スイッチング素子の駆動周波数を減少させるとともに、前記１次側スイッチング素子をオンさせて前記１次側スイッチング回路に短絡回路を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記制御部は、
前記駆動周波数を前記共振回路の共振周波数以上の値で制御し、前記駆動周波数が予め定めたブースト開始周波数未満の場合、前記ブースト制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記制御部は、
前記駆動周波数が前記ブースト開始周波数以上の場合、前記駆動周波数を変調させる周波数変調制御を行い、
前記ブースト制御を行う場合、前記駆動周波数を用いて前記制御信号のブーストパルス幅を算出し、前記ブーストパルス幅の期間に前記短絡回路を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記制御部は、
前記昇圧動作を行う昇圧比が小さいほど前記ブースト開始周波数が低い値となり、前記昇圧比が大きいほど前記ブースト開始周波数が高い値となるように、前記ブースト開始周波数を可変させる
ことを特徴とする請求項３に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記制御部は、
前記制御信号のブーストパルス幅をＴｂ、前記駆動周波数をｆｓ、前記昇圧動作を行う昇圧比のゲインをＧとした場合、
第１式（係数ａ／駆動周波数ｆｓ）－定数ｂ
第２式［（係数ａ／駆動周波数ｆｓ）－定数ｂ］×ゲインＧ
第３式（－係数ａ×駆動周波数ｆｓ）＋定数ｂ
第４式［（－係数ａ×駆動周波数ｆｓ）＋定数ｂ］×ゲインＧ
のいずれか１つの式から前記ブーストパルス幅を算出し、前記ブーストパルス幅の期間に前記短絡回路を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記ゲインＧは、前記昇圧比が大きいほど大きい値となり、前記昇圧比が小さいほど小さい値となる
ことを特徴とする請求項６に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記１次側スイッチング回路および前記２次側スイッチング回路は、
ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、または３相を含む多相ブリッジ回路であり、
前記２次側スイッチング回路の前記フルブリッジ回路および前記多相ブリッジ回路は、上アームの前記２次側スイッチング素子をダイオードに置き換えたブリッジレス回路を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、カーボンニュートラルの実現に向け、電気自動車のバッテリー電力を家庭の負荷に供給するＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムや、太陽光発電装置と蓄電池とを組み合わせた分散電源システムの開発が進んでおり、これらのシステムに含まれる電源の小型化、低コスト化、高効率化が求められている。そのため、電源に使用される双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして、部品点数が少なく高効率化が可能な電流共振型のＤＣ／ＤＣコンバータであるＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータが採用されている。
【０００３】
一方、電気自動車の充電規格であるＣＨＡｄｅＭＯ規格では、１５０［Ｖ］から４５０［Ｖ］と広範囲の電圧に対応することが要求されている。このため、Ｖ２Ｈシステムに含まれる電源は、ＤＣ／ＤＣコンバータが出力する直流電圧を、電気自動車のバッテリー電圧に合わせて降圧するだけでなく昇圧する必要がある。しかしながら、ＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、一般に周波数変調制御を行うことで出力電圧を制御するため、出力可能な電圧範囲が狭いという欠点がある。
【０００４】
図１６に、従来のＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｃの主回路部を示す。ＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｃの主回路部は、双方向動作が可能な対称回路構成となっている。すなわち、主回路部は、トランスＴｒの１次側に１次側スイッチング回路１および１次側共振回路２ｃを備え、トランスＴｒの２次側に２次側共振回路５ｃおよび２次側スイッチング回路３を備える。１次側共振回路２ｃは、共振コイルＬｒ１１および共振コンデンサＣｒ１１を備え、２次側共振回路５ｃは、共振コイルＬｒ２１および共振コンデンサＣｒ２１を備える。
【０００５】
ＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータを双方向化した回路構成であるため、順方向動作時の駆動回路側および逆方向動作時の駆動回路側の双方に順方向動作時および逆方向動作時に必要な入出力比を得るための共振インダクタンス（共振コイル）および共振キャパシタンス（共振コンデンサ）を備える。例えば、図１６のＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｃは、１次側共振回路２ｃと２次側共振回路５ｃとを備える。これら共振回路２ｃ、５ｃを構成する共振コイルは通常、コアと巻き線で構成されており、サイズ、重量が大きく、小型化と低コスト化に支障を来す。また、共振回路２ｃ、５ｃを構成する共振コンデンサには、通常、フィルムコンデンサや積層セラミックコンデンサが用いられるが、フィルムコンデンサの場合はサイズが大きく、積層セラミックコンデンサの場合は実装面積を広くとる必要があり、いずれの場合も小型化に支障を来す。このため、ＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、共振回路が駆動回路側にのみあるＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータと比較すると、共振回路が１次側および２次側（駆動回路側および整流回路側）の両方にあることにより、部品点数の増加による主回路部の大型化および高コスト化、整流回路側の共振回路による損失増加（電力変換効率の低下）の問題がある。
【０００６】
特許文献１には、双方向動作が可能なＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。特許文献１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータでは、入力側のスイッチトランジスタを駆動周波数固定かつデューティ５０％のモードで駆動させ、整流側の２つのハーフブリッジのスイッチトランジスタを位相シフト制御のモードで駆動させることで、ブースト動作を行わせている。特許文献１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、位相シフト量を調整することによってブースト動作による昇圧比を調整し、ゲインを１より大きくすることができる。
【０００７】
特許文献１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータでは、共振回路が１つになるため、部品点数の削減による主回路部の小型化および低コスト化の利点があるが、主回路部のインダクタンス値が減少し、ブースト動作時に大きな短絡電流（ブースト電流）が短時間に流れるので、出力の制御が難しくなるという問題がある。さらに、主回路部の入出力電圧比（昇圧比）が大きくなると、ブースト比が大きくなり、より大きなブースト電流が流れるという問題がある。
【０００８】
なお、ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、短絡期間（ブースト期間）の長さが同じでも、ＬＬＣ方式の駆動周波数に依存した入出力特性により駆動周波数や入力電圧が異なればブースト電流の大きさが異なるので、最適な動作パラメータ（例えば、どのような駆動周波数でブースト動作を行わせるか）を決めるのが難しいという問題がある。
【０００９】
特許文献２にも、双方向動作が可能なＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。特許文献２に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータでは、１次側のスイッチング素子と同期して２次側のスイッチング素子（短絡スイッチ）をオンさせることで、ブースト動作を行わせている。特許文献２に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータは、短絡スイッチのオンデューティを制御することで、ブースト動作による昇圧比を調整することができる。しかしながら、特許文献２に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータには、特許文献１に記載のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータと同様の問題がある。
【００１０】
非特許文献１には、ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるブースト動作の制御方法が開示されている。非特許文献１に記載の制御方法は、入力電圧が低い領域において、入力電圧の低下に従い、ブースト角および駆動周波数を徐々に増加させる。しかしながら、入力電圧の低下に従い駆動周波数を増加させると、昇圧比が大きくなるに従い、ブースト比が大きくなり、より大きなブースト電流が流れるので、出力の制御が難しくなるという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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