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公開番号2025075604
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-15
出願番号2023186893
出願日2023-10-31
発明の名称DC/DCコンバータ
出願人株式会社オリジン
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250508BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】オン抵抗の大きな耐圧の高いスイッチ素子を使用することなく、スイッチ素子の耐圧より入出力電圧を高くでき、且つ精密なスイッチング制御が不要であるDC/DCコンバータを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るDC/DCコンバータは、2つの端子(Ter1、Ter2)とトランス11間に、4つのスイッチ(Sx:x=1～4)で構成したフルブリッジのスイッチング回路が接続され、スイッチング回路の各レグ(12、13)のそれぞれにおいて上下アームをフライングキャパシタ(FC1,FC2)で接続し、各スイッチは、2つのスイッチ素子(Qxa,Qxb)を直列に接続したものであり、前記フライングキャパシタ(FC1,FC2)は、前記スイッチ素子(Qxa,Qxb)の接続点同士を接続している。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
１次巻線と２次巻線とを有するトランスと、
４つのスイッチを上下アームとして２つの端子との間にそれぞれ並列に接続された第１レグと第２レグと、前記第１レグと前記第２レグのそれぞれにおいて上下アームを接続するフライングキャパシタと、を有し、それぞれ前記トランスの前記１次巻線側及び前記トランスの前記２次巻線側に接続される２つのスイッチング回路と、
前記トランスの前記１次巻線側又は前記２次巻線側で、前記第１レグの上下アームの接続点側と前記第２レグの上下アームの接続点側との間に前記１次巻線又は前記２次巻線を介して接続されるインダクタンス手段と、
前記スイッチング回路のスイッチング制御を行う制御回路と
を備え、
それぞれの前記スイッチは、逆並列ダイオードと並列コンデンサとがそれぞれ並列に接続されたスイッチ素子を直列に接続し、前記２つの端子の一方側の前記スイッチ素子に並列に追加コンデンサを接続すること、及び
前記フライングキャパシタは、前記スイッチ素子の接続点同士を接続すること
を特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
前記制御回路は、
前記２つの端子側から入力される直流を交流に変換して前記トランスへ出力する側の前記スイッチング回路に対し、前記第１又は第２レグの上アームのスイッチと前記第２又は第１レグの下アームのスイッチとを組にして交互にオンオフさせるオンオフ制御を行うこと、及び
前記オンオフ制御を行うにあたり、それぞれの前記組において、
前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子のオンオフ動作を同期させ、前記追加コンデンサが並列しない前記スイッチ素子のオンオフ動作を同期させること、
前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子を先にオフさせること、且つ
一方の前記組に含まれる前記追加コンデンサが並列しない前記スイッチ素子がオフして固定時間が経過した後に他方の前記組に含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子をオンすること
を特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記トランス側から入力される交流を直流に変換して前記２つの端子から出力する側の前記スイッチング回路に対し、前記第１又は第２レグの上アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子と前記第２又は第１レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子とを組にして交互にオンオフさせる整流動作を行うこと
を特徴とする請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記制御回路は、
前記２つの端子側から入力される直流を交流に変換して前記トランスへ出力する側の前記スイッチング回路の前記オンオフ動作の位相と前記トランス側から入力される交流を直流に変換して前記２つの端子から出力する側の前記スイッチング回路の前記整流動作の位相をずらす位相シフト制御を行うことで、
他方の前記スイッチング回路の前記２つの端子間側から出力される電圧、電流もしくは電力の検出値又は一方の前記スイッチング回路の前記２つの端子間側から入力される電圧、電流又は電力の検出値を目標値に近づけることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記位相シフトの最小シフト量は、
前記２つの端子側から入力される直流を交流に変換して前記トランスへ出力する側の前記スイッチング回路において、前記第１又は第２レグの上アームのスイッチと前記第２又は第１レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子がオンとなったときに、
前記トランス側から入力される交流を直流に変換して前記２つの端子から出力する側の前記スイッチング回路の、前記第２又は第１レグの上アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子と前記第１又は第２レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子をオンする前記位相のときであること
を特徴とする請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記制御回路は、前記検出値を前記目標値に近づけるように、前記位相シフト制御にて（１）と（２）とも、及び（３）と（４）ともオンとなる時間を調整することを特徴とする請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
（１）前記２つの端子側から入力される直流を交流に変換して前記トランスへ出力する側の前記スイッチング回路の、前記第１レグの上アームのスイッチと前記第２レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子、
（２）前記トランス側から入力される交流を直流に変換して前記２つの端子から出力する側の前記スイッチング回路の、前記第１レグの上アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子と前記第２レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子、
（３）前記２つの端子側から入力される直流を交流に変換して前記トランスへ出力する側の前記スイッチング回路の、前記第１レグの下アームのスイッチと前記第２レグの上アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子、
（４）前記トランス側から入力される交流を直流に変換して前記２つの端子から出力する側の前記スイッチング回路の、前記第１レグの下アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子と前記第２レグの上アームのスイッチに含まれる前記追加コンデンサが並列する前記スイッチ素子。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、双方向に入出力可能なＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
広範囲な入出力電圧電流に対応でき、スイッチング損失を低減したコンバータ及び双方向コンバータが知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１４－０７５９４３号公報
特開２０１４－０７５９４４号公報
特開２０１４－１２４０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び２に記載されるＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの１次側のスイッチ素子に入力電圧、２次側のスイッチ素子に出力電圧が印加される。このため、高い電圧（例えば、１０００～１５００Ｖ、あるいはそれ以上の電圧）を入出力する場合、高耐圧なスイッチ素子を使用することになる。しかし、高耐圧なスイッチ素子はオン抵抗が大きく、高耐圧なスイッチ素子でＤＣ／ＤＣコンバータを構成すれば動作時の損失が大きいという課題がある。また、現在市販されているスイッチ素子の耐圧にも限界があり、それより高い入出力電圧を扱うことができるＤＣ／ＤＣコンバータを設計することが困難という課題もある。
【０００５】
上記課題に対し、スイッチ素子を直列に接続して印加電圧を分担することも考えられる。しかし、スイッチングのタイミングにズレが生じると耐圧を超える電圧がスイッチ素子に印加され、故障する可能性がある。つまり、スイッチ素子を直列に接続して分圧した場合、スイッチングの制御が困難という課題が発生する。
【０００６】
以上のように、特許文献１及び２に開示されるＤＣ／ＤＣコンバータには、高電圧を入出力することが困難という課題があった。
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、オン抵抗の大きな耐圧の高いスイッチ素子を使用することなく、スイッチ素子の耐圧より入出力電圧を高くでき、且つ精密なスイッチング制御が不要である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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチ素子を直列に接続して入出力電圧を分圧するとともに、フライングキャパシタ方式を採用することとした。
【０００８】
具体的には、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、
１次巻線と２次巻線とを有するトランス（１１）と、
４つのスイッチ（Ｓｘ：ｘ＝１－４）を上下アームとして２つの端子（Ｔｅｒ１＆Ｔｅｒ２）との間にそれぞれ並列に接続された第１レグ（１２）と第２レグ（１３）と、前記第１レグ（１２）と前記第２レグ（１３）のそれぞれにおいて上下アームを接続するフライングキャパシタ（ＦＣ１，ＦＣ２）と、を有し、それぞれ前記トランスの前記１次巻線（１１ａ）側及び前記トランスの前記２次巻線（１１ｂ）側に接続される２つのスイッチング回路（１＆２）と、
前記トランスの前記１次巻線（１１ａ）側又は前記２次巻線（１１ｂ）側で、前記第１レグ（１２）の上下アームの接続点側と前記第２レグ（１３）の上下アームの接続点側との間に前記１次巻線（１１ａ）又は前記２次巻線（１１ｂ）を介して接続されるインダクタンス手段（Ｌ）と、
前記スイッチング回路（１＆２）のスイッチング制御を行う制御回路（３）と
を備え、
それぞれの前記スイッチ（Ｓｘ）は、逆並列ダイオード（Ｄｘａ，Ｄｘｂ）と並列コンデンサ（Ｃｘａ，Ｃｘｂ）とがそれぞれ並列に接続されたスイッチ素子（Ｑｘａ，Ｑｘｂ）を直列に接続し、前記２つの端子の一方（Ｔｅｒ１／Ｔｅｒ２）側の前記スイッチ素子（Ｑｘａ／Ｑｘｂ）に並列に追加コンデンサ（Ｃｘｐ）を接続すること、及び
前記フライングキャパシタ（ＦＣ１，ＦＣ２）は、前記スイッチ素子（Ｑｘａ，Ｑｘｂ）の接続点同士を接続すること
を特徴とする。
【０００９】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、特許文献１及び２に記載されるＤＣ／ＤＣコンバータの回路の各スイッチ素子を、２つのスイッチ素子を直列接続させたスイッチに置換するとともに、フライングキャパシタ方式を採用している。このため、本ＤＣ／ＤＣコンバータは、各スイッチ素子に印加される電圧を１次側では入力電圧の約半分、２次側では出力電圧の約半分に抑えることができ、オン抵抗が大きい耐圧の高いスイッチ素子を使用することなく、スイッチ素子の耐圧より高い入出力電圧を扱うことができる。
【００１０】
また、本ＤＣ／ＤＣコンバータの動作は、特許文献１及び２に記載されるＤＣ／ＤＣコンバータの動作と基本的には同じなので、特許文献１及び２に記載されるＤＣ／ＤＣコンバータと同等のスイッチング制御を行えばよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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