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公開番号2025099106
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023215500
出願日2023-12-21
発明の名称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 20060101AFI20250626BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチングノイズの低減を図り、比較的広い電圧範囲に対応することが可能なDC/DCコンバータを提供する。
【解決手段】第1バスコンデンサCbと、第1インダクタ回路1と、第1フルブリッジ回路2と、第1共振回路3と、トランス回路4と、第2フルブリッジ回路5と、制御部6とを備えるDC/DCコンバータ10であって、制御部6は、第1フルブリッジ回路2のスイッチング素子Q1～Q4のオンオフ制御を行い、順方向電力伝送時のオンオフ制御として、スイッチング素子Q1～Q4の駆動周波数を変調させる周波数変調制御を行うとともに、駆動周波数を制御単位としてスイッチング素子Q1～Q4のデューティを変調させるデューティ制御を行うことを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
主回路部と制御部とを備え、
前記主回路部は、
第１端、第２端および第３端と、
第１昇圧用インダクタおよび第２昇圧用インダクタを備え、前記第１昇圧用インダクタの一端および前記第２昇圧用インダクタの一端が前記第２端に接続される第１インダクタ回路と、
並列接続された第１レグおよび第２レグを備え、各レグがスイッチング素子を含む上アームおよび下アームを備え、前記第１レグの上下アームの第１接続点が前記第１昇圧用インダクタの他端に接続され、前記第２レグの上下アームの第２接続点が前記第２昇圧用インダクタの他端に接続され、前記第１レグおよび前記第２レグの高圧側接続点が前記第１端に接続され、前記第１レグおよび前記第２レグの低圧側接続点が前記第３端に接続される第１フルブリッジ回路と、
第１共振インダクタおよび第１共振コンデンサを備え、入力側が前記第１接続点および前記第２接続点に接続される第１共振回路と、
１次側巻き線および２次側巻き線を備え、前記１次側巻き線の両端が前記第１共振回路の出力側に接続される絶縁トランスと、
前記第１端と前記第３端との間に接続された第１バスコンデンサと、
並列接続された第３レグおよび第４レグを備え、各レグがスイッチング素子および／またはダイオードを含む上アームおよび下アームを備え、前記第３レグの上下アームの第３接続点が前記２次側巻き線の一端に接続され、前記第４レグの上下アームの第４接続点が前記２次側巻き線の他端に接続される第２フルブリッジ回路と、
前記第３レグおよび前記第４レグの高圧側接続点に接続される第４端と、
前記第３レグおよび前記第４レグの低圧側接続点に接続される第５端と、
を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記制御部は、
少なくとも前記第１フルブリッジ回路の前記スイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記第１フルブリッジ回路を駆動回路として動作させ、前記第２フルブリッジ回路を整流回路として動作させる順方向電力伝送時に、
前記オンオフ制御として、前記第１フルブリッジ回路の前記スイッチング素子の駆動周波数を変調させる周波数変調制御を行うとともに、前記駆動周波数を制御単位として前記第１フルブリッジ回路の前記スイッチング素子のデューティを変調させるデューティ制御を行う
ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記オンオフ制御時の前記制御部は、
前記駆動周波数を前記デューティが５０％に対応する５０％周波数よりも小さくすることで前記主回路部に昇圧動作を行わせ、
前記駆動周波数を前記５０％周波数よりも大きくすることで前記主回路部に降圧動作を行わせ、
前記デューティが５０％よりも小さい第１デューティに対応する第１駆動周波数から前記デューティが５０％よりも大きい第２デューティに対応する第２駆動周波数の範囲において、前記主回路部に昇降圧動作を行わせる
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】
前記オンオフ制御時の前記制御部は、
前記周波数変調制御による前記駆動周波数が前記第２駆動周波数よりも大きい場合、前記駆動周波数が実質的な最大値である最大駆動周波数の時に前記デューティが最大値となるように、前記駆動周波数の変化に対する前記デューティの増加割合を変化させて前記デューティ制御を行う
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】
前記オンオフ制御時の前記制御部は、
前記周波数変調制御による前記駆動周波数が前記第１共振回路の共振周波数以下の値となる場合、前記駆動周波数を前記共振周波数に固定して前記デューティ制御を行う
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５】
前記オンオフ制御時の前記制御部は、
前記周波数変調制御による前記駆動周波数が前記第１共振回路の共振周波数よりも大きい値となる場合、前記デューティを５０％に固定し、
前記周波数変調制御による前記駆動周波数が前記共振周波数よりも大きい位相シフト開始周波数以上の値となる時は、前記第１レグと前記第２レグとの間の位相シフト量を、前記駆動周波数を制御単位として制御する位相シフト制御を行う
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６】
前記オンオフ制御時の前記制御部は、
前記第１レグおよび前記第２レグの前記スイッチング素子のターンオンタイミングに合わせて、前記第３レグおよび前記第４レグの前記スイッチング素子をターンオンさせることで、前記第２フルブリッジ回路に同期整流動作を行わせる
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７】
第３昇圧用インダクタおよび第４昇圧用インダクタを備え、前記第３昇圧用インダクタの一端が前記第２フルブリッジ回路の前記第３接続点に接続され、前記第４昇圧用インダクタの一端が前記第２フルブリッジ回路の前記第４接続点に接続される第２インダクタ回路と、
前記第３昇圧用インダクタの他端および前記第４昇圧用インダクタの他端に接続される第６端と、
前記第４端と前記第５端との間に接続された第２バスコンデンサと、をさらに備え、
前記制御部は、
前記第２フルブリッジ回路の前記スイッチング素子のオンオフ制御を行い、
前記第２フルブリッジ回路を前記駆動回路として動作させ、前記第１フルブリッジ回路を前記整流回路として動作させる逆方向電力伝送時に、
前記オンオフ制御として、前記第２フルブリッジ回路の前記スイッチング素子の駆動周波数を変調させる周波数変調制御を行うとともに、前記駆動周波数を制御単位として前記第２フルブリッジ回路の前記スイッチング素子のデューティを変調させるデューティ制御を行う
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８】
第２共振インダクタおよび第２共振コンデンサを備え、前記逆方向電力伝送時における入力側が前記第３接続点および前記第４接続点に接続され、前記逆方向電力伝送時における出力側が前記２次側巻き線の両端に接続される第２共振回路をさらに備える
ことを特徴とする請求項７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
続きを表示（約 2,800 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を充電する充電装置、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、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等の開発が進んでおり、これらの装置や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、電源に含まれる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ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータや、その回路トポロジを対称にして双方向化した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］と広いバッテリー電圧範囲が要求されている。このため、電気自動車用の充電装置およびＶ２Ｈシステムでは、充電時に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。Ｖ２Ｈシステムの場合、さらに回生時にバッテリー電圧を電源内部の直流電圧に合わせて昇降圧する必要があるため、片方向の電力電伝送を行う充電装置に比べて、昇降圧動作への要求がより厳しいものになっている。
【０００４】
また、ＬＬＣ方式（あるいはＣＬＬＣ方式）のＤＣ／ＤＣコンバータでは、周波数変調制御により昇降圧動作を行うが、周波数変調制御は、共振回路の共振定数で決まるゲインの特性カーブに従って、広い周波数範囲で駆動周波数を変調させるので、出力可能な電圧範囲が狭くなるという欠点がある。このため、従来のＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータでは、駆動周波数を共振周波数に固定して無制御で動作させ、前段に設けた昇降圧チョッパ回路でＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電圧を制御することが一般的であった。しかしながら、この方法では、昇降圧チョッパ回路により電源の小型化、低コスト化、高効率化が妨げられる課題に加え、ハードスイッチングによるノイズが発生する課題が生じる。
【０００５】
これらの課題に対しては、ＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側整流回路を一時的に短絡し、ブースト（昇圧）動作を行わせることで、前段に設けた昇降圧チョッパ回路を不要にして電源の小型化、低コスト化、高効率化を目指す方法がある。しかしながら、この方法では、ブースト動作時に２次側整流回路で大きな共振電流を途中切断するため、ハードスイッチングとなり、大きなスイッチングノイズが発生する。このため、実用化が難しく、ノイズ対策のために１次側駆動回路を高速に動作させることができず（高周波化できず）、電源の小型化に課題が生じる。
【０００６】
特許文献１には、インタリーブ構成の昇圧インダクタ回路により、入力電圧から昇圧電圧を生成し、ＬＬＣ回路により、昇圧電圧をさらに変圧することによって出力電圧を生成する方法が記載されている。この方法では、ＬＬＣ回路に２個のスイッチング素子の追加が必要（計６個のスイッチング素子が必要）になるので、前段に昇降圧チョッパ回路を設けたＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータと同様に、電源の小型化、低コスト化、高効率化が妨げられる。また、この方法では、降圧動作はＬＬＣ回路の駆動制御で行うことになるので、出力をゼロまで低下させることができない課題がある。また、ＬＬＣ回路の駆動制御以外に、昇圧インダクタ回路による昇圧電圧の制御も必要になる。
【０００７】
非特許文献１には、入力部にインタリーブ構成の昇圧コイル（インダクタ）を設け、当該昇圧コイルをＬＬＣフルブリッジ回路に接続して、ＬＬＣフルブリッジ回路の駆動周波数を共振周波数に固定し、そのデューティを５０％よりも小さくすることで昇圧し、５０％よりも大きくすることで降圧する方法が記載されている。この方法では、インタリーブ構成の昇圧コイルが必要になる課題はあるが、その反面、低入力リップルで、昇降圧回路をＬＬＣフルブリッジ回路と兼用するためスイッチング素子の削減を図ることができ、ＬＬＣ共振のソフトスイッチングによりスイッチングノイズの低減を図ることもできる。しかしながら、この方法の場合、デューティを５０％からあまり大きく変調させると入力リップルノイズが増えるという課題があるので、得られるゲインは、デューティ５０％時を１とすると、昇圧側でデューティ３０％時に１．３５倍程度である。このため、電気自動車のバッテリー電圧の場合のように、最大約２．５倍（出力：バス電圧３８０［Ｖ］／入力：バッテリー最低電圧１５０［Ｖ］）を必要とするような広い電圧範囲への対応が十分でないという課題がある。また、降圧については、出力をゼロまで低下させることができない課題がある。
【０００８】
特許文献２には、昇圧型フルブリッジインバータの制御方法が記載されている。特許文献２に記載の制御方法は、２つの昇圧インダクタに直流電圧を印加し、フルブリッジ回路の各レグの下アームをそれぞれＰＷＭ制御することで昇圧動作を行うものである。この制御方法では、フルブリッジ回路をチョッパ回路として使用しているので、ハードスイッチングとなり、スイッチングノイズが発生する可能性がある。また、特許文献２には、「出力制御に周波数制御を用いた直列共振形回路でも適用でき、この場合には，入力電圧制限回路に周波数変調機能とＰＷＭ機能を併用することが可能である」との記載があるが、開示された制御方法で制御を行っても、同様にハードスイッチングとなるので、ソフトスイッチングによりスイッチングノイズの低減を図ることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特許第６８２９２２０号公報
特開平１０－２７１８３３号公報
【非特許文献】
【００１０】
Xiaofeng Sun, et al., "Interleaved Boost-Integrated LLC Resonant Converter With Fixed-Frequency PWM Control for Renewable Energy Generation Applications", IEEE Transactions on Power Electronics (Volume: 30, Issue: 8, August 2015), pp.4312-4326
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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