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公開番号2025099809
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2023216753
出願日2023-12-22
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】主回路部と制御部10とを備える双方向DC/DCコンバータ11であって、制御部10は、第1フルブリッジ回路3の第1レグをオンオフさせ、第1フルブリッジ回路3の第2レグをオンオフさせ、第1双方向スイッチ5を第2レグのオンオフに同期してオフオンさせて、第2レグがオンするオンデューティ期間に共振電流を増加させるオンPWM制御と、第1レグをオンオフさせ、第2レグをオフさせ、第1双方向スイッチ5を第1レグのオンに同期してオフさせて、第1双方向スイッチ5がオフするオフデューティ期間に共振電流の発生を抑制するオフPWM制御と、の少なくとも一方の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入出力端および第２入出力端と、
前記第１入出力端の電圧を分圧する２つの第１コンデンサ部で構成された第１分圧回路と、
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、前記各レグの両端が前記第１入出力端に接続された第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、一端側が前記第１レグの上下アームの接続点である第１接続点および前記第２レグの上下アームの接続点である第２接続点に接続される第１共振回路と、
前記２つの第１コンデンサ部の接続点と前記第２接続点との間に設けられた第１双方向スイッチと、
１次巻き線および２次巻き線を備え、前記１次巻き線の両端が前記第１共振回路の他端側に接続される絶縁トランスと、
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を含む上アームおよび下アームを備え、前記各レグの両端が前記第２入出力端に接続された第２フルブリッジ回路と、
を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記主回路部は、
前記制御部の制御下で、前記第１フルブリッジ回路が駆動回路として動作し、前記第２フルブリッジ回路が整流回路として動作して、前記第１入出力端から前記第２入出力端への順方向電力伝送を行い、
前記順方向電力伝送時の前記制御部は、
前記第１レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第２レグを前記第１レグのオンオフに同期してオンデューティ５０％未満でオンオフさせ、前記第１双方向スイッチを前記第２レグのオンオフに同期してオフオンさせて、前記第２レグがオンするオンデューティ期間に前記第１共振回路に流れる共振電流を増加させるオンＰＷＭ制御と、
前記第１レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第２レグをオフさせ、前記第１双方向スイッチを前記第１レグのオンに同期してオフさせて、前記第１双方向スイッチがオフするオフデューティ期間に前記共振電流の発生を抑制するオフＰＷＭ制御と、の少なくとも一方の制御を行う
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】
前記順方向電力伝送時の前記制御部は、
前記第１入出力端の電圧と前記第２入出力端の電圧との入出力電圧比が一定電圧比以上の場合、あるいは、前記駆動回路の駆動周波数が一定周波数よりも小さい場合、前記オンＰＷＭ制御を行う一方、
前記入出力電圧比が前記一定電圧比よりも小さい場合、あるいは、前記駆動周波数が前記一定周波数以上の場合、前記オフＰＷＭ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３】
前記オンＰＷＭ制御時の前記制御部は、
前記駆動周波数があらかじめ定めた第１駆動周波数以下になると、前記駆動周波数の低下に合わせて前記オンデューティ期間を増加させ、前記オンデューティ期間があらかじめ定めたオンデューティ最大値に達すると、前記オンデューティ期間を前記オンデューティ最大値で固定する
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】
前記オンデューティ期間のオンデューティは、前記第１駆動周波数から前記駆動周波数を差し引いた差分にあらかじめ定めたゲインを乗じた値である
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】
前記制御部は、
前記入出力電圧比に応じて、前記入出力電圧比が高い場合は前記ゲインを大きくし、前記入出力電圧比が低い場合は前記ゲインを小さくする
ことを特徴とする請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記制御部は、
前記駆動周波数があらかじめ定めた第２駆動周波数以上になると、前記駆動周波数の増加に合わせて前記オフＰＷＭ制御時の前記オフデューティ期間を増加させ、前記オフデューティ期間があらかじめ定めたオフデューティ最大値に達すると、前記オフデューティ期間を前記オフデューティ最大値で固定する
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７】
前記オフデューティ期間のオフデューティは、前記駆動周波数から前記第２駆動周波数を差し引いた差分にあらかじめ定めたゲインを乗じた値である
ことを特徴とする請求項６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記主回路部は、
前記第２入出力端の電圧を分圧する２つの第２コンデンサ部で構成された第２分圧回路と、
第２共振インダクタおよび第２共振コンデンサを備え、一端側が前記第３レグの上下アームの接続点である第３接続点および前記第４レグの上下アームの接続点である第４接続点に接続され、他端側が前記２次巻き線の両端に接続される第２共振回路と、
前記２つの第２コンデンサ部の接続点と前記第４接続点との間に設けられた第２双方向スイッチと、をさらに備え、
前記制御部の制御下で、前記第２フルブリッジ回路が前記駆動回路として動作し、前記第１フルブリッジ回路が前記整流回路として動作して、前記第２入出力端から前記第１入出力端への逆方向電力伝送を行い、
前記順方向電力伝送時の前記オンＰＷＭ制御を第１オンＰＷＭ制御とし、前記順方向電力伝送時の前記オフＰＷＭ制御を第１オフＰＷＭ制御とした場合、
前記逆方向電力伝送時の前記制御部は、
前記第３レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第４レグを前記第３レグのオンオフに同期してオンデューティ５０％未満でオンオフさせ、前記第２双方向スイッチを前記第４レグのオンオフに同期してオフオンさせて、前記第４レグがオンするオンデューティ期間に前記第２共振回路に流れる共振電流を増加させる第２オンＰＷＭ制御と、
前記第３レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第４レグをオフさせ、前記第２双方向スイッチを前記第３レグのオンに同期してオフさせて、前記第２双方向スイッチがオフするオフデューティ期間に前記共振電流の発生を抑制する第２オフＰＷＭ制御と、の少なくとも一方の制御を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。

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 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
一般に、電気自動車などの充電器に使用される電源装置は、交流電源から入力される交流入力電圧を直流入力電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、直流入力電圧を所望の直流出力電圧または直流出力電流に変換するＤＣ／ＤＣコンバータとで構成されている。また、電源装置の小型化、低コスト化、高効率化の要望から、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。しかしながら、ＬＬＣ方式あるいはＣＬＬＣ方式の電流共振型ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＰＷＭ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと比べて、出力可能な電圧範囲が狭いという問題がある。このため、ＬＬＣ方式あるいはＣＬＬＣ方式の電流共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、バス電圧可変方式やフルブリッジ／ハーフブリッジ切替方式など、出力可能な電圧範囲を拡大するための様々な方法が提案されている。
【０００４】
特に、双方向動作を行うＣＬＬＣ方式ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、トランスの巻き線比（昇圧比）を一方向の昇圧条件で決めると、逆方向の場合の昇圧条件を満たさないので、双方向で昇圧条件を満たすことが難しくなる。そのため、特許文献１では、共振電流が流れる期間に整流側回路の一部を短期間短絡させる（すなわちブースト動作を行わせる）方法を提案している。しかしながら、ブースト動作を行うと大きな共振電流が流れ、共振電流の終了を待たずに、整流側回路の短絡を解除するので、ハードスイッチングとなり、スイッチングノイズが発生して、高速なスイッチングができないという課題が生じる。そのため、ブースト動作を行うことが、電源装置の安定動作および小型化を阻害する要因となっている。
【０００５】
特許文献２には、駆動側がフルブリッジ型のインバータと双方向スイッチと共振回路とで構成された共振型ＤＣ／ＤＣコンバータが記載されている。しかしながら、この構成では、共振回路にかかる電圧が常に入力電圧Ｖｉｎであるため、インバータの導通期間と双方向スイッチの導通期間とを一定周波数に固定して互いにずらしても、広い電圧範囲に対応することができないという課題がある。
【０００６】
特許文献３には、駆動側がフルブリッジ回路で、入力端とフルブリッジ回路との間に分圧コンデンサおよび双方向スイッチを設け、トランスを挟んで、整流側がセンタータップ型の全波整流回路で構成されたＬＬＣ共振変換器が記載されている。また特許文献３には、このＬＬＣ共振変換器において、フルブリッジ回路の駆動周波数を共振周波数とし、定周波数ＰＷＭ制御で、入力電圧が最小値Ｖｍｉｎから最大値Ｖｍａｘに変化する時にデューティ比を０．５から０に変化させ、フルブリッジ回路の片側のレグをデューティ５０％でオンオフさせ、残りの双方向スイッチと接続されたレグをＰＷＭ制御でオンオフさせ、双方向スイッチの片側をＰＷＭ制御に合わせてオフ制御する方法が記載されている。しかしながら、この方法では、入力電圧が一定の場合でも出力電圧または出力電流の変化量によっては対応できない（所望の出力電圧または出力電流を得ることができない）という実用上の課題があり、結果として、広い電圧範囲に対応することができないという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０２３－９７８４９号公報
特許第６３８８１５４号公報
中国特許第１０５１１９４９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は、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ことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、
主回路部と制御部とを備え、
前記主回路部は、
第１入出力端および第２入出力端と、
前記第１入出力端の電圧を分圧する２つの第１コンデンサ部で構成された第１分圧回路と、
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、前記各レグの両端が前記第１入出力端に接続された第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、一端側が前記第１レグの上下アームの接続点である第１接続点および前記第２レグの上下アームの接続点である第２接続点に接続される第１共振回路と、
前記２つの第１コンデンサ部の接続点と前記第２接続点との間に設けられた第１双方向スイッチと、
１次巻き線および２次巻き線を備え、前記１次巻き線の両端が前記第１共振回路の他端側に接続される絶縁トランスと、
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を含む上アームおよび下アームを備え、前記各レグの両端が前記第２入出力端に接続された第２フルブリッジ回路と、
を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記主回路部は、
前記制御部の制御下で、前記第１フルブリッジ回路が駆動回路として動作し、前記第２フルブリッジ回路が整流回路として動作して、前記第１入出力端から前記第２入出力端への順方向電力伝送を行い、
前記順方向電力伝送時の前記制御部は、
前記第１レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第２レグを前記第１レグのオンオフに同期してオンデューティ５０％未満でオンオフさせ、前記第１双方向スイッチを前記第２レグのオンオフに同期してオフオンさせて、前記第２レグがオンするオンデューティ期間に前記第１共振回路に流れる共振電流を増加させるオンＰＷＭ制御と、
前記第１レグをオンデューティ５０％でオンオフさせ、前記第２レグをオフさせ、前記第１双方向スイッチを前記第１レグのオンに同期してオフさせて、前記第１双方向スイッチがオフするオフデューティ期間に前記共振電流の発生を抑制するオフＰＷＭ制御と、の少なくとも一方の制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記順方向電力伝送時の前記制御部は、
前記第１入出力端の電圧と前記第２入出力端の電圧との入出力電圧比が一定電圧比以上の場合、あるいは、前記駆動回路の駆動周波数が一定周波数よりも小さい場合、前記オンＰＷＭ制御を行う一方、
前記入出力電圧比が前記一定電圧比よりも小さい場合、あるいは、前記駆動周波数が前記一定周波数以上の場合、前記オフＰＷＭ制御を行うよう構成できる。
（【００１１】以降は省略されています）

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