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公開番号2025103872
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-09
出願番号2023221564
出願日2023-12-27
発明の名称電力変換装置
出願人パナソニックIPマネジメント株式会社
代理人個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250702BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】DABコンバータに含まれる複数のスイッチング素子の発熱を平準化する。
【解決手段】DABコンバータにおいて、制御回路(13)は、第1直流部(E1、Ca)から第2直流部(E2、Cb)へ降圧して電力を伝送する場合、第1直流部(E1、Ca)と絶縁トランス(TR1)の一次巻線(n1)が導通する第1の期間と、絶縁トランス(TR1)の一次巻線(n1)の両端が第1ブリッジ回路(11)内で短絡する第2の期間と、を含むように制御する。制御回路(13)は、第1の期間から、第4スイッチング素子(Q4)がターンオフして第2の期間に遷移する第1パターンと、第2スイッチング素子(Q2)がターンオフして第2の期間に遷移する第2パターンと、第1スイッチング素子(Q1)がターンオフして第2の期間に遷移する第3パターンと、第3スイッチング素子(Q3)がターンオフして第2の期間に遷移する第4パターンを生成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１レグと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２レグを有し、前記第１レグと前記第２レグが第１直流部に並列接続される第１ブリッジ回路と、
第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３レグと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４レグを有し、前記第３レグと前記第４レグが第２直流部に並列接続される第２ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、
前記第１スイッチング素子－前記第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１直流部から前記第２直流部へ降圧して電力を伝送する場合、前記第１直流部と前記絶縁トランスの一次巻線が導通する第１の期間と、前記絶縁トランスの一次巻線の両端が前記第１ブリッジ回路内で短絡する第２の期間と、を含むように制御し、
前記第１の期間から、
順方向に導通している前記第４スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第１パターンと、
順方向に導通している前記第２スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第２パターンと、
順方向に導通している前記第１スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第３パターンと、
順方向に導通している前記第３スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第４パターンを生成する、
電力変換装置。
続きを表示（約 2,200 文字）【請求項２】
前記制御回路は、
前記第１パターン－前記第４パターンを４スイッチング周期単位でそれぞれ２回生成する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記第１パターン－前記第４パターンの発生回数が異なるように制御する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１パターンにおける前記第１の期間は、前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオン状態で、前記第５スイッチング素子と前記第８スイッチング素子が整流状態であり、
前記第１パターンにおける前記第２の期間は、前記第１スイッチング素子がオン状態で、前記第３スイッチング素子と前記第５スイッチング素子と前記第８スイッチング素子が整流状態であり、
前記第２パターンにおける前記第１の期間は、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオン状態で、前記第６スイッチング素子と前記第７スイッチング素子が整流状態であり、
前記第２パターンにおける前記第２の期間は、前記第３スイッチング素子がオン状態で、前記第１スイッチング素子と前記第６スイッチング素子と前記第７スイッチング素子が整流状態であり、
前記第３パターンにおける前記第１の期間は、前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオン状態で、前記第５スイッチング素子と前記第８スイッチング素子が整流状態であり、
前記第３パターンにおける前記第２の期間は、前記第４スイッチング素子がオン状態で、前記第２スイッチング素子と前記第５スイッチング素子と前記第８スイッチング素子が整流状態であり、
前記第４パターンにおける前記第１の期間は、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオン状態で、前記第６スイッチング素子と前記第７スイッチング素子が整流状態であり、
前記第４パターンにおける前記第２の期間は、前記第２スイッチング素子がオン状態で、前記第４スイッチング素子と前記第６スイッチング素子と前記第７スイッチング素子が整流状態である、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、
前記第１スイッチング素子－前記第４スイッチング素子の一方の対角の２つのスイッチング素子に供給する駆動信号の時比率を５０％に固定し、当該２つのスイッチング素子にそれぞれ供給する２つの駆動信号の位相差を電力伝送量に応じて変化させ、
前記第１スイッチング素子－前記第４スイッチング素子の他方の対角の２つのスイッチング素子に供給する駆動信号の時比率を電力伝送量に応じて変化させる、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御回路は、
前記第１スイッチング素子－前記第４スイッチング素子の前記他方の対角の２つのスイッチング素子の一方に供給する駆動信号の時比率を、５０％から前記位相差に対応する分、減少させ、当該２つのスイッチング素子の他方に供給する駆動信号の時比率を、５０％から前記位相差に対応する分、増加させる、
請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記制御回路は、
前記第５スイッチング素子－前記第８スイッチング素子の対角の２つのスイッチング素子に供給する駆動信号のターンオンタイミングを同期させ、
前記第５スイッチング素子－前記第８スイッチング素子の一方の対角の２つのスイッチング素子の一方に供給する駆動信号の時比率を５０％に固定し、当該２つのスイッチング素子の他方に供給する駆動信号の時比率を電力伝送量に応じて、５０％以下の範囲で変化させ、
当該２つのスイッチング素子に供給する駆動信号の時比率の設定を、スイッチング周期の開始タイミングで入れ替える、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記制御回路は、
前記第１の期間において、前記第２ブリッジ回路に含まれる整流状態とすべきスイッチング素子をオン状態に制御する、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御回路は、
前記第２の期間において、前記第２ブリッジ回路に含まれる整流状態とすべき対角の２つのスイッチング素子をオン状態に制御し、前記絶縁トランスを流れる電流の絶対値が所定の閾値以下になると、前記対角の２つのスイッチング素子の少なくとも一方をターンオフする、
請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御回路は、前記第２の期間において、前記第２ブリッジ回路に含まれる対角の２つのスイッチング素子をオン状態に制御する期間Ｔ２ｓを、導出式を用いて算出し、
前記導出式は、
Ｔ２ｓ＝（（Ｖ１－Ｖ２）・Ｔ１／Ｖ２）－（（Ｌ／Ｖ２）・Ｉｔｈ）
Ｖ１は前記第１直流部の電圧、
Ｖ２は前記第２直流部の電圧、
Ｔ１はフィードバック制御にもとづく前記第１の期間の時間、
Ｌは前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間のインダクタンス、
Ｉｔｈは前記所定の閾値、
である、
請求項９に記載の電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、直流電力を別の電圧の直流電力に変換する電力変換装置に関する。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムやＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムに使用されるパワーコンディショナは、高効率な電力変換が求められる。Ｖ２Ｈシステムは、電動車（例えば、ＥＶ、ＰＨＥＶ）に搭載された蓄電池と、商用電力系統または宅内の負荷との間で充放電することができる。例えば、家庭用の太陽光発電システムで発電した電力を電動車の蓄電池に充電することができる。また、電動車に搭載された蓄電池を、宅内の負荷のピークシフトやバックアップ用途に利用することができる。Ｖ２Ｈシステムで使用されるＤＣ／ＤＣコンバータには高効率であること、絶縁型であることに加え、広範囲の電圧レンジが求められる。電動車に搭載された蓄電池は、車種により蓄電池の電圧が大きく異なるためである。これらの要求を満たすＤＣ／ＤＣコンバータの一つに、ＤＡＢ(Dual Active Bridge)コンバータがある。
【０００３】
一般的なＤＡＢコンバータでは、入出力間の電位差が大きい時のハードスイッチングによる損失の増加、電力伝送に関係ない無効電流が流れることによる損失の増加が発生する。これに対して例えば、４つのスイッチング素子をブリッジ接続したブリッジ回路の、どちらか一方のレグに入力するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を全オフしつつ、位相シフト方式で昇圧または降圧するＤＡＢコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第１６／１２５３７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記提案されたＤＡＢコンバータで降圧動作させる場合、一次側のブリッジ回路では、各スイッチング素子の損失が不均一になる。そのため、スイッチング素子ごとで損失による発熱量が異なり、最大損失が発生するスイッチング素子に対応する発熱量に対して熱設計が必要となる。これにより、スイッチング素子を冷却するための冷却部材(通常、ヒートシンク)の大型化や、冷却部材を冷却するためのファンの風量アップや、冷却部材を冷却するための水冷機構の水量アップ等を招く。
【０００６】
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、ＤＡＢコンバータに含まれる複数のスイッチング素子の損失を平準化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１レグと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２レグを有し、前記第１レグと前記第２レグが第１直流部に並列接続される第１ブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３レグと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４レグを有し、前記第３レグと前記第４レグが第２直流部に並列接続される第２ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、前記第１スイッチング素子－前記第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記第１直流部から前記第２直流部へ降圧して電力を伝送する場合、前記第１直流部と前記絶縁トランスの一次巻線が導通する第１の期間と、前記絶縁トランスの一次巻線の両端が前記第１ブリッジ回路内で短絡する第２の期間と、を含むように制御し、前記第１の期間から、順方向に導通している前記第４スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第１パターンと、順方向に導通している前記第２スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第２パターンと、順方向に導通している前記第１スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第３パターンと、順方向に導通している前記第３スイッチング素子がターンオフして前記第２の期間に遷移する第４パターンを生成する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、ＤＡＢコンバータに含まれる複数のスイッチング素子の損失を平準化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施の形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。
図２（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の比較例１に係る動作状態を説明するための図である。
図３（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の比較例２に係る降圧動作における電流の流れを説明するための図である。
電力変換装置の比較例２に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを説明するための図である。
図５（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の比較例２に係る昇圧動作における電流の流れを説明するための図である。
電力変換装置の比較例２に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の推移例を示す図である。
図８（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第１例を説明するための図である（その１）。
図９（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第１例を説明するための図である（その２）。
図１０（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第２例を説明するための図である（その１）。
図１１（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第２例を説明するための図である（その２）。
図１２（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第３例を説明するための図である（その１）。
図１３（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第３例を説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子の逆方向伝送時のスイッチングパターンと、トランス電流の推移例を示す図である。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の推移例を示す図である。
図１６（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第１例を説明するための図である（その１）。
図１７（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第１例を説明するための図である（その２）。
図１８（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第２例を説明するための図である（その１）。
図１９（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第２例を説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを周期的に発生させる具体例１を示す図である。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを不規則に発生させる具体例２を示す図である。
図２２（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第３例を説明するための図である（その１）。
図２３（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れの第３例を説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子の逆方向伝送時のスイッチングパターンと、トランス電流の推移例を示す図である。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の推移例を示す図である。
図２６（ａ）は、昇降圧モードを設けない場合のデューティ比と伝送電力の関係を模式的に描いた図である。図２６（ｂ）は、昇降圧モードを設けた場合のデューティ比と伝送電力の関係を模式的に描いた図である。
制御回路の構成例を示す図である。
図２８（ａ）－（ｂ）は、同期整流期間を演算する理論式の変数と定数の一例をグラフに示した図である。
図２９（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れのさらに別の例を説明するための図である（その１）。
図３０（ａ）－（ｄ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作におけるスイッチングパターンと電流の流れのさらに別の例を説明するための図である（その２）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施の形態に係る電力変換装置１の構成を説明するための図である。電力変換装置１は絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＡＢコンバータ）であり、第１直流電源Ｅ１から供給される直流電力を変換して第２直流電源Ｅ２に伝送する。また電力変換装置１は、第２直流電源Ｅ２から供給される直流電力を変換して第１直流電源Ｅ１に伝送する。電力変換装置１は降圧して電力伝送することも、昇圧して電力伝送することも可能である。
（【００１１】以降は省略されています）

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