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公開番号
2025103873
公報種別
公開特許公報(A)
公開日
2025-07-09
出願番号
2023221565
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)へ昇圧して電力を伝送する場合、第2ブリッジ回路(12)が、絶縁トランス(TR1)の二次巻線(n2)の両端が第2ブリッジ回路(12)内で短絡する第1の期間と、絶縁トランス(TR1)の二次巻線(n2)と第2直流部(E2、Cb)が導通する第2の期間を含むように制御する。制御回路(13)は、第1の期間から、第7スイッチング素子(Q7)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5スイッチング素子(Q5)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6スイッチング素子(Q6)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8スイッチング素子(Q8)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直流部へ昇圧して電力を伝送する場合、前記第2ブリッジ回路が、前記絶縁トランスの二次巻線の両端が前記第2ブリッジ回路内で短絡する第1の期間と、前記絶縁トランスの二次巻線と前記第2直流部が導通する第2の期間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7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5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6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8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スイッチング素子と前記第7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スイッチング素子と前記第5スイッチング素子がオン状態で、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スイッチング素子と前記第6スイッチング素子がオン状態で、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スイッチング素子と前記第8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、
昇圧と降圧の切り替わり期間において、前記第1直流部から前記第2直流部へ電力伝送する場合、前記第1の期間と、前記第2の期間と、前記絶縁トランスの一次巻線の両端を前記第1ブリッジ回路内で短絡させ、前記第2ブリッジ回路が前記絶縁トランスの二次巻線を前記第2直流部と導通させる第3の期間を含むように制御する、
請求項1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スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子に、時比率が50%に固定された駆動信号を供給し、
前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子に、時比率が50%に固定された駆動信号を供給し、
前記第1スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子に供給する駆動信号の位相と、前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子に供給する駆動信号の位相との第1の位相差を180°に固定する、
請求項4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スイッチング素子に、電力伝送量に応じて時比率が変化する、それぞれ異なる駆動信号を供給し、
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に供給する駆動信号のターンオンタイミングと、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ターンオンタイミングとの第2の位相差を、前記電力伝送量に応じて制御する、
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一方に供給する駆動信号の時比率を、50%から前記第2の位相差に対応する分、減少させ、
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%から前記第2の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%から前記第2の位相差に対応する分、増加させる、
請求項7に記載の電力変換装置。
【請求項9】
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コンバータの2次側のブリッジ回路では、全オフしているスイッチング素子と、位相シフト制御に使用されているスイッチング素子とで損失が不均一になる。そのため発熱量も不均一になり、スイッチング素子を冷却するための部材(例えば、ヒートシンク)の大型化を招く。また、スイッチング素子間の寿命のバラツキも大きくなる。
【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スイッチング素子の損失を均一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直流部へ昇圧して電力を伝送する場合、前記第2ブリッジ回路が、前記絶縁トランスの二次巻線の両端が前記第2ブリッジ回路内で短絡する第1の期間と、前記絶縁トランスの二次巻線と前記第2直流部が導通する第2の期間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7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5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6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8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スイッチング素子の損失を均一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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