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公開番号2025152979
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-10
出願番号2024055200
出願日2024-03-29
発明の名称電力変換器、電力変換器の制御方法、充電装置及び車両
出願人株式会社GSユアサ
代理人個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20251002BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲に対する出力電圧の出力範囲を広げることができる電力変換器を提供する。
【解決手段】電力変換器1は、複数のフルブリッジLLCコンバータを備える。フルブリッジLLCコンバータは、第1スイッチングレッグ及び第2スイッチングレッグのスイッチング動作によって直流電圧Vinを出力電圧Voに変換する。電力変換器1は、複数のフルブリッジLLCコンバータのトランスTの二次巻線N2が直列に接続されている。電力変換器1は、複数のフルブリッジLLCコンバータのそれぞれは、出力電圧指令値Vcomに応じて出力特性の異なる複数の駆動モードを切り替えて駆動する制御部30を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子をそれぞれ含む第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとを有し、直流電圧の正極と負極との間に、前記第１スイッチングレッグと前記第２スイッチングレッグとが接続され、共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む直列共振回路が、前記第１スイッチングレッグの出力点と前記第２スイッチングレッグの出力点との間に接続されたフルブリッジＬＬＣコンバータを用いて、前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグのスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する電力変換器であって、
前記フルブリッジＬＬＣコンバータを複数備え、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの前記トランスの二次巻線が直列に接続されており、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータのそれぞれを出力電圧指令値に応じて出力特性の異なる複数の駆動モードを切り替えて駆動する制御部と、を備える電力変換器。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記制御部は、前記フルブリッジＬＬＣコンバータを駆動する駆動動作として、
前記第１スイッチングレッグの前記上スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子と、前記第１スイッチングレッグの前記下スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記上スイッチ素子とをデューティ５０％で相補動作させる第１動作と、
前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグの前記上スイッチ素子と、前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子のいずれか一方を常時オン状態とし、他方を常時オフ状態とする第２動作と、を備え、
複数の前記駆動モードは、複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの全てを前記第１動作で駆動する第１モードと、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの１以上を第２動作で駆動する第２モードと、を含む請求項１記載の電力変換器。
【請求項３】
前記制御部は、前記フルブリッジＬＬＣコンバータを駆動する駆動動作として、
前記第１スイッチングレッグの前記上スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子と、前記第１スイッチングレッグの前記下スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記上スイッチ素子とをデューティ５０％で相補動作させる第１動作と、
前記第１スイッチングレッグの前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子とをデューティ２５％：７５％で相補動作させると共に、前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子と前記上スイッチ素子とを位相差１８０ｄｅｇのデューティ２５％：７５％で相補動作させる第３動作と、を備え、
複数の前記駆動モードは、複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの全てを前記第１動作で駆動する第１モードと、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの１以上を第３動作で駆動する第３モードと、を含む請求項１記載の電力変換器。
【請求項４】
前記制御部は、前記フルブリッジＬＬＣコンバータを駆動する駆動動作として、
前記第１スイッチングレッグの前記上スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子と、前記第１スイッチングレッグの前記下スイッチ素子及び前記第２スイッチングレッグの前記上スイッチ素子とをデューティ５０％で相補動作させる第１動作と、
前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグの前記上スイッチ素子と、前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子のいずれか一方を常時オン状態とし、他方を常時オフ状態とする第２動作と、
前記第１スイッチングレッグの前記上スイッチ素子と前記下スイッチ素子とをデューティ２５％：７５％で相補動作させると共に、前記第２スイッチングレッグの前記下スイッチ素子と前記上スイッチ素子とを位相差１８０ｄｅｇのデューティ２５％：７５％で相補動作させる第３動作と、を備え、
複数の前記駆動モードは、複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの全てを前記第１動作で駆動する第１モードと、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの１以上を第２動作で駆動する第２モードと、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの１以上を第３動作で駆動する第３モードと、を含む請求項１記載の電力変換器。
【請求項５】
直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子をそれぞれ含む第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとを有し、直流電圧の正極と負極との間に、前記第１スイッチングレッグと前記第２スイッチングレッグとが接続され、共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む直列共振回路が、前記第１スイッチングレッグの出力点と前記第２スイッチングレッグの出力点との間に接続されたフルブリッジＬＬＣコンバータを用いて、前記第１スイッチングレッグ及び前記第２スイッチングレッグのスイッチング動作によって前記直流電圧を出力電圧に変換する電力変換器の制御方法であって、
前記フルブリッジＬＬＣコンバータを複数備え、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータの前記トランスの二次巻線が直列に接続されており、
複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータのそれぞれを出力電圧指令値に応じて出力特性の異なる複数の駆動モードを切り替えて駆動する電力変換器の制御方法。
【請求項６】
蓄電池を充電する充電装置であって、
前記直流電圧を、前記蓄電池を充電する前記出力電圧に変換する請求項１に記載の電力変換器を備える充電装置。
【請求項７】
蓄電池が搭載された車両であって、
車外からの供給電力を、前記蓄電池を充電する前記出力電圧に変換する請求項１に記載の電力変換器を備える車両。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧を所望の出力電圧に変換する電力変換器に関する。
続きを表示（約 2,700 文字）【背景技術】
【０００２】
電気自動車等に搭載された蓄電池（バッテリー）を充電する充電装置は、効率の良いＬＬＣ回路（共振回路）が採用されていることが多くなっている（例えば、特許文献１参照）。ＬＬＣ回路は、効率が良い入出力範囲があり、それ以外ではかえって効率が非常に悪化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１２－２４９３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数個のＬＬＣ回路を設け、出力を並列接続もしくは直列接続に切り替えることで、効率の良い入出力範囲を得ることができる。図１３に示す電力変換器１００は、２個のハーフブリッジＬＬＣコンバータ（以下、ＬＬＣ回路２００と称す）と、切替スイッチＳＷとを備える。切替スイッチＳＷは、２個のＬＬＣ回路２００の出力を直列接続もしくは並列接続に切り替える。図１３において、(ａ)は、２個のＬＬＣ回路２００の出力が並列接続された状態を、(ｂ)は、２個の出力が直列接続された状態をそれぞれ示す。
【０００５】
ＬＬＣ回路２００の出力電圧Ｖｏは、スイッチング周波数に応じて変化する。図１４は、スイッチング周波数と出力電圧Ｖｏとの出力特性例を示し、低圧出力では、周波数が大きく上昇する。２個のＬＬＣ回路２００の出力特性は、並列接続した場合と直列接続した場合とで異なる。スイッチング周波数の運用範囲（以下、運用周波数範囲と称す）をＸ１１～Ｘ１２（Ｘ１１＜Ｘ１２）とした場合、出力電圧Ｖｏの出力範囲は、直列接続でＶ１～Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２）、並列接続でＶ２～Ｖ３（Ｖ２＞Ｖ３）となる。切替スイッチＳＷにより、出力電圧Ｖｏ＝Ｖ２で並列接続と直列接続とを切り替えることで、運用周波数範囲Ｘ１～Ｘ２に対し、出力電圧Ｖｏの出力範囲は、Ｖ１～Ｖ３に広げることができる。
【０００６】
しかしながら、切替スイッチＳＷは、蓄電池が接続されたＬＬＣ回路２００の出力側に設ける必要があるため、回路故障による蓄電池短絡など大きなエネルギ－を持つサージ電流が発生することがある。従って、切替スイッチＳＷは、機械式リレーを用いる必要があり、半導体スイッチを用いることができない。機械式リレーは、高額で大サイズであり、廉価で小サイズの半導体スイッチに置き替えることができない。
【０００７】
本発明の一態様は、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲に対する出力電圧の出力範囲を広げることができる電力変換器、電力変換器の制御方法、充電装置及び車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る電力変換器は、電力変換器はフルブリッジＬＬＣコンバータを用いて直流電圧を出力電圧に変換する。フルブリッジＬＬＣコンバータは、直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子をそれぞれ含む第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとを有する。フルブリッジＬＬＣコンバータは、直流電圧の正極と負極との間に、第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとが接続される。フルブリッジＬＬＣコンバータは、共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む直列共振回路が、第１スイッチングレッグの出力点と第２スイッチングレッグの出力点との間に接続される。フルブリッジＬＬＣコンバータは、第１スイッチングレッグ及び第２スイッチングレッグのスイッチング動作によって直流電圧を出力電圧に変換する。電力変換器は、フルブリッジＬＬＣコンバータを複数備える。電力変換器は、複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータのトランスの二次巻線が直列に接続されている。電力変換器は、複数のフルブリッジＬＬＣコンバータを出力電圧指令値に応じて出力特性の異なる複数の駆動モードを切り替えて駆動する制御部を備える。
本発明の一態様に係る電力変換器の制御方法は、フルブリッジＬＬＣコンバータ用いた電力変換器の制御方法である。フルブリッジＬＬＣコンバータは、直列に接続された上スイッチ素子及び下スイッチ素子をそれぞれ含む第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとを有する。フルブリッジＬＬＣコンバータは、直流電圧の正極と負極との間に、第１スイッチングレッグと第２スイッチングレッグとが接続される。フルブリッジＬＬＣコンバータは、共振インダクタ、トランスの一次巻線及び共振キャパシタを含む直列共振回路が、第１スイッチングレッグの出力点と第２スイッチングレッグの出力点との間に接続される。フルブリッジＬＬＣコンバータは、第１スイッチングレッグ及び第２スイッチングレッグのスイッチング動作によって直流電圧を出力電圧に変換する。電力変換器は、フルブリッジＬＬＣコンバータを複数備える。電力変換器は、複数の前記フルブリッジＬＬＣコンバータのトランスの二次巻線が直列に接続されている。制御部は、複数のフルブリッジＬＬＣコンバータを出力電圧指令値に応じて出力特性の異なる複数の駆動モードを切り替えて駆動する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、出力側に切替スイッチを設けることなく、運用周波数範囲で出力可能な出力電圧の範囲を広げることができる。運用周波数範囲は、共振周波数付近の狭い範囲に設定でき、変換効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
電力変換器の充電装置としての使用例を示す図である。
電力変換器の構成例を示す図である。
制御部の駆動モード例を示す図である。
ＬＬＣ回路の通常動作を示す図である。
ＬＬＣ回路のＰＤＭ動作を示す図である。
ＬＬＣ回路の常時オン動作を示す図である。
単独動作時の電力変換器を示す図である。
インピーダンスの変化を示す図である。
各駆動モードの出力特性例を示す図である。
ゲート信号生成回路の構成例を示す図である。
Ｎ段構成の電力変換器の構成例を示す図である。
ＨＶＤＣ入力対応のＬＬＣ回路の構成例を示す図である。
従来の電力変換器の構成例を示す図である。
従来の電力変換器の出力特性例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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