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公開番号2025177400
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-05
出願番号2024084203
出願日2024-05-23
発明の名称DC-DCコンバータ、および、その制御方法
出願人日新電機株式会社
代理人弁理士法人 HARAKENZO WORLD PATENT & TRADEMARK
主分類H02M 3/28 20060101AFI20251128BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】過大な電流の発生の可能性を低減する。
【解決手段】DC-DCコンバータ(1)の制御部(制御装置40)は、ブリッジ回路(12、14)において、少なくとも1つのレグ(21～24)でZCSが実現できる最大の値である第1制限値と、変圧器(Tr)のコアにおける磁束密度が所定の大きさ以下となる最大の値である第2制限値とのうちの小さい方の値以下にレグ間位相差を定めて、さらにレグを交互に入れ替えるようにスイッチング制御を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
複数の１次側スイッチング素子を含み、第１レグと第２レグとを有した１次側ブリッジ回路と、
複数の２次側スイッチング素子を含み、第３レグと第４レグとを有した２次側ブリッジ回路と、
変圧器を有し、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、
前記１次側スイッチング素子および前記２次側スイッチング素子を制御する制御部と、を備えたＤＣ－ＤＣコンバータであって、
前記制御部は、
前記第１レグを第１仮想レグ、前記第２レグを第２仮想レグ、前記第３レグを第３仮想レグ、前記第４レグを第４仮想レグと見なす第１動作と、
前記第２レグを第１仮想レグ、前記第１レグを第２仮想レグ、前記第４レグを第３仮想レグ、前記第３レグを第４仮想レグと見なす第２動作とを、交互に実行するとともに、
前記第１動作および前記第２動作を通じて、前記第１仮想レグ、第２仮想レグ、第３仮想レグおよび第４仮想レグにおいて、各スイッチング素子が半周期毎にスイッチングが行われるようにし、
前記第１仮想レグと前記第２仮想レグとの間には第１レグ間位相差を設け、
前記第３仮想レグと前記第４仮想レグとの間には第２レグ間位相差を設け、
前記第１レグ間位相差と前記第２レグ間位相差の比を、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの１次側の入出力電圧と２次側の入出力電圧の比に応じた値に定め、
さらに、前記第１レグ間位相差および第２レグ間位相差のうちの小さくない方の値を、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路のそれぞれにおいて、少なくとも１つのレグでゼロカレントスイッチングが実現できる最大の値である第１制限値と、前記変圧器のコアにおける磁束密度が所定の大きさ以下となる最大の値である第２制限値とのうちの小さい方の値以下に定めて、
各前記１次側スイッチング素子および各前記２次側スイッチング素子のスイッチングを制御する、ＤＣ－ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記変圧器についての換算電圧として表した、前記１次側の入出力電圧と前記２次側の入出力電圧のうちの大きくない方の電圧を第１電圧Ｖ
ｓｍａｌｌ
、もう一方の電圧を第２電圧Ｖ
ｌａｒｇｅ
としたとき、前記第１レグ間位相差と前記第２レグ間位相差のうちの、入出力電圧が前記第１電圧Ｖ
ｓｍａｌｌ
の側のレグ間位相差Φ
ｌａｒｇｅ
と、入出力電圧が前記第２電圧Ｖ
ｌａｒｇｅ
の側のレグ間位相差Φ
ｓｍａｌｌ
との比が、
Φ
ｓｍａｌｌ
／Φ
ｌａｒｇｅ
＝Ｖ
ｓｍａｌｌ
／Ｖ
ｌａｒｇｅ
で与えられる、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第１動作と前記第２動作とを１周期毎に切り替える、請求項２に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記第２制限値は、前記換算電圧として表した前記変圧器の定格電圧Ｖ
０
から、スイッチング周波数をｆとし、
Φ
ｌａｒｇｅ３
＝Ｖｏ／（４・ｆ・Ｖ
ｓｍａｌｌ
）
として与えられる、請求項３に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記第１制限値は、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との間の位相差であるブリッジ間位相差Φ
Ｂ
から、
Φ
ｌａｒｇｅ１
＝（π－｜Φ
Ｂ
｜）×Ｖ
ｌａｒｇｅ
／Ｖ
ｓｍａｌｌ
Φ
ｌａｒｇｅ２
＝｜Φ
Ｂ
｜×Ｖ
ｌａｒｇｅ
／（Ｖ
ｌａｒｇｅ
－Ｖ
ｓｍａｌｌ
）
のうちの、小さい方の値として与えられる、請求項２から４のいずれか１項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
【請求項６】
複数の１次側スイッチング素子を含み、第１レグと第２レグとを有した１次側ブリッジ回路と、
複数の２次側スイッチング素子を含み、第３レグと第４レグとを有した２次側ブリッジ回路と、
変圧器を有し、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、
を備えたＤＣ－ＤＣコンバータの制御方法であって、
前記第１レグを第１仮想レグ、前記第２レグを第２仮想レグ、前記第３レグを第３仮想レグ、前記第４レグを第４仮想レグと見なす第１動作と、
前記第２レグを第１仮想レグ、前記第１レグを第２仮想レグ、前記第４レグを第３仮想レグ、前記第３レグを第４仮想レグと見なす第２動作とを、交互に実行するとともに、
前記第１動作および前記第２動作を通じて、前記第１仮想レグ、第２仮想レグ、第３仮想レグおよび第４仮想レグにおいて、各スイッチング素子が半周期毎にスイッチングが行われるようにし、
前記第１仮想レグと前記第２仮想レグとの間には第１レグ間位相差を設け、
前記第３仮想レグと前記第４仮想レグとの間には第２レグ間位相差を設け、
前記第１レグ間位相差と前記第２レグ間位相差の比を、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの１次側の入出力電圧と２次側の入出力電圧の比に応じた値に定め、
さらに、前記第１レグ間位相差および第２レグ間位相差のうちの小さくない方の値を、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路のそれぞれにおいて、少なくとも１つのレグでゼロカレントスイッチングが実現できる最大の値である第１制限値と、前記変圧器のコアにおける磁束密度が所定の大きさ以下となる最大の値である第２制限値とのうちの小さい方の値以下に定めて、
各前記１次側スイッチング素子および各前記２次側スイッチング素子のスイッチングを制御する、ＤＣ－ＤＣコンバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明はＤＣ－ＤＣコンバータ、および、その制御方法に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
双方向に直流電力の移送が可能なデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）方式のＤＣ－ＤＣコンバータにおいて、所要のレグでのスイッチング損失が抑制できることで、ＤＣ－ＤＣコンバータ全体の損失が低減できる技術が本出願人によって提案された。また、スイッチング損失が抑制されるレグを、スイッチング周期毎に入れ替えることで、各レグの損失を平均化させることができる技術が本出願人によって提案された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第７３１５８８６号公報
特開２０２３－１６６９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような各レグの損失を平均化させることができる技術において、さらなる利点を備えたＤＣ－ＤＣコンバータを実現することが望まれる。この点に鑑みて、本開示の一態様は、各レグの損失を平均化させることができるＤＣ－ＤＣコンバータであって、磁気飽和による過大な電流の発生の可能性を低減できるＤＣ－ＤＣコンバータを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様は、複数の１次側スイッチング素子を含み、第１レグと第２レグとを有した１次側ブリッジ回路と、複数の２次側スイッチング素子を含み、第３レグと第４レグとを有した２次側ブリッジ回路と、変圧器を有し、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、前記１次側スイッチング素子および前記２次側スイッチング素子を制御する制御部と、を備えたＤＣ－ＤＣコンバータであって、前記制御部は、前記第１レグを第１仮想レグ、前記第２レグを第２仮想レグ、前記第３レグを第３仮想レグ、前記第４レグを第４仮想レグと見なす第１動作と、前記第２レグを第１仮想レグ、前記第１レグを第２仮想レグ、前記第４レグを第３仮想レグ、前記第３レグを第４仮想レグと見なす第２動作とを、交互に実行するとともに、前記第１動作および前記第２動作を通じて、前記第１仮想レグ、第２仮想レグ、第３仮想レグおよび第４仮想レグにおいて、各スイッチング素子が半周期毎にスイッチングが行われるようにし、前記第１仮想レグと前記第２仮想レグとの間には第１レグ間位相差を設け、前記第３仮想レグと前記第４仮想レグとの間には第２レグ間位相差を設け、前記第１レグ間位相差と前記第２レグ間位相差の比を、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの１次側の入出力電圧と２次側の入出力電圧の比に応じた値に定め、さらに、前記第１レグ間位相差および第２レグ間位相差のうちの小さくない方の値を、前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路のそれぞれにおいて、少なくとも１つのレグでゼロカレントスイッチングが実現できる最大の値である第１制限値と、前記変圧器のコアにおける磁束密度が所定の大きさ以下となる最大の値である第２制限値とのうちの小さい方の値以下に定めて、前記１次側スイッチング素子および各前記２次側スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本開示の一態様によれば、各レグの損失を平均化させることができ、かつ、磁気飽和による過大な電流の発生の可能性を低減できるＤＣ－ＤＣコンバータが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示の実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
本開示の実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータで行われるスイッチング制御の、ベースとなる制御方法を説明するための、各部の電圧および電流を示す波形図である。
上記ＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成に、ベースとなる制御方法が適用された場合の、変圧器磁束密度を示すための波形図である。
上記ＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成に、ベースとなる制御方法に加えて、各レグの損失を平均化させる手法を取り入れた制御方法が適用された場合の、変圧器磁束密度を示すための波形図である。
本開示の実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータおよび比較例のＤＣ－ＤＣコンバータの、低出力時の動作を示す波形図である。
本開示の実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータの、高出力時の動作を示す波形図である。
比較例のＤＣ－ＤＣコンバータの、高出力時の動作を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔実施形態〕
以下、本開示の一側面に係る実施形態が、図面に基づいて説明される。なお以下の説明において、「端子」とは電気回路内部における特定の回路要素の接続点程度の意味合いでも用いられており、必ずしもコネクタのような外部接続用端子が設けられていることのみを意味するものではない。
【０００９】
＜ＤＣ－ＤＣコンバータ１の構成概要＞
図１は、実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータ１の回路図である。ＤＣ－ＤＣコンバータ１は、第１端子対と第２端子対との間で、双方向の電力移送を可能とするデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）方式の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータである。
【００１０】
第１端子対は、高電位側の端子ｐ１と低電位側の端子ｑ１とから構成されている。第２端子対は、高電位側の端子ｐ２と低電位側の端子ｑ２とから構成されている。なお以下において、第１端子対側を１次側、第２端子対側を２次側と称することがあるが、これは、１次側から２次側に電力が移送されることを必ずしも意味するものではなく、便宜上の呼称である。
（【００１１】以降は省略されています）

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