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絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびその制御方法

国内特許コード	P200017071
整理番号	S2019-0149-N0
掲載日	2020年7月28日
出願番号	特願2018-242621
公開番号	特開2020-108196
出願日	平成30年12月26日(2018.12.26)
公開日	令和2年7月9日(2020.7.9)
発明者	赤木泰文羽根田崚
出願人	国立大学法人東京工業大学
発明の名称	絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびその制御方法
発明の概要	【課題】直流電流成分を抑制した絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】ＤＡＢコンバータにおいて、伝送期間と非伝送期間を交互に発生させる間欠運転を実施する。非伝送期間の間、インダクタンス電流ｉ_ａｃ１を流すことにより、ゼロ電圧スイッチングＺＶＳを行う。【選択図】図４
従来技術、競合技術の概要	電気的絶縁と電圧整合手段として、小型・軽量の高周波トランス（以下、単にトランスという）を使用した絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが注目されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、２台の単相フルブリッジ回路（Ｈブリッジ回路ともいう）をトランス１０２を介して接続する回路構成に特徴があり、大電力用途に適している（非特許文献１～３）。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、その回路構成から、ＤＡＢ（Dual-Active-Bridge）コンバータとも称される。ＤＡＢコンバータは、各ブリッジ回路の対角スイッチを同時にスイッチングすることによってデューティ比５０％の方形波電圧を、トランスの１次巻線および２次巻線に発生させる。そしてブリッジ回路間の位相差を制御することによって伝送電力を調整できる。この場合、各ブリッジはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero-Voltage Switching)動作が可能になり、高効率な電力伝送が実現できる。しかし、低出力領域では、不完全ＺＶＳ動作に伴うスイッチング損失（スナバ損失）が増加し、変換効率が低下するという問題がある（非特許文献３，４）。また、ＤＡＢコンバータにパルス幅変調（PWM: Pulse-Width-Modulation）制御を組み合わせる提案もなされている（非特許文献５，６）これはブリッジ回路のレグ間に位相差を設けることで、電流実効値を低減しつつ伝送電力を調整しようとするものである。これは小容量ＤＡＢコンバータを対象にしたもので、低出力領域では不完全ＺＶＳ動作となり、損失低減よりも制御性を優先させた考え方である。低出力領域の損失低減を重視した電力調整手法として間欠運転がある。これは電力伝送非伝送期間（休止期間）を設け、伝送電力を平均的に調整しようとするもので、バーストモード（Burst Mode）とも呼ばれている（非特許文献７～１０）。ＤＡＢコンバータは、主として、トランスと、トランスの１次巻線と接続される第１フルフルブリッジ回路、２次巻線と接続される第２フルブリッジ回路を備える。図１は、従来の間欠運転を説明する波形図である。ｖ_ａｃ１，ｖ_ａｃ２は、ＤＡＢコンバータのトランスの１次側、２次側の電圧波形（フルブリッジ回路の出力電圧）を表す。間欠運転では、第１フルブリッジ回路、第２フルブリッジ回路をスイッチングする伝送期間と、それらのスイッチングを停止する非伝送期間を交互に繰り返す。伝送期間と非伝送期間の長さは、パラメータｍ，ｎを用いて以下のように規定される。伝送期間 δ＋２πｍ非伝送期間２πｎ運転周期は、伝送期間と非伝送期間の合計であるから、２π（ｍ＋ｎ）＋δとなる。パラメータｍは、任意の実数を選ぶことができるが、トランスの磁気飽和を防ぐため０．５の自然数倍（ｍ＝０．５，１．０，１．５…）が選択される。ｍが非整数の場合（ｍ＝０．５，１．５，２．５，…）、伝送期間の波形は、半波で区切られることとなる。たとえばｍ＝０．５とすれば、ある伝送期間において、正の半波が、次の伝送期間において負の半波が発生する。間欠運転では、パラメータｎを変化させることにより伝送電力を調整することができ、出力電力は式（１）で与えられる。【数１】（省略）Ｖ_Ｄ１…第１フルブリッジ回路の直流電圧Ｖ_Ｄ２…第２フルブリッジ回路の直流電圧ｆ…スイッチング周波数Ｌ…１次側換算のインダクタンスとトランスの漏れインダクタンスの合成インダクタンスＮ…トランスの巻線比Ｐ_ｃｏｎは、電力フローの方向と大きさを表しており、１次側と２次側のフルブリッジ回路の位相差δをパラメータとして式（２）で与えられる。【数２】（省略）
産業上の利用分野	本発明は、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
特許請求の範囲	【請求項1】トランスと、前記トランスの１次巻線と接続される第１フルブリッジ回路と、前記トランスの２次巻線と接続される第２フルブリッジ回路と、前記第１フルブリッジ回路および前記第２フルブリッジ回路を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、伝送期間と非伝送期間を交互に発生させる間欠運転を実施し、前記非伝送期間の間、インダクタンス電流を流すことにより、ゼロ電圧スイッチングを行うことを特徴とする絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【請求項2】前記非伝送期間の間、前記第１、第２フルブリッジ回路それぞれにおいて、上アームのスイッチのペアおよび下アームのスイッチのペアの一方が導通することを特徴とする請求項１に記載の絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【請求項3】前記伝送期間は、前記第１、第２フルブリッジ回路それぞれの第１の対角に位置するスイッチのペアが導通する状態、前記第１、第２フルブリッジ回路それぞれの第２の対角に位置するスイッチのペアが導通する状態、前記第１、第２フルブリッジ回路それぞれの第１の対角に位置するスイッチのペアが導通する状態、を、少なくとも１回含むことを特徴とする請求項１または２に記載の絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【請求項4】トランスと、前記トランスの１次巻線と接続される第１フルブリッジ回路と、前記トランスの２次巻線と接続される第２フルブリッジ回路と、前記第１フルブリッジ回路および前記第２フルブリッジ回路を制御するコントローラと、を備え、前記第１フルブリッジ回路と前記第２フルブリッジ回路はそれぞれ、上アームの第１スイッチおよび下アームの第２スイッチを含む第１レグと、上アームの第３スイッチおよび下アームの第４スイッチを含む第２レグと、を含み、前記第１スイッチ、前記第４スイッチがオンである状態を第１状態、前記第２スイッチ、前記第３スイッチがオンである状態を第２状態、前記第１スイッチ、前記第３スイッチがオンである状態を第３状態、前記第２スイッチ、前記第４スイッチがオンである状態を第４状態、とするとき、前記コントローラは、前記第２状態、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態、前記第２状態、前記第１状態、前記第２状態、前記第４状態を、順に繰り返すことを特徴とする絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【請求項5】絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法であって、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと、前記トランスの１次巻線と接続される第１フルブリッジ回路と、前記トランスの２次巻線と接続される第２フルブリッジ回路と、を備え、前記制御方法は、伝送期間と非伝送期間を交互に発生させる間欠運転を実施するステップと、前記非伝送期間の間、インダクタンス電流を流すことにより、ゼロ電圧スイッチングを行うステップと、を備えることを特徴とする制御方法。【請求項6】絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法であって、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと、前記トランスの１次巻線と接続される第１フルブリッジ回路と、前記トランスの２次巻線と接続される第２フルブリッジ回路と、前記第１フルブリッジ回路および前記第２フルブリッジ回路を制御するコントローラと、を備え、前記第１フルブリッジ回路と前記第２フルブリッジ回路はそれぞれ、上アームの第１スイッチおよび下アームの第２スイッチを含む第１レグと、上アームの第３スイッチおよび下アームの第４スイッチを含む第２レグと、を含み、前記第１スイッチ、前記第４スイッチがオンである状態を第１状態、前記第２スイッチ、前記第３スイッチがオンである状態を第２状態、前記第１スイッチ、前記第３スイッチがオンである状態を第３状態、前記第２スイッチ、前記第４スイッチがオンである状態を第４状態、とするとき、前記制御方法は、前記第２状態、前記第１状態、前記第２状態、前記第３状態、前記第２状態、前記第１状態、前記第２状態、前記第４状態を、順に繰り返すことを特徴とする制御方法。
国際特許分類(IPC)	H02M 3/28 一旦交流を発生するために制御電極をもつ放電管または制御電極をもつ半導体装置を用いるもの
Fターム	5H730AA14 変換効率向上，損失低減 5H730AS08 相互（可逆）変換電源 5H730BB27 フルブリッジ 5H730DD04 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ） 5H730DD41 スナバ回路を有するもの 5H730EE04 ブリッジ整流回路 5H730EE13 出力制御されないもの（同期整流等）
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出願権利状態	公開