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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 NEW

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 NEW
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iac1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。vac1,vac2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)
D1…第1フルブリッジ回路の直流電圧
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

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)
Fターム
画像

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JP2018242621thum.jpg
出願権利状態 公開
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