JP2017070083A - 共振型双方向ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 幅広い入出力条件において電力変換し、確実にスイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を実現できる双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【解決手段】 第１電圧と第２電圧の電圧差が大きい場合は、第１トランスの一次巻線と第２トランスの一次巻線とが直列に接続される直列モードで動作させ、第１電圧と第２電圧の電圧差が小さい場合は、第１トランスの一次巻線と第２トランスの一次巻線とが並列に接続される並列モードで動作させることで、広い入力電圧範囲に対して、双方向に電圧変換を行うことができる。さらに、第１電圧または第２電圧に基づいてリアクトルに流れる電流の向きを反転させ大きさを調整することで、それぞれのスイッチに並列に接続したコンデンサを充電または放電させることで、複数のスイッチを使用するにもかかわらず、それぞれのスイッチのＺＶＳを実現できる。【選択図】図１

Description

本発明は、共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、特に広い入力範囲で動作する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

従来から、共振型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは低損失且つ低ノイズであることから広く使われている。一方、太陽電池等が発電するエネルギーを利用するパワーコンディショナ等は、広い入力範囲で動作するＤＣ／ＤＣコンバータを必要とする。

広い入力範囲で動作するＤＣ／ＤＣコンバータとして、特許文献１には、二つのトランスの二次側電圧を直列及び並列に接続するモードを有し、各スイッチ素子のオンオフ比を制御することにより直列モード又は並列モードで動作させ、出力電圧制御を行う直流電源装置が記載されている。広範囲の出力電圧の調整に対して、トランスの利用効率を高め、出力電圧のリップル分の発生要因を低減し、トランスや平滑フィルタの小型化、スイッチ素子の定電力出力時の損失を低減することができる。

また、特許文献２は、ハーフブリッジ回路からなる第１回路とフルブリッジ回路から成る第２回路を備え、第２回路から第１回路への電力変換を行う場合に、第２回路を、負荷電圧が高いときは倍電圧整流回路として動作させ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として動作させる双方向コンバータが記載されている。

特許文献３は、ＤＡＢ（Dual Actuive Bridge）回路が記載されている。二次側の各スイッチ位相シフトすることでゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）した電力変換を行うことができる。

特開２００３−１６９４７３号公報 特開２０１３−２３００６７号公報 ＵＳ５０２７２６４号公報

しかしながら、特許文献１のＤＣ／ＤＣコンバータでは、双方向変換することはできず、ＺＶＳを行うこともできなかった。

また、特許文献２では、第１回路から第２回路への電力変換では、倍電圧整流のみを行うので、倍電圧整流用のコンデンサを使用する。しかし、このコンデンサには大電流が流れるので、特殊なコンデンサを使用しなければならなかった。

また、電圧型コンバータと電流型コンバータを組み合わせた双方向コンバータであることから、降圧変換と昇圧変換はできるが、昇降圧変換はできない。
特許文献３は、双方向の電力変換をＺＶＳで行うことができるが、入力電圧の変動範囲を広くすることが困難であり、また、軽負荷時にはＺＶＳできないことがあった。

本発明の課題は、複数のスイッチを使用して動作モードを切り替え、広い入出力条件でＺＶＳを実現する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１電圧を第２電圧に変換または第２電圧を第１電圧に変換する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、還流素子と容量素子が並列に接続された第１スイッチ及び第２スイッチを直列に接続した第１アームと、還流素子と容量素子が並列に接続された第３スイッチ及び第４スイッチを直列に接続した第２アームと、還流素子と容量素子が並列に接続された第５スイッチ及び第６スイッチを直列に接続した第３アームとが並列に第１電圧に接続された第１変換部と、第１スイッチ及び第２スイッチの接続点と、第３スイッチ及び第４スイッチの接続点との間に第１リアクトルを介して接続される一次巻線と二次巻線を備えた第１トランスと、第３スイッチ及び第４スイッチの接続点と、第５スイッチ及び第６スイッチの接続点との間に第２リアクトルを介して接続される一次巻線と二次巻線を備えた第２トランスと、還流素子と容量素子が並列に接続された４つのスイッチから成り前記第１トランスの二次巻線と前記第２電圧とに接続される第１ブリッジ回路と、還流素子と容量素子が並列に接続された４つのスイッチから成り前記第２トランスの二次巻線と前記第２電圧に接続される第２ブリッジ回路とから成る第２変換部と、前記第１変換部及び前記第２変換部が備えるそれぞれのスイッチをオンオフする制御回路を備え、制御回路は、第１電圧又は第２電圧に応じて、前記第１トランスの一次巻線と前記第２トランスの一次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように前記第１変換部が備えるそれぞれのスイッチをオンオフさせ、前記第１変換部及び第２変換部が備えるそれぞれのスイッチがオンオフする際に、前記第１電圧または前記第２電圧で前記第１リアクトル及び前記第２リアクトルに流れる電流の方向及び大きさを制御しそれぞれのスイッチがオンオフするときの共振エネルギを調整することを特徴とする。

本発明によれば、第１電圧と第２電圧の電圧差が大きい場合は、第１トランスの一次巻線と第２トランスの一次巻線とが直列に接続される直列モードで動作させ、第１電圧と第２電圧の電圧差が小さい場合は、第１トランスの一次巻線と第２トランスの一次巻線とが並列に接続される並列モードで動作させるので、広い入力電圧範囲で双方向に電圧変換を行うことができる。さらに、第１電圧または第２電圧に基づいてリアクトルに流れる電流の向きを反転させ大きさを調整するので、それぞれのスイッチに並列に接続したコンデンサを充電または放電させ、複数のスイッチを使用するにもかかわらず、それぞれのスイッチのＺＶＳを実現する。

本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作を説明する図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、直列モード時の動作を説明する図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード１での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード２での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード３での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード４での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード５での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード６での動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧変換、並列モード時の動作モード７での動作遷移図である。

以下、本発明の実施の形態に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチのオンオフにより降圧変換及び昇圧変換の双方向の電圧変換を行い、また、リアクトルＬ１又はリアクトルＬ２の印加電圧を可変させて、各スイッチのゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を実現する。さらに、直流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２との電圧変換比率が大きい場合はトランスＴ１とトランスＴ２の一次巻線が直列に接続される直列モードで動作させ、電圧変換比率が小さい場合は２つのトランスの一次巻線が並列に接続される並列モードで動作させる。

以下、実施例１に係る双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を説明する。
双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電圧Ｖ１、直流電圧Ｖ２、第１変換回路１、第２変換回路２、リアクトルＬ１、リアクトルＬ２、トランスＴ１、トランスＴ２を有している。トランスＴ１は、一次巻線Ｐ１と、一次巻線Ｐ１に電磁結合する二次巻線Ｓ１とを有し、トランスＴ２は、一次巻線Ｐ２と、一次巻線Ｐ２に電磁結合する二次巻線Ｓ２とを有している。なお、各トランスの巻線に付したドットマークは巻線の巻初めを示す。つまり、各一次巻線は、一次巻線Ｐ１の巻終わりと一次巻線Ｐ２の巻終わりが接続されるように直列に接続される。

第１変換回路１は、ダイオード（還流素子）Ｄ１及びコンデンサ（容量素子）Ｃ１を並列に接続したスイッチＱ１とダイオードＤ２及びコンデンサＣ２を並列に接続したスイッチＱ２とを直列に接続した第１アームと、ダイオードＤ３及びコンデンサＣ３を並列に接続したスイッチＱ３とダイオードＤ４及びコンデンサＣ４を並列に接続したスイッチＱ４とを直列に接続した第２アームと、ダイオードＤ５及びコンデンサＣ５を並列に接続したスイッチＱ５とダイオードＤ６及びコンデンサＣ６を並列に接続したスイッチＱ６とを直列に接続した第３アームとが直流電圧Ｖ１に並列に接続される。

第２変換回路２は、ダイオードＤ７及びコンデンサＣ７を並列に接続したスイッチＱ７とダイオードＤ８及びコンデンサＣ８を並列に接続したスイッチＱ８とを直列に接続した第４アームと、ダイオードＤ９及びコンデンサＣ９を並列に接続したスイッチＱ９とダイオードＤ１０及びコンデンサＣ１０を並列に接続したスイッチＱ１０とを直列に接続した第５アームと、ダイオードＤ１１及びコンデンサＣ１１を並列に接続したスイッチＱ１１とダイオードＤ１２及びコンデンサＣ１２を並列に接続したスイッチＱ１２とを直列に接続した第６アームと、ダイオードＤ１３及びコンデンサＣ１３を並列に接続したスイッチＱ１３とダイオードＤ１４及びコンデンサＣ１４を並列に接続したスイッチＱ１４とを直列に接続した第７アームからなり、それぞれのアームが直流電圧Ｖ２の両端に接続されている。

リアクトルＬ１は、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１の一端と、スイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点との間に接続される。なお、リアクトルＬ１は、一次巻線Ｐ１側に設ける代わりに、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１の一端と、スイッチＱ７とスイッチＱ８との接続点との間に接続しても良い。また、両方にあっても良い。

リアクトルＬ２は、トランスＴ２の一次巻線Ｐ２の一端と、スイッチＱ５とスイッチＱ６との接続点との間に接続される。なお、リアクトルＬ２は、一次巻線Ｐ２側に設ける代わりに、第２トランスＴ２の二次巻線Ｓ２の一端と、スイッチＱ１３とスイッチＱ１４との接続点との間に接続しても良い。また、両方にあっても良い。

トランスＴ１は、一次巻線Ｐ１の一端がリアクトルＬ１を介して第１変換回路１のスイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点に接続され、一次巻線Ｐ１の他端が第１変換回路１のスイッチＱ３とスイッチＱ４との接続点に接続されている。トランスＴ１の二次巻線Ｓ１の一端は、第２変換回路２のスイッチＱ７とスイッチＱ８との接続点に接続され、二次巻線Ｓの他端は、第２変換回路２のスイッチＱ９とスイッチＱ１０との接続点に接続されている。

トランスＴ２は、一次巻線Ｐ２の一端がリアクトルＬ２を介して第１変換回路１のスイッチＱ５とスイッチＱ６との接続点に接続され、一次巻線Ｐ２の他端が第１変換回路１のスイッチＱ３とスイッチＱ４との接続点に接続されている。第２トランスＴ２の二次巻線Ｓ２の一端は、第２変換回路２のスイッチＱ１１とスイッチＱ１２との接続点に接続され、二次巻線Ｓの他端は、第２変換回路２のスイッチＱ１３とスイッチＱ１４との接続点に接続されている。
なお、スイッチＱ１〜Ｑ１４は、ＭＯＳＦＥＴからなる。ダイオードＤ１〜Ｄ１４は、スイッチＱ１〜Ｑ１４の寄生ダイオードであってもよい。コンデンサＣ１〜Ｃ１４は、スイッチＱ１〜Ｑ１４の寄生容量であってもよい。また、スイッチＱ１〜Ｑ１４はＩＧＢＴであっても良い。

制御回路４は、各スイッチＱ１〜Ｑ１４のゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ１４により、第１変換回路１及び第２変換回路２の各々について、各変換回路に配置されるそれぞれのスイッチをオンオフさせて直流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２との双方向電圧変換を行う。

制御回路４は、端子Ｖｉｎで直流電圧Ｖ１の電圧を検出し、端子Ｖｏで直流電圧Ｖ２の電圧を検出する。そして、直流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２の電圧差が所定の電圧差より大きい場合は、第１変換回路１と第２変換回路２を直列モードで動作させ、所定の電圧差内であれば、第１変換回路１と第２変換回路２を並列モードで動作させる。図１のような共振型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスを介してエネルギーを伝達する伝達動作モードと、スイッチがオンオフ動作を反転させる遷移動作モードがある。直列モード及び並列モードは伝達動作モードでの動作である。

［並列モード］
図２を用いて降圧変換における並列モードの動作を説明する。なお、図２は図面の煩雑化を避けるため、制御回路４及び各スイッチに並列に接続されるダイオード、コンデンサの図示を省略しているが図１と同じである。制御回路４は、直流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２の電圧差が所定の範囲内であると、第１変換回路及び並列モードで動作させる。並列モードでは、トランスを介してエネルギーを伝達する期間において、図２の破線円で囲ったスイッチと破線円で囲っていないスイッチを交互にオンまたはオフされる。なお、ＺＶＳを実現するため、スイッチがオンからオフ又はオフからオンに切換わるタイミングは同時に行われない。ＺＶＳの動作については詳細は後述する。つまり、並列モードでは伝達動作モードにおいて、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオンされ、他のスイッチはオフされる第１動作と、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンされ、他のスイッチはオフされる第２動作でそれぞれのスイッチを駆動し、第１動作と第２動作を交互に繰り返す。このように動作させると、図２の一点鎖線で囲ったスイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０及びトランスＴ１及びリアクトルＬ１でＤＣ／ＤＣコンバータＡが構成され、破線で囲ったスイッチＱ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４及びトランスＴ２及びリアクトルＬ２でＤＣ／ＤＣコンバータＢが構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータＡとＤＣ／ＤＣコンバータＢとが並列に動作する。

［直列モード］
次に図３を基に直列モードについて説明する。なお、図３も図２と同様に、制御回路４及び各スイッチに並列に接続されるダイオード及びコンデンサの図示を省略している。制御回路４は、直流電圧Ｖ１と直流電圧Ｖ２の電圧差が所定の範囲を超えると、第１変換回路及び第２変換回路を直列モードで動作させる。第１変換回路又は第２変換回路が電圧変換の限界になった時を検出して切り替えても良い。例えば、並列モードで直流電圧Ｖ１を直流電圧Ｖ２に変換する場合、直流電圧Ｖ１が高くなり直流電圧Ｖ２に変換することが困難になると、これを検出して、直列モードに切り替える。直列モードでは、トランスを介してエネルギーを伝達する期間において、図３の破線円で囲ったスイッチと、スイッチＱ３及びスイッチＱ４を除く破線円で囲っていないスイッチとを交互にオンオフする。なお、スイッチがオンからオフ又はオフからオンに切換わるタイミングは同時に行われないのは並列モードと同様である。つまり、直列モードでは伝達動作モードにおいて、スイッチＱ１，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１３、がオンされ、他のスイッチはオフされる第１動作と、スイッチＱ２，Ｑ５，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１４がオンされ他のスイッチはオフされる第２動作でそれぞれのスイッチを駆動し、第１動作と第２動作を交互に繰り返す。このように動作させると、図３の一点鎖線で囲ったスイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４及びトランスＴ１，Ｔ２及びリアクトルＬ１，Ｌ２でＤＣ／ＤＣコンバータＣが構成され、トランスＴ１の一次巻線Ｐ１とトランスＴ２の一次巻線Ｐ２とが直列に接続されて動作し、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２が並列に接続されて動作する。

［ＺＶＳ動作］
本発明の実施例１では、直列モードと並列モードを切り替えるので広い入出力条件に対して動作可能であるが、多くのスイッチを使用する。一般にブリッジ型の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータはリアクトルの励磁エネルギーを利用し、スイッチに並列に接続されたコンデンサを充放電することでＺＶＳを実現する。しかし、この方法は、軽負荷になると励磁電流が減少するので、コンデンサの充放電が十分に行われずＺＶＳできないことがある。本発明では、各スイッチのオンオフに際に、リアクトルに流れる電流を第１電圧又は第２電圧を用いて励磁し、励磁期間を調整することで必要とする励磁電流を流し、その電流に基づいてそれぞれのスイッチのＺＶＳを実現する。以下、降圧変換の並列モードを例に、スイッチのオンオフが切り替わる遷移動作モードにおけるＺＶＳについて説明する。

先ず、降圧変換の並列モードにける遷移動作モードでは以下のように動作する。
制御回路４は、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５をオンさせた第１モードからスイッチＱ４をオフさせた第２モードに遷移させた後、スイッチＱ３をオンさせ、直流電圧Ｖ２により励磁される第１期間にリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流の向きが反転すると、第２変換回路２のオンオフが反転する各スイッチＱ７〜Ｑ１４に接続されたコンデンサＣ７〜Ｃ１４を、直流電圧Ｖ２に起因する電流又は直流電圧Ｖ２がリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２を励磁する励磁電流に基づいて充放電する。

制御回路４は、スイッチＱ２及びスイッチＱ３及びスイッチＱ６をオンさせた第１モードからスイッチＱ２及びスイッチＱ６をオフさせた第２モードに遷移させた後、スイッチＱ１及びスイッチＱ５をオンさせ、直流電圧Ｖ２により励磁される第１期間にリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流の向きが反転すると、第２変換回路２のオンオフが反転する各スイッチＱ７〜Ｑ１４に接続されたコンデンサＣ７〜Ｃ１４を、直流電圧Ｖ２に起因する電流又は直流電圧Ｖ２がリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２を励磁する励磁電流に基づいて充放電する。

制御回路４は、第２変換回路２の各スイッチＱ７〜Ｑ１４のオンオフを反転させ、直流電圧Ｖ２によりリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２が逆方向に励磁される第２期間にリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流が再度反転すると、第１変換回路１のオンオフが反転する各スイッチＱ１〜Ｑ６に接続されたコンデンサＣ１〜Ｃ６を、直流電圧Ｖ２に起因する電流又は直流電圧Ｖ２がリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２を励磁する励磁電流に基づいて充放電する。

第１期間は、スイッチＱ９，Ｑ１０，Ｑ１３，Ｑ１４の共振動作が完了するまでの期間であり、第２期間は、第１期間が終了した時からオンしていたスイッチＱ７，Ｑ１１をオフするまでの期間である。制御回路４は、第１期間又は第２期間を調整し、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流を調整する。なお、スイッチＱ９，Ｑ１０，Ｑ１３，Ｑ１４の共振動作が完了すると直ちにスイッチＱ１０，Ｑ１４をオフするので、第１期間はオンしていたスイッチＱ１０，Ｑ１４をオフするまでの期間と実質的に同じである。

また、第１期間は、スイッチＱ７，Ｑ８，Ｑ１１，Ｑ１２の共振が完了するまでの期間であり、第２期間は、第１期間が終了してからオンしていたスイッチＱ９，Ｑ１３をオフするまでの期間であってもよい。なお、スイッチＱ７，Ｑ８，Ｑ１１，Ｑ１２の共振動作が完了すると直ちにスイッチＱ８，Ｑ１２をオフするので、第１期間はオンしていたスイッチスイッチＱ８，Ｑ１２をオフするまでの期間と実質的に同じである。

次にこのように構成された実施例１の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの降圧時のＺＶＳ動作を図４乃至図１０を参照しながら説明する。まず、図４に示す動作モード１では、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオフする。このとき、Ｖ１→Ｑ１→Ｌ１→Ｐ１→Ｑ４→Ｖ１の経路で電流Ｉａ１が流れる。リアクトルＬ１には直流電圧Ｖ１と、直流電圧Ｖ２の巻数比倍の電圧が印加されるため、リアクトルＬ１に流れる電流Ｉａ１が線形的に増加する。同時に、Ｖ１→Ｑ５→Ｌ２→Ｐ２→Ｑ４→Ｖ１の経路で電流Ｉｂ１が流れる。リアクトルＬ２には直流電圧Ｖ１と、直流電圧Ｖ２の巻数比倍の電圧が印加されるため、リアクトルＬ２に流れる電流Ｉｂ１が線形的に増加する。

また、トランスＴ１の二次側では、Ｓ１→Ｑ７→Ｖ２→Ｑ１０→Ｓ１の経路で電流Ｉａ２が流れる。このとき、二次巻線Ｓ１に発生した電圧がブリッジ整流されて直流電圧Ｖ２が出力される。同時に、トランスＴ２の二次側では、Ｓ２→Ｑ１１→Ｖ２→Ｑ１４→Ｓ２の経路で電流Ｉａ２が流れる。このとき、二次巻線Ｓ２に発生した電圧がブリッジ整流されて直流電圧Ｖ２が出力される。

次に、スイッチＱ４がオフし、図５に示す動作モード２になる。つまり、スイッチＱ１，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオフする。スイッチＱ４がオフする際は、コンデンサＣ４はリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２を介して充電されるのでスイッチＱ４はＺＶＳとなる。スイッチＱ４がオフすると、直流電圧Ｖ１はリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に印加されず、直流電圧Ｖ２の巻数比倍の電圧のみが印加される。このため、Ｐ１→Ｄ３→Ｑ１→Ｌ１→Ｐ１の経路で電流Ｉａ１が流れ、また、Ｐ２→Ｄ３→Ｑ５→Ｌ２→Ｐ２の経路で電流Ｉｂ１が流れ、電流Ｉａ１及び電流Ｉｂ１は線形的に減少する。

次に、スイッチＱ３をオンすると図６に示す動作モード３となる。スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオンし、スイッチＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８、Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオフする。このとき、Ｐ１→Ｑ３→Ｑ１→Ｌ１→Ｐ１の経路で電流Ｉａ１が流れ、Ｐ２→Ｑ３→Ｑ５→Ｌ２→Ｐ２の経路で電流Ｉｂ１が流れる。スイッチＱ３のダイオードＤ３がオンした後に、スイッチＱ３をオンさせることで、スイッチＱ３をＺＶＳとなる。引き続きリアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流は、線形的に減少する。トランスＴ１の二次側に流れる電流も、一次側に相似して減少する。さらに、二次側のスイッチＱ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオンし続け、一次側のスイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５がオンし続ける。すると二次側の電流は反転し、Ｖ２→Ｑ７→Ｓ１→Ｑ１０→Ｖ２及びＶ２→Ｑ１１→Ｓ２→Ｑ１４→Ｖ２の経路で電流が流れる。このため、直流電圧Ｖ２から二次巻線Ｓ１を介して一次巻線Ｐ１に発生した電圧によってリアクトルＬ１に流れる電流が反転し、直流電圧Ｖ２から二次巻線Ｓ２を介して一次巻線Ｐ２に発生した電圧によってリアクトルＬ２に流れる電流が反転する。このため、Ｐ１→Ｌ１→Ｑ１→Ｑ３→Ｐ１の経路で電流Ｉａ１が流れ、Ｐ２→Ｌ２→Ｑ５→Ｑ３→Ｐ２の経路で電流Ｉｂ１が流れる。スイッチＱ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４のオンが継続するほど、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２に流れる電流が大きくなり、後のスイッチＱ７，Ｑ８，Ｑ１１，Ｑ１２のＺＶＳに寄与する。

次に、リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流が、次にオンオフするスイッチのＺＶＳが可能となる電流になると、スイッチＱ１０，Ｑ１４をオフし図７の動作モード４となる。スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１１がオンし、スイッチＱ２，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４がオフする。スイッチＱ１０のオフにより、コンデンサＣ１０が充電されて、スイッチＱ１０の電位が出力電圧Ｖ２まで上昇し、コンデンサＣ９が放電されて、スイッチＱ９の電位がゼロボルトまで低下する。すると、スイッチＱ９のダイオードＤ９がオンする。このとき、Ｓ１→Ｄ９→Ｑ７→Ｓ１の経路で電流Ｉａ２が流れる。また、スイッチＱ１４のオフにより、コンデンサＣ１４が充電されて、スイッチＱ１４の電位が出力電圧Ｖ２まで上昇し、コンデンサＣ１３が放電されて、スイッチＱ１３の電位がゼロボルトまで低下する。すると、スイッチＱ１３のダイオードＤ１３がオンする。このとき、Ｓ２→Ｄ１３→Ｑ１１→Ｓ２の経路で電流Ｉｂ２が流れる。その後、次のモードに遷移する前に、スイッチＱ９，Ｑ１３をオンする。コンデンサＣ９とリアクトルＬ１との共振により、スイッチＱ９のＺＶＳが行え、コンデンサＣ１３とリアクトルＬ２との共振により、スイッチＱ１３のＺＶＳが行える。また、コンデンサＣ１０とリアクトルＬ１との共振により、スイッチＱ１０のＺＶＳが行え、コンデンサＣ１４とリアクトルＬ２との共振により、スイッチＱ１４のＺＶＳが行える。

次に、スイッチＱ１，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１１を同時にオフし、図８に示す動作モード５にする。スイッチＱ３，Ｑ９，Ｑ１３がオンし、スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１４がオフする。スイッチＱ１，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１１がオフすると、Ｐ１→Ｌ１→Ｄ１→Ｑ３→Ｐ１の経路で電流Ｉａ１が流れ、Ｐ２→Ｌ２→Ｄ５→Ｑ３→Ｐ２の経路で電流Ｉｂ１が流れる。即ち、スイッチＱ１はダイオードＤ１に電流が流れ、スイッチＱ５はダイオードＤ５に電流が流れているので、スイッチＱ１，Ｑ５をオフしても電流は変化しない。また、スイッチＱ７のオフにより、Ｓ１→Ｑ９→Ｖ２→Ｄ８→Ｓ１の経路で電流Ｉａ２が流れ、スイッチＱ１１のオフにより、Ｓ２→Ｑ１３→Ｖ２→Ｄ１２→Ｓ２の経路で電流Ｉｂ２が流れる。このとき、コンデンサＣ７が充電されて、コンデンサＣ７の電位が出力電圧Ｖ２まで上昇し、コンデンサＣ８が放電されて、コンデンサＣ８の電位がゼロボルトまで低下すると、ダイオードＤ８がオンする。このとき、スイッチＱ８をオンすると、スイッチＱ８のＺＶＳが行える。同時に、コンデンサＣ１１が充電されて、コンデンサＣ１１の電位が出力電圧Ｖ２まで上昇し、コンデンサＣ１２が放電されて、コンデンサＣ１２の電位がゼロボルトまで低下すると、ダイオードＤ１２がオンする。このとき、スイッチＱ１２をオンすると、スイッチＱ１２のＺＶＳが行える。スイッチＱ８，Ｑ１２のＺＶＳは、電流Ｉａ２，Ｉｂ２に基づく還流エネルギー量で成立する。また、コンデンサＣ７とリアクトルＬ１との共振により、スイッチＱ７のＺＶＳが行え、コンデンサＣ１１とリアクトルＬ２との共振により、スイッチＱ１１のＺＶＳが行える。なお、実施例１では、スイッチＱ１，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１１を同時にオフさせるが、スイッチＱ７，Ｑ１１を同時にオフさせてからスイッチＱ１，Ｑ５をオフさせても良い。

次に、図９に示す動作モード６とする。つまり、スイッチＱ３，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフする。図８の動作モード５を継続し、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２の電流が０Ａを超えるとき、Ｐ１→Ｑ３→Ｃ１→Ｌ１→Ｐ１の経路で電流Ｉａ１が流れる。このため、コンデンサＣ１が充電されて、コンデンサＣ１の電位が入力電圧Ｖ１まで上昇する。コンデンサＣ２が放電されて、コンデンサＣ２の電位がゼロボルトに低下する。すると、ダイオードＤ２がオンする。この時に、スイッチＱ２をオンすると、スイッチＱ２のＺＶＳが行える。同時に、Ｐ２→Ｑ３→Ｃ５→Ｌ２→Ｐ２の経路で電流Ｉｂ１が流れる。コンデンサＣ５が充電されて、コンデンサＣ５の電位が入力電圧Ｖ１まで上昇する。コンデンサＣ６が放電されて、コンデンサＣ６の電位がゼロボルトに低下する。すると、ダイオードＤ６がオンする。この時に、スイッチＱ６をオンすると、スイッチＱ６のＺＶＳが行える。また、コンデンサＣ１とリアクトルＬ１との共振により、スイッチＱ１のＺＶＳが行え、コンデンサＣ５とリアクトルＬ２との共振により、スイッチＱ５のＺＶＳが行える。

次に、図１０の動作モード７に遷移させる。スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフする。このとき、一次側では、Ｖ１→Ｑ３→Ｐ１→Ｌ１→Ｑ２→Ｖ１の経路と、Ｖ１→Ｑ３→Ｐ２→Ｌ２→Ｑ６→Ｖ１の経路に電流が流れる。二次側では、Ｓ１→Ｑ９→Ｖ２→Ｑ８→Ｓ１の経路で電流が流れ、Ｓ２→Ｑ１３→Ｖ２→Ｑ１２→Ｓ２の経路で電流が流れる。これにより、一次側から二次側にエネルギーが伝達される。

以上では、前半の半周期の動作であり、後半の半周期は以下のように動作が入れ替わる。つまり、スイッチＱ１，Ｑ４の対の動作→スイッチＱ２，Ｑ３の対の動作、スイッチＱ５、Ｑ４の対の動作→スイッチＱ６，Ｑ３の動作となり、スイッチＱ７，Ｑ１０の対の動作→スイッチＱ８，Ｑ９の対の動作、スイッチＱ１１，Ｑ１４の対の動作→スイッチＱ１２，Ｑ１３の動作となる。

［昇圧変換の並列モード］
実施例１の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧変換を行うことができる。昇圧モードでは、二次側にエネルギーを伝達する伝達モードの前に、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２にエネルギーを蓄積する蓄積モードを挿入する。
エネルギー蓄積モードでは、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１３がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１２，Ｑ１４がオフする。つまりスイッチＱ７，Ｑ９がオンすることで、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１が短絡し、スイッチＱ１１，Ｑ１３がオンすることでトランスＴ２の二次巻線Ｓ２が短絡する。このとき、Ｖ１→Ｑ１→Ｌ１→Ｐ１→Ｑ４→Ｖ１の経路で電流Ｉａ１が流れ、Ｖ１→Ｑ５→Ｌ２→Ｐ２→Ｑ４→Ｖ１の経路で電流Ｉｂ１が流れる。リアクトルＬ１には、一次巻線電圧と、二次巻線Ｓ１の短絡による二次側のゼロ電圧が印加されるため、リアクトルＬ１に流れる電流Ｉａ１が線形的に増加する。リアクトルＬ１にエネルギーが蓄積される。リアクトルＬ２には、一次巻線電圧と、二次巻線Ｓ２の短絡による二次側のゼロ電圧が印加されるため、リアクトルＬ２に流れる電流Ｉｂ１が線形的に増加する。リアクトルＬ２にエネルギーが蓄積される。トランスＴ１の二次側では、Ｓ１→Ｑ７→Ｑ９→Ｓ１の経路で電流が流れる。このとき、出力電圧Ｖ２に応じて調整された期間を継続させ、その後に、スイッチＱ９をオフさせる。同様にトランスＴ２の二次側では、Ｓ２→Ｑ１１→Ｑ１３→Ｓ２の経路で電流が流れる。このとき、出力電圧Ｖ２に応じて調整された期間を継続させ、その後に、スイッチＱ１３をオフさせる。このように、二次巻線Ｓ１及びＳ２の短絡を解除してリアクトルＬ１のエネルギーを放出するので、等価的に昇圧チョッパとなる。なお、降圧変換でスイッチＱ１０およびスイッチＱ１２をオンさせるタイミングから、所定の期間経過後にスイッチＱ９およびスイッチＱ１１をオンするとスイッチＱ９およびスイッチＱ１１をＺＶＳでオンさせることができる。所定の期間は、リアクトルＬ１、コンデンサＣ９，Ｃ１０による共振周波数の１／２周期またはリアクトルＬ２、コンデンサＣ１１，Ｃ１２による共振周波数の１／２周期とすると良い。
以上のように、エネルギー蓄積モードを伝達モードの前に挿入し、以降の動作を降圧変換と同じ動作を行なうことで昇圧変換を行う。

本発明の実施例１は、第１変換回路は、スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４によるフルブリッジ変換器と、スイッチＱ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６によるフルブリッジ変換器の組合せであり、第２変換回路は、スイッチＱ７，Ｑ８，Ｑ９，Ｑ１０によるブルブリッジ変換回路とスイッチＱ１１，Ｑ１２，Ｑ１３，Ｑ１４によるフルブリッジ変換回路組合せと考えることができる。つまりＤＡＢ（（Dual Active Bridge）を組み合わせた変形と捉えることができる。このため、双方向変換が可能となる。

以上のように、本発明は、複数のスイッチを組み合わせて、並列モード、直列モードを切り替えるので、並列モードでは大容量化が可能となり、直列モードでは幅広い入出力条件で動作可能となる。また、第１直流電圧及び第２直流電圧を用いてリアクトルの励磁電流を調整してＺＶＳを行うので、複数のスイッチを組み合わせるにもかかわらず、確実にＺＶＳを行うことができる。

本発明の実施例１では、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２を用いたが、並列動作のみで有れば、リアクトルＬ１及びリアクトルＬ２の代わりに、第３のリアクトルを用いても良い。第３のリアクトルの一端がスイッチＱ３とスイッチＱ４の接続点に接続され、第３のリアクトルの他端がトランスＴ１の一次巻線Ｐ１とトランスＰ２の接続点に接続される。この場合はリアクトルを１つにすることができる。第３のリアクトルは第１直流電圧及び第２直流電圧を用いてリアクトルの励磁電流を調整してＺＶＳを行うので、確実にＺＶＳを行うことができる。

１ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 第１変換回路
３ 第２変換回路
４ 制御回路
Ｖ１，Ｖ２ 直流電圧
Ｌ１，Ｌ２ リアクトル
Ｑ１〜Ｑ１４ スイッチ
Ｔ１，Ｔ２ トランス
Ｐ１，Ｐ２ 一次巻線
Ｓ１，Ｓ２ 二次巻線
Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ１４ コンデンサ

Claims (3)

1. 第１電圧を第２電圧に変換及び第２電圧を第１電圧に変換する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   還流素子と容量素子が並列に接続された第１スイッチ及び第２スイッチを直列に接続した第１アームと、還流素子と容量素子が並列に接続された第３スイッチ及び第４スイッチを直列に接続した第２アームと、還流素子と容量素子が並列に接続された第５スイッチ及び第６スイッチを直列に接続した第３アームとが並列に第１電圧に接続された第１変換回路と、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチの接続点と、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチの接続点との間に第１リアクトルを介して接続される一次巻線と二次巻線を備えた第１トランスと、
   前記第３スイッチ及び前記第４スイッチの接続点と、前記第５スイッチ及び前記第６スイッチの接続点との間に第２リアクトルを介して接続される一次巻線と二次巻線を備えた第２トランスと、
   還流素子と容量素子が並列に接続された４つのスイッチから成り前記第１トランスの二次巻線と前記第２電圧とに接続される第１ブリッジ回路と、還流素子と容量素子が並列に接続された４つのスイッチから成り前記第２トランスの二次巻線と前記第２電圧に接続される第２ブリッジ回路とから成る第２変換回路と、
   前記第１変換部及び前記第２変換部が備えるそれぞれのスイッチをオンオフする制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記第１電圧又は前記第２電圧に応じて、前記第１トランスの一次巻線と前記第２トランスの一次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように前記第１変換回路及び前記第２変換回路が備えるそれぞれのスイッチをオンオフさせ、
   前記第１変換回路及び第２変換回路が備えるそれぞれのスイッチがオンオフする際に、前記第１電圧または前記第２電圧で前記第１リアクトル及び前記第２リアクトルに流れる電流の方向及び大きさを制御し、それぞれのスイッチのオンオフ状態が遷移するときに使用される共振エネルギーを調整することを特徴とする共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記直列モードと前記並列モードの切り替えは、前記第１電圧と前記第２電圧の電圧差によって決定されることを特徴とする請求項１に記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記直列モードと前記並列モードの切り替えは、前記第１変換回路又は前記第２変換回路が電圧制御の限界を検知したとき切り替えることを特徴とする請求項１に記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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