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JP5308682B2 - 双方向dc/dcコンバータ - Google Patents

双方向dc/dcコンバータ Download PDF

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JP5308682B2 JP2008013677A JP2008013677A JP5308682B2 JP 5308682 B2 JP5308682 B2 JP 5308682B2 JP 2008013677 A JP2008013677 A JP 2008013677A JP 2008013677 A JP2008013677 A JP 2008013677A JP 5308682 B2 JP5308682 B2 JP 5308682B2
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Description

本発明は、双方向DC/DCコンバータ に関し、特に、広い入力電圧範囲で所定出力電圧への変圧(降圧または昇圧)を可能にした双方向DC/DCコンバータに関する。
通常、DC/DCコンバータは、一方向に、すなわち高圧側電圧から低圧側電圧に降圧、あるいは低圧側電圧から高圧側電圧に昇圧する構成となっている。
しかしながら、車両においては、各々異なる電圧値(高圧側電圧及び低圧側電圧)を有するバッテリを用いる2つの直流電源系を有しているものがある。
そのため、高効率を求める車両において、2つの直流電源系間、すなわち低圧から高圧、あるいは高圧側電圧から低圧側電圧への電圧変換を相互に行い、限られたエネルギーを効率的に利用する動きが高まってきている。
ここで、相互に電力を融通し合う場合、一般的に、直流電源系間に直流昇圧回路と直流降圧回路とを並列に配設し、それらを適宜使用する双方向のDC/DCコンバータの構成が採用されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−282828号公報
しかしながら、特許文献1に示す双方向DC/DCコンバータにあっては、トランスの1次側と2次側との巻数比により、双方向の変換電圧、特に降圧動作の際に、昇圧側電圧の電圧値により、降圧電圧の上限が制限されてしまうという問題がある。
従来例のDC/DCコンバータにおいては、例えば、100V−200Vの入力電圧を10V−20Vに降圧する構成、すなわち降圧に対応した巻数比とすると、逆に昇圧する際に10Vから200Vを超える電圧を生成することができない。
逆に、10V−20Vの入力電圧を100V−200Vに昇圧する構成、すなわち昇圧に対応した巻数比とすると、逆に昇圧する際に100Vから10Vを超える電圧を生成することができない。
そのため、従来例においては、昇圧する比率に設定した巻数比を用いて降圧する場合、所望の降圧した電圧を得るため、別に並列に昇圧回路を形成する必要があり、部品点数が増加し、かつ回路規模が大きくなるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、昇圧動作に対応して設定された巻線比を設定したにも、降圧電圧が設定された電圧値として出力することが可能な、また、降圧動作に対応して設定された巻線比を設定したにも、昇圧電圧が設定された電圧値として出力することが可能な、降圧電圧または昇圧電圧の電圧値の上限値及び下限値を巻線比にて制限されずに広く設定することができ、かつ部品点数を従来に比して削減することができ、コンバータ回路の小型化を容易とする双方向DC/DCコンバータを提供することを目的とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、第1の電圧と第2の電圧との相互間にて、電圧変換動作を行う双方向DC/DCコンバータであり、1次巻線及び2次巻線からなるトランスと、前記1次巻線の一端及び前記第2の電圧の+側端子間に介挿された第1のスイッチ手段と、 前記1次巻線の前記一端及び前記第2の電圧の−側端子間に介挿された第2のスイッチ手段と、前記1次巻線の他端及び前記第2の電圧の+側端子間に介挿された第3のスイッチ手段と、 前記1次巻線の前記他端と前記第2の電圧の−側端子間に介挿された第4のスイッチ手段と、前記2次巻線の一端及び前記第1の電圧の+側端子間に設けられたチョークコイルと、該チョークコイルの一端及び前記第1の電圧の+側端子間に介挿された第5のスイッチ手段と、前記チョークコイルの前記一端及び第1の電圧の−側端子間に介挿された第6のスイッチ手段と、前記2次巻線の一端及び前記チョークコイルの他端間に介挿された第7のスイッチ手段と、前記2次巻線の前記一端及び前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第8のスイッチ手段と、前記2次巻線の他端及び前記チョークコイルの前記他端間に介挿された第9のスイッチ手段と、前記2次巻線の前記他端及び前記第1の電圧の−側端子間に介挿された第10のスイッチ手段とを有する。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、前記第1から第4のスイッチ手段を制御する第1の制御回路と、前記第7から第10のスイッチ手段各々に並列に接続されたダイオードからなる前記2次巻線に接続された第1の整流回路とをさらに有し、昇圧動作において、第1の電圧が高電圧であり、第2の電圧が低電圧である場合、前記第1の制御回路が、前記第1及び第3のスイッチ手段を周期的に制御し、前記1次巻線の一端あるいは他端のいずれか一方と、前記第2の電圧の+側端子との接続を制御し、また、前記第2及び第4のスイッチ手段を周期的に制御し、前記1次巻線の一端あるいは他端のいずれか他方と、第2の電圧の−側端子とを接続し、前記周期毎に前記2次側巻線に流れる電流の方向が逆となるようプッシュプル動作させ、この際、降圧電圧が予め設定された電圧に達しない場合、前記第1の整流回路から出力される第1の整流電圧を、前記第6のスイッチ手段をオンオフ制御させることで、前記チョークコイルにて前記第1の整流電圧の昇圧動作を行い、昇圧された電圧を昇圧電圧として出力することを特徴とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、昇圧動作において、前記第1の制御回路が、前記第1及び3のスイッチ手段と、第2及び第4のスイッチ手段の各スイッチのオンオフのタイミングを位相及びパルス幅制御のいずれか一方あるいは双方により制御し、前記昇圧電圧が予め設定された電圧となるよう制御することを特徴とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、前記第7から第10のスイッチ手段を制御する第2の制御回路と、前記第1から第4のスイッチ手段各々に並列に接続されたダイオードからなる前記1次巻線に接続された第2の整流回路とをさらに有し、降圧動作において、第1の電圧が高電圧であり、第2の電圧が低電圧である場合、前記第2の制御回路が、前記第7及び第9のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか一方と、前記チョークコイルの前記他端との接続を制御し、また、前記第8及び第10のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか他方と、第1の電圧の−側端子とを接続し、前記周期毎に前記1次側巻線に流れる電流の方向が逆となるようプッシュプル動作させ、前記第2の整流回路から出力される整流電圧を平滑化して降圧電圧として出力することを特徴とする
本発明の双方向DC/DCコンバータは、降圧動作において、降圧動作中、前記チョークコイルに同一方向に継続的に電流を流すよう第7、第8、第9及び第10のスイッチング手段を制御することを特徴とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、降圧動作において、前記第2の制御回路が、前記第5のスイッチ手段をオンオフするパルスのデューティ比を制御することにより、前記降圧電圧が予め設定された電圧となるよう制御することを特徴とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、前記第1から第4及び第7から第10のスイッチ手段をMOSトランジスタとし、各並列に接続されたダイオードを前記MOSトランジスタの寄生ダイオードを使用し、第1及び第2の整流回路を構成することを特徴とする。
本発明の双方向DC/DCコンバータは、第1の電圧、と第2の電圧との相互間にて、電圧変換動作を行う双方向DC/DCコンバータであり、第1の1次巻線及び第1の2次巻線からなる第1のトランスと、第2の1次巻線及び第2の2次巻線からなる第2のトランスと、第3の1次巻線及び第3の2次巻線からなる第3のトランスと、前記第2の1次巻線の他端及び前記第3の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第1のスイッチ手段と、前記第2の1次巻線の他端及び前記第3の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第2のスイッチ手段と、前記第1の1次巻線の他端及び前記第2の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第3のスイッチ手段と、前記第1の1次巻線の他端及び前記第2の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第4のスイッチ手段と、前記第3の1次巻線の他端及び前記第1の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第11のスイッチ手段と、前記第3の1次巻線の他端及び前記第1の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第12のスイッチ手段と、前記各2次巻線の一端及び前記第1の電圧の+側端子間に設けられたチョークコイルと、該チョークコイルの一端及び第1の電圧の+側端子間に介挿された第5のスイッチ手段と、前記チョークコイルの前記一端及び第1の電圧の−側端子間に介挿された第6のスイッチ手段と、前記第1の2次巻線の一端及び前記第3の1次巻線の他端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第7のスイッチ手段と、前記第1の2次巻線の一端及び前記第3の1次巻線の他端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第8のスイッチ手段と、
前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第9のスイッチ手段と、前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第10のスイッチ手段と、前記第2の2次巻線の他端及び前記第3の2次巻線の一端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第11のスイッチ手段と、前記第2の2次巻線の他端及び前記第3の2次巻線の一端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第12のスイッチ手段とを有することを特徴とする。
以上説明したように、本発明の双方向DC/DCコンバータによれば、低電圧側から高電圧側における昇圧動作に対応してコイルの巻線比を設定し、高電圧から低電圧への降圧動作において、必要な電圧値が得られない場合、チョークコイルを用いて昇圧動作を行うことが可能なため、昇圧電圧及び降圧電圧双方の生成範囲を従来例に比較して、昇圧及び降圧電圧により生成される電圧値の上限値及び下限値を巻線比にて制限されずに広く設定することができる。
すなわち、本発明のDC/DCコンバータによれば、上述したように、降圧された電圧が設定電圧に満たない場合、降圧電圧を昇圧して所望の設定電圧を得る構成であるため、従来のように巻線比では対応できない降圧電圧に対応するため、別の降圧回路を設ける必要が無くなくなり、従来例に比較して昇圧電圧を広範囲に制御することができ、かつ従来例に比較して部品点数を抑制し、小型化及び低コスト化を実現することができるという効果が得られる。
以下、本発明の一実施形態による双方向DC/DCコンバータを図面を参照して説明する。図1は同実施形態の構成例を示すブロック図である。
本発明は、図1に示すように、低電圧VoLのバッテリB1と、高電圧VoHのバッテリB2との間にて、電圧値が低下した一方に対して、他方からエネルギを補完して電圧値の低下を抑制するために用いるDC/DCコンバータである。
この図において、本実施形態による双方向DC/DCコンバータは、トランス1と、1次側直交変換部2、2次側直交変換部3、昇圧回路4を有している。
上述した構成により、本実施形態による双方向DC/DCコンバータは、降圧処理の電圧変換(エネルギー変換)において、2次側直交変換部3がバッテリB2における直流の高電圧VoHを、一端、単相矩形波交流電圧に変換し、1次側直交変換部2がその単相矩形波交流電圧を整流して直流の低電圧VoLに変換する。
一方、上記双方向DC/DCインバータは、降圧処理のエネルギー変換において、1次側直交変換部3がバッテリB1における直流の低電圧VoLを、一端、単相矩形波交流電圧に変換し、2次側直交変換部3がその単相矩形波交流電圧を整流して直流の高電圧VoHに変換する。実施形態におけるスイッチ手段は、MOSトランジスタを用いている。各直交変換部における整流に用いるダイオードとして、MOSトランジスタの寄生ダイオードでなく、各MOSトランジスタに並列に接続したダイオード素子を用いても良い。
上記図1において、1次側直交変換部2は、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q1、Q2、Q3、Q4と、第1の制御回路5から構成され、インバータ構成となっている。
トランジスタQ1及びQ3各々は、ドレインが高電圧バッテリB1の+側端子TVoLに接続されている。
一方、トランジスタQ2及びQ4各々は、ソースが高電圧バッテリB1の−側端子TVoLLに接続されている。
トランジスタQ1のソースはトランジスタQ2のドレインと接続点K1にて接続され、トランジスタQ3のソースはトランジスタQ4のドレインと接続点K2にて接続されている。
トランス1の一方の端子TA1が接続点K1に接続され、トランス1の他方の端子TA2が接続点K2に接続されている。
また、トランジスタQ1、Q2、Q3、Q4各々は、それぞれのゲートに対して、上記第1の制御回路5から制御信号S1、S2、S3、S4それぞれが入力されている。
上記第1の制御回路5は、各制御信号を「H」レベルまたは「L」レベルにて出力し、トランス1の1次巻線1Aに流れる電流の向きを、一定の周期にて逆相となるよう制御する。これにより、トランス1の1次巻線1Aに対して単相矩形波交流電圧が印加される。
2次側直交変換部4は、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q7、Q8、Q9、Q10と、第2の制御回路6から構成されている。
トランジスタQ7は、ドレインがチョークコイル7の端子Tc1に接続され、ソースが接続点P1に接続されている。
トランジスタQ9は、ドレインがチョークコイル7の端子Tc1に接続され、ソースが接続点P2に接続されている。
トランジスタQ8は、ドレインが接続点P1に接続され、ソースが低電圧バッテリB2の−側端子TvoHLに接続されている。
トランジスタQ10は、ドレインが接続点P2に接続され、ソースが低電圧バッテリB2の−側端子TvoHLに接続されている。
接続点P1はトランス1の2次巻線1Bの一方の端子TB1に接続され、接続点P2はトランス1の2次巻線1Bの他方の端子TB2に接続されている。
また、トランジスタQ7、Q8、Q9、Q10各々は、それぞれのゲートに対して、上記第2の制御回路6から制御信号S7、S8、S9、S10それぞれが入力されている。
上記第2の制御回路6は、各制御信号を「H」レベルまたは「L」レベルにて出力し、トランス1の2次巻線1Bに流れる電流の向きを、一定の周期にて逆相となるよう制御する。これにより、トランス1の2次巻線1Bに対して単相矩形波交流電圧が印加される。
また、昇圧回路4は、上記チョークコイル7及びnチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q6から構成されている。
チョークコイル7は、一方の端子Tc1がトランジスタQ7及びQ9のドレインに接続され、他方の端子Tc2がトランジスタQ6のドレインに接続されている。
上記トランジスタQ6のソースは高電圧バッテリB2の−側端子TvoHLに接続されている。
昇圧回路4の出力端子、すなわちチョークコイル7の端子Tc2は、nチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q5のソースが接続されている。
上記トランジスタQ5は、ドレインが高電圧バッテリB2の+側端子TvoHに接続されている。
上述したように、1次側直交変換部2において、トランジスタQ1〜Q4からなる複合スイッチの構造は1つの単相矩形波交流電圧を生成するインバータ構成となっている。
圧動作において、上記単相矩形波交流電圧に対応し、2次側直交変換部3は、1次巻線1Aに流れる電流により、2次巻線1Bに逆相にて誘起される電圧を単相全波整流を行い高電圧VoHの生成を行う。
この2次側直交変換部3は、上述したトランジスタQ7及びQ9の寄生ダイオードD7及びD9による両波整流により、2次巻線1Bに誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行う。
ここで、降圧動作において、上述したようダイオードを用いた両波整流を行うのではなく、トランジスタQ1〜Q4の上述したスイッチングに同期して、第2の制御回路6は、トランジスタQ7〜Q10のオンオフを行う同期整流により、2次巻線1Bに誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行っても良い。
上述した昇圧動作において、第1の制御回路5は、制御により接続点K2に対応するトランジスタQ3及びQ4のゲートに印加する制御信号S3及びS4の位相に対して、接続点K1に対応するトランジスタQ1及びQ2のゲートに印加する制御信号S1及びS2の位相とを変化させることにより、昇圧される高電圧の電圧値を制御する。ここで、制御信号S3及びS4と、制御信号S1及びS2との「H」レベル及び「L」レベルとなる周期は同一の長さである。
また、上述した位相制御ではなく、制御信号S1、S2、S3、S4のパルス幅を調整し、トランジスタQ1〜Q4のオン/オフ時間を制御して、降圧電圧の電圧値を制御するPWM(Pulse Width Modulation)制御を用いてもよい。
このとき、トランス1の巻数比の1:n(1次巻線数:2次巻線数)が高電圧(2次側)からら低電圧(1次側)への昇圧に対応して設定されている場合、例えば低圧側が10V〜20Vであり、高圧側が100V〜200Vである範囲にて使用する場合、高電圧が100Vの際に10Vまで降圧可能とするため、巻数比が1:10となる。
逆に、低電圧から高電圧に降圧動作を行うと、低電圧の10Vから上記巻数比1:10の場合、100Vにしかならず、200Vとして設定された電圧が生成されない。
このため、本実施形態においては、降圧動作において、1次側直交変換回路2における位相制御により、昇圧電圧を最大値とする制御(位相制御及びPWM制御など)を行っても、2次側直交変換回路3から出力される昇圧電圧が設定された電圧に到達しない場合、2次側直交変換回路3から出力される昇圧電圧を、上記昇圧回路4により昇圧し、予め設定された電圧の昇圧電圧を生成する。
一方、2次側直交変換部3において、トランジスタQ7〜Q10からなる複合スイッチの構造は1つの単相矩形波交流電圧を生成するインバータ構成となっている。
降圧動作において、上記単相矩形波交流電圧に対応し、1次側直交変換部2は、2次巻線1Bに流れる電流により、1次巻線1Aに逆相にて誘起される電圧を単相全波整流を行い低電圧VoLの生成を行う。
この1次側直交変換部2は、上述したトランジスタQ1及びQ3の寄生ダイオードD1及びD3による両波整流により、1次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行う。
ここで、昇圧動作において、上述したようダイオードを用いた両波整流を行うのではなく、トランジスタQ7〜Q10の上述したスイッチングに同期して、第1の制御回路5は、トランジスタQ1〜Q4のオンオフを行う同期整流により、1次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行っても良い。
上述した降圧動作において、第2の制御回路6は、制御によりトランジスタQ5のゲートに印加する制御信号S5のディユーティ比を変化させ、チョークコイル7に供給する電気エネルギの量を調整することにより、降圧される低電圧の電圧値を制御する。ここで、制御信号S7、S8、S9及びS10の「H」レベル及び「L」レベルとなる周期は同一の長さである(ディーティ比が一対一)。
本実施形態における降圧動作でのトランジスタQ7〜Q10のオン/オフ制御を行う制御信号S7、S8、S9、S10のタイミングの説明についての詳細は後述する。
次に、図2及び図3を用いて、本実施形態による双方向DC/DCコンバータによる昇圧動作を説明する。図3は本実施形態による双方向DC/DCコンバータによる低電圧から高電圧への昇圧動作を説明するタイミングチャートである。ここで、低電圧から高電圧への昇圧処理とは、例えば10V程度の電圧から数100V程度の電圧への変換処理をいう。1次側直行変換部2において位相制御の昇圧処理を行い、2次側直行変換部3において、1次巻線1Bに誘起される単相矩形波交流電圧に対する両波整流が行われ、高電圧が生成される。このとき、第2の制御回路6は、トランジスタQ7〜Q10に対して「L」レベルの制御信号S7〜S10を出力している。このため、トランジスタQ7〜Q10は全てオフ状態となっている。また、トランジスタQ5のゲートにも「L」レベルの制御信号S5が入力され、トランジスタQ5がオフとなっている。
なお、図2は昇圧動作を行うためバッテリB2に替えて負荷を+側端子TVoHと−側端子TVoHLとの間に介挿した構成であり、エネルギを補完する低電圧VoLのバッテリB1が1次側変換部2に接続されている。
以下の説明において、整流動作は、ダイオードD7〜D10の両波整流構成にて、2次巻線1Bに誘起される単相矩形波交流電圧の両波整流を行う。また上述したように、同期整流にて2次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧に対する整流を行う方式にて整流動作を行っても良い。ここで、1次巻線数:2次巻線数=1:Nとする。
以下の説明に用いる図3のタイミングチャートにおいて、トランジスタQ1及びQ4をオン/オフするスイッチング周期を周期T1とし、トランジスタQ3及びQ2とをオン/オフするスイッチング周期を周期T2とし、この周期T1と周期T2との位相のずれをΔTとする。
<周期T1と周期T2との位相が180°(=ΔT)ずれている場合:図3(a)>
時刻t1において、第1の制御回路5は、制御信号S1、制御信号S4を「L」レベルから「H」レベルに変化させ、制御信号S2、制御信号S3を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
上述した制御信号の変化によって、トランジスタQ1、トランジスタQ4はオンとなり、一方トランジスタQ2、トランジスタQ3はオフとなる。
これにより、1次側巻線1Aに電流i1F(端子TA1→端子TA2)が流れることにより、巻線1Bの端子TB1−TB2間にN・VoLの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Bに誘起された電圧N・VoLがダイオードD7を介し、チョークコイル7及び、トランジスタQ5の寄生ダイオードD5を介して+側端子TVoHへ出力される。
時刻t2において、第1の制御回路5は、制御信号S1及びS4を「H」レベルから「L」レベルに、また制御信号S2及びS3を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、トランジスタQ1及びQ4はオフ状態となり、トランジスタQ2及びQ3はオフ状態となる。
そして、1次側巻線1Aに電流i1B(端子TA2→端子TA1)が流れることにより、巻線1Bの端子TB2−TB1間にN・VoLの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Bに誘起された電圧N・VoLがダイオードD9を介し、チョークコイル7及び、トランジスタQ5の寄生ダイオードD5を介して+側端子TVOHへ出力される。
上述した時刻t1及びt2の処理が以降繰り返され、昇圧処理が行われる。周期T1と周期T2との位相が180°異なる場合、昇圧電圧としては、トランス1Bには常に電圧が誘起されており、チョークコイル7による平滑後も、トランス1の巻数比から得られる最大電圧値の昇圧電圧としてN・VoLが得られる。
そして、昇圧された高電圧の電源信号は、チョークコイル7及びコンデンサ6から構成された平滑回路により平滑化されて、一定電圧の高電圧VoHとして、+側端子TVoHから出力される。
しかしながら、上述した周期T1及びT2の位相が180°異なる昇圧処理において、予め設定された昇圧電圧に満たない場合、トランジスタQ6をオンオフ制御することにより、チョークコイル7を用いた昇圧動作を行い、2次側直行変換部3のダイオードD7及びD9により整流された電圧を昇圧して、昇圧した電圧を昇圧電圧としてダイオードD5を介して+側端子TVoHへ出力する。
第2の制御回路6は、制御信号S6を「H」レベルとして、トランジスタQ6をオン状態とさせるタイミングを、第1の制御回路5が制御信号S1及びS4と、制御信号S2及びS3とが各々「H」レベルとするタイミングに同期させる。
この昇圧された圧電圧の電圧値は、第2の制御回路6により、トランジスタQ6をオンオフ制御する制御信号S6のデューティを調整するか、あるいはデューテイを固定(昇圧電圧が最大に昇圧される幅に固定)することで行う。
また、第1の制御回路5が1次側直交変換部2を制御する制御信号S1〜S4の周期T1及びT2の周期の位相を、後述するように調整して、昇圧される昇圧電圧があらかじめ設定された電圧となるよう調整してもよい。
<周期T1と周期T2との位相が90°(=ΔT)ずれている場合:図3(b)>
時刻t1において、第1の制御回路5は、制御信号S1、制御信号S4を「L」レベルから「H」レベルに変化させ、制御信号S2、制御信号S3を「L」レベルのままで維持する。
そして、トランジスタQ1及びQ4がオフからオンに状態が移行し、トランジスタQ2及びQ3はオフのままとなる。
これにより、トランス1の1次巻線1Aには電流i1Fが流れ、2次巻線1Bの端子TB1−TB2間にN・VoLの電圧が誘起される。
次に、時刻t12において、第1の制御回路5は、制御信号S1及びS4を「H」レベルのままとし、制御信号S2及びS3を「L」レベルから「H」レベルに変化させる。
これにより、トランジスタQ1からQ4の全てがオン状態となり、接続点K1及びK2が「L」レベルとなり、トランス1の1次巻線1Aの端子TA1及びTA2が同電位となり、電流が流れないため、2次巻線1Bに電圧は誘起されない。
次に、時刻t2において、第1の制御回路5は、制御信号S1及びS4を「H」レベルから「L」レベルに変化させ、制御信号S2及びS3を「H」レベルのまま維持する。
そして、トランジスタQ1及びQ4がオンからオフに移行し、トランジスタQ2及びQ3はオン状態のままとなる。
これにより、トランス1の1次巻線1Aに電流i1Bが流れ、2次巻線1Bの端子TB2−TB1間にN・VoLの電圧が誘起される。
次に、時刻t22において、第1の制御回路5は、制御信号S1及びS4を「L」レベルのままとし、制御信号S2及びS3を「H」レベルから「L」レベルに変化させる。
これにより、トランジスタQ1〜Q4の全てがオフ状態となり、接続点K1及びK2がフローティング(電気的にいずれにも接続されずに浮いた状態)となり、トランス1の1次巻線1Aの端子TA1及びTA2が同電位となり、電流が流れないため、2次巻線1Bに電圧は誘起されない。
以降、時刻t4以降において、上述したt1〜t22の処理が繰り返される。
そして、上述した周期T1及びT2の周期が90°ずれている場合、周期T1及びT2の位相が180°ずれている場合に比較して、半分の期間において、トランス1の2次巻線1BにN・VoLの電圧が生成される。
デューテイ50%の上記N・VoLが単相矩形波交流電圧としてチョークコイル7へ入力されると、チョークコイル7によりこの入力される単相矩形波交流電圧が平滑化され、所定の降圧電圧として、ダイオードD5を介して+側端子TVoHへ出力される。
したがって、周期T1及びT2との位相を制御することにより、+側端子TVoHへ出力される昇圧電圧の電圧値が調整される。
上述したように、トランス1におけるプッシュプル動作により、低電圧から高電圧に電圧を昇圧させる処理が行われる。
図3(a)及び図3(b)にて説明したように、制御信号S1及び制御信号S4の信号レベルの変化の位相に対し、制御信号S2及び制御信号S3の信号レベルの変化の位相のずれを変化(調整)させることにより、電流が1次側巻線1Aに流れる期間を制御し、2次巻線1Bに誘起される単相矩形波交流電圧のパルス幅を制御し、高電圧VoHの電圧値を任意に制御することができる。
また、1次側直交変換部2において、位相制御によって電流が1次側巻線1Aに流れる期間を制御するのではなく、制御信号S1〜S4のパルス幅を調整、すなわち、トランジスタQ1〜Q4各々をオン状態とするパルス幅を制御するPWM制御を行うことにより、1次巻線1Aに電流の流れる期間を制御し、誘起される単相矩形波交流電圧のパルス幅を制御するようにしても良い。
次に、図4及び図17を用いて、本実施形態による双方向DC/DCコンバータによる降圧動作を説明する。図4は降圧動作を説明するための本実施形態の構成例を示すブロック図である。図17は本実施形態による双方向DC/DCコンバータによる電圧から電圧への圧動作を説明するタイミングチャートである。ここで、高電圧から低電圧への圧処理とは、例えば100〜200V程度の電圧から10数V程度の電圧への変換処理をいう。2次側直行変換部3において位相制御の圧処理を行い、1次側直行変換部2において、2次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧に対する両波整流が行われ、低電圧が生成される。
このとき、第1の制御回路5は、トランジスタQ1〜Q4に対して「L」レベルの制御信号S1〜S4を出力している。このため、トランジスタQ1〜Q4は全てオフ状態となっている。一方、第2の制御回路6は、制御信号S6を「L」レベルにて出力している。これにより、ゲートに「L」レベルの制御信号S6が印加されるため、トランジスタQ6がオフとなっている。また、第2の制御回路6は、トランジスタQ5のゲートに周期パルスの「H」レベルの制御信号S5を出力している。このパルスのデューティを変更することにより、チョークコイル7に供給する電気エネルギを制御し、降圧電圧を調整する。
なお、図4は降圧動作を行うためバッテリB1に替えて負荷を+側端子TVoHと−側端子TVoHLとの間に介挿した構成であり、エネルギを補完する低電圧VoLのバッテリB2が2次側変換部3に接続されている。
以下の説明において、整流動作は、ダイオードD1〜D4の両波整流構成にて、1次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧の両波整流を行う。また上述したように、同期整流にて1次巻線1Aに誘起される単相矩形波交流電圧に対する整流を行う方式にて整流動作を行っても良い。ここで、1次巻線数:2次巻線数=1:Nとする。
以下の降圧動作の説明に用いる図5〜図16において、トランジスタQ7,Q8,Q9及びQ10をオン/オフするスイッチング周期は図17のタイミングチャートに示す。
図5は初期状態を示し、トランジスタQ7,Q10がオン状態にあり、トランジスタQ5,Q6,Q8及びQ9がオフ状態から開始され、ここで、第2の制御回路6がトランジスタQ5のゲートに印加する制御信号S5を「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ5がオン状態となる。
これにより、トランジスタQ5,Q7を介して2次巻線1Bに電流i2F(端子TB1→端子TB2)が流れ、巻線1Aの端子TA1−TA2間に(1/N)・VoHの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Aに誘起された電圧(1/N)・VoHがダイオードD4及びD1を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図6において、第2の制御回路6がトランジスタQ5のゲートに印加する制御信号S5を「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ5がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ7、2次巻線1B、トランジスタQ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2FがダイオードD6を介して流れる状態となる。
この時点においても、巻線1Aの端子TA1−TA2間に(1/N)・VoHの電圧が誘起され、この電圧(1/N)・VoHがダイオードD4、D1を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図7において、第2の制御回路6がトランジスタQ9のゲートに印加する制御信号S9を、「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ9がオン状態となる。これにより、トランジスタQ7及びQ9の並列接続、2次巻線1B、トランジスタ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2FがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点においても、巻線1Aの端子TA1−TA2間に(1/N)・VoHの電圧が誘起され、この電圧(1/N)・VoHがダイオードD4、D1を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図8において、第2の制御回路6がトランジスタQ7のゲートに印加する制御信号S7を、「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ7がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ9、トランジスタ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2FがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点において、巻線1Aに流れる電流が無くなるため、端子TA1−TA2間に電圧が誘起されず、バッテリB1の+側端子TVoLへ充電のための電圧は出力されない。
次に、図9において、第2の制御回路6がトランジスタQ8のゲートに印加する制御信号S8を、「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ8がオン状態となる。しかしながら、トランジスタQ8に流れ込む電流の経路が生じないため、トランジスタQ9、トランジスタ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2FがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点において、巻線1Aに流れる電流が無くなるため、端子TA1−TA2間に電圧が誘起されず、バッテリB1の+側端子TVoLへ充電のための電圧は出力されない。
次に、図10において、第2の制御回路6がトランジスタQ10のゲートに印加する制御信号S10を、「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ10がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ9、トランジスタQ8を介して2次巻線1Bに電流i2B(端子TB2→端子TB1)が流れ、巻線1Aの端子TA2−TA1間に(1/N)・VoHの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Aに誘起された電圧(1/N)・VoHがダイオードD2及びD3を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図11において、第2の制御回路6がトランジスタQ5のゲートに印加する制御信号S5を「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ5がオン状態となる。
これにより、トランジスタQ5,Q9及びQ8を介して2次巻線1Bに電流i2B(端子TB2→端子TB1)が流れ、巻線1Aの端子TA2−TA1間に(1/N)・VoHの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Aに誘起された電圧(1/N)・VoHがダイオードD2及びD3を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図12において、第2の制御回路6がトランジスタQ5のゲートに印加する制御信号S5を「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ5がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ10、2次巻線1B、トランジスタQ8を介してチョークコイル7に流れる電流i2BがダイオードD6を介して流れる状態となる。
この時点においても、巻線1Aの端子TA2−TA1間に(1/N)・VoHの電圧が誘起され、この電圧(1/N)・VoHがダイオードD2、D3を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図13において、第2の制御回路6がトランジスタQ10のゲートに印加する制御信号S10を、「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ10がオン状態となる。これにより、トランジスタQ8及びQ10の並列接続、2次巻線1B、トランジスタ9を介してチョークコイル7に流れる電流i2BがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点においても、巻線1Aの端子TA2−TA1間に(1/N)・VoHの電圧が誘起され、この電圧(1/N)・VoHがダイオードD2、D3を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
次に、図14において、第2の制御回路6がトランジスタQ8のゲートに印加する制御信号S8を、「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ8がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ9、トランジスタ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2BがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点において、巻線1Aに流れる電流が無くなるため、端子TA2−TA1間に電圧が誘起されず、バッテリB1の+側端子TVoLへ充電のための電圧は出力されない。
次に、図15において、第2の制御回路6がトランジスタQ7のゲートに印加する制御信号S7を、「L」レベルから「H」レベルに変化させることにより、トランジスタQ7がオン状態となる。しかしながら、トランジスタQ7に流れ込む電流の経路が生じないため、トランジスタQ9、トランジスタ10を介してチョークコイル7に流れる電流i2BがダイオードD6を介して流れる状態が継続される。
この時点において、巻線1Aに流れる電流が無くなるため、端子A2−TA1間に電圧が誘起されず、バッテリB1の+側端子TVoLへ充電のための電圧は出力されない。
次に、図16において、第2の制御回路6がトランジスタQ9のゲートに印加する制御信号S9を、「H」レベルから「L」レベルに変化させることにより、トランジスタQ9がオフ状態となる。これにより、トランジスタQ7、トランジスタQ10を介して2次巻線1Bに電流i2F(端子TB1→端子TB2)が流れ、巻線1Aの端子TA1−TA2間に(1/N)・VoHの電圧が誘起される。
ここで、巻線1Aに誘起された電圧(1/N)・VoHがダイオードD4及びD1を介し、バッテリB1の+側端子TVoLへ出力される。
そして、図5の状態に戻り、図5から図16の処理が繰り返され、降圧処理が行われる。上述したように、本実施形態の基本的な動作は、降圧処理を行っている間、チョークコイル7に継続的に、同一方向の電流(チョークコイル7の端子Tc2から端子Tc1方向)を流すように各トランジスタのゲートを制御し、チョークコイル7にて高圧を生じさせないようにし、降圧電圧の制御が精度良く行われるようにする。
すなわち、図17のタイミングチャートに示す時刻t0〜t11各々において、図5〜図16それぞれの動作が行われ、所望の低電圧VoLがバッテリB1に対して出力される。
また、上記実施形態においては、降圧動作に対応して設定された巻線比を設定した際にも、昇圧電圧が設定された電圧値として出力することが可能な構成として、第1の電圧のバッテリ(バッテリB2)を高電圧、第2の電圧のバッテリ(バッテリB1)を、第1の電圧より低い低電圧として説明した。
しかしながら、昇圧動作に対応して設定された巻線比を設定した際に、降圧電圧が設定された電圧値として出力することが可能な構成として、バッテリB2の第1の電圧を低電圧とし、バッテリB1の第2の電圧を高電圧として構成してもよい。
この場合、設定した電圧に達しない低電圧の電圧値が、昇圧回路4により昇圧されることにより、設定した電圧値の低電圧として出力されることになる。
次に、本発明の他の実施形態として、1次側直交変換部2及び2次側直交変換部3のトランジスタの接続構成が、3相ブリッジ構成のDC/DCコンバータを図18に示す。
この図において、本実施形態による双方向DC/DCコンバータは、すでに述べた一実施形態のトランス1に代え、トランス11,12、13と、1次側直交変換部2、2次側直交変換部3、昇圧回路4を有している。
上述した構成により、この他の実施形態による双方向DC/DCコンバータは、すでに述べた一実施形態と同様に、昇圧処理の電圧変換(エネルギー変換)において、2次側直交変換部3がバッテリB1における直流の低電圧VoHを、一端、3相矩形波交流電圧に変換し、1次側直交変換部2がその3相矩形波交流電圧を整流して直流の高電圧VoH(バッテリB2)に変換する。
一方、上記双方向DC/DCコンバータは、降圧処理のエネルギー変換において、1次側直交変換部3がバッテリB2における直流の高電圧VoHを、一端、3相矩形波交流電圧に変換し、2次側直交変換部3がその3相矩形波交流電圧を整流して直流の低電圧VoL(バッテリB1)に変換する。
上記図6において、1次側直交変換部2は、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q1、Q2、Q3、Q4、Q11及びQ12と、第1の制御回路5から構成され、インバータ構成となっている。
トランジスタQ1、Q3及びQ11各々は、ドレインが低電圧バッテリB1の+側端子TVoLに接続されている。
一方、トランジスタQ2、Q4及びQ12各々は、ソースが低電圧バッテリB1の−側端子TVoLLに接続されている。
トランジスタQ1のソースはトランジスタQ2のドレインと接続点K1にて接続され、トランジスタQ3のソースはトランジスタQ4のドレインと接続点K2にて接続され、トランジスタQ11のソースはトランジスタQ12のドレインと接続点K3にて接続されている。
トランス13における1次巻線13Aの一方の端子及びトランス12における1次巻線12Aの他方の端子が接続点K1に接続され、トランス12における1次巻線12Aの一方の端子及びトランス11における1次巻線11Aの他方の端子が接続点K2に接続され、トランス11における1次巻線11Aの一方の端子及びトランス13における1次巻線13Aの他方の端子が接続点K3に接続されている。
また、トランジスタQ1、Q2、Q3、Q4、Q11、Q12各々は、それぞれのゲートに対して、上記第1の制御回路5から制御信号S1、S2、S3、S4、S11、S12それぞれが入力されている。
上記第1の制御回路5は、各制御信号を「H」レベルまたは「L」レベルにて出力し、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に流れる電流の向きを、一定の周期にて逆相となるよう制御する。これにより、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に対して単相矩形波交流電圧が印加される。
2次側直交変換部4は、Nチャネル型MOSトランジスタ(以下、単にトランジスタ)Q7、Q8、Q9、Q10、Q13、Q14と、第2の制御回路6から構成されている。
トランジスタQ7は、ドレインがチョークコイル7の端子Tc1に接続され、ソースが接続点P1に接続されている。
トランジスタQ9は、ドレインがチョークコイル7の端子Tc1に接続され、ソースが接続点P2に接続されている。
トランジスタQ13は、ドレインがチョークコイル7の端子Tc1に接続され、ソースが接続点P3に接続されている。
トランジスタQ8は、ドレインが接続点P1に接続され、ソースが低電圧バッテリB2の−側端子TvoLLに接続されている。
トランジスタQ10は、ドレインが接続点P2に接続され、ソースが低電圧バッテリB2の−側端子TvoLLに接続されている。
トランジスタQ14は、ドレインが接続点P3に接続され、ソースが低電圧バッテリB2の−側端子TvoLLに接続されている。
接続点P1はトランス11における2次巻線11Bの一方の端子及びトランス13における2次巻線13Bの他方の端子に接続され、接続点P2はトランス11における2次巻線11Bの他方の端子及びトランス12における2次巻線12Bの一方の端子に接続され、接続点P3はトランス12における2次巻線12Bの他方及びトランス13における2次巻線13Bの一方に接続されている。
また、トランジスタQ7、Q8、Q9、Q10、Q13、Q14各々は、それぞれのゲートに対して、上記第2の制御回路6から制御信号S7、S8、S9、S10、S13、S14それぞれが入力されている。
上記第2の制御回路6は、各制御信号を「H」レベルまたは「L」レベルにて出力し、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に流れる電流の向きを、一定の周期にて逆相となるよう制御する。これにより、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に対して単相矩形波交流電圧が印加される。
昇圧回路4は、すでに述べた一実施形態と同様のため説明を省略する。
上述したように、1次側直交変換部2において、トランジスタQ1〜Q4、Q11、Q12からなる複合スイッチの構造は3相矩形波交流電圧を生成するインバータ構成となっている。
昇圧動作において、上記3相矩形波交流電圧に対応し、2次側直交変換部3は、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に流れる電流により、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に逆相にて誘起される電圧を3相ブリッジ整流を行い高電圧VoHの生成を行う。
この2次側直交変換部3は、上述したトランジスタQ7、Q9及びQ13の寄生ダイオードD7、D9及びD13によるブリッジ整流により、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行う。
ここで、昇圧動作において、上述したようダイオードを用いた両波整流を行うのではなく、トランジスタQ1〜Q4、Q11、Q12の上述したスイッチングに同期して、第2の制御回路6は、トランジスタQ7〜Q10、Q13、Q14のオンオフを行う同期整流により、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行っても良い。
上述した昇圧動作において、第1の制御回路5は、制御により接続点K2に対応するトランジスタQ3及びQ4のゲートに印加する制御信号S3及びS4の位相に対して、接続点K1に対応するトランジスタQ1及びQ2のゲートに印加する制御信号S1及びS2の位相と、接続点K3に対応するトランジスタQ11及びQ12のゲートに印加する制御信号S11及びS12の位相とを変化させることにより、降圧される低電圧の電圧値を制御する。ここで、制御信号S3及びS4と、制御信号S1及びS2と、制御電圧S11及びS12の「H」レベル及び「L」レベルとなる周期は同一の長さである。
また、上述した位相制御ではなく、制御信号S1、S2、S3、S4、S11、S12のパルス幅を調整し、トランジスタQ1〜Q4、Q11、Q12のオン/オフ時間を制御して、昇圧電圧の電圧値を制御するPWM制御を用いてもよい。
一方、2次側直交変換部3において、トランジスタQ7〜Q10、Q13、Q14からなる複合スイッチの構造は1つの3相矩形波交流電圧を生成するインバータ構成となっている。
降圧動作において、上記3相矩形波交流電圧に対応し、1次側直交変換部2は、トランス11の2次巻線11B、トランス12の2次巻線12及びトランス13の2次巻線13B各々に流れる電流により、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に逆相にて誘起される電圧を3相ブリッジ整流を行い低電圧VoHの生成を行う。
この1次側直交変換部2は、上述したトランジスタQ1、Q3及びQ11の寄生ダイオードD1、D3及びD11によるブリッジ整流により、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行う。
ここで、昇圧動作において、上述したようダイオードを用いたブリッジ整流を行うのではなく、トランジスタQ7〜Q10、Q13、Q14の上述したスイッチングに同期して、第1の制御回路5は、トランジスタQ1〜Q4、Q11、Q12のオンオフを行う同期整流により、トランス11の1次巻線11A、トランス12の1次巻線12A、トランス13の1次巻線13A各々に誘起される単相矩形波交流電圧の整流動作を行っても良い。
上述した降圧動作において、第2の制御回路6は、すでに説明した一実施形態と同様に、トランジスタQ5をオンオフする制御信号S5の「H」レベルと「L」レベルとのデューティを変化させ、チョークコイル7に対して供給する電気エネルギを調整することにより、降圧電圧の電圧値の制御を行う。
また、昇圧及び降圧動作については、各トランジスタのスイッチングが一実施形態と同様のため省略する。
本発明の一実施形態による双方向DC/DCコンバータの構成例を示す図である。 降圧動作を説明するための双方向DC/DCコンバータの構成例を示す図である。 図2の双方向DC/DCコンバータの昇圧動作を説明する波形図である。 降圧動作を説明するための双方向DC/DCコンバータの構成例を示す図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作におけるトランジスタQ5〜Q10のスイッチング制御を説明する概念図である。 図4の双方向DC/DCコンバータの降圧動作を説明する波形図である。 本発明の他の実施形態である3相構成の双方向DC/DCコンバータの構成例を示す図である。
符号の説明
1…トランス
1A…1次巻線
1B…2次巻線
2…1次側直交変換部
3…2次側直交変換部
4…昇圧回路
5…第1の制御回路
6…第2の制御回路
7…チョークコイル
8、9…コンデンサ
B1,B2…バッテリ
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10…ダイオード
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10…トランジスタ

Claims (7)

  1. 第1の電圧と当該第1の電圧より電圧値の低い第2の電圧との相互間にて、電圧変換動作を行う双方向DC/DCコンバータであり、
    1次巻線及び当該1巻線より巻数が多い2次巻線からなるトランスと、
    前記1次巻線の一端及び前記第2の電圧の+側端子間に介挿された第1のスイッチ手段と、
    前記1次巻線の前記一端及び前記第2の電圧の−側端子間に介挿された第2のスイッチ手段と、
    前記1次巻線の他端及び前記第2の電圧の+側端子間に介挿された第3のスイッチ手段と、
    前記1次巻線の前記他端と前記第2の電圧の−側端子間に介挿された第4のスイッチ手段と、
    前記2次巻線の一端及び前記第1の電圧の+側端子間に設けられたチョークコイルと、
    該チョークコイルの一端及び前記第1の電圧の+側端子間に介挿された第5のスイッチ手段と、
    前記チョークコイルの前記一端及び第1の電圧の−側端子間に介挿された第6のスイッチ手段と、
    前記2次巻線の一端及び前記チョークコイルの他端間に介挿された第7のスイッチ手段と、
    前記2次巻線の前記一端及び前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第8のスイッチ手段と、
    前記2次巻線の他端及び前記チョークコイルの前記他端間に介挿された第9のスイッチ手段と、
    前記2次巻線の前記他端及び前記第1の電圧の−側端子間に介挿された第10のスイッチ手段と
    を有し、
    前記第2の電圧から前記第1の電圧に変換する際、前記第1巻線と前記第2巻線との巻数比のみでは昇圧電圧が設定された電圧に達しない場合、前記チョークコイルにより当該昇圧電圧の昇圧処理に用い、一方、前記第2の電圧から前記第1の電圧に変換する際、前記第1巻線と前記第2巻線との巻数比のみでは降圧電圧が設定された電圧に達しない場合、前記チョークコイルにより前記第1の電圧の降圧処理を行った後、前記トランスにより前記降圧電圧への降圧を行い、
    前記第7から第10のスイッチ手段を制御する第2の制御回路と、
    前記第1から第4のスイッチ手段各々に並列に接続されたダイオードからなる前記1次巻線に接続された第2の整流回路と
    をさらに有し、
    降圧動作において、第1の電圧が高電圧であり、第2の電圧が低電圧である場合、
    前記第2の制御回路が、前記第7及び第9のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか一方と、前記チョークコイルの前記他端との接続を制御し、また、前記第8及び第10のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか他方と、第1の電圧の−側端子とを接続し、前記周期毎に前記1次側巻線に流れる電流の方向が逆となるようプッシュプル動作させ、
    前記第2の整流回路から出力される整流電圧を平滑化して降圧電圧として出力する
    ことを特徴とする双方向DC/DCコンバータ。
  2. 前記第1から第4のスイッチ手段を制御する第1の制御回路と、
    前記第7から第10のスイッチ手段各々に並列に接続されたダイオードからなる前記2次巻線に接続された第1の整流回路と
    をさらに有し、
    前記第2の電圧から前記第1の電圧への昇圧動作において、
    前記第1の制御回路が、前記第1及び第3のスイッチ手段を周期的に制御し、前記1次巻線の一端あるいは他端のいずれか一方と、前記第2の電圧の+側端子との接続を制御し、また、前記第2及び第4のスイッチ手段を周期的に制御し、前記1次巻線の一端あるいは他端のいずれか他方と、第2の電圧の−側端子とを接続し、前記周期毎に前記2次側巻線に流れる電流の方向が逆となるようプッシュプル動作させ、
    この際、降圧電圧が予め設定された電圧に達しない場合、
    前記第1の整流回路から出力される第1の整流電圧を、前記第6のスイッチ手段をオンオフ制御させることで、前記チョークコイルにて前記第1の整流電圧の昇圧動作を行い、昇圧された電圧を昇圧電圧として出力することを特徴とする請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。
  3. 昇圧動作において、
    前記第1の制御回路が、前記第1及び3のスイッチ手段と、第2及び第4のスイッチ手段の各スイッチのオンオフのタイミングを位相及びパルス幅制御のいずれか一方あるいは双方により制御し、前記昇圧電圧が予め設定された電圧となるよう制御することを特徴とする請求項2に記載の双方向DC/DCコンバータ。
  4. 降圧動作において、降圧動作中、前記チョークコイルに同一方向に継続的に電流を流すよう第7、第8、第9及び第10のスイッチング手段を制御することを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の双方向DC/DCコンバータ。
  5. 降圧動作において、
    前記第2の制御回路が、前記第5のスイッチ手段をオンオフするパルスのデューティ比を制御することにより、前記降圧電圧が予め設定された電圧となるよう制御することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の双方向DC/DCコンバータ。
  6. 前記第1から第4及び第7から第10のスイッチ手段をMOSトランジスタとし、各並列に接続されたダイオードを前記MOSトランジスタの寄生ダイオードを使用し、第1及び第2の整流回路を構成することを特徴とする請求項から請求項5のいずれか一項に記載の双方向DC/DCコンバータ。
  7. 第1の電圧と、当該第1の電圧より電圧値の低い第2の電圧との相互間にて、電圧変換動作を行う双方向DC/DCコンバータであり、
    第1の1次巻線及び当該第1の1次巻線より巻数が多い第1の2次巻線からなる第1のトランスと、
    第2の1次巻線及び当該第2の1次巻線より巻数が多い第2の2次巻線からなる第2のトランスと、
    第3の1次巻線及び当該第3の1次巻線より巻数が多い第3の2次巻線からなる第3のトランスと、
    前記第2の1次巻線の他端及び前記第3の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第1のスイッチ手段と、
    前記第2の1次巻線の他端及び前記第3の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第2のスイッチ手段と、
    前記第1の1次巻線の他端及び前記第2の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第3のスイッチ手段と、
    前記第1の1次巻線の他端及び前記第2の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第4のスイッチ手段と、
    前記第3の1次巻線の他端及び前記第1の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の+側端子との間に介挿された第11のスイッチ手段と、
    前記第3の1次巻線の他端及び前記第1の1次巻線の一端と、前記第2の電圧の−側端子との間に介挿された第12のスイッチ手段と、
    前記各2次巻線の一端及び前記第1の電圧の+側端子間に設けられたチョークコイルと、
    該チョークコイルの一端及び第1の電圧の+側端子間に介挿された第5のスイッチ手段と、
    前記チョークコイルの前記一端及び第1の電圧の−側端子間に介挿された第6のスイッチ手段と、
    前記第1の2次巻線の一端及び前記第3の1次巻線の他端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第7のスイッチ手段と、
    前記第1の2次巻線の一端及び前記第3の1次巻線の他端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第8のスイッチ手段と、
    前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第9のスイッチ手段と、
    前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第10のスイッチ手段と、
    前記第2の2次巻線の他端及び前記第3の2次巻線の一端と、前記チョークコイルの他端との間に介挿された第13のスイッチ手段と、
    前記第2の2次巻線の他端及び前記第3の2次巻線の一端と、前記第1の電圧の−側端子との間に介挿された第14のスイッチ手段と、
    を有し、
    前記第2の電圧から前記第1の電圧に変換する際、前記第1巻線と前記第2巻線との巻数比のみでは昇圧電圧が設定された電圧に達しない場合、前記チョークコイルにより当該昇圧電圧の昇圧処理に用い、一方、前記第2の電圧から前記第1の電圧に変換する際、前記第1巻線と前記第2巻線との巻数比のみでは降圧電圧が設定された電圧に達しない場合、前記チョークコイルにより前記第1の電圧の降圧処理を行った後、前記トランスにより前記降圧電圧への降圧を行い、
    前記第7から第10及び第13並びに第14のスイッチ手段を制御する第2の制御回路と、
    前記第1から第4及び第11並びに第12のスイッチ手段各々に並列に接続されたダイオードからなる前記1次巻線に接続された第2の整流回路と
    をさらに有し、
    降圧動作において、第1の電圧が高電圧であり、第2の電圧が低電圧である場合、
    前記第2の制御回路が、前記第7、第9、及び第13のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか一方と、前記チョークコイルの前記他端との接続を制御し、また、前記第8、第10、及び第14のスイッチ手段を周期的に制御し、前記2次巻線の一端あるいは他端のいずれか他方と、第1の電圧の−側端子とを接続し、前記周期毎に前記1次側巻線に流れる電流の方向が逆となるようプッシュプル動作させ、前記第2の整流回路から出力される整流電圧を平滑化して降圧電圧として出力する
    ことを特徴とする双方向DC/DCコンバータ。
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