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公開番号2025072954
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-12
出願番号2023183454
出願日2023-10-25
発明の名称電力変換装置
出願人パナソニックIPマネジメント株式会社
代理人個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250501BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】DABコンバータに含まれるスイッチング素子の発熱を均一化する。
【解決手段】DABコンバータにおいて、制御回路(13)は、降圧して電力を伝送する場合、第1ブリッジ回路(11)が第1直流部(E1、Ca)と絶縁トランス(TR1)の一次巻線(n1)を導通させ、第2ブリッジ回路(12)が絶縁トランス(TR1)の二次巻線(n2)を第2直流部(E2、Cb)と導通させる第1の期間と、絶縁トランス(TR1)の一次巻線(n1)の両端を第1ブリッジ回路(11)内で短絡させ、第2ブリッジ回路(12)が絶縁トランス(TR1)の二次巻線(n2)を第2直流部(E2、Cb)と導通させる第2の期間を発生させる。制御回路(13)は、第1ブリッジ回路(11)に含まれる4つのスイッチング素子(Q1-Q4)に供給する駆動信号を、第1レグと第2レグの間で入れ替える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１レグと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２レグを有し、前記第１レグと前記第２レグが第１直流部に並列接続される第１ブリッジ回路と、
第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３レグと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４レグを有し、前記第３レグと前記第４レグが第２直流部に並列接続される第２ブリッジ回路と、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、
前記第１スイッチング素子－前記第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第１直流部から前記第２直流部へ降圧して電力を伝送する場合、
前記第１ブリッジ回路が前記第１直流部と前記絶縁トランスの一次巻線を導通させ、前記第２ブリッジ回路が前記絶縁トランスの二次巻線を前記第２直流部と導通させる第１の期間と、前記絶縁トランスの一次巻線の両端を前記第１ブリッジ回路内で短絡させ、前記第２ブリッジ回路が前記絶縁トランスの二次巻線を前記第２直流部と導通させる第２の期間を発生させ、
前記第１ブリッジ回路に含まれる４つのスイッチング素子に供給する駆動信号を、前記第１レグと前記第２レグの間で入れ替える、
電力変換装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記制御回路は、前記第２ブリッジ回路に含まれる４つのスイッチング素子に供給する駆動信号を、前記第３レグと前記第４レグの間で入れ替える、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１の期間は第１パターンと第２パターンを含み、前記第２の期間は第３パターンと第４パターンを含み、
前記第１パターンは、前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオン状態で、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオフ状態で、前記第２ブリッジ回路が整流状態であり、
前記第２パターンは、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオン状態で、前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオフ状態で、前記第２ブリッジ回路が整流状態であり、
前記第３パターンは、前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオン状態で前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオフ状態、または、前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオン状態で前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオフ状態で、前記第２ブリッジ回路が整流状態であり、
前記第４パターンは、前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオン状態で前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオフ状態、または、前記第１スイッチング素子と前記第３スイッチング素子がオン状態で前記第２スイッチング素子と前記第４スイッチング素子がオフ状態で、前記第２ブリッジ回路が整流状態である、
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御回路は、
前記第１パターンの期間と前記第２パターンの期間を同期させ、
前記第３パターンの期間と前記第４パターンの期間を同期させる、
請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、
各スイッチング素子に供給する駆動信号のオン時間とオフ時間で、前記第１直流部から前記第２直流部へ供給する電力の電圧または電流を制御する、
請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御回路は、
前記第２直流部から前記第１直流部へ降圧して電力を伝送する場合、
前記第１スイッチング素子－前記第４スイッチング素子に供給する駆動信号と、前記第５スイッチング素子－前記第８スイッチング素子に供給する駆動信号を入れ替える、
請求項１または２に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、直流電力を別の電圧の直流電力に変換する電力変換装置に関する。
続きを表示（約 3,800 文字）【背景技術】
【０００２】
太陽光発電システムやＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムに使用されるパワーコンディショナは、高効率な電力変換が求められる。Ｖ２Ｈシステムは、電動車（例えば、ＥＶ、ＰＨＥＶ）に搭載された蓄電池と、商用電力系統または宅内の負荷との間で充放電することができる。例えば、家庭用の太陽光発電システムで発電した電力を電動車の蓄電池に充電することができる。また、電動車に搭載された蓄電池を、宅内の負荷のピークシフトやバックアップ用途に利用することができる。Ｖ２Ｈシステムで使用されるＤＣ／ＤＣコンバータには高効率であること、絶縁型であることに加え、広範囲の電圧レンジが求められる。電動車に搭載された蓄電池は、車種により蓄電池の電圧が大きく異なるためである。これらの要求を満たすＤＣ／ＤＣコンバータの一つに、ＤＡＢ(Dual Active Bridge)コンバータがある。
【０００３】
一般的なＤＡＢコンバータでは、低出力時のハードスイッチングによる損失の増加、電力伝送に関係ない無効電流が流れることによる損失の増加が発生する。これに対して例えば、４つのスイッチング素子をブリッジ接続したブリッジ回路の、どちらか一方のレグに入力するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を全オフしつつ、位相シフト方式で昇圧または降圧するＤＡＢコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
国際公開第１６／１２５３７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記提案されたＤＡＢコンバータの２次側のブリッジ回路では、全オフしているスイッチング素子と、位相シフト制御に使用されているスイッチング素子とで損失が不均一になる。そのため発熱量も不均一になり、スイッチング素子を冷却するための部材（例えば、ヒートシンク）の大型化を招く。また、スイッチング素子間の寿命のバラツキも大きくなる。
【０００６】
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、ＤＡＢコンバータに含まれるスイッチング素子の発熱を均一化する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が直列接続された第１レグと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子が直列接続された第２レグを有し、前記第１レグと前記第２レグが第１直流部に並列接続される第１ブリッジ回路と、第５スイッチング素子と第６スイッチング素子が直列接続された第３レグと、第７スイッチング素子と第８スイッチング素子が直列接続された第４レグを有し、前記第３レグと前記第４レグが第２直流部に並列接続される第２ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の間に接続された絶縁トランスと、前記第１スイッチング素子－前記第８スイッチング素子を制御する制御回路と、を備える。前記制御回路は、前記第１直流部から前記第２直流部へ降圧して電力を伝送する場合、前記第１ブリッジ回路が前記第１直流部と前記絶縁トランスの一次巻線を導通させ、前記第２ブリッジ回路が前記絶縁トランスの二次巻線を前記第２直流部と導通させる第１の期間と、前記絶縁トランスの一次巻線の両端を前記第１ブリッジ回路内で短絡させ、前記第２ブリッジ回路が前記絶縁トランスの二次巻線を前記第２直流部と導通させる第２の期間を発生させ、前記第１ブリッジ回路に含まれる４つのスイッチング素子に供給する駆動信号を、前記第１レグと前記第２レグの間で入れ替える。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、ＤＡＢコンバータに含まれるスイッチング素子の発熱を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施の形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。
図２（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の比較例１に係る動作状態を説明するための図である。
図３（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の比較例２に係る降圧動作における電流の流れを説明するための図である。
電力変換装置の比較例２に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを説明するための図である。
図５（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の比較例２に係る昇圧動作における電流の流れを説明するための図である。
電力変換装置の比較例２に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンを説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第１の例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第２の例を説明するための図である。
図９（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作における電流の流れを説明するための図である（その１）。
図１０（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の実施例に係る降圧動作における電流の流れを説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子の逆方向伝送時のスイッチングパターンの一例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンの変形例１を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンの変形例２を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第１の例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第２の例を説明するための図である。
図１６（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作における電流の流れを説明するための図である（その１）。
図１７（ａ）－（ｃ）は、電力変換装置の実施例に係る昇圧動作における電流の流れを説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る昇圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子の逆方向伝送時のスイッチングパターンと、トランス電流の一例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第１の例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンと、トランス電流の第２の例を説明するための図である。
図２１（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作における電流の流れを説明するための図である（その１）。
図２２（ａ）－（ｂ）は、電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作における電流の流れを説明するための図である（その２）。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子の逆方向伝送時のスイッチングパターンの一例を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンの変形例１を説明するための図である。
電力変換装置の実施例に係る昇降圧動作時における第１スイッチング素子－第８スイッチング素子のスイッチングパターンの変形例２を説明するための図である。
実施例に係る降圧動作、昇圧動作、昇降圧動作の切り替えを説明するための図である。
制御回路の構成例を示す図である。
図２８（ａ）－（ｂ）は、同期整流期間を演算する理論式の変数と定数の一例をグラフに示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、実施の形態に係る電力変換装置１の構成を説明するための図である。電力変換装置１は絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（ＤＡＢコンバータ）であり、第１直流電源Ｅ１から供給される直流電力を変換して第２直流電源Ｅ２に伝送する。また電力変換装置１は、第２直流電源Ｅ２から供給される直流電力を変換して第１直流電源Ｅ１に伝送する。電力変換装置１は降圧して電力伝送することも、昇圧して電力伝送することも可能である。
（【００１１】以降は省略されています）

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