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公開番号2025110460
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-29
出願番号2024004307
出願日2024-01-16
発明の名称DC/DCコンバータ及びDC/DCコンバータの制御方法
出願人三菱重工業株式会社
代理人弁理士法人酒井国際特許事務所
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250722BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ハードスイッチングを抑制し、ソフトスイッチングとすることで、損失低減を図りつつ、変換効率の向上を図る。
【解決手段】トランスと、トランスの1次側に接続され、ゲート信号によりオン/オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する1次側ブリッジ回路と、トランスの2次側に接続され、ゲート信号によりオン/オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する2次側ブリッジ回路と、1次側ブリッジ回路及び2次側ブリッジ回路を制御する制御部と、を備え、制御部は、ゲート信号を生成し、トランスで検出されるトランス電流の正負が反転するか否かを判定し、トランス電流が反転すると判定した場合、トランス電流が正負に反転するタイミングを含むスクリーン期間において、生成したゲート信号の一部をオフにするためのスクリーン信号を生成し、生成したゲート信号と生成したスクリーン信号とを合成して、スイッチング素子へ向けて出力する。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
トランスと、
前記トランスの１次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する１次側ブリッジ回路と、
前記トランスの２次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する２次側ブリッジ回路と、
前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記ゲート信号を生成し、
前記トランスで検出されるトランス電流の正負が反転するか否かを判定し、
前記トランス電流が反転すると判定した場合、前記トランス電流が正負に反転するタイミングを含むスクリーン期間において、生成した前記ゲート信号の一部をオフにするためのスクリーン信号を生成し、
生成した前記ゲート信号と生成した前記スクリーン信号とを合成して、前記スイッチング素子へ向けて出力するＤＣ／ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 3,900 文字）【請求項２】
前記１次側ブリッジ回路は、
第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、第３のスイッチング素子と、第４のスイッチング素子と、を有し、
前記第１のスイッチング素子は、アノード側が前記トランスの１次側のコイルの一方の端子側に接続され、カソード側が前記第３のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第２のスイッチング素子は、カソード側が前記１次側のコイルの一方の端子側に接続され、アノード側が前記第４のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第３のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子と同期して作動すると共に、アノード側が前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、カソード側が前記第１のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの一方の端子側に接続され、
前記第４のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子と同期して作動すると共に、カソード側が前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、アノード側が前記第２のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの一方の端子側に接続されており、
前記２次側ブリッジ回路は、
第５のスイッチング素子と、第６のスイッチング素子と、第７のスイッチング素子と、第８のスイッチング素子と、を有し、
前記第５のスイッチング素子は、アノード側が前記トランスの２次側のコイルの一方の端子側に接続され、カソード側が前記第７のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第６のスイッチング素子は、カソード側が前記２次側のコイルの一方の端子側に接続され、アノード側が前記第８のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第７のスイッチング素子は、前記第６のスイッチング素子と同期して作動すると共に、アノード側が前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、カソード側が前記第５のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの一方の端子側に接続され、
前記第８のスイッチング素子は、前記第５のスイッチング素子と同期して作動すると共に、カソード側が前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、アノード側が前記第６のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの一方の端子側に接続されており、
前記１次側ブリッジ回路における電圧をＶ１とし、前記トランスの前記２次側のコイルの巻数に対する前記１次側のコイルの巻数の巻数比をｎ：１とし、前記２次側ブリッジ回路における電圧をＶ２とすると、
前記制御部は、
電圧ｎＶ２が電圧Ｖ１よりも大きくなる昇圧動作時に、
前記トランス電流が正から負へ反転する場合、前記スクリーン期間において、前記第５のスイッチング素子及び前記第８のスイッチング素子の前記ゲート信号をオフにする第１の前記スクリーン信号を生成し、
前記トランス電流が負から正へ反転する場合、前記スクリーン期間において、前記第６のスイッチング素子及び前記第７のスイッチング素子の前記ゲート信号をオフにする第２の前記スクリーン信号を生成する請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
第１の前記スクリーン信号は、
前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオン状態であり、前記トランス電流が負となるタイミングで、オン状態となり、
前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オフ状態となる信号である請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
第２の前記スクリーン信号は、
前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子がオン状態であり、前記トランス電流が正となるタイミングで、オン状態となり、
前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オフ状態となる信号である請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記１次側ブリッジ回路は、
第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、第３のスイッチング素子と、第４のスイッチング素子と、を有し、
前記第１のスイッチング素子は、アノード側が前記トランスの１次側のコイルの一方の端子側に接続され、カソード側が前記第３のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第２のスイッチング素子は、カソード側が前記１次側のコイルの一方の端子側に接続され、アノード側が前記第４のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第３のスイッチング素子は、前記第２のスイッチング素子と同期して作動すると共に、アノード側が前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、カソード側が前記第１のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの一方の端子側に接続され、
前記第４のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子と同期して作動すると共に、カソード側が前記１次側のコイルの他方の端子側に接続され、アノード側が前記第２のスイッチング素子を介して前記１次側のコイルの一方の端子側に接続されており、
前記２次側ブリッジ回路は、
第５のスイッチング素子と、第６のスイッチング素子と、第７のスイッチング素子と、第８のスイッチング素子と、を有し、
前記第５のスイッチング素子は、アノード側が前記トランスの２次側のコイルの一方の端子側に接続され、カソード側が前記第７のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第６のスイッチング素子は、カソード側が前記２次側のコイルの一方の端子側に接続され、アノード側が前記第８のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、
前記第７のスイッチング素子は、前記第６のスイッチング素子と同期して作動すると共に、アノード側が前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、カソード側が前記第５のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの一方の端子側に接続され、
前記第８のスイッチング素子は、前記第５のスイッチング素子と同期して作動すると共に、カソード側が前記２次側のコイルの他方の端子側に接続され、アノード側が前記第６のスイッチング素子を介して前記２次側のコイルの一方の端子側に接続されており、
前記１次側ブリッジ回路における電圧をＶ１とし、前記トランスの前記２次側のコイルの巻数に対する前記１次側のコイルの巻数の巻数比をｎ：１とし、前記２次側ブリッジ回路における電圧をＶ２とすると、
前記制御部は、
電圧ｎＶ２が電圧Ｖ１よりも小さくなる降圧動作時に、
前記トランス電流が負から正へ反転する場合、前記スクリーン期間において、前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子の前記ゲート信号をオフにする第３の前記スクリーン信号を生成し、
前記トランス電流が正から負へ反転する場合、前記スクリーン期間において、前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子の前記ゲート信号をオフにする第４の前記スクリーン信号を生成する請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
第３の前記スクリーン信号は、
前記第１のスイッチング素子及び前記第４のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オン状態となり、
前記第５のスイッチング素子及び前記第８のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オフ状態となる信号である請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
第４の前記スクリーン信号は、
前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オン状態となり、
前記第６のスイッチング素子及び前記第７のスイッチング素子がオン状態となるタイミングで、オフ状態となる信号である請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
トランスと、
前記トランスの１次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する１次側ブリッジ回路と、
前記トランスの２次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する２次側ブリッジ回路と、
前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路を制御する制御部と、を備えるＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法において、
前記制御部が、
前記ゲート信号を生成し、
前記トランスで検出されるトランス電流の正負が反転するか否かを判定し、
前記トランス電流が反転すると判定した場合、前記トランス電流が正負に反転するタイミングを含むスクリーン期間において、生成した前記ゲート信号の一部をオフにするためのスクリーン信号を生成し、
生成した前記ゲート信号と生成した前記スクリーン信号とを合成して、前記スイッチング素子へ向けて出力するＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＡＢ（ＤｕａｌＡｃｔｉｖｅＢｒｉｄｇｅ）方式のＤＣ／ＤＣコンバータが知られている（例えば、特許文献１参照）。このＤＣ／ＤＣコンバータでは、伝送期間と休止期間を交互に発生させる間欠運転を行っており、休止期間の長さを調整することで、伝送電力を調整している。また、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、間欠運転において、第１フルブリッジ回路と第２フルブリッジ回路とのそれぞれにおいて、ハードスイッチングが経時的に正負でバランスして発生するように制御されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０１９－１１８２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ハードスイッチングは、電圧変動時（図１に示す、１次電圧Ｖ１と、トランス巻数比ｎを２次電圧Ｖ２に乗じた出力電圧ｎＶ２が異なる電圧となる場合）、及び軽負荷時において発生しやすい。つまり、電圧変動する場合、電圧変動しない（Ｖ１＝ｎＶ２）場合に比して、トランス電流が急峻な変化となる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチング素子に含まれるダイオードがリカバリーを起こすことで、一時的に短絡状態、すなわちハードスイッチングとなり、電力損失が発生したり、変換効率が悪化したりする。また、軽負荷時には、トランス電流が少なくなり、１次電圧及び２次電圧が標準電圧から僅かにずれるだけで、トランス電流がゼロクロス、つまり正負反転が起こりやすくなる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、電圧変動時と同様に、ダイオードがリカバリーを起こすことで、ハードスイッチングとなり、電力損失が発生したり、変換効率が悪化したりする。
【０００５】
そこで、本開示は、ハードスイッチングを抑制し、ソフトスイッチングとすることで、損失低減を図りつつ、変換効率の向上を図ることができるＤＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと、前記トランスの１次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する１次側ブリッジ回路と、前記トランスの２次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する２次側ブリッジ回路と、前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ゲート信号を生成し、前記トランスで検出されるトランス電流の正負が反転するか否かを判定し、前記トランス電流が反転すると判定した場合、前記トランス電流が正負に反転するタイミングを含むスクリーン期間において、生成した前記ゲート信号の一部をオフにするためのスクリーン信号を生成し、生成した前記ゲート信号と生成した前記スクリーン信号とを合成して、前記スイッチング素子へ向けて出力する。
【０００７】
本開示のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法は、トランスと、前記トランスの１次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する１次側ブリッジ回路と、前記トランスの２次側に接続され、ゲート信号によりオン／オフ切替を行うスイッチング素子を複数有する２次側ブリッジ回路と、前記１次側ブリッジ回路及び前記２次側ブリッジ回路を制御する制御部と、を備えるＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法において、前記制御部が、前記ゲート信号を生成し、前記トランスで検出されるトランス電流の正負が反転するか否かを判定し、前記トランス電流が反転すると判定した場合、前記トランス電流が正負に反転するタイミングを含むスクリーン期間において、生成した前記ゲート信号の一部をオフにするためのスクリーン信号を生成し、生成した前記ゲート信号と生成した前記スクリーン信号とを合成して、前記スイッチング素子へ向けて出力する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、ハードスイッチングを抑制し、ソフトスイッチングとすることで、損失低減を図りつつ、変換効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成図である。
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通常モードの昇圧運転時におけるゲート信号のグラフである。
図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通常モードの降圧運転時におけるゲート信号のグラフである。
図４は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置に係るブロック図である。
図５は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスクリーンモードの昇圧運転時におけるゲート信号のグラフである。
図６は、ＤＣ／ＤＣコンバータのスクリーンモードの降圧運転時におけるゲート信号のグラフである。
図７は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に係る一例のフローチャートである。
図８は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に係る一例のフローチャートである。
図９は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に係る一例のフローチャートである。
図１０は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に係る一例のフローチャートである。
図１１は、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法に係る一例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの開示が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせ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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