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公開番号2025145414
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2024045583
出願日2024-03-21
発明の名称電力変換システム
出願人富士電機株式会社
代理人弁理士法人旺知国際特許事務所,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250926BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】複数のスイッチング素子のうちの一部のスイッチング素子への熱集中が緩和された電力変換システムを提供する。
【解決手段】電力変換システム100aは、絶縁トランス102を有し、絶縁トランス102の1次側および2次側に第1ブリッジ回路111および第2ブリッジ回路112を備え、各ブリッジ回路が、直列接続された1以上のスイッチング素子を各々含み、相互に並列接続された複数のレグからなる絶縁DC/DCコンバータ110と、絶縁DC/DCコンバータ110のスイッチング素子を駆動するための駆動パルスを生成する制御装置106aと、を備える。制御装置106aは、1のブリッジ回路に対する駆動パルスのうち1のレグに対する駆動パルスのオンタイミングと他の1のレグに対する駆動パルスのオフタイミングを入れ替えるタイミング入替操作を周期的に行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
絶縁トランスを有し、前記絶縁トランスの１次側および２次側それぞれに少なくとも１つのブリッジ回路を備え、各ブリッジ回路が、直列接続された１以上のスイッチング素子を各々含み、相互に並列接続された複数のレグからなる絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動するための駆動パルスを生成する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、１以上のブリッジ回路のうちの１のブリッジ回路に対する駆動パルスのうち１のレグに対する駆動パルスのオンタイミングと他の１のレグに対する駆動パルスのオフタイミングを入れ替えるタイミング入替操作を周期的に行うことを特徴とする電力変換システム。
続きを表示（約 990 文字）【請求項２】
前記制御装置は、前記絶縁トランスに与えられる交流電圧がゼロとなるゼロ電圧期間の始点および終点となる前記駆動パルスのオンタイミングまたはオフタイミングに基づいて前記タイミング入替操作を行う請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
絶縁トランスを有し、前記絶縁トランスの１次側および２次側それぞれに少なくとも１つのブリッジ回路を備え、各ブリッジ回路が、直列接続された１以上のスイッチング素子を各々含み、相互に並列接続された複数のレグからなる絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を駆動するための駆動パルスを生成する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、１以上のブリッジ回路のうちの１のブリッジ回路に対する駆動パルスのうち１のレグに対する駆動パルスと他の１のレグに対する駆動パルスについて、両駆動パルスの極性が一致する期間における両駆動パルスの極性を反転させるタイミング入替操作を周期的に行うことを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
前記絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側と２次側の双方の直流電圧を検出する直流電圧検出部を有し、
前記制御装置は、前記直流電圧検出部で検出した１次側と２次側の直流電圧に基づき、前記タイミング入替操作の対象となるブリッジ回路を決定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記駆動パルスのエッジの位相を制御することにより、前記絶縁トランスの１次側および２次側の各交流電圧の双方がゼロ電圧となる期間を制御する不連続電流モードの位相制御、あるいは前記駆動パルスのエッジの位相を制御することにより、前記絶縁トランスの１次側および２次側の各交流電圧が逆極性となる期間を制御する連続電流モードの位相制御を制御変数の大きさに応じて実行する請求項４に記載の電力変換システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記不連続電流モードの位相制御および前記連続電流モードの位相制御の双方において、前記絶縁トランスに流れる電流のピーク点の前後の変曲点の電流値が一致するように前記駆動パルスのエッジの位相を制御することを特徴とする請求項５に記載の電力変換システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータを利用した電力変換システムに関する。
続きを表示（約 3,000 文字）【背景技術】
【０００２】
図１１は絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を利用した電力変換システム１００の構成例を示す回路図である。絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、１次側巻線と２次側巻線が電気的に絶縁された絶縁トランス１０２を有する。絶縁トランス１０２の１次側巻線には直列インダクタ１０４ａが接続されている。この直列インダクタ１０４ａは、絶縁トランス１０２の１次側巻線の漏れインダクタンスあるいはこの漏れインダクタンスに対して外付けインダクタンスを追加したものである。なお、漏れインダクタンスのみを電力伝送に利用する場合には、外付けインダクタンスは不要である。絶縁トランス１０２の２次側巻線にも同様な直列インダクタ１０４ｂが接続されている。
【０００３】
第１ブリッジ回路１１１は、絶縁トランス１０２の１次側巻線に対して１次側交流電圧ｖ
１
を供給する回路である。この第１ブリッジ回路１１１は、直列接続されたスイッチング素子１０１ａおよび１０１ｂからなるレグ１３１と、直列接続されたスイッチング素子１０１ｃおよび１０１ｄからなるレグ１３２とを並列接続したフルブリッジ回路である。この例において、スイッチング素子１０１ａ～１０１ｄの各々は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor；金属－酸化膜－半導体構造の電界効果トランジスタ）と、これに対して逆並列接続されたダイオードとからなる。第１ブリッジ回路１１１には、キャパシタ１０３ａが並列接続される。そして、第１ブリッジ回路１１１には、１次側直流電圧Ｅ
１
が与えられる。この第１ブリッジ回路１１１において、スイッチング素子１０１ａおよび１０１ｂ間の中間ノードと、スイッチング素子１０１ｃおよび１０１ｄ間の中間ノードとの間から、絶縁トランス１０２に対する１次側交流電圧ｖ
１
が出力される。
【０００４】
第２ブリッジ回路１１２は、絶縁トランス１０２の２次側巻線に対して２次側交流電圧ｖ
２
を供給する回路である。この第２ブリッジ回路１１２は、第１ブリッジ回路１１１と同様、直列接続されたスイッチング素子１０１ｅおよび１０１ｆからなるレグ１４１と、直列接続されたスイッチング素子１０１ｇおよび１０１ｈからなるレグ１４２とを並列接続したブリッジ回路である。第２ブリッジ回路１１２には、キャパシタ１０３ｂが並列接続される。そして、第２ブリッジ回路１１２には、２次側直流電圧Ｅ
２
が与えられる。この第２ブリッジ回路１１２において、スイッチング素子１０１ｅおよび１０１ｆ間の中間ノードと、スイッチング素子１０１ｇおよび１０１ｈ間の中間ノードとの間から、絶縁トランス１０２に対する２次側交流電圧ｖ
２
が出力される。
【０００５】
直流電圧検出部１０７ａは、第１ブリッジ回路１１１に与えられる１次側直流電圧Ｅ
１
を検出する回路である。また、直流電圧検出部１０７ｂは、第２ブリッジ回路１１２に与えられる２次側直流電圧Ｅ
２
を検出する回路である。
【０００６】
制御装置１０６は、第１ブリッジ回路１１１のスイッチング素子１０１ａ～１０１ｄを各々駆動するための駆動パルスＧａ～Ｇｄと、第２ブリッジ回路１１２のスイッチング素子１０１ｅ～１０１ｈを各々駆動するための駆動パルスＧｅ～Ｇｈを発生する装置である。
【０００７】
駆動回路部１０５ａは、制御装置１０６が発生する駆動パルスＧａ～Ｇｄによりスイッチング素子１０１ａ～１０１ｄを駆動し、駆動回路部１０５ｂは、制御装置１０６が発生する駆動パルスＧｅ～Ｇｈによりスイッチング素子１０１ｅ～１０１ｈを駆動する。
【０００８】
制御装置１０６は、直流電圧検出部１０７ａにより検出される１次側直流電圧Ｅ
１
および直流電圧検出部１０７ｂにより検出される２次側直流電圧Ｅ
２
に基づき、スイッチング素子１０１ａ～１０１ｈを駆動するための駆動パルスＧａ～Ｇｈのエッジの位相を制御し、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の電力伝送の制御を行う。
【０００９】
以下、図１２の波形図を参照し、電力変換システム１００の動作例を説明する。電力変換システム１００において、第１ブリッジ回路１１１および第２ブリッジ回路１１２は、同じ周期（波長）の１次側交流電圧ｖ
１
および２次側交流電圧ｖ
２
を出力する。以下の説明では、位相角あるいは位相差という用語が用いられるが、これは１次側交流電圧ｖ
１
および２次側交流電圧ｖ
２
の１周期（１波長）を２πとして表現した各種の期間の相対的な長さを意味する。また、以下の説明において、２次側直流電圧Ｅ
２
および２次側交流電圧ｖ
２
は１次側に換算した電圧値を意味する。すなわち、絶縁トランス１０２の１次側巻線の巻回数をｎ１、２次側巻線の巻回数をｎ２とした場合において、実際の２次側直流電圧に対して係数ｎ１／ｎ２を乗算した電圧値（１次側に換算した電圧値）が２次側直流電圧Ｅ
２
である。２次側交流電圧ｖ
２
についても同様である。また、以下の説明において、低圧側および高圧側は、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の１次側および２次側のうち低圧が発生している側および高圧が発生している側を意味する。例えば１次側直流電圧Ｅ
１
と１次側換算された２次側直流電圧Ｅ
２
との間にＥ
１
＜Ｅ
２
の関係があれば１次側が低圧側で２次側が高圧側であり、Ｅ
１
＞Ｅ
２
の関係があれば１次側が高圧側で２次側が低圧側である。
【００１０】
図１２の動作例では、１次側直流電圧Ｅ
１
と２次側直流電圧Ｅ
２
との間にＥ
１
＜Ｅ
２
の関係がある。従って、１次側が低圧側、２次側が高圧側である。この動作例において、制御装置１０６は、±Ｅ
１
の振幅を有し、デューティ比５０％を有する矩形波の１次側交流電圧ｖ
１
を第１ブリッジ回路１１１に出力させ、かつ、±Ｅ
２
の振幅を有し、デューティ比５０％を有し、１次側交流電圧ｖ
１
に対して位相角δだけ遅れた矩形波の２次側交流電圧ｖ
２
を第２ブリッジ回路１１２に出力させている。なお、ここでデューティ比は５０％から多少ずらす場合もある。このように１次側交流電圧ｖ
１
に対して２次側交流電圧ｖ
２
の位相が遅れる場合、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０では、１次側から２次側への電力伝送が行われる。以下、この電力伝送の動作を説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

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