JP2019126228A - Control device for dc/dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DC(直流)電圧を所望のDC電圧に変換するDC/DCコンバータ(例えば、DAB(Dual Active Bridge)方式の双方向DC/DCコンバータ等)内のスイッチング素子をオン/オフ制御する制御装置に関するものである。 The present invention performs on / off control of switching elements in a DC / DC converter (for example, a DAB (Dual Active Bridge) bidirectional DC / DC converter) that converts a DC (direct current) voltage into a desired DC voltage. It relates to a control device.
図17は、特許文献1等に記載された従来の三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータを示す回路図である。
三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータは、双方向に使用できるコンバータであり、1次側電力P1の1次側DC電圧E1が印加される平滑用のコンデンサ1−1と、2次側電力P2の2次側DC電圧E2が印加される平滑用のコンデンサ1−2と、を有している。コンデンサ1−1の両電極間には、DC電圧とAC(交流)電圧とを相互に変換する共振機能付きの1次側ブリッジ回路10−1が接続され、コンデンサ1−2の両電極間にも、AC電圧とDC電圧とを相互に変換する共振機能付きの2次側ブリッジ回路10−2が接続されている。
FIG. 17 is a circuit diagram showing a conventional three-phase DAB bidirectional DC / DC converter described in
The three-phase DAB bidirectional DC / DC converter is a converter that can be used bidirectionally, and includes a smoothing capacitor 1-1 to which a primary DC voltage E1 of the primary power P1 is applied, and a secondary side. And a smoothing capacitor 1-2 to which a secondary side DC voltage E2 of power P2 is applied. Between both electrodes of the capacitor 1-1, a primary side bridge circuit 10-1 with a resonance function for converting DC voltage and AC (AC) voltage to each other is connected, and between both electrodes of the capacitor 1-2 Also, a secondary side bridge circuit 10-2 with a resonance function that converts an AC voltage and a DC voltage to each other is connected.
1次側ブリッジ回路10−1は、6つのスイッチング素子(例えば、MOS型FET)11,12,13,14,15,16がフルブリッジ形に接続されて構成されている。各FET11〜16のドレイン・ソース間には、ボディダイオード11a〜16aがそれぞれ逆並列に接続されると共に、寄生容量11b〜16bがそれぞれ並列に接続されている。2次側ブリッジ回路10−2も、6つのスイッチング素子(例えば、MOS型FET)17,18,19,20,21,22がフルブリッジ形に接続されて構成されている。各FET17〜22のドレイン・ソース間にも、ボディダイオード17a〜22aがそれぞれ逆並列に接続されると共に、寄生容量17b〜22bがそれぞれ並列に接続されている。
The primary side bridge circuit 10-1 is configured by connecting six switching elements (for example, MOS type FETs) 11, 12, 13, 14, 15, 16 in a full bridge form. Between the drain and source of each of the FETs 11-16, body diodes 11a-16a are connected in anti-parallel, and parasitic capacitances 11b-16b are connected in parallel. The secondary side bridge circuit 10-2 is also configured by connecting six switching elements (for example, MOS type FETs) 17, 18, 19, 20, 21 and 22 in a full bridge form. Also between the drain and source of each of the
1次側ブリッジ回路10−1と2次側ブリッジ回路10−2との間には、インダクタンス値Lの共振用の三相インダクタ31,32,33と入出力間絶縁用の三相変圧器(以下「トランス」という。)40と、が接続されている。各FET11〜16側の寄生容量11b〜16bと各インダクタ31〜33とにより、LC共振回路が構成されている。三相トランス40は、3つの1次巻線41−1,42−1,43−1と3つの2次巻線41−2,42−2,43−2とを有し、それらがY−Y結線方式で接続されている。各2次巻線41−2〜43−2のインダクタンスと各FET17〜22側の寄生容量17b〜22bとにより、LC共振回路が構成されている。
Between the primary side bridge circuit 10-1 and the secondary side bridge circuit 10-2, three-
この双方向DC/DCコンバータには、1次側ブリッジ回路10−1及び2次側ブリッジ回路10−2内のFET11〜22のオン/オフ動作を制御するための制御装置50が設けられている。制御装置50からは、FET11〜22のゲートに供給するための制御信号S1〜S12が出力される。
The bi-directional DC / DC converter is provided with a
このような構成の双方向DC/DCコンバータにおいて、例えば、DC電圧E1側の1次側電力P1を入力してDC電圧E2側の2次側電力P2を2次側の負荷へ供給する場合、次のように動作する。 In the bidirectional DC / DC converter having such a configuration, for example, when the primary side power P1 on the DC voltage E1 side is input and the secondary side power P2 on the DC voltage E2 side is supplied to the load on the secondary side, It works as follows.
入力された1次側電力P1の1次側DC電圧E1は、コンデンサ1−1で平滑され、この平滑されたDC電圧が、制御信号S1〜S6によってオン/オフ動作する1次側ブリッジ回路10−1内のFET11〜16により、AC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、トランス40で電圧変換される。電圧変換されたAC電圧は、制御信号S7〜S22によってオン/オフ動作する2次側ブリッジ回路10−2内のFET17〜22により、又は、FET17〜22がオフ状態の時にはそのFET17〜22側のボディダイオード17a〜22aにより、DC電圧に変換される。その後、コンデンサ1−2で平滑されて所望の2次側DC電圧E2の2次側電力P2が負荷へ供給される。
これに対して、2次側のDC電力P2を入力して1次側の負荷へ供給する場合には、上記と逆の動作が行われる。
The primary side DC voltage E1 of the input primary side power P1 is smoothed by the capacitor 1-1, and the smoothed DC voltage is turned on / off by the control signals S1 to S6. It is converted into an AC voltage by the
On the other hand, when the DC power P2 on the secondary side is input and supplied to the load on the primary side, the reverse operation to the above is performed.
しかしながら、従来の図17の双方向DC/DCコンバータでは、以下のような課題があった。
三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータにおけるY−Y結線方式において、例えば、トランス40の1次巻線41−1〜43−1と2次巻線41−2〜43−2との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線41−1〜43−1側のAC電圧と2次巻線41−2〜43−2側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となる。DC電圧E1,E2、FET11〜22のスイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
However, the conventional bidirectional DC / DC converter of FIG. 17 has the following problems.
In the Y-Y connection method in a three-phase DAB bidirectional DC / DC converter, for example, the number of turns of primary windings 41-1 to 43-1 and secondary windings 41-2 to 43-2 of
FET11〜16がゼロ・電圧・スイッチング(以下「ZVS」という。)動作を行う条件において、変換される入力電力Pを増やすためには、位相差φを大きくする必要があるが、この際、FET11〜16がオフする時のドレイン・ソース間を流れる電流iも増える。オフする時の電流i(例えば、インダクタ31〜33からの流出電流)は、DC電圧E1側へ回生されるが、回生する際、巻線41−1〜43−1やFET11〜16を通過する。そのため、導通損が発生し、FET11〜16がオフする時の電流iが大きい場合、その電流iの二乗に比例する損失が発生するので、電力変換効率を悪化させる原因となってしまう。
本発明は、スイッチング素子がオフする時の電流を減少させて電力変換効率を向上させるDC/DCコンバータの制御装置を提供することを目的としている。
In order to increase the input power P to be converted under the condition that the
An object of the present invention is to provide a control device of a DC / DC converter which reduces the current when the switching element is turned off to improve the power conversion efficiency.
本発明は、1次巻線及び2次巻線を有するトランスと、複数の第1制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第1スイッチング素子がブリッジ接続され、第1DC電圧をAC電圧に変換して前記1次巻線側へ供給する第1ブリッジ回路と、複数の第2制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第2スイッチング素子がブリッジ接続され、前記2次巻線側から供給されるAC電圧を整流して第2DC電圧を出力する第2ブリッジ回路と、を備えるDC/DCコンバータに対し、所望のスイッチング周波数を有する前記複数の第1制御信号及び前記複数の第2制御信号を出力して前記複数の第1スイッチング素子及び前記複数の第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御するDC/DCコンバータの制御装置において、前記制御装置は、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子がオフする時のオフ電流値を求め、前記オフ電流値が正の場合には、前記1次巻線及び前記2次巻線間の位相差が小さくなるように前記スイッチング周波数を変化させることを特徴とする。 According to the present invention, a transformer having a primary winding and a secondary winding and a plurality of first switching elements which are turned on / off by a plurality of first control signals are bridge-connected to convert a first DC voltage into an AC voltage. And a plurality of second switching elements, each of which is turned on / off by a plurality of second control signals, are bridge-connected to each other and supplied from the secondary winding side. And a second bridge circuit for rectifying the AC voltage to output a second DC voltage, the plurality of first control signals and the plurality of second control signals having a desired switching frequency, for the DC / DC converter. In a control device of a DC / DC converter that outputs and controls on / off operation of the plurality of first switching elements and the plurality of second switching elements, The control device determines an off current value when the first switching element or the second switching element is turned off, and when the off current value is positive, a value between the primary winding and the secondary winding is obtained. The switching frequency is changed to reduce the phase difference.
本発明のDC/DCコンバータの制御装置によれば、スイッチング素子がオフする時のオフ電流値を求め、このオフ電流値が正の場合には、1次−2次間位相差が小さくなるようにスイッチング周波数を変化させている。これにより、スイッチング素子がオフする時のこのスイッチング素子を流れる電流値が低下し、電力変換効率を向上できる。 According to the control device of the DC / DC converter of the present invention, the off current value when the switching element is turned off is determined, and when the off current value is positive, the phase difference between the first and second orders becomes smaller The switching frequency is changed. As a result, when the switching element is turned off, the current value flowing through the switching element is reduced, and the power conversion efficiency can be improved.
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。 The mode for carrying out the present invention will be apparent from the following description of the preferred embodiment, when read in conjunction with the attached drawings. However, the drawings are for the purpose of illustration only and do not limit the scope of the present invention.
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータは、従来の図17と同様に、双方向に使用できるコンバータであり、1次側(例えば、蓄電池側)電力P1の第1DC電圧E1が印加される平滑用のコンデンサ61と、2次側(例えば、直流リンク側)電力P2の第2DC電圧E2が印加される平滑用のコンデンサ62と、を有している。コンデンサ61の両電極間には、DC電圧とAC電圧とを相互に変換する共振機能付きの第1ブリッジ回路(例えば、1次側ブリッジ回路)70−1が接続され、コンデンサ62の両電極間にも、AC電圧とDC電圧とを相互に変換する共振機能付きの第2ブリッジ回路(例えば、2次側ブリッジ回路)70−2が接続されている。
(Configuration of Example 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a DC / DC converter (for example, a three-phase DAB bidirectional DC / DC converter) according to a first embodiment of the present invention.
This three-phase DAB bidirectional DC / DC converter is a converter that can be used bi-directionally as in the conventional FIG. 17, and is applied with the first DC voltage E1 of the primary side (for example, storage battery side) power P1. And a
1次側ブリッジ回路70−1は、6つの第1スイッチング素子(例えば、MOS型FET)71,72,73,74,75,76と、u相の接続点u1、v相の接続点v1及びw相の接続点w1と、を有し、それらがフルブリッジ形に接続されている。即ち、FET71、u相の接続点u1及びFET72が直列に接続され、FET73、v相の接続点v1及びFET74が直列に接続され、更に、FET75、w相の接続点w1及びFET76が直列に接続され、それらの各直列回路が、コンデンサ61に対して並列に接続されている。各FET71〜76のドレイン・ソース間には、ボディダイオード71a〜76aがそれぞれ逆並列に接続されると共に、寄生容量71b〜76bがそれぞれ並列に接続されている。
The primary side bridge circuit 70-1 includes six first switching elements (for example, MOS type FETs) 71, 72, 73, 74, 75, 76, a u-phase connection point u1, a v-phase connection point v1, and and w connection points w1 of w phases, which are connected in a full bridge form. That is, FET 71, u-phase connection point u1 and FET 72 are connected in series, FET 73, v-phase connection point v1 and FET 74 are connected in series, and FET 75, w-phase connection point w1 and FET 76 are connected in series And their respective series circuits are connected in parallel to the
2次側ブリッジ回路70−2も、6つの第2スイッチング素子(例えば、MOS型FET)77,78,79,80,81,82と、u相の接続点u2、v相の接続点v2及びw相の接続点w2と、を有し、それらがフルブリッジ形に接続されている。即ち、FET77、u相の接続点u2及びFET78が直列に接続され、FET79、v相の接続点v2及びFET80が直列に接続され、更に、FET81、w相の接続点w2及びFET82が直列に接続され、それらの各直列回路が、コンデンサ62に対して並列に接続されている。各FET77〜82のドレイン・ソース間には、ボディダイオード77a〜82aがそれぞれ逆並列に接続されると共に、寄生容量77b〜82bがそれぞれ並列に接続されている。
The secondary side bridge circuit 70-2 also has six second switching elements (for example, MOS type FETs) 77, 78, 79, 80, 81, 82, a u-phase connection point u2, a v-phase connection point v2, and and w connection points w2 of the w phase, which are connected in a full bridge form. That is, FET 77, u-phase connection point u2 and FET 78 are connected in series, FET 79, v-phase connection point v2 and FET 80 are connected in series, and FET 81, w-phase connection point w2 and FET 82 are connected in series And their respective series circuits are connected in parallel to the
1次側ブリッジ回路70−1内の接続点u1,v1,w1と2次側ブリッジ回路70−2内の接続点u2,v2,w2との間には、インダクタンス値Lの共振用の三相インダクタ91,92,93と入出力間絶縁用の三相トランス100と、が接続されている。各FET71〜76側の寄生容量71b〜76bと各インダクタ91〜93とにより、LC共振回路が構成されている。
Three-phase for resonance of inductance value L between connection points u1, v1, w1 in primary side bridge circuit 70-1 and connection points u2, v2, w2 in secondary side bridge circuit 70-2. The
三相トランス100は、3つの1次巻線111,112,113と3つの2次巻線121,122,123とを有し、それらがY−Y結線方式で接続されている。各1次巻線111,112,113の巻き始め(図1中の黒丸点)は、各インダクタ91,92,93に接続され、各1次巻線111,112,113の巻き終わりが、相互に接続されている。各2次巻線121,122,123の巻き始めは、2次側ブリッジ回路70−2内の各接続点u2,v2,w2にそれぞれ接続され、各2次巻線121,122,123の巻き終わりが、相互に接続されている。各2次巻線121,122,123のインダクタンスと各FET77〜82側の寄生容量77b〜82bとにより、LC共振回路が構成されている。
The three-
この双方向DC/DCコンバータには、1次側ブリッジ回路70−1及び2次側ブリッジ回路70−2内のFET71〜82のオン/オフ動作を制御するための第1制御信号S11〜S16及び第2制御信号S17〜S22を生成する制御装置200が設けられている。制御装置200は、FET71〜82のスイッチング周波数を制御して周波数制御信号S210を生成する周波数制御部210と、DC電圧E1側の1次側電力P1又はDC電圧E2側の2次側電力P2を一定電力に制御するための定電力制御信号S220を生成する定電力制御部220と、その周波数制御部210及び定電力制御部220の出力側に接続され、周波数制御信号S210又は定電力制御信号S220を駆動してスイッチング用の制御信号S11〜S22を生成する駆動部230と、を有している。
The bi-directional DC / DC converter includes first control signals S11 to S16 for controlling on / off operations of the FETs 71 to 82 in the primary bridge circuit 70-1 and the secondary bridge circuit 70-2. A
周波数制御部210は、図示しない電圧検出器等で検出された1次側DC電圧E1、図示しない電圧検出器等で検出された2次側DC電圧E2、図示しない位相検出器等で検出された1次−2次間位相差φ、図示しない周波数検出器等で検出されたスイッチング周波数f、及びインダクタ91〜93のインダクタンス値Lに基づき、FET71〜82がオフする時のドレイン・ソース間を流れる電流iを計算し、電力変換効率が最大になるようなスイッチング周波数fを求めて周波数制御信号S210を出力する機能を有している。定電力制御部220は、1次側電力P1又は2次側電力P2と目標電力Prefとの誤差電力ΔPを零にするような1次−2次間位相差φのフィードバック制御演算(例えば、比例・積分(PI)制御演算等)を行い、1次側電力P1又は2次側P2が目標電力Prefに一致するような定電力制御信号S220を生成する機能を有している。周波数制御部210及び定電力制御部220は、例えば、中央処理装置(CPU)を用いたプログラム制御可能なデジタルシグナルプロセッサ(DSP)等のプロセッサ、或いは、個別回路により構成されている。
The
駆動部230は、周波数制御信号S210又は定電圧制御信号S220を駆動してスイッチング用の制御信号S11〜S22を生成し、FET71〜82のゲートへ供給する機能を有している。駆動部230は、トランジスタ等により構成されている。
The driving
図2は、図1中の周波数制御部210の構成を示す機能ブロック図である。
周波数制御部210は、1次−2次間の電力変換効率を計算する電力変換効率計算部211と、FET71〜82がオフする時に流れるオフ電流値の正負を判定する電流値正負判定部212と、スイッチング周波数fを一定値αだけ増減する周波数調整部213と、電力変換効率が上昇しているか否かを判定する効率変動判定部214と、を有し、それらがバス210aを介して相互に接続されている。
FIG. 2 is a functional block diagram showing a configuration of
The
電力変換効率計算部211は、第1、第2、第2電力変換効率計算部211a,211b,211cを有している。第1電力変換効率計算部211aは、図示しない電流検出器や電圧検出器等で検出された1次側DC電圧E1側及び2次側DC電圧E2側の電流及び電圧に基づき、第1電力変換効率を計算して第1電力変換効率計算結果を出力する機能を有している。第2電力変換効率計算部211bは、スイッチング周波数fを一定値αだけ下げた時の第2電力変換効率を、DC電圧E1,E2側の電流及び電圧に基づいて計算する機能を有している。更に、第3電力変換効率計算部211cは、スイッチング周波数fを一定値αだけ上げた時の第3電力変換効率を、DC電圧E1,E2側の電流及び電圧に基づいて計算する機能を有している。
The power conversion
電流値正負判定部212は、第1電力変換効率計算結果が出力された時のオフ電流値を、1次側DC電圧E1、2次側DC電圧E2、位相差φ、スイッチング周波数f、及び各インダクタ91〜93のインダクタンス値Lに基づいて計算し、計算されたオフ電流値の正負を判定して正負判定結果を求め、この正負判定結果が負の場合には、第1電力変換効率計算部211aに対して第1電力変換効率を計算させる機能を有している。
The current value positive /
周波数調整部213は、第1、第2周波数調整部213a,213bを有し、更に、効率変動判定部214は、第1、第2効率変動判定部214a,214bを有している。
The
第1周波数調整部213aは、正負判定結果が正の場合には、スイッチング周波数fを一定値αだけ下げる機能を有している。第2周波数調整部213bは、第1効率変動判定部214aによる効率変動結果が下降の場合には、スイッチング周波数fを一定値αだけ上げる機能を有している。第1効率変動判定部214aは、第2電力変換効率計算部211bによる第2電力変換効率の上昇又は下降を判定して第1効率変動判定結果を求め、この第1効率変動判定結果が上昇の場合には、第1周波数調整部213aに対してスイッチング周波数fを一定値αだけ下げさせる機能を有している。
The first
更に、第2効率変動判定部214bは、第3電力変換効率の上昇又は下降を判定して第2効率変動判定結果を求め、この第2効率変動判定結果が上昇の場合には、第2周波数調整部213bに対してスイッチング周波数fを一定値αだけ上げさせ、第2効率変動判定結果が下降の場合には、第1電力変換効率計算部211aに対して第1電力変換効率を計算させる機能を有している。
Furthermore, the second efficiency
(実施例1の定電力制御動作)
例えば、DC電圧E1側の1次側電力P1を入力してDC電圧E2側の一定の2次側電力P2を負荷へ供給する場合の定電力動作を説明する。
(Constant Power Control Operation of Embodiment 1)
For example, a constant power operation in the case where the primary side power P1 on the DC voltage E1 side is input and the fixed secondary side power P2 on the DC voltage E2 side is supplied to the load will be described.
DC/DCコンバータの起動後、制御装置200内の定電力制御部220は、図示しない電圧検出器及び電流検出器により検出された2次側DC電圧E2及び2次側DC電流から求められた2次側電力P2と、1次側から2次側へ伝達する目標電力Prefと、の誤差電力ΔPを零にするような1次−2次間位相差φのフィードバック制御演算(例えば、PI制御演算等)を行い、2次側電力P2が目標電力Prefに一致するような定電力制御信号S220を駆動部230へ出力する。駆動部230は、定電力制御信号S220を駆動してスイッチング用の制御信号S11〜S22を生成し、FET71〜82をオン/オフ動作させる。これにより、1次−2次間位相差φが変化し、目標電力Prefに一致する2次側電力P2が2次側の負荷へ供給される、という定電力制御が実施される。
After startup of the DC / DC converter, the constant
例えば、制御信号S11,S14が高レベル(以下「Hレベル」という。)、制御信号S12,S13,S15,S16が低レベル(以下「Lレベル」という。)になると共に、制御信号S17,S20がHレベル、制御信号S18,S19,S21,S22がLレベルになる。 For example, the control signals S11 and S14 are high level (hereinafter referred to as "H level"), and the control signals S12, S13, S15 and S16 are low level (hereinafter referred to as "L level"), and the control signals S17 and S20. Is at H level, and the control signals S18, S19, S21 and S22 are at L level.
入力された1次側電力P1のDC電圧E1がコンデンサ61で平滑され、このコンデンサ61の+電極→1次側のFET71のドレイン・ソース→接続点u1→インダクタ91→トランス100の1次巻線111,112→インダクタ92→接続点v1→FET74のドレイン・ソース→コンデンサ61の−電極へ、電流i1が流れる。トランス100の1次巻線111,112に電流i1が流れると、2次巻線121,122に励磁電流が誘起され、この2次巻線121の巻き初め→接続点u2→2次側のFET77→コンデンサ62→FET80→接続点v2→2次巻線122の巻き初めから巻終わり→2次巻線121の巻終わりへ、電流i2が流れる。これにより、一定の2次側電力P2が2次側の負荷へ供給される。
The DC voltage E1 of the input primary side power P1 is smoothed by the
次に、制御信号S12,S13がHレベル、制御信号S11,S14,S15,S16がLレベルになると共に、制御信号S18,S19がHレベル、制御信号S17,S20,S21,S22がLレベルになる。 Next, control signals S12 and S13 attain H level, control signals S11, S14, S15 and S16 attain L level, control signals S18 and S19 attain H level, and control signals S17, S20, S21 and S22 attain L level. Become.
コンデンサ61の+電極→1次側のFET73→接続点v1→インダクタ92→1次巻線112の巻き初めから巻終わり→1次巻線111の巻終わりから巻き初め→インダクタ91→接続点u1→FET72→コンデンサ61の−電極へ、電流i1が流れる。トランス100の1次巻線111,112に電流i1が流れると、2次巻線121,122に励磁電流が誘起され、この2次巻線121の巻終わり→2次巻線122の巻終わりから巻き初め→接続点v2→2次側のFET79→コンデンサ62→FET78→接続点u2→2次巻線121の巻き初めへ、電流i2が流れる。これにより、一定の2次側電力P2が2次側の負荷へ供給される。
+ Electrode of the
(実施例1の周波数制御動作)
図1のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100の1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(1)、(2)にて与えられる。
(Frequency control operation of the first embodiment)
In the DC / DC converter of FIG. 1, for example, assuming that the turns ratio of the primary windings 111 to 113 and the
(φ=0〜60°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ(240−φ)/360]
・・・(1)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+180φ−1800)/180] ・・・(2)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
(When φ = 0 to 60 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [φ (240−φ) / 360]
... (1)
(When φ = 60 ° to 120 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [(− φ 2 + 180φ-1800) / 180] (2)
Where f: switching frequency of FETs 71-82
L: Each inductance value of the
DC電圧E1,E2、スイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。又、FET71〜82がオフする時にドレイン・ソース間に流れる電流iは、
1次側のFET71〜76の場合
(φ=0〜60°の時)
i=[1/(360×f×L)]×[(120E1+(φ−120)E2)/3] ・・・(3)
(φ=60〜120°の時)
i=[1/(360×f×L)]×[(120E1+(2φ−180)E2)/3] ・・・(4)
2次側のFET77〜82の場合
(φ=0〜60°の時)
i=[1/(360×f×L)]×{[(120−φ)E1−120E2]/3} ・・・(5)
(φ=60〜120°の時)
i=[1/(360×f×L)]×{[(2φ−180)E1+120E2]/3} ・・・(6)
で表される。
Assuming that the DC voltages E1 and E2, the switching frequency f, and the inductance value L are fixed, power control can be performed by the phase difference φ. Also, the current i flowing between the drain and the source when the FETs 71 to 82 are turned off is
In the case of FETs 71 to 76 on the primary side (when φ = 0 to 60 °)
i = [1 / (360 × f × L)] × [(120E1 + (φ−120) E2) / 3] (3)
(When φ = 60 to 120 °)
i = [1 / (360 × f × L)] × [(120E1 + (2φ−180) E2) / 3] (4)
In the case of
i = [1 / (360 × f × L)] × {[(120−φ) E1-120E2] / 3} (5)
(When φ = 60 to 120 °)
i = [1 / (360 × f × L)] × {[(2φ−180) E1 + 120E2] / 3} (6)
Is represented by
図3は、図1のY−Y結線方式のトランス100を有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する入力電力Pを示す特性図である。
図3では、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の入力電力Pを1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the input power P with respect to the first-secondary phase difference φ (°) in the DC / DC converter having the
In FIG. 3, d1 to d7 curves of voltage ratio d (= E2 / E1) when the input power P with the DC voltage E2 = E1 and the phase difference φ = 90 ° is 1 are drawn. In the voltage ratio d, d1 curve = 0.14, d2 curve = 0.29, d3 curve = 0.5, d4 curve = 0.57, d5 curve = 1, d6 curve = 1.43, d7 curve = 2 is there. As the voltage ratio d increases, the input power P increases.
1次側FET71〜76及び2次側FET77〜82のZVS動作範囲において、1次側FET71〜76のZVS動作条件は、
(φ=0〜60°の時)
φ>120(1−1/d)
(φ60〜120°の時)
φ>90(1−2/(3d))
で表される。
In the ZVS operating range of the primary side FETs 71 to 76 and the
(When φ = 0 to 60 °)
φ> 120 (1-1 / d)
(When φ 60-120 °)
φ> 90 (1-2 / (3d))
Is represented by
2次側FET77〜82のZVS動作条件は、
(φ=0〜60°の時)
φ>120(1−d)
(φ=60〜120°の時)
φ>90(1−(2d)/3)
で表される。
The ZVS operating conditions of the
(When φ = 0 to 60 °)
φ> 120 (1-d)
(When φ = 60 to 120 °)
φ> 90 (1- (2d) / 3)
Is represented by
図4は、図1のY−Y結線方式のトランス100を有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する電圧比d(=E2/E1)のZVS動作条件を示す特性図である。
図4において、符号241は1次側境界Y−Y曲線、符号242は2次側境界Y−Y曲線である。2本の1次側境界Y−Y曲線241,241で囲まれた谷形の領域は、1次側FET71〜76のZVSを外れる領域であり、2本の2次側境界Y−Y曲線242,242で囲まれた山形の領域は、2次側FET77〜82のZVSを外れる領域である。1次側境界Y−Y曲線241と2次側境界Y−Y曲線242とで囲まれた左右の2つの三角形の領域は、1次、2次側FET71〜76,77〜82のZVS動作領域である。
FIG. 4 shows ZVS operating conditions of voltage ratio d (= E2 / E1) with respect to phase difference φ (°) between the 1st order and the 2nd order in the DC / DC converter having the
In FIG. 4,
図4において、1次側DC電圧E1と2次側DC電圧E2において、電圧が低い側のFET77〜82がZVS外れを起こすが、式(5)、(6)における電流iの符号が正となる条件の時、FET77〜82はZVS動作となる。
In FIG. 4, in the primary side DC voltage E1 and the secondary side DC voltage E2, the
FET71〜76,77〜82がZVS動作を行う条件において、変換される入力電力Pを増やすためには、式(1)、(2)より位相差φを大きくする必要があるが、この時、式(3)、(4)、(5)、(6)より、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流(オフ電流)iも増える。オフする時の電流i(例えば、インダクタ91〜93からの流出電流)は、DC電圧E1側へ回生されるが、回生する際、巻線111〜113やFET71〜76を通過する。そのため、導通損が発生し、FET71〜76がオフする時の電流iが大きい場合、その電流iの二乗に比例して損失が発生するので、従来の課題で説明したように、電力変換効率を悪化させる原因となってしまう。
In order to increase the input power P to be converted under the conditions that the FETs 71 to 76, 77 to 82 perform the ZVS operation, it is necessary to increase the phase difference φ from the equations (1) and (2). From the equations (3), (4), (5), (6), the current (off current) i when the FETs 71 to 76, 77 to 82 are turned off also increases. The current i (for example, the outflow current from the
そこで、本実施例1では、FET71〜76,77〜82がZVS動作を行う条件において、従来の課題である、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流増加による電力変換効率悪化の問題を改善するために、周波数制御部210により、スイッチング周波数fを変化させるようにしている。
Therefore, in the first embodiment, under the condition that the FETs 71 to 76, 77 to 82 perform the ZVS operation, the problem of the power conversion efficiency deterioration due to the current increase when the FETs 71 to 76, 77 to 82 turn off is the conventional problem. The
式(1),(2)より、同一の変換電力であれば、スイッチング周波数fを低くすることにより、位相差φを小さくすることができる。位相差φを小さくすることで、式(3),(4),(5),(6)により、DC電圧E1,E2の条件によってはFET71〜76,77〜82がオフする時の電流iを小さくすることができる。 From the equations (1) and (2), if the converted power is the same, the phase difference φ can be reduced by lowering the switching frequency f. By reducing the phase difference φ, the currents i to 76 are turned off depending on the conditions of the DC voltages E1 and E2 by the equations (3), (4), (5) and (6). Can be made smaller.
例えば、1次側DC電圧E1=264V、2次側DC電圧E2=350V、スイッチング周波数f=55kHz、インダクタンス値L=13μHとし、入力電力P=11kWとすると、位相差φ=62°となる。この時の1次側のFET71〜76がオフする時の電流iはφ=60〜120°なので、式(4)で与えられ、電流i=15.6Aとなる。2次側のFET77〜82がオフする時の電流iは、式(6)より、i=35.2Aとなる。
For example, assuming that the primary side DC voltage E1 = 264 V, the secondary side DC voltage E2 = 350 V, the switching frequency f = 55 kHz, and the inductance value L = 13 μH, and the input power P = 11 kW, the phase difference φ = 62 °. At this time, the current i when the FETs 71 to 76 on the primary side are off is φ = 60 to 120 °, and therefore given by the equation (4), the current i becomes 15.6A. The current i when the
ここで、スイッチング周波数f=50kHzとすると、位相差φ=53.9°となり、1次側のFET71〜76がオフする時の電流iは、位相差φ=0〜60°なので、式(3)で与えられ、i=12.2Aとなる。2次側のFET77〜82がオフする時の電流iは、式(5)より、i=35.0Aとなる。
Here, assuming that the switching frequency f = 50 kHz, the phase difference φ = 53.9 °, and the current i when the FETs 71 to 76 on the primary side are turned off has a phase difference φ = 0 to 60 °. Given), i = 12.2A. The current i when the
使用するDC電圧E1,E2、位相差φ、スイッチング周波数f、インダクタタンス値Lにより、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流iが決まり、この電流値が正の時、周波数制御部210によってスイッチング周波数fを制御することにより、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流iを減らすことができ、電流iがDC電圧E1,E2側へ回生する時に発生する損失を軽減することができる。式(3)、(4)又は式(5)、(6)の電流iが0になるようにスイッチング周波数fを制御することにより、DC電圧E1,E2側へ回生する電流iを0にすることができ、スイッチング周波数fを制御することによる損失を最小にすることができる。 The DC voltage E1, E2 used, the phase difference φ, the switching frequency f, and the inductance value L determine the current i when the FETs 71 to 76, 77 to 82 turn off, and when this current value is positive, the frequency control unit By controlling the switching frequency f by 210, it is possible to reduce the current i when the FETs 71 to 76, 77 to 82 are turned off, and to reduce the loss that occurs when the current i is regenerated to the DC voltage E1, E2. be able to. By controlling the switching frequency f so that the current i in the equation (3), (4) or the equations (5), (6) becomes zero, the current i regenerated to the DC voltage E1, E2 side becomes zero. And the losses due to controlling the switching frequency f can be minimized.
図5は、図2の周波数制御部210におけるスイッチング周波数fの制御動作例を示すフローチャートである。
この図5のフローチャートでは、周波数制御部210により、ステップST1〜ST9を実行してスイッチング周波数fを制御し、損失を軽減させる動作例が示されている。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of control operation of the switching frequency f in the
In the flowchart of FIG. 5, an operation example is illustrated in which the
ステップST1において、周波数制御部210が動作を開始すると、ステップST2の効率計算処理へ進む。ステップST2において、第1電力変換効率計算部211aは、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流値(i)を、現時のDC電圧E1,E2、位相差φ、スイッチング周波数f、及びインダクタタンス値Lにより計算して第1電力変換効率を求め、ステップST3の電流値(i)の正負判定処理へ進む。ステップST3において、電流値正負判定部212は、電流値(i)の正負を判定し、その電流値(i)が正であった場合(Yes)、FET71〜76(又は77〜82)がZVSで動作しているので、ステップST4のスイッチング周波数減算処理へ進み、その電流値(i)が正でない場合(No)、FET71〜76(又は77〜82)がZVS動作から外れているので、ステップST1に戻る。
In step ST1, when the
ステップST4において、第1周波数調整部213aは、FET71〜76(又は77〜82)がZVSで動作しているので、スイッチング周波数fを一定値αだけ下げ、ステップST5の効率計算処理へ進む。ステップST5において、第2電力変換効率計算部211bは、スイッチング周波数fを一定値αだけ下げた時の第2電力変換効率を、DC電圧E1,E2側の電流及び電圧にて計算し、ステップST6の第2電力変換効率の上昇判定処理へ進む。ステップST6において、第1効率変動判定部214aは、第2電力変換効率が上昇しているか否かを判定し、上昇している場合(Yes)、ステップST4に戻り、第1周波数調整部213aによって再度スイッチング周波数fを下げ、ステップST5において第2電力変換効率計算部211bにより第2電力変換効率を計算する。
In step ST4, since the FETs 71 to 76 (or 77 to 82) are operating at ZVS, the first
ステップST6の判定の結果、電力変換効率が下がっている場合(No)、ステップST7のスイッチング周波数加算処理へ進む。ステップST7において、第2周波数調整部213bは、スイッチング周波数fを一定値αだけ加算してスイッチング周波数fを上昇させ、ステップST8の効率計算処理へ進む。ステップST8において、第3電力変換効率計算部211cは、スイッチング周波数fを一定値αだけ上げた時の第3電力変換効率を、DC電圧E1,E2側の電流及び電圧にて計算し、ステップST9の第3電力変換効率の上昇判定処理へ進む。
As a result of the determination in step ST6, when the power conversion efficiency is decreasing (No), the process proceeds to the switching frequency addition process in step ST7. In step ST7, the second
ステップST9において、第2効率変動判定部214bは、第3電力変換効率が上昇しているか否かを判定し、上昇している場合(Yes)、ステップST7に戻り、第2周波数調整部213bによって再度スイッチング周波数fを上げ、ステップST8において第3電力変換効率計算部211cにより第3電力変換効率を計算する。ステップST9の第2効率変動判定結果に基づき、第3電力変換効率が下がっている場合(No)、ステップST1に戻り、ステップST2〜ST9の処理を繰り返す。
このように、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御することにより、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
In step ST9, the second efficiency
Thus, by controlling the switching frequency f by the
(実施例1の効果)
図6は、図1のDC/DCコンバータを用い、DC電圧E1=264V、DC電圧E2=350V、入力電力P=11kW、スイッチング周波数f=55kHzとした時の1次側FET71,72の電流・電圧波形図である。
図7は、図6と同様に、図1のDC/DCコンバータを用い、DC電圧E1=264V、DC電圧E2=350V、入力電力P=11kWとし、図6とは異なるスイッチング周波数f=50kHzとした時の1次側FET71,72の電流・電圧波形図である。
(Effect of Example 1)
6 shows the currents of the
7, similarly to FIG. 6, using the DC / DC converter of FIG. 1, DC voltage E1 = 264 V, DC voltage E2 = 350 V, input power P = 11 kW, and switching frequency f = 50 kHz different from FIG. It is a current-voltage waveform figure of primary side FET71, 72 when having done.
図6及び図7において、横軸の時間軸は5μsec/1目盛(div)である。縦軸の電流・電圧値において、波形CH1はFET71のドレイン・ソース間電圧Vds=200V/div、波形CH2はFET71のドレイン電流Id=20A/div、波形CH3はFET72のドレイン・ソース間電圧Vds=200V/div、及び、波形CH4はFET72のドレイン電流Id=20A/divである。
図6と図7を対比すると、スイッチング周波数fを図6の55kHzから、図7の50kHzに下げると、図7のドレイン電流Idの波形CH2が、符号250の箇所で低下しているのが分かる。
6 and 7, the time axis of the horizontal axis is 5 μsec / 1 division (div). In the current / voltage values on the vertical axis, waveform CH1 is the drain-source voltage Vds of FET 71 = 200 V / div, waveform CH2 is the drain current Id of FET 71 = 20 A / div, waveform CH3 is the drain-source voltage V FETs of
Comparing FIG. 6 and FIG. 7, it can be seen that when the switching frequency f is lowered from 55 kHz in FIG. 6 to 50 kHz in FIG. 7, the waveform CH2 of the drain current Id in FIG. .
図8は、図6及び図7の周波数変化による電力変換効率の比較を示す静特性図である。
図8に示すように、スイッチング周波数fを55kHzから50kHzへと低くすることにより、位相差φが75°から61.3°へと小さくなっている。更に、図7のドレイン電流Idの波形CH2の符号250箇所に示すように、FET71がオフする時のドレイン電流Idが低下している。これにより、電力変換効率が94.60%から95.34%へと改善していることが確認できる。
このように、本実施例1の制御装置200によれば、FET71〜82がオフする時の電流iを低下させているので、電力変換効率を向上できる。
FIG. 8 is a static characteristic diagram showing a comparison of the power conversion efficiency due to the frequency change of FIG. 6 and FIG.
As shown in FIG. 8, the phase difference φ is reduced from 75 ° to 61.3 ° by decreasing the switching frequency f from 55 kHz to 50 kHz. Furthermore, as indicated by the
As described above, according to the
(実施例2の構成)
図9は、本発明の実施例2におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータでは、実施例1の図1中のY−Y結線方式の三相トランス100に代えて、Δ−Δ結線方式の三相トランス100Aが設けられている。三相トランス100Aは、実施例1の三相トランス100と同様に、3つの1次巻線111〜113と3つの2次巻線121〜123を有している。
(Configuration of Example 2)
FIG. 9 is a circuit diagram showing a DC / DC converter (for example, a three-phase DAB bidirectional DC / DC converter) according to a second embodiment of the present invention.
In this three-phase DAB bidirectional DC / DC converter, a three-
1次巻線111の巻き始めは、インダクタ91の他端に接続され、その1次巻線111の巻き終わりが、インダクタ92の一端に接続されている。1次巻線112の巻き初めは、インダクタ92の他端に接続され、その1次巻線112の巻き終わりが、インダクタ93の一端に接続されている。1次巻線113の巻き始めは、インダクタ93の他端に接続され、その1次巻線113の巻き終わりが、インダクタ91の一端に接続されている。更に、2次巻線121の巻き始めは、2次巻線123の巻き終わりに接続され、その2次巻線121の巻き終わりが、2次巻線122の巻き始めに接続されている。2次巻線122の巻き終わりは、2次巻線123の巻き始めに接続されている。
その他の構成は、実施例1と同様である。
The winding start of the primary winding 111 is connected to the other end of the
The other configuration is the same as that of the first embodiment.
(実施例2の周波数制御動作)
図9のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100Aの1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(7)、(8)にて与えられる。
(Frequency control operation of the second embodiment)
In the DC / DC converter of FIG. 9, for example, assuming that the turns ratio of the primary windings 111 to 113 and the
(φ=0〜60°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ(240−φ)/120]
・・・(7)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+180φ−1800)/60] ・・・(8)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
実施例1と同様に、DC電圧E1,E2、スイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
(When φ = 0 to 60 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [φ (240-φ) / 120]
... (7)
(When φ = 60 ° to 120 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [(− φ 2 + 180φ-1800) / 60] (8)
Where f: switching frequency of FETs 71-82
L: Each inductance value of the
図10は、図9のΔ−Δ結線方式のトランス100Aを有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する入力電力Pを示す特性図である。
図10では、図3と同様に、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の電力を1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
1次側FET71〜76及び2次側FET77〜82のZVS動作範囲において、1次側FET71〜76のZVS動作条件と、2次側FET77〜82のZVS動作条件と、は実施例1と同様である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing input power P with respect to phase difference φ (°) between the first order and the second order in the DC / DC converter having the
In FIG. 10, d1 to d7 curves of voltage ratios d (= E2 / E1) when the power of the DC voltage E2 = E1 and the phase difference φ = 90 ° is 1 are drawn as in FIG. In the voltage ratio d, d1 curve = 0.14, d2 curve = 0.29, d3 curve = 0.5, d4 curve = 0.57, d5 curve = 1, d6 curve = 1.43, d7 curve = 2 is there. As the voltage ratio d increases, the input power P increases.
In the ZVS operating range of the primary side FETs 71 to 76 and the
図11は、図9のΔ―Δ結線方式のトランス100Aを有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する電圧比d(=E2/E1)のZVS動作条件を示す特性図である。
この図11は、実施例1の図4と略同様の特性になっている。
FIG. 11 shows ZVS operating conditions of voltage ratio d (= E2 / E1) with respect to phase difference φ (°) between the 1st order and the 2nd order in the DC / DC converter having the
This FIG. 11 has substantially the same characteristics as FIG. 4 of the first embodiment.
本実施例2では、実施例1と同様に、FET71〜76,77〜82がZVS動作を行う条件において、従来の課題である、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流増加による電力変換効率悪化の問題を改善するために、実施例1と同様の周波数制御部210により、スイッチング周波数fを可変するようにしている。
In the second embodiment, as in the first embodiment, under the condition that the FETs 71 to 76, 77 to 82 perform the ZVS operation, the power due to the current increase when the FETs 71 to 76, 77 to 82 are turned off is the conventional problem. In order to improve the problem of the conversion efficiency deterioration, the switching frequency f is made variable by the
(実施例2の効果)
本実施例2では、実施例1と同様に、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御しているので、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
(Effect of Example 2)
In the second embodiment, as in the first embodiment, since the switching frequency f is controlled by the
(実施例3の構成)
図12は、本発明の実施例3におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータでは、実施例1の図1中のY−Y結線方式の三相トランス100に代えて、Y−Δ結線方式の三相トランス100Bが設けられている。三相トランス100Bは、実施例1の三相トランス100と同様に、3つの1次巻線111〜113と3つの2次巻線121〜123を有している。
(Configuration of Example 3)
FIG. 12 is a circuit diagram showing a DC / DC converter (for example, a three-phase DAB bidirectional DC / DC converter) according to a third embodiment of the present invention.
In this three-phase DAB bidirectional DC / DC converter, a Y-.DELTA. Connection three-phase transformer 100B is provided in place of the Y-Y connection three-
1次巻線111の巻き始めは、インダクタ91に接続され、その1次巻線111の巻き終わりが、1次巻線112,113の巻き終わりに接続されている。1次巻線112の巻き初めは、インダクタ92に接続され、1次巻線113の巻き始めも、インダクタ93に接続されている。更に、2次巻線121の巻き始めは、2次巻線123の巻き終わりに接続され、その2次巻線121の巻き終わりが、2次巻線122の巻き始めに接続されている。2次巻線122の巻き終わりは、2次巻線123の巻き始めに接続されている。
その他の構成は、実施例1と同様である。
The winding start of the primary winding 111 is connected to the
The other configuration is the same as that of the first embodiment.
(実施例3の周波数制御動作)
図12のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100Bの1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(9)、(10)にて与えられる。
(Frequency control operation of the third embodiment)
In the DC / DC converter of FIG. 12, for example, assuming that the turns ratio of the primary windings 111 to 113 and the
(φ=0〜60°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ−30] ・・・(9)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+240φ−7200)/120] ・・・(10)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
実施例1と同様に、DC電圧E1,E2、スイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
(When φ = 0 to 60 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [φ-30] (9)
(When φ = 60 ° to 120 °)
P = [(E1 × E2) / (360 × f × L)] × [(− φ 2 + 240φ-7200) / 120] (10)
Where f: switching frequency of FETs 71-82
L: Each inductance value of the
図13は、図12のY−Δ結線方式のトランス100Bを有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する入力電力Pを示す特性図である。
図13では、図3と同様に、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の電力を1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。位相差φが30°以上の領域において、電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the input power P with respect to the phase difference φ (°) between the first order and the second order in the DC / DC converter having the transformer 100B of the Y-Δ connection system of FIG.
In FIG. 13, similarly to FIG. 3, d1 to d7 curves of voltage ratio d (= E2 / E1) when power of DC voltage E2 = E1 and phase difference φ = 90 ° is 1 are drawn. In the voltage ratio d, d1 curve = 0.14, d2 curve = 0.29, d3 curve = 0.5, d4 curve = 0.57, d5 curve = 1, d6 curve = 1.43, d7 curve = 2 is there. In the region where the phase difference φ is 30 ° or more, the input power P increases as the voltage ratio d increases.
1次側FET71〜76及び2次側FET77〜82のZVS動作範囲において、1次側FET71〜76のZVS動作条件と、2次側FET77〜82のZVS動作条件と、は実施例1と同様である。
In the ZVS operating range of the primary side FETs 71 to 76 and the
図14は、図12のY―Δ結線方式のトランス100Bを有するDC/DCコンバータにおける1次−2次間位相差φ(°)に対する電圧比d(=E2/E1)のZVS動作条件を示す特性図である。
図14において、符号243は1次側境界Δ−Y曲線、符号244は2次側境界Δ−Y曲線である。
FIG. 14 shows ZVS operating conditions of voltage ratio d (= E2 / E1) with respect to phase difference φ (°) between the 1st order and the 2nd order in the DC / DC converter having the transformer 100B of Y-Δ connection method of FIG. FIG.
In FIG. 14,
トランス100Bの1次/2次巻線比1:0.583、電圧比d=E1/0.583E2、位相差φが(φ−30°)へ遷移する。1次側境界Δ−Y曲線243で囲まれた逆台形の領域は、1次側FET71〜76のZVSを外れる領域であり、2次側境界Δ−Y曲線244で囲まれた台形の領域は、2次側FET77〜82のZVSを外れる領域である。その逆台形の領域と台形の領域とに挟まれた領域は、1次、2次側FET71〜76,77〜82のZVS動作領域である。出力電圧が±14%範囲で全域ZVS動作をする。
The primary / secondary winding ratio 1: 0.583 of the transformer 100 B, the voltage ratio d = E1 / 0.583
図14において、1次側DC電圧E1と2次側DC電圧E2において、電圧が低い側のFET77〜82がZVS外れを起こすが、実施例1と同様に。式(5)、(6)における電流iの符号が正となる条件の時、FET77〜82はZVS動作となる。
In FIG. 14, in the primary side DC voltage E1 and the secondary side DC voltage E2, the
本実施例3では、実施例1と同様に、FET71〜76,77〜82がZVS動作を行う条件において、従来の課題である、FET71〜76,77〜82がオフする時の電流増加による電力変換効率悪化の問題を改善するために、実施例1と同様の周波数制御部210により、スイッチング周波数fを変化させるようにしている。
In the third embodiment, as in the first embodiment, under the condition that the FETs 71 to 76, 77 to 82 perform the ZVS operation, the power by the increase in current when the FETs 71 to 76, 77 to 82 are turned off is the conventional problem. In order to improve the problem of the conversion efficiency deterioration, the switching frequency f is changed by the
(実施例3の効果)
本実施例3では、実施例1と同様に、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御しているので、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
(Effect of Example 3)
In the third embodiment, as in the first embodiment, since the switching frequency f is controlled by the
[実施例1〜3の比較]
Y−Y結線方式のトランス100を有する実施例1のDC/DCコンバータと、Δ−Δ結線方式のトランス100Aを有する実施例2のDC/DCコンバータと、Y−Δ結線方式のトランス100Bを有する実施例3のDC/DCコンバータと、を比較する。
Comparison of Examples 1 to 3
The DC / DC converter of the first embodiment having the Y-Y
(1) 電力変換比について
同じ回路及びスイッチング周波数fにおいて、Δ−Δ結線方式の実施例2が、Y−Y結線方式の実施例1よりも3倍の電力変換が可能である。同じ入力電力Pを得る場合、実施例1に比べて実施例2のインダクタ91〜93を1/3まで小型化が可能である。Y−Δ結線方式の実施例3の場合、位相差φ>30°から正方向の電力変換を行う。実施例3の場合、ZVS条件を最適化すると、トランス100Bの1次巻線111〜113/2次巻線121〜123の巻数比を1:0.583にする必要がある。この場合、実施例3では、Y−Y結線方式の実施例1と略同じ入力電力Pが得られる。
(1) Power conversion ratio In the same circuit and switching frequency f, the second embodiment of the Δ-Δ connection system can perform three times as much power conversion as the first embodiment of the Y-Y connection system. When obtaining the same input power P, the
(2) ZVS動作条件について
Δ−Δ結線方式の実施例2の場合、Y−Y結線方式の実施例1と同じZVS動作領域である。Y−Δ結線方式の実施例3の場合は、出力電圧±14%以内の範囲において全域でZVS動作を行う。電力変換特性及びZVS動作領域と特性は、シミュレーションにて検証できた。電力P−位相差φ特性及びZVS動作領域特性は、各ブリッジ回路70−1,70−2内の上下FETのデッドタイムの影響を受けるため、ZVS動作を外れる条件付近では、位相差φが変動しても入力電力Pが変動しない。上記の特性はデッドタイムの影響を考慮していない。
(2) ZVS operation condition In the case of the second embodiment of the Δ-Δ connection system, the ZVS operation area is the same as that of the first embodiment of the Y-Y connection system. In the case of the third embodiment of the Y-.DELTA. Connection method, the ZVS operation is performed in the entire range within the output voltage ± 14%. The power conversion characteristics and the ZVS operating area and characteristics can be verified by simulation. Since the power P-phase difference φ characteristics and the ZVS operating region characteristics are affected by the dead time of the upper and lower FETs in each of the bridge circuits 70-1 and 70-2, the phase difference φ fluctuates around conditions that deviate from the ZVS operation. Even if the input power P does not change. The above characteristics do not take into account the effects of dead time.
図15は、Y−Y、Y−Δ、Δ−Δ結線方式の電力比較を示す特性図である。
図15の横軸は1次−2次間位相差φ(°)、縦軸は入力電力Pである。Δ−Δ結線方式の入力電力をP(Δ−Δ)、Y−Δ結線方式の入力電力をP(Y−Δ)、Y−Y結線方式の入力電力をP(Y−Y)とすると、P(Δ−Δ)=3P(Y−Δ)、P(Y−Δ)=P(Y−Y)となる。Y−Δ結線方式の場合、位相差φがφ−30°へ遷移してリセット、トランス1次/2次巻数比を1:0.583とする。符号245はY−YE1=E2曲線、符号246はΔ−ΔE1=E2曲線、及び符号247はY−ΔE1=E2(トランス1次/2次巻線比=1:0.583)曲線である。
FIG. 15 is a characteristic diagram showing power comparison of YY, Y-Δ, and Δ-Δ connection systems.
The horizontal axis in FIG. 15 is the first-secondary phase difference φ (°), and the vertical axis is the input power P. Assuming that the input power of the Δ-Δ connection method is P (Δ-Δ), the input power of the Y-Δ connection method is P (Y-Δ), and the input power of the Y-Y connection method is P (Y-Y), P ([Delta]-[Delta]) = 3P (Y- [Delta]), P (Y- [Delta]) = P (Y-Y). In the case of the Y-.DELTA. Connection method, the phase difference .phi. Transitions to .phi.-30.degree., Resetting is performed, and the transformer primary / secondary winding ratio is set to 1: 0.583.
図15から分かるように、同じ回路及びスイッチング周波数fにおいて、Δ−Δ結線方式は、Y−Y結線方式よりも3倍の電力を変換できる。そのため、Δ−Δ結線方式では、インダクタ91〜93を小型化できる。Y−Δ結線方式は、Y−Y結線方式と略同じ電力変換ができる。
As can be seen from FIG. 15, in the same circuit and at the switching frequency f, the Δ-Δ connection scheme can convert three times more power than the Y-Y connection scheme. Therefore, in the Δ-Δ connection method, the
図16は、Y−Y、Y−Δ、Δ−Δ結線方式におけるZVS動作条件の比較を示す特性図である。
図16の横軸は1次−2次間位相差φ(°)、縦軸は電圧比d(E2=E1)である。符号241は1次側境界Y−Y曲線、符号242は2次側境界Y−Y曲線、符号243は1次側境界Y−Δ曲線、及び符号244は2次側境界Y−Δ曲線である。Y−Δ結線方式の場合、トランス1次/2次巻線比は1:0.583、位相差φはφ−30°へ遷移、出力電圧が±14%範囲で全域ZVS動作をする。
FIG. 16 is a characteristic diagram showing comparison of ZVS operating conditions in the YY, Y-Δ, and Δ-Δ connection systems.
The horizontal axis in FIG. 16 is the first-secondary phase difference φ (°), and the vertical axis is the voltage ratio d (E2 = E1).
図16から分かるように、Δ−Δ結線方式のZVS動作領域は、Y−Y結線方式と同じである。Y−Δ結線方式の場合は、入力又は出力電圧±14%変動範囲において全域ZVS動作をする。
図15及び図16から明らかなように、Y−Δ結線方式は、ZVS動作条件においてY−Y結線方式とΔ−Δ結線方式に比べて利点(メリット)がある。しかし、Y−Δ結線方式の方が無効電流が増えるので、FET71〜82及び巻線111〜113,121〜123の導通損失が増えることが予想される。電力変換効率の観点から見た場合、ZVS動作条件だけではなく、各部品(デバイス)のストレスの比較を行い、総合的に判断する必要がある。
As can be seen from FIG. 16, the ZVS operation area of the Δ-Δ connection method is the same as the Y-Y connection method. In the case of the Y-.DELTA. Connection method, the whole area ZVS operation is performed in the input or output voltage ± 14% fluctuation range.
As is clear from FIGS. 15 and 16, the Y-.DELTA. Connection method has advantages (merits) over the Y-Y connection method and the .DELTA .-. DELTA. Connection method under ZVS operating conditions. However, since the reactive current increases in the Y-Δ connection method, it is expected that the conduction loss of the FETs 71 to 82 and the windings 111 to 113 and 121 to 123 will increase. From the viewpoint of power conversion efficiency, it is necessary to compare not only the ZVS operating conditions but the stress of each component (device) to make a comprehensive judgment.
最適なDC/DCコンバータを実現するためには、例えば、次の(A)〜(C)の比較検討を行うことが望ましい。
(A) 入出力コンデンサ61,62のリプル電流比較
(B) FET71〜82の導通電流の平均値及び実効値の比較
(C) トランス巻線の電圧、電流分析によって損失の大小の比較
従って、(A)〜(C)の比較検討により、電力変換効率、サイズ、コストの観点から総合的に評価してDC/DCコンバータを実現することが望ましい。
In order to realize an optimal DC / DC converter, for example, it is desirable to perform the following comparative study of (A) to (C).
(A) Ripple current comparison of input /
(変形例)
本発明は、上記実施例1〜3に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(d)のようなものがある。
(Modification)
The present invention is not limited to the above first to third embodiments, and various modes of use and modifications are possible. For example, the following (a) to (d) may be used as this usage form or modification.
(a) 図1等において、各インダクタ91〜93は、各寄生容量71b〜76bと共に、それぞれLC共振回路を構成するものであるが、そのインダクタ91〜93を省略して、各1次巻線111〜113のインダクタンスと各寄生容量71b〜76bとでLC共振回路を構成しても良い。
(b) 実施例1〜3では、三相DAB(Y−Y)、(Δ−Δ)、(Y−Δ)結線方式について説明したが、他の結線方式(例えば、単相のDAB方式)についても本発明を適用できる。
(c) FET71〜82は、他のスイッチング素子(例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、SiC(炭化ケイ素、シリコンカーバイト)素子、GaN(窒化ガリウム、ガリウムナイトライド)素子等)を使用しても良い。
(d) 実施例1〜3では、双方向のDC/DCコンバータについて説明したが、一方向のDC/DCコンバータについても、本発明を適用できる。
(A) In FIG. 1 etc., each of the
(B) In the first to third embodiments, the three-phase DAB (Y-Y), (.DELTA .-. DELTA.), (Y-.DELTA.) Connection method has been described, but other connection methods (for example, single phase DAB method) The present invention is also applicable to
(C) The FETs 71 to 82 use other switching elements (for example, insulated gate bipolar transistor (IGBT), SiC (silicon carbide, silicon carbide) elements, GaN (gallium nitride, gallium nitride) elements, etc.) Also good.
(D) In the first to third embodiments, the bidirectional DC / DC converter has been described. However, the present invention can be applied to a unidirectional DC / DC converter.
61,62 1、2次側DC電圧
70−1,70−2 1次側、2次側ブリッジ回路
71〜82 FET
71a〜82a ボディダイオード
71b〜82b 寄生容量
91〜93 インダクタ
100,100A,100B トランス
111〜113 1次巻線
121〜123 2次巻線
200 制御装置
210 周波数制御部
211 電力変換効率計算部
211a,211b,211c 第1、第2、第3電力変換効率計算部
212 電流値正負判定部
213 周波数調整部
213a,213b 第1、第2周波数調整部
214 効率変動判定部
214a,214b 第1、第2効率変動判定部
220 定電力制御部
230 駆動部
61, 62 1, 2 side DC voltage 70-1, 70-2 Primary side, secondary side bridge circuit 71-82 FET
71a to
Claims (6)
複数の第1制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第1スイッチング素子がブリッジ接続され、第1直流電圧を交流電圧に変換して前記1次巻線側へ供給する第1ブリッジ回路と、
複数の第2制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第2スイッチング素子がブリッジ接続され、前記2次巻線側から供給される交流電圧を整流して第2直流電圧を出力する第2ブリッジ回路と、
を備えるDC/DCコンバータに対し、所望のスイッチング周波数を有する前記複数の第1制御信号及び前記複数の第2制御信号を出力して前記複数の第1スイッチング素子及び前記複数の第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御するDC/DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子がオフする時のオフ電流値を求め、前記オフ電流値が正の場合には、前記1次巻線及び前記2次巻線間の位相差が小さくなるように前記スイッチング周波数を変化させることを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。 A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A first bridge circuit in which a plurality of first switching elements, each of which is turned on / off by a plurality of first control signals, is bridge-connected to convert a first DC voltage to an AC voltage and supply it to the primary winding side;
A second bridge which is bridge-connected to a plurality of second switching elements which are turned on / off by a plurality of second control signals, rectifies an AC voltage supplied from the secondary winding side, and outputs a second DC voltage Circuit,
Outputting the plurality of first control signals and the plurality of second control signals having a desired switching frequency to the DC / DC converter including the plurality of first switching elements and the plurality of second switching elements. In a controller for a DC / DC converter that controls on / off operation,
The controller is
The off current value when the first switching element or the second switching element is turned off is determined, and when the off current value is positive, the phase difference between the primary winding and the secondary winding is small. The control device of a DC / DC converter, wherein the switching frequency is changed to be
前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づき、第1電力変換効率を計算して第1電力変換効率計算結果を出力する第1電力変換効率計算部と、
前記第1電力変換効率計算結果が出力された時のオフ電流値を、前記第1直流電圧、前記第2直流電圧、前記位相差、前記スイッチング周波数、及び前記1次巻線のインダクタンス値に基づいて計算し、計算された前記オフ電流値の正負を判定して正負判定結果を求め、前記正負判定結果が負の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる電流値正負判定部と、
前記正負判定結果が正の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ下げる第1周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ下げた時の第2電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第2電力変換効率計算部と、
前記第2電力変換効率の上昇又は下降を判定して第1効率変動判定結果を求め、前記第1効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第1周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ下げさせる第1効率変動判定部と、
前記効率変動結果が下降の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ上げる第2周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ上げた時の第3電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第3電力変換効率計算部と、
前記第3電力変換効率の上昇又は下降を判定して第2効率変動判定結果を求め、前記第2効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第2周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ上げさせ、前記第2効率変動判定結果が下降の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる第2効率変動判定部と、
を有する請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。 A first power conversion efficiency calculation unit that calculates a first power conversion efficiency based on the current and voltage on the first DC voltage side and the second DC voltage side, and outputs a first power conversion efficiency calculation result based on the first DC voltage side and the second DC voltage side. When,
The off current value when the first power conversion efficiency calculation result is output is based on the first DC voltage, the second DC voltage, the phase difference, the switching frequency, and the inductance value of the primary winding. Calculation and determining whether the calculated off current value is positive or negative to obtain a positive / negative determination result, and when the positive / negative determination result is negative, the first power conversion is performed on the first power conversion efficiency calculation unit Current value positive / negative judgment unit which calculates efficiency,
A first frequency adjustment unit that reduces the switching frequency by a fixed value when the positive / negative determination result is positive;
A second power conversion efficiency calculation unit that calculates a second power conversion efficiency when the switching frequency is lowered by a fixed value, based on the current and voltage on the first DC voltage side and the second DC voltage side;
Determine the increase or decrease of the second power conversion efficiency to obtain a first efficiency change determination result, and if the first efficiency change determination result is an increase, the switching frequency is output to the first frequency adjustment unit A first efficiency change determination unit that reduces the value by a fixed value;
A second frequency adjustment unit that raises the switching frequency by a fixed value when the efficiency variation result is falling;
A third power conversion efficiency calculation unit that calculates a third power conversion efficiency when the switching frequency is increased by a fixed value, based on the current and voltage of the first DC voltage side and the second DC voltage side;
Determine the increase or decrease of the third power conversion efficiency to obtain a second efficiency change determination result, and if the second efficiency change determination result is an increase, the switching frequency is output to the second frequency adjustment unit A second efficiency variation determination unit that causes the first power conversion efficiency calculation unit to calculate the first power conversion efficiency when the second efficiency change determination result is a decrease by raising the value by a fixed value;
The control apparatus of the DC / DC converter of Claim 1 which has these.
前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づき、第1電力変換効率を計算して第1電力変換効率計算結果を出力する第1電力変換効率計算部と、
前記第1電力変換効率計算結果が出力された時のオフ電流値を、前記第1直流電圧、前記第2直流電圧、前記位相差、前記スイッチング周波数、及び前記インダクタのインダクタンス値に基づいて計算し、計算された前記オフ電流値の正負を判定して正負判定結果を求め、前記正負判定結果が負の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる電流値正負判定部と、
前記正負判定結果が正の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ下げる第1周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ下げた時の第2電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第2電力変換効率計算部と、
前記第2電力変換効率の上昇又は下降を判定して第1効率変動判定結果を求め、前記第1効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第1周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ下げさせる第1効率変動判定部と、
前記効率変動結果が下降の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ上げる第2周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ上げた時の第3電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第3電力変換効率計算部と、
前記第3電力変換効率の上昇又は下降を判定して第2効率変動判定結果を求め、前記第2効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第2周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ上げさせ、前記第2効率変動判定結果が下降の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる第2効率変動判定部と、
を有する請求項2記載のDC/DCコンバータの制御装置。 A first power conversion efficiency calculation unit that calculates a first power conversion efficiency based on the current and voltage on the first DC voltage side and the second DC voltage side, and outputs a first power conversion efficiency calculation result based on the first DC voltage side and the second DC voltage side. When,
The off current value when the first power conversion efficiency calculation result is output is calculated based on the first DC voltage, the second DC voltage, the phase difference, the switching frequency, and the inductance value of the inductor. The positive / negative determination result is determined by determining the positive / negative of the calculated off current value, and when the positive / negative determination result is negative, the first power conversion efficiency is calculated with respect to the first power conversion efficiency calculation unit. Current value positive / negative judgment unit
A first frequency adjustment unit that reduces the switching frequency by a fixed value when the positive / negative determination result is positive;
A second power conversion efficiency calculation unit that calculates a second power conversion efficiency when the switching frequency is lowered by a fixed value, based on the current and voltage on the first DC voltage side and the second DC voltage side;
Determine the increase or decrease of the second power conversion efficiency to obtain a first efficiency change determination result, and if the first efficiency change determination result is an increase, the switching frequency is output to the first frequency adjustment unit A first efficiency change determination unit that reduces the value by a fixed value;
A second frequency adjustment unit that raises the switching frequency by a fixed value when the efficiency variation result is falling;
A third power conversion efficiency calculation unit that calculates a third power conversion efficiency when the switching frequency is increased by a fixed value, based on the current and voltage of the first DC voltage side and the second DC voltage side;
Determine the increase or decrease of the third power conversion efficiency to obtain a second efficiency change determination result, and if the second efficiency change determination result is an increase, the switching frequency is output to the second frequency adjustment unit A second efficiency variation determination unit that causes the first power conversion efficiency calculation unit to calculate the first power conversion efficiency when the second efficiency change determination result is a decrease by raising the value by a fixed value;
The control apparatus of the DC / DC converter of Claim 2 which has these.
プログラム制御可能なプロセッサ、又は、個別回路により構成されている請求項1〜4のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。 The controller is
The control device of a DC / DC converter according to any one of claims 1 to 4, which is configured by a program controllable processor or an individual circuit.
デュアル・アクティブ・ブリッジ方式の双方向DC/DCコンバータである請求項1〜5のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。 The DC / DC converter is
The control device of a DC / DC converter according to any one of claims 1 to 5, which is a dual active bridge type bidirectional DC / DC converter.
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