CN102986125A - 双向dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种双向DC/DC转换器，该双向DC/DC转换器具备：初级侧电路，其包括第一直流电源或第一负载；次级侧电路，其包括第二负载或第二直流电源；电力传递部，其能够在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间双向地传递电力；以及控制部，其对上述初级侧电路和上述次级侧电路进行控制，以使电流从上述第一直流电源经由上述电力传递部流向上述第二负载，或者从上述第二直流电源经由上述电力传递部流向上述第一负载。

Description

双向DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及一种在一方端子上连接直流电源或负载并在另一方端子上连接负载或直流电源的情况下对连接在该一方端子或另一方端子上的负载双向地供给期望的直流电力的双向DC/DC转换器。
背景技术
近年来，随着电力电子(power electronics)技术的显著进步，使用半导体开关等来实质上不损耗电力地将从直流电源或交流电源供给的直流电力或交流电力转换为期望的电力的电力转换技术受到关注。特别是在要求考虑电力使用对环境的影响的当下，除了通过现有的商用电源所使用的电能以外，有效利用燃料电池、太阳能电池以及二次电池等的蓄电池(下面称为“蓄电池等”)的电能这种情况正在得到重视。因此，电力电子技术中的电力转换技术成为当前不可或缺的存在。这种电力转换装置中使用的半导体开关为了自由且广泛地进行电力转换，以高频率进行接通断开的开关动作。因而，在电力转换中，期望实现对由于半导体开关的开关动作而产生的开关损耗或噪声的抑制。
作为用于实现对电力转换中的开关损耗或噪声的抑制的开关，例如存在专利文献1。在专利文献1中，公开了如下电流正反双向开关：对将P-MO SFET和反向导通二极管并联连接而成的不具备反向阻断能力的四个半导体开关进行全桥连接，再生通过缓冲能量(snubber energy)吸收用的电容器将电位的上下进行耦合得到的缓冲能量。参照图8来说明该电流正反双向开关的动作。图8是表示以往的电流正反双向开关的电路结构的说明图。
在图8中，在电流端子7与电流端子8之间连接有全桥电路，该全桥电路是第一串联电路和第二串联电路分别并联连接而成，其中，该第一串联电路是将不具有反向阻断能力的半导体开关1A与半导体开关1B反向连接而成，该第二串联电路是将同样的不具有反向阻断能力的半导体开关1C与半导体开关1D反向连接而成。在此，各个半导体开关1A~1D例如能够由P-MOSFET(p-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effecttransistor：p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)和与该P-MO SFET并联连接的寄生二极管构成。并且，以将前述的第一串联电路与第二串联电路各自的中点连接的方式连接有缓冲电容器(snubber condenser)4。在前述的第一串联电路中，半导体开关1A的漏电极Da与半导体开关1B的漏电极Db相连接。在前述的第二串联电路中，半导体开关1C的源电极Sc与半导体开关1D的源电极Sd相连接。另外，半导体开关1A的源电极S a和半导体开关1C的漏电极Dc分别连接于电流端子7。并且，半导体开关1B的源电极Sb和半导体开关1D的漏电极Dd分别连接于电流端子8。在该电流正反双向开关中，从控制电路(未图示。下同)对各个半导体开关1A~1D的栅电极Ga~Gd施加栅极控制信号，半导体开关1A~1D根据施加于该栅电极Ga~Gd的栅极控制信号进行接通断开的动作。
首先，在使电流从电流端子7向电流端子8正向地流动的情况下，控制电路向半导体开关1B的栅电极Gb和半导体开关1C的栅电极Gc送出栅极控制信号，使该半导体开关1B和半导体开关1C一起驱动(导通)。此时，控制电路不对半导体开关1A的栅电极Ga和半导体开关1D的栅电极Gd送出栅极控制信号。但是，通过半导体开关1A和半导体开关1D各自的寄生二极管，电流沿各个寄生二极管的正向流动，因此该电流流过半导体开关1A和半导体开关1D。由此，电流从电流端子7向电流端子8的方向流动。
相反地，在使电流从电流端子8向电流端子7反向地流动的情况下，控制电路向半导体开关1A的栅电极Ga和半导体开关1D的栅电极Gd送出栅极控制信号，使该半导体开关1A和半导体开关1D一起导通。此时，控制电路不对半导体开关1B的栅电极Gb和半导体开关1C的栅电极Gc送出栅极控制信号。但是，通过半导体开关1B和半导体开关1D各自的寄生二极管，电流沿各个寄生二极管的正向流动，因此该电流流过半导体开关1B和半导体开关1C。由此，电流从电流端子8向电流端子7的方向流动。
这样，根据电流正反双向开关，使位于对角线上的半导体开关1A、1D的对和半导体开关1B、1C的对交替地驱动，由此能够使电流在电流端子7与电流端子8之间沿正向和反向的正反双向流动。
此外，在切断前述的电流正反双向开关的电流端子7与电流端子8之间的电流的情况下，控制电路停止对已被施加了栅极控制信号的各半导体开关1A~1D中的位于对角线上的半导体开关的各栅电极施加栅极控制信号，由此使原本驱动的半导体开关不驱动(截止)。由此，该导通时所流动的电流换流到缓冲电容器4，该缓冲电容器4被充电直到该电流变为零为止。在流向缓冲电容器4的电流变为零之前，该缓冲电容器4的两端间电压上升，通过半导体开关的寄生二极管，电流正反双向开关的电流自动被切断而电流不再流过。当下一次使电流在电流正反双向开关中流动时由控制电路分别对例如半导体开关1A的栅电极Ga和半导体开关1D的栅电极Gd施加栅极控制信号时，充到缓冲电容器4中的电荷通过半导体开关1A和半导体开关1D进行放电，由此将原本充在该缓冲电容器4中的能量供给到负载侧。
另外，作为使用专利文献1中公开的电流正反双向开关的电力转换装置的一例，存在专利文献2。在专利文献2中，公开了如下交流/直流转换装置：在单相全桥结构的四个反向导通型半导体开关(电流正反双向开关)的直流端子之间连接电容器，经由直流电感器连接二次电池，并且在交流端子之间经由交流电感器与交流电源侧耦合来与电源电压相位同步地使位于对角线上的成对的反向导通型半导体开关交替接通断开，连接有频率比由该交流电感器和电容器决定的谐振频率低的交流电源。根据专利文献2的交流/直流转换装置，需要比以往的PWM(PulseWidth Modulation：脉宽调制)转换器大的交流电感器，但是原则上在交流电源的一个周期进行一次反向导通型半导体开关的接通断开，由此，在电流波形中高次谐波非常少，并且通过该反向导通型半导体开关的接通断开次数的减少来能够实现开关损耗的大幅降低。
专利文献1：日本特开2000-358359号公报
专利文献2：日本特开平2008-193817号公报
然而，在如前述的专利文献2那样的交流/直流电力转换装置中，控制电路与交流电源的电压相位同步地送出栅极控制信号，以使反向导通半导体开关中位于对角线上的成对的两个反向导通型半导体开关同时接通断开、且该位于对角线上的两组对不会同时导通，并且，根据该栅极控制信号的相位来切换从交流电力向直流电力的转换和从直流电力向交流电力的转换。因此，存在控制电路需要监视交流电源的电压相位等、控制电路中的控制动作变得复杂的问题。因此，期待一种能够通过更简易的控制动作来输出期望电力的电力转换装置。在电力转换装置中，特别是在能够对例如将直流电源连接在初级侧而将蓄电池等连接在次级侧的情况下用于供给到该次级侧的直流电力、以及将蓄电池等连接在初级侧而将直流电源连接在次级侧的情况下用于供给到该初级侧的直流电力双向地进行电力转换的双向DC/DC转换器中，从稳定的电源供给这一观点出发，要求通过更简易的控制动作双向地输出期望的直流电力。
发明内容
本发明是鉴于前述的以往的情况而完成的，提供了一种双向DC/DC转换器，该双向DC/DC转换器通过同步地调整设置于初级侧的电流正反双向开关和设置于次级侧的电流正反双向开关各自的开关频率、即接通占空比这样的非常简易的控制动作，来在将直流电源或负载连接在初级侧并将负载或直流电源连接在次级侧的情况下在该初级侧与次级侧之间双向地输出期望的直流电力。
为了达到前述的目的，本发明的双向DC/DC转换器是一种具有在第一直流电源或第一负载与第二负载或第二直流电源之间相互进行直流转换的功能的双向DC/DC转换器，其特征在于，具备：初级侧电路，其包括第一直流电源或第一负载；次级侧电路，其包括第二负载或第二直流电源；以及变压器，其将由初级侧电路输出的电压变压后供给到次级侧电路，其中，初级侧电路具备：第一电流正反双向开关，其具有由四个半导体开关构成的桥电路、连接于该桥电路的端子间的电容器以及对各半导体开关的栅电极提供控制信号来进行该各半导体开关的接通断开控制的第一控制电路；以及第一电感器，该第一电感器的一端连接于第一直流电源或第一负载，另一端连接于桥电路的端子，次级侧电路具备：第二电流正反双向开关，其具有由四个半导体开关构成的桥电路、连接于该桥电路的端子间的电容器以及对各半导体开关的栅电极提供控制信号来进行该各半导体开关的接通断开控制的第二控制电路；以及第二电感器，该第二电感器的一端连接于第二直流电源或第二负载，另一端连接于桥电路的端子。
另外，在本发明的双向DC/DC转换器中，特征在于，由初级侧电路的电容器的静电容量和第一电感器的电感决定的谐振频率、以及由次级侧电路的电容器的静电容量和第二电感器的电感决定的谐振频率分别高于八个半导体开关的开关频率。
另外，在本发明的双向DC/DC转换器中，特征在于，初级侧电路和次级侧电路的各个半导体开关中分别位于对角线上的半导体开关根据由第一控制电路和第二控制电路分别输出的控制信号进行同步的动作。
另外，在本发明的双向DC/DC转换器中，特征在于，根据由第一控制电路和第二控制电路分别输出的控制信号，来切换从初级侧电路向次级侧电路的电力供给或从次级侧电路向初级侧电路的电力供给。
附图说明
根据与如下的附图一起提供的之后的优选实施例的说明，来明确本发明的目的和特征。
图1A是基于本发明的第一实施方式的双向DC/DC转换器的框图。
图1B是表示基于上述第一实施方式的双向DC/DC转换器的具体的电路结构的电路图。
图2是表示对各个半导体开关的栅电极施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图，(a)是表示对栅电极Ga、栅电极Gb、栅电极Gc、栅电极Gd分别施加的栅极控制信号的时间变化的说明图，(b)是表示对栅电极Ge、栅电极Gf、栅电极Gg、栅电极Gh分别施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图3是表示针对仿真条件1的仿真结果1的一例的说明图，(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、漏极电压Vda、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号以及对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图4是表示针对仿真条件2的仿真结果2的一例的说明图，(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、漏极电压Vda、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号以及对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图5是表示针对仿真条件3的仿真结果3的一例的说明图，(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、漏极电压Vda、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号以及对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图6是表示针对仿真条件4的仿真结果4的一例的说明图，(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、漏极电压Vda、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号以及对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图7是表示针对仿真条件5的仿真结果5的一例的说明图，(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、漏极电压Vda、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、电流Ia、电流Ib的时间变化的一例的说明图，(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号以及对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
图8是表示以往的电流正反双向开关的电路结构的说明图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的各实施方式。
(第一实施方式)
参照图1A、图1B以及图2来说明本发明的第一实施方式所涉及的双向DC/DC转换器的电路结构。
图1A是表示基于本发明的第一实施方式的双向DC/DC转换器11的结构的框图，图1B是其具体电路图。图2是表示对第一实施方式的双向DC/DC转换器11中的各个半导体开关Qa~Qh的栅电极Ga~Gh施加的栅极控制信号的时间变化的说明图。图2的(a)是表示对栅电极Ga、栅电极Gb、栅电极Gc、栅电极Gd分别施加的栅极控制信号的时间变化的说明图。图2的(b)是表示对栅电极Ge、栅电极Gf、栅电极Gg、栅电极Gh分别施加的栅极控制信号的时间变化的说明图。此外，考虑各个半导体开关Qa~Qh的死区时间(dead time)来将图2的(a)和(b)中的栅极控制信号的接通占空比设成相对于一个周期为49%。
在图1B中，双向DC/DC转换器11具备初级侧电路12、变压器13(电力传递部)以及次级侧电路14。下面，说明构成双向DC/DC转换器11的各部12~14，在初级侧电路12的端子Ta与端子Tb之间连接有负载或第一直流电源Va，在次级侧电路14的端子Tc与端子Td之间连接有负载或第二直流电源Vb。在基于本发明的双向DC/DC转换器11中，能够设想以下的情况：将直流电源连接于初级侧电路12，将负载连接于次级侧电路14，从初级侧向次级侧供给电力；以及将负载连接于初级侧电路12，将直流电源连接于次级侧电路14，从次级侧向初级侧供给电力。但是为了简化说明，如图1B中图示的那样，设在两侧都连接直流电源来进行说明。
在初级侧电路12中，在直流端子T1与直流端子T2之间串联连接有前述的专利文献2中记载的电流正反双向开关SW1。在该电流正反双向开关SW1中，在直流端子T1与直流端子T2之间，半导体开关Qa与半导体开关Qb的串联电路、半导体开关Qc与半导体开关Qd的串联电路以及电容器C1分别进行并联连接。半导体开关Qa~Qd例如能够由P-MOSFET以及与该P-MOSFET并联连接的寄生二极管构成。另外，除了P-MOSFET和寄生二极管的结构以外，半导体开关Qa~Qd还能够由IGBT(Insulated GateBipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)构成。
在半导体开关Qa与半导体开关Qb的串联电路中，半导体开关Qa的源电极Sa与半导体开关Qb的漏电极Db相连接。另外，在半导体开关Qc与半导体开关Qd的串联电路中，半导体开关Qc的源电极Sc与半导体开关Qd的漏电极Dd相连接。另外，半导体开关Qa的漏电极Da和半导体开关Qc的漏电极Dc分别连接于直流端子T1。并且，半导体开关Qb的源电极Sb和半导体开关Qd的源电极Sd分别连接于直流端子T2，构成所谓的全桥电路。
另外，在该电流正反双向开关SW1中，如图2的(a)所示，由控制电路15a对各个半导体开关Qa~Qd的栅电极Ga~Gd施加栅极控制信号。由此，半导体开关Qa~Qd根据施加于其栅电极Ga~Gd的栅极控制信号进行接通断开的动作。图2的(a)和(b)表示每隔10[μsec]对各个半导体开关Qa~Qh的栅电极Ga~Gh提供栅极控制信号时的时间变化的一例。
在电流正反双向开关SW1中，控制电路15a对位于对角线上的半导体开关Qa的栅电极Ga和半导体开关Qd的栅电极Gd提供各自的相位同步的栅极控制信号，对位于对角线上的半导体开关Qb的栅电极Gb和半导体开关Qc的栅电极Gc提供各自的相位同步的栅极控制信号。另外，对各个半导体开关Qa~Qd的栅电极Ga~Gd提供的栅极控制信号的接通占空比在一个周期中最大为50%(实际上考虑死区时间而例如为49%左右)，以防止该栅电极Ga~Gd的短路。另外，控制电路15a无论在任何相位下也不对半导体开关Qa的栅电极Ga和半导体开关Qb的栅电极Gb提供使其同时接通的栅极控制信号。同样地，控制电路15a无论在任何相位下也不对半导体开关Qc的栅电极Gc和半导体开关Qd的栅电极Gd提供使其同时接通的栅极控制信号。这是由于当存在电容器C 1的两端间电压时会短路。
另外，电容器C1作为前述的专利文献1中记载的电流正反双向开关中的缓冲电容器而发挥功能，并且在次级侧电路14的端子Tc与端子Td之间连接有第二直流电源Vb的情况下，还作为将通过变压器13在初级侧电路12中感应出的交流电压平滑为直流电压的平滑电容器而发挥功能。
另外，在端子Ta与端子Tb之间串联连接有第一直流电源Va和电阻R1。该电阻R1是作为第一直流电源Va的内部电阻而设置的低电阻。
另外，在端子Ta与直流端子T1之间串联连接有第一电感器L1，电流Ia从第一直流电源Va流向第一电感器L1。此外，下面，如图1所示，设从第一直流电源Va流向第一电感器L1的电流Ia的方向为该电流Ia的正向来进行说明。
并且，在端子T3与端子T4之间连接有变压器13的初级侧电感器13a，该端子T3是半导体开关Qa的源电极Sa与半导体开关Qb的漏电极Db的连接节点，该端子T4是半导体开关Qc的源电极Sc与半导体开关Qd的漏电极Dd的连接节点。
另外，在初级侧电路12中，分别对电容器C1的静电容量和变压器13的初级侧励磁电感器13a的电感进行设定，使得由电容器C1和变压器13的初级侧励磁电感器13a决定的谐振频率比半导体开关Qa~Qd的开关频率高。由此，电容器C1每次放电之后都会产生该电容器C1的两端间电压大致变为零的期间，能够实现零电压和零电流下的软开关动作，并且能够在双向DC/DC转换器11的动作中降低半导体开关Qa~Qd的开关动作中的损耗。
在次级侧电路14中，在直流端子T5与直流端子T6之间串联连接有前述的专利文献2中记载的电流正反双向开关SW2。在该电流正反双向开关SW2中，在直流端子T5与直流端子T6之间，半导体开关Qe与半导体开关Qf的串联电路、半导体开关Qg与半导体开关Qh的串联电路以及电容器C2分别进行并联连接。半导体开关Qe~Qh同样地例如能够由P-MOSFET以及与该P-MOSFET并联连接的寄生二极管构成。另外，除了P-MOSFET和寄生二极管的结构以外，半导体开关Qe~Qh还能够由IGBT构成。
在半导体开关Qe与半导体开关Qf的串联电路中，半导体开关Qe的源电极Se与半导体开关Qf的漏电极Df相连接。另外，在半导体开关Qg与半导体开关Qh的串联电路中，半导体开关Qg的源电极Sg与半导体开关Qh的漏电极Dh相连接。另外，半导体开关Qe的漏电极De和半导体开关Qg的漏电极Dg分别连接于直流端子T5。并且，半导体开关Qf的源电极Sf和半导体开关Qh的源电极Sh分别连接于直流端子T6，构成所谓的全桥电路。
另外，在该电流正反双向开关SW2中，如图2的(b)所示，从控制电路15b对各个半导体开关Qe~Qh的栅电极Ge~Gh施加栅极控制信号。由此，半导体开关Qe~Qh根据施加于其栅电极Ge~Gh的栅极控制信号进行接通断开的动作。
在电流正反双向开关SW2中，控制电路15b对位于对角线上的半导体开关Qf的栅电极Gf和半导体开关Qg的栅电极Gg提供各自的相位同步的栅极控制信号，对位于对角线上的半导体开关Qe的栅电极Ge和半导体开关Qh的栅电极Gh提供各自的相位同步的栅极控制信号。另外，对各个半导体开关Qe~Qh的栅电极Ge~Gh提供的栅极控制信号的接通占空比在一个周期中最大为50%(实际上考虑死区时间而例如为49%左右)，以防止该栅电极Ge~Gh的短路。另外，控制电路15b无论在任何相位下也不对半导体开关Qe的栅电极Ge和半导体开关Qf的栅电极Gf提供使其同时接通的栅极控制信号。同样地，控制电路15b无论在任何相位下也不对半导体开关Qg的栅电极Gg和半导体开关Qh的栅电极Gh提供使其同时接通的栅极控制信号。这是由于当存在电容器C2的两端间电压时会短路。
另外，电容器C2作为前述的专利文献1中记载的电流正反双向开关中的缓冲电容器而发挥功能，并且在初级侧电路12的端子Ta与端子Tb之间连接有第一直流电源Va的情况下，还作为将通过变压器13在次级侧电路14中感应出的交流电压平滑为直流电压的平滑电容器而发挥功能。
另外，在端子Tc与端子Td之间串联连接有第二直流电源Vb和电阻R2。该电阻R2是作为第二直流电源Vb的内部电阻而设置的低电阻。
另外，在端子Tc与直流端子T5之间串联连接有第二电感器L2，电流Ib从第二直流电源Vb流向第二电感器L2。此外，下面，如图1所示，设从第二直流电源Vb流向第二电感器L2的电流Ib的方向为该电流Ib的正向来进行说明。
并且，在端子T7与端子T8之间连接有变压器13的次级侧电感器13b，该端子T7是半导体开关Qe的源电极Se与半导体开关Qf的漏电极Df的连接节点，该端子T8是半导体开关Qg的源电极Sg与半导体开关Qh的漏电极Dh的连接节点。
另外，在次级侧电路14中，分别对电容器C2的静电容量和变压器13的次级侧励磁电感器13b的电感进行设定，使得由电容器C2和变压器13的次级侧励磁电感器13b决定的谐振频率比半导体开关Qe~Qh的开关频率高。由此，电容器C2每次放电之后都会产生该电容器C2的两端间电压大致变为零的期间，能够实现零电压和零电流下的软开关动作，并且能够在双向DC/DC转换器11的动作中降低半导体开关Qe~Qh的开关动作中的损耗。
另外，如图2所示，控制电路15a和控制电路15b分别对半导体开关Qa的栅电极Ga、半导体开关Qd的栅电极Gd、半导体开关Qf的栅电极Gf以及半导体开关Qg的栅电极Gg提供各自的相位同步的栅极控制信号。并且，控制电路15a和控制电路15b分别对半导体开关Qb的栅电极Gb、半导体开关Qc的栅电极Gc、半导体开关Qe的栅电极Ge以及半导体开关Qh的栅电极Gh提供各自的相位同步的栅极控制信号。
在双向DC/DC转换器11中，控制电路15a根据前述的相对于一个周期的接通占空比来向栅电极Gb、Gc提供栅极控制信号以使半导体开关Qb和半导体开关Qc接通。并且，与该控制电路15a对栅电极Gb、Gc的栅极控制信号的施加同步地，控制电路15b根据前述的相对于一个周期的接通占空比来向栅电极Ge、Gh分别提供栅极控制信号以使半导体开关Qe和半导体开关Gh接通。
并且，控制电路15a紧接在根据前述的相对于一个周期的接通占空比来停止对栅电极Gb、Gc施加栅极控制信号之后，同样地根据相对于一个周期的接通占空比来对栅电极Ga、Gd提供栅极控制信号以使半导体开关Qa和半导体开关Qd接通。并且，与该控制电路15a对栅电极Ga、Gd的栅极控制信号的施加同步地，控制电路15b紧接在根据前述的相对于一个周期的接通占空比来停止对栅电极Ge、Gh施加栅极控制信号之后，同样地根据相对于一个周期的接通占空比来对栅电极Gf、Gg提供栅极控制信号以使半导体开关Qf和半导体开关Qg接通。如图2所示，控制电路15a和控制电路15b重复这些动作。
因此，变压器13的初级侧电感器13a中会流通交流电流，与由初级侧电感器13a和次级侧电感器13b决定的变压比相应地由变压器13变压后得到的感应电压施加到次级侧电路14。
并且，在第一双向DC/DC转换器11中，能够根据由控制电路15a和控制电路15b分别输出的栅极控制信号的接通占空比，来适当地切换从初级侧电路12向次级侧电路14的电力供给或从次级侧电路14向初级侧电路12的电力供给。例如，在初级侧电路12的控制电路15a对各个半导体开关Qa~Qd的栅电极Ga~Gd提供的栅极控制信号的接通占空比大于次级侧电路14的控制电路15b对各个半导体开关Qe~Qh的栅电极Ge~Gh提供的栅极控制信号的接通占空比的情况下，双向DC/DC转换器11从初级侧电路12向次级侧电路14供给电力。另一方面，在初级侧电路12的控制电路15a对各个半导体开关Qa~Qd的栅电极Ga~Gd提供的栅极控制信号的接通占空比小于次级侧电路14的控制电路15b对各个半导体开关Qe~Qh的栅电极Ge~Gh提供的栅极控制信号的接通占空比的情况下，双向DC/DC转换器11从次级侧电路14向初级侧电路12供给电力。
2．关于双向DC/DC转换器11的动作仿真(变压器13的降压比为1:1)的说明
图3~图5是分别表示第一实施方式的双向DC/DC转换器11针对动作仿真条件1~3的动作仿真结果1~3的说明图。
首先，说明针对动作仿真条件1的动作仿真结果1。图3所示的动作仿真条件1为下面的内容。图3是表示针对动作仿真条件1的动作仿真结果1的一例的说明图。该图的(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、半导体开关Qa的漏极电压Vda、流过第一电感器L1的电流Ia、流过第二电感器L2的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、流过第一电感器L1的电流Ia、流过第二电感器L2的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
(1)初级侧电路12中连接有第一直流电源Va，次级侧电路14中连接有第二直流电源Vb。
(2)第一直流电源Va的电压：380[V]
(3)第二直流电源Vb的电压：380[V]
(4)半导体开关Qa~Qd的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(5)半导体开关Qe~Qh的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(6)变压器13的降压比：在初级侧电路12和次级侧电路14中具有1比1的关系。
图3的(a)、(b)、(c)的横轴分别表示时间(2.5μsec/1div)。图3的(a)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的该半导体开关Qa的漏极电流Ida[A]。图3的(a)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的半导体开关Qa的漏极电压Vda[V]。图3的(b)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的该半导体开关Qe的漏极电流Ide[A]。图3的(b)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的半导体开关Qe的漏极电压Vde[V]。
如图3的(c)所示，对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号各自的接通占空比相同，因此由控制电路15a和控制电路15b以仅使各自的栅极控制信号的相位反转的方式分别输出上述栅极控制信号。即，在半导体开关Qa导通的期间半导体开关Qe截止，在半导体开关Qe导通的期间半导体开关Qa截止。在图3的(c)中，八个半导体开关Qa~Qh中从电流正反双向开关SW1和电流正反双向开关SW2中分别代表性地示出了半导体开关Qa和半导体开关Qe。但是，关于与其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh有关的栅极控制信号，在图2中示出接通占空比为49%的情况。
如图3的(a)和(b)所示，电流Ia和电流Ib几乎为零。因此，示出了以下情况：在动作仿真条件1、即半导体开关Qa~Qd的接通占空比与半导体开关Qe~Qh的接通占空比大致相同地为49%的情况下，双向DC/DC转换器11中不流过电流Ia和电流Ib。另外，如图3的(a)和(b)所示，半导体开关Qa的漏极电流Ida的波形和半导体开关Qa的漏极电压Vda的波形以及半导体开关Qe的漏极电流Ide的波形和半导体开关Qe的漏极电压Vde的波形分别不重复。因此，示出了以下情况：在双向DC/DC转换器11中，成功降低了半导体开关Qa和半导体开关Qe的开关损耗。同样地，也成功降低了其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh的开关损耗。
接着，说明针对动作仿真条件2的动作仿真结果2。图4所示的动作仿真条件2为下面的内容。图4是表示针对动作仿真条件2的动作仿真结果2的一例的说明图。该图的(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、半导体开关Qa的漏极电压Vda、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
(1)初级侧电路12中连接有第一直流电源Va，次级侧电路14中连接有第二直流电源Vb。
(2)第一直流电源Va的电压：380[V]
(3)第二直流电源Vb的电压：380[V]
(4)半导体开关Qa~Qd的接通占空比：一个周期的40%(断开占空比为一个周期的60%)
(5)半导体开关Qe~Qh的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(6)变压器13的降压比：在初级侧电路12和次级侧电路14中具有1比1的关系。
图4的(a)、(b)、(c)的横轴分别表示时间(2.5μsec/1div)。图4的(a)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的该半导体开关Qa的漏极电流Ida[A]。图4的(a)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的半导体开关Qa的漏极电压Vda[V]。图4的(b)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的该半导体开关Qe的漏极电流Ide[A]。图4的(b)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的半导体开关Q e的漏极电压Vde[V]。
如图4的(c)所示，对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号各自的栅极控制信号的接通占空比不同。具体地说，如在动作仿真条件2的(4)中所说明的那样，半导体开关Qa~Qd的接通占空比为一个周期的40%，如在该条件2的(5)中所说明的那样，半导体开关Qe~Qh的接通占空比为一个周期的49%。此外，与动作仿真条件1同样地，在图4的(c)中，八个半导体开关Qa~Qh中从电流正反双向开关SW1和电流正反双向开关SW2中分别代表性地示出了半导体开关Qa和半导体开关Qe。
如图4的(a)和(b)所示，作为针对动作仿真条件2的动作仿真结果2，电流Ia转变为负的值，电流Ib转变为正的值。由此，作为针对动作仿真条件2的动作仿真结果2，示出了以下情况：第一实施方式的双向DC/DC转换器11从进行了栅极控制信号的接通占空比大的开关动作的次级侧电路14(第二直流电源Vb)对进行了接通占空比小的开关动作的初级侧电路12(第一直流电源Va)供给电力转换后的电力。另外，如图4的(a)和(b)所示，半导体开关Qa的漏极电流Ida的波形和半导体开关Qa的漏极电压Vda的波形以及半导体开关Qe的漏极电流Ide的波形和半导体开关Qe的漏极电压Vde的波形分别不重复。因此，示出了在双向DC/DC转换器11中成功降低了半导体开关Qa和半导体开关Qe的开关损耗。同样地，也成功降低了其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh的开关损耗。
接着，说明针对动作仿真条件3的动作仿真结果3。图5所示的动作仿真条件3为下面的内容。图5是表示针对动作仿真条件3的动作仿真结果3的一例的说明图。该图的(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、半导体开关Qa的漏极电压Vda、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
(1)初级侧电路12中连接有第一直流电源Va，次级侧电路14中连接有第二直流电源Vb。
(2)第一直流电源Va的电压：380[V]
(3)第二直流电源Vb的电压：380[V]
(4)半导体开关Qa~Qd的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(5)半导体开关Qe~Qh的接通占空比：一个周期的40%(断开占空比为一个周期的60%)
(6)变压器13的降压比：在初级侧电路12和次级侧电路14中具有1比1的关系。
图5的(a)、(b)、(c)的横轴分别表示时间(2.5μsec/1div)。图5的(a)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的该半导体开关Qa的漏极电流Ida[A]。图5的(a)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的半导体开关Qa的漏极电压Vda[V]。图5的(b)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的该半导体开关Qe的漏极电流Ide[A]。图5的(b)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的半导体开关Qe的漏极电压Vde[V]。
如图5的(c)所示，对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号各自的栅极控制信号的接通占空比不同。具体地说，如在动作仿真条件3的(4)中所说明的那样，半导体开关Qa~Qd的接通占空比为一个周期的49%，如在该条件3的(5)中所说明的那样，半导体开关Qe~Qh的接通占空比为一个周期的40%。此外，与动作仿真条件1同样地，在图5的(c)中，八个半导体开关Qa~Qh中从电流正反双向开关SW 1和电流正反双向开关SW2中分别代表性地示出了半导体开关Qa和半导体开关Qe。
如图5的(a)和(c)所示，作为针对动作仿真条件3的动作仿真结果3，电流Ib转变为负的值，电流Ia转变为正的值。由此，作为针对动作仿真条件3的动作仿真结果3，示出了以下情况：第一实施方式的双向DC/DC转换器11从进行了栅极控制信号的接通占空比大的开关动作的初级侧电路12(第一直流电源Va)对进行了接通占空比小的开关动作的次级侧电路14(第二直流电源Vb)供给电力转换后的电力。另外，如图5的(a)和(b)所示，半导体开关Qa的漏极电流Ida的波形和半导体开关Qa的漏极电压Vda的波形以及半导体开关Qe的漏极电流Ide的波形和半导体开关Qe的漏极电压Vde的波形分别不重复。因此，示出了在双向DC/DC转换器11中成功降低了半导体开关Qa和半导体开关Qe的开关损耗。同样地，也成功降低了其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh的开关损耗。
3．关于双向DC/DC转换器11的动作仿真(变压器13的降压比为1:0.2)的说明
图6和图7是表示第一实施方式的双向DC/DC转换器11的针对动作仿真条件4、5的动作仿真结果4、5的说明图。
接着，说明针对动作仿真条件4的动作仿真结果4。图6所示的动作仿真条件4为下面的内容。图6是表示针对动作仿真条件4的动作仿真结果4的一例的说明图。该图的(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、半导体开关Qa的漏极电压Vda、在第一电感器L 1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
(1)初级侧电路12中连接有第一直流电源Va，次级侧电路14中连接有第二直流电源Vb。
(2)第一直流电源Va的电压：380[V]
(3)第二直流电源Vb的电压：76[V]
(4)半导体开关Qa~Qd的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(5)半导体开关Qe~Qh的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(6)变压器13的降压比：在初级侧电路12和次级侧电路14中具有1比0.2的关系。
图6的(a)、(b)、(c)的横轴分别表示时间(2.5μsec/1div)。图6的(a)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的该半导体开关Qa的漏极电流Ida[A]。图6的(a)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的半导体开关Qa的漏极电压Vda[V]。图6的(b)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的该半导体开关Qe的漏极电流Ide[A]。图6的(b)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的半导体开关Qe的漏极电压Vde[V]。
如图6的(c)所示，对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号各自的接通占空比相同，因此由控制电路15a和控制电路15b以仅使各自的栅极控制信号的相位反转的方式分别输出上述栅极控制信号。即，在半导体开关Qa导通的期间半导体开关Qe截止，在半导体开关Qe导通的期间半导体开关Qa截止。在图6的(c)中，八个半导体开关Qa~Qh中从电流正反双向开关SW1和电流正反双向开关SW2中分别代表性地示出了半导体开关Qa和半导体开关Qe。但是，关于与其它半导体开关Qa~Qh有关的栅极控制信号，在图2中示出接通占空比为49%的情况。
如图6的(a)和(b)所示，电流Ia和电流Ib存在一些大小上的不同，但是认为这是在变压器13的降压比的影响下表现出了不同。因此，与前述的针对动作仿真条件1的动作仿真结果1同样地，示出了以下情况：在动作仿真条件4、即半导体开关Qa~Qd的接通占空比与半导体开关Qe~Qh的接通占空比大致相同地为49%的情况下，双向DC/DC转换器11中不流过电流Ia和电流Ib。另外，如图6的(a)和(b)所示，半导体开关Qa的漏极电流Ida的波形和半导体开关Qa的漏极电压Vda的波形以及半导体开关Qe的漏极电流Ide的波形和半导体开关Qe的漏极电压Vde的波形分别不重复。因此，示出了在双向DC/DC转换器11中成功降低了半导体开关Qa和半导体开关Qe的开关损耗。同样地，也成功降低了其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh的开关损耗。
最后，说明针对动作仿真条件5的动作仿真结果5。图7所示的动作仿真条件5为下面的内容。图7是表示针对动作仿真条件5的动作仿真结果5的一例的说明图。该图的(a)是表示半导体开关Qa的漏极电流Ida、半导体开关Qa的漏极电压Vda、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(b)是表示半导体开关Qe的漏极电流Ide、漏极电压Vde、在第一电感器L1中流动的电流Ia、在第二电感器L2中流动的电流Ib的时间变化的一例的说明图。该图的(c)是表示对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号的时间变化的一例的说明图。
(1)初级侧电路12中连接有第一直流电源Va，次级侧电路14中连接有第二直流电源Vb。
(2)第一直流电源Va的电压：380[V]
(3)第二直流电源Vb的电压：76[V]
(4)半导体开关Qa~Qd的接通占空比：一个周期的40%(断开占空比为一个周期的60%)
(5)半导体开关Qe~Qh的接通占空比：一个周期的49%(断开占空比为一个周期的51%)
(6)变压器13的降压比：在初级侧电路12和次级侧电路14中具有1比0.2的关系。
图7的(a)、(b)、(c)的横轴分别表示时间(2.5μsec/1div)。图7的(a)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的该半导体开关Qa的漏极电流Ida[A]。图7的(a)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qa的栅电极Ga的栅极控制信号的半导体开关Qa的漏极电压Vda[V]。图7的(b)的点线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的该半导体开关Qe的漏极电流Ide[A]。图7的(e)的点划线波形表示针对施加于半导体开关Qe的栅电极Ge的栅极控制信号的半导体开关Qe的漏极电压Vde[V]。
如图7的(c)所示，对半导体开关Qa的栅电极Ga施加的栅极控制信号和对半导体开关Qe的栅电极Ge施加的栅极控制信号各自的栅极控制信号的接通占空比不同。具体地说，如在动作仿真条件5的(4)中所说明的那样，半导体开关Qa~Qd的接通占空比为一个周期的40%，如在该条件5的(5)所说明的那样，半导体开关Qe~Qh的接通占空比为一个周期的49%。此外，与动作仿真条件1同样地，在图7的(c)中，八个半导体开关Qa~Qh中从电流正反双向开关SW1和电流正反双向开关SW2中分别代表性地示出了半导体开关Qa和半导体开关Qe。
如图7的(a)和(b)所示，作为针对动作仿真条件5的动作仿真结果5，电流Ia转变为负的值，电流Ib转变为正的值。由此，作为针对动作仿真条件5的动作仿真结果5，示出了以下的情况：第一实施方式的双向DC/DC转换器11从进行了栅极控制信号的接通占空比大的开关动作的次级侧电路14(第二直流电源Vb)对进行了接通占空比小的开关动作的初级侧电路12(第一直流电源Va)供给电力转换后的电力。另外，如图7的(a)和(b)所示，半导体开关Qa的漏极电流Ida的波形和半导体开关Qa的漏极电压Vda的波形以及半导体开关Qe的漏极电流Ide的波形和半导体开关Qe的漏极电压Vde的波形分别不重复。因此，示出了在双向DC/DC转换器11中成功降低了半导体开关Qa和半导体开关Qe的开关损耗。同样地也成功降低了其它半导体开关Qb~Qd、Qf～Qh的开关损耗。
如以上所说明的那样，根据第一实施方式的双向DC/DC转换器11，通过以下的非常简易的控制动作能够在将直流电源或负载连接在初级侧并将负载或直流电源连接在次级侧的情况下在该初级侧与次级侧之间双向地输出期望的直流电力：将设置于初级侧的电流正反双向开关和设置于次级侧的电流正反双向开关中分别设置的半导体开关Qa~Qh中的、位于各对角线上的半导体开关的对交替接通断开，并且对作为该半导体开关的开关频率的接通占空比进行同步的调整。
以上，参照附图来说明了各种实施方式，但是本发明的双向DC/DC转换器11并不限定于上述例，这是不言而喻的。应该了解：若是本领域技术人员，则能够在权利要求书所记载的范围内想到各种变更例或修正例，这是显然的，它们当然也属于本发明的技术范围。

Claims (5)

1.一种双向DC/DC转换器，具备：
初级侧电路，其包括第一直流电源或第一负载；
次级侧电路，其包括第二负载或第二直流电源；
电力传递部，其能够在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间双向地传递电力；以及
控制部，其对上述初级侧电路和上述次级侧电路进行控制，以使电流从上述第一直流电源经由上述电力传递部流向上述第二负载，或者从上述第二直流电源经由上述电力传递部流向上述第一负载。
2.根据权利要求1所述的双向DC/DC转换器，其特征在于，
上述电力传递部还具备变压器，该变压器将由上述初级侧电路输出的电压变压后供给到上述次级侧电路，或者将由上述次级侧电路输出的电压变压后供给到上述初级侧电路，
上述初级侧电路具备：
第一电流正反双向开关，其具有由四个半导体开关构成的桥电路以及电容器，该电容器连接于该桥电路的四个半导体开关间的四个连接点中的与上述第一负载或上述第一直流电源连接的两个端子间；
第一控制电路，其对各上述半导体开关的栅电极提供控制信号来进行各该半导体开关的接通断开控制；以及
第一电感器，该第一电感器的一端连接于上述第一直流电源或上述第一负载，另一端连接于上述桥电路的连接上述电容器的端子，
上述次级侧电路具备：
第二电流正反双向开关，其具有由四个半导体开关构成的桥电路以及电容器，该电容器连接于该桥电路的四个半导体开关间的四个连接点中的与上述第二负载或上述第二直流电源连接的两个端子间；
第二控制电路，其对各上述半导体开关的栅电极提供控制信号来进行各该半导体开关的接通断开控制；以及
第二电感器，该第二电感器的一端连接于上述第二直流电源或上述第二负载，另一端连接于上述桥电路的连接上述电容器的端子，
其中，上述控制部包括上述第一控制电路和上述第二控制电路。
3.根据权利要求2所述的双向DC/DC转换器，其特征在于，
由上述初级侧电路的电容器的静电容量和上述第一电感器的电感决定的谐振频率、以及由上述次级侧电路的电容器的静电容量和上述第二电感器的电感决定的谐振频率分别高于八个上述半导体开关的开关频率。
4.根据权利要求3所述的双向DC/DC转换器，其特征在于，
上述第一电流正反双向开关和上述第二电流正反双向开关各自的上述四个半导体开关在第一对角线和第二对角线上各配置有两个，
在上述初级侧电路中，上述第一控制电路对位于上述第一对角线或上述第二对角线上的两个半导体开关同时输出控制信号，
在上述次级侧电路中，上述第二控制电路对位于上述第一对角线或上述第二对角线上的两个半导体开关同时输出控制信号，
上述第一电流正反双向开关内的位于上述第一对角线上的两个半导体开关与上述第二电流正反双向开关内的位于上述第二对角线上的两个半导体开关同步地进行动作，
上述第一电流正反双向开关内的位于上述第二对角线上的两个半导体开关与上述第二电流正反双向开关内的位于上述第一对角线上的两个半导体开关同步地进行动作。
5.根据权利要求4所述的双向DC/DC转换器，其特征在于，
根据由上述第一控制电路和上述第二控制电路分别输出的控制信号，来切换从上述初级侧电路向上述次级侧电路的电力供给或从上述次级侧电路向上述初级侧电路的电力供给。
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