JP6579622B2 - 双方向絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとしては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。図９に示すように、特許文献１に記載の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ｂは、トランスＴｓと、トランスＴｓの１次側に設けられたフルブリッジ回路１３と、ＬＬＣ共振回路（コイルＬ１１、コンデンサＣ１２およびトランスＴｓの１次巻線で構成された共振回路）と、トランスＴｓの２次側に設けられた同期整流スイッチ回路１４と、コイルＬ２１、Ｌ２２およびコンデンサＣ２１からなる整流平滑回路と、制御回路１５とを備えている。

さらに、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ｂは、１次側にクランプ用ダイオードＤ１１、Ｄ１２を備えている。クランプ用ダイオードＤ１１は、アノードがトランスＴｓの１次巻線の他端に接続され、カソードが高電位側の入力端Ｔ１に接続されており、トランスＴｓの１次巻線の他端の電位を高電位側の電位にクランプするために設けられている。クランプ用ダイオードＤ１２は、カソードがトランスＴｓの１次巻線の他端に接続され、アノードが低電位側の入力端Ｔ１’に接続されており、トランスＴｓの１次巻線の他端の電位を低電位側の電位にクランプするために設けられている。これにより２次側の同期整流スイッチ回路１４のスイッチ素子Ｑ１５、Ｑ１６に過電圧が発生することを防止している。

絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ｂは、１次側から２次側に電力を供給することを目的としている。このため、制御回路１５は、フルブリッジ回路１３に対してＬＬＣ共振による制御を行い、フルブリッジ回路１３のスイッチング損失を低減している。

なお、１次側が位相シフト制御に対応した回路構成の場合、制御回路１５は、１次側のフルブリッジ回路に対して位相シフト制御を行うことで、１次側のフルブリッジ回路を構成するスイッチ素子の寄生キャパシタまたは外付けの共振コンデンサと共振コイルとの部分共振により、１次側のフルブリッジ回路のスイッチング損失を低減することができる。

特開２０１４−１９７９４２号公報

上記のとおり、従来の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ｂは、１次側から２次側に電力を供給する場合、ＬＬＣ共振または部分共振によりスイッチング損失を低減することができる。しかしながら、従来の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ｂは、２次側から１次側に逆方向に電力を供給する場合、ＬＬＣ共振または部分共振が働かず、ゼロ電流スイッチングまたはゼロ電圧スイッチングによるスイッチング損失を低減することができないという問題があった。具体的には、１次側のフルブリッジ回路を構成するスイッチ素子のスイッチング時に、上記スイッチング損失以外に当該スイッチ素子の寄生キャパシタまたは外付けの共振コンデンサの電荷が放出され、これにより電圧振動が生じて損失が発生してしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、１次側から２次側への電力供給と２次側から１次側への電力供給とを効率よく行うことが可能な双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、
１次巻線および２次巻線を有する絶縁変圧部と、
前記絶縁変圧部の１次側に設けられたフルブリッジ回路を含む電圧型の１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記絶縁変圧部の２次側に設けられた電流型の２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
前記１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部に対して位相シフト制御を行う一方、前記２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部に対して同期整流制御を行う制御回路と、
を備えた双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
一端が前記フルブリッジ回路の第１レグを構成する第１スイッチ素子および第２スイッチ素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の一端に接続された第１コイルと、
一端が前記フルブリッジ回路の第２レグを構成する第３スイッチ素子および第４スイッチ素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の他端に接続された第２コイルと、
アノードが前記第１コイルの他端に接続され、カソードが前記第１レグの一端に接続された第１整流素子と、
アノードが前記第１レグの他端に接続され、カソードが前記第１コイルの他端に接続された第２整流素子と、
アノードが前記第２コイルの他端に接続され、カソードが前記第２レグの一端に接続された第３整流素子と、
アノードが前記第２レグの他端に接続され、カソードが前記第２コイルの他端に接続された第４整流素子と、を含み、
前記制御回路では、２次側から１次側に電力を供給する逆方向電力変換動作時における、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子の位相に対する前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子の位相のシフト量が、前記制御回路において設定可能な最小値に設定されており、
前記制御回路は、前記逆方向電力変換動作時において、１次側から２次側に電力を供給する量が最小またはゼロになるように前記シフト量を制御することを特徴とする。

この構成によれば、第１コイルおよび第２コイルによりフルブリッジ回路−絶縁変圧部間にインピーダンスをもたせ、かつ第１〜第４整流素子により第１〜第４スイッチ素子を迂回する電流経路を形成して、逆方向電力変換動作時に第１〜第４スイッチ素子に電流が流れにくくすることで、第１〜第４スイッチ素子のスイッチング時に当該第１〜第４スイッチ素子の寄生キャパシタまたは外付けの共振コンデンサの電荷が放出されることにより発生する電圧振動を抑制することができる。

本発明によれば、１次側から２次側への電力供給と２次側から１次側への電力供給とを効率よく行うことが可能な双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 逆方向電力変換動作時におけるスイッチ素子のタイミングチャートである。 図２の各状態における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図であって、（Ａ）は状態２−１、（Ｂ）は状態２−２、（Ｃ）は状態３−１、（Ｄ）は状態３−２に対応した図である。 図２の各状態における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図であって、（Ａ）は状態４−１、（Ｂ）は状態４−２、（Ｃ）は状態１−１、（Ｄ）は状態１−２に対応した図である。 順方向電力変換動作時におけるスイッチ素子のタイミングチャートである。 図５の各状態における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図であって、（Ａ）は状態１−２、（Ｂ）は状態２−１、（Ｃ）は状態２−２、（Ｄ）は状態３−１に対応した図である。 図５の各状態における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図であって、（Ａ）は状態３−２、（Ｂ）は状態４−１、（Ｃ）は状態４−２、（Ｄ）は状態１−１に対応した図である。 本発明の変形例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 従来の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａを示す。双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａは、１次側から２次側に電力を供給する順方向電力変換動作と、２次側から１次側に電力を供給する逆方向電力変換動作とを行う。

双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａは、本発明の「絶縁変圧部」に相当するトランスＴＲ１と、トランスＴＲ１の１次巻線側に設けられた電圧型の１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１と、トランスＴＲ１の２次巻線側に設けられた電流型の２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部２と、制御回路５とを備えている。

１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１は、平滑コンデンサＣ１と、１次側フルブリッジ回路３と、第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２と、第１〜第４整流素子Ｄ１〜Ｄ４とを備えている。

平滑コンデンサＣ１は、一端が高電位側の入出力端Ｔ１に接続され、他端が低電位側の入出力端Ｔ１’に接続されている。

１次側フルブリッジ回路３は、第１スイッチ素子Ｑ１と、第２スイッチ素子Ｑ２と、第３スイッチ素子Ｑ３と、第４スイッチ素子Ｑ４とを含む。第１スイッチ素子Ｑ１は第１レグの上アームを構成し、第２スイッチ素子Ｑ２は第１レグの下アームを構成する。第３スイッチ素子Ｑ３は第２レグの上アームを構成し、第４スイッチ素子Ｑ４は第２レグの下アームを構成する。第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御回路５の制御下でスイッチング動作を行う。第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング動作を行うパワー素子を用いることができる。

第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれには、ダイオードが逆並列接続されている。ダイオードとしては、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の各寄生ダイオードや、当該寄生ダイオードとは別のダイオード素子を用いることができる。さらに、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれには、コンデンサが並列接続されている。コンデンサとしては、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の各寄生キャパシタや、当該寄生キャパシタとは別の外付け共振コンデンサを用いることができる。本実施形態では、第３スイッチ素子Ｑ３に共振コンデンサＣａが並列接続され、第４スイッチ素子Ｑ４に共振コンデンサＣｂが並列接続されている。

第１コイルＬ１は、一端が１次側フルブリッジ回路３の第１レグを構成する第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の接続点に接続され、他端がトランスＴＲ１の１次巻線の一端に接続されている。第２コイルＬ２は、一端が１次側フルブリッジ回路３の第２レグを構成する第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４の接続点に接続され、他端がトランスＴＲ１の１次巻線の他端に接続されている。すなわち、順方向電力変換動作時において、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２および第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の各寄生キャパシタや外付け共振コンデンサＣａ、Ｃｂは、１次側フルブリッジ回路３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング時に部分共振回路を構成し、ゼロ電圧スイッチングによりスイッチング損失を低減する。

第１整流素子Ｄ１は、ダイオードからなり、アノードが第１コイルＬ１の他端に接続され、カソードが１次側フルブリッジ回路３の第１レグの一端に接続されている。すなわち、第１整流素子Ｄ１は、第１コイルＬ１を介して第１スイッチ素子Ｑ１に並列接続され、逆方向電力変換動作におけるスイッチング時に第１コイルＬ１および第１スイッチ素子Ｑ１を迂回する電流経路を形成する。

第２整流素子Ｄ２は、ダイオードからなり、カソードが第１コイルＬ１の他端に接続され、アノードが１次側フルブリッジ回路３の第１レグの他端に接続されている。すなわち、第２整流素子Ｄ２は、第１コイルＬ１を介して第２スイッチ素子Ｑ２に並列接続され、逆方向電力変換動作におけるスイッチング時に第１コイルＬ１および第２スイッチ素子Ｑ２を迂回する電流経路を形成する。

第３整流素子Ｄ３は、ダイオードからなり、アノードが第２コイルＬ２の他端に接続され、カソードが１次側フルブリッジ回路３の第２レグの一端に接続されている。すなわち、第３整流素子Ｄ３は、第２コイルＬ２を介して第３スイッチ素子Ｑ３に並列接続され、逆方向電力変換動作におけるスイッチング時に第２コイルＬ２および第３スイッチ素子Ｑ３を迂回する電流経路を形成する。

第４整流素子Ｄ４は、ダイオードからなり、カソードが第２コイルＬ２の他端に接続され、アノードが１次側フルブリッジ回路３の第２レグの他端に接続されている。すなわち、第４整流素子Ｄ４は、第２コイルＬ２を介して第４スイッチ素子Ｑ４に並列接続され、逆方向電力変換動作におけるスイッチング時に第２コイルＬ２および第４スイッチ素子Ｑ４を迂回する電流経路を形成する。

２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部２は、２次側フルブリッジ回路４と、コイルＬ３および平滑コンデンサＣ２からなる２次側ＬＣ回路とを備えている。

２次側フルブリッジ回路４は、第５スイッチ素子Ｑ５と、第６スイッチ素子Ｑ６と、第７スイッチ素子Ｑ７と、第８スイッチ素子Ｑ８とを含む。第５スイッチ素子Ｑ５は第１レグの上アームを構成し、第６スイッチ素子Ｑ６は第１レグの下アームを構成する。第７スイッチ素子Ｑ７は第２レグの上アームを構成し、第８スイッチ素子Ｑ８は第２レグの下アームを構成する。第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８は、制御回路５の制御下でスイッチング動作を行う。第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング動作を行うパワー素子を用いることができる。

第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれには、ダイオードが逆並列接続されている。ダイオードとしては、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の各寄生ダイオードや、当該寄生ダイオードとは別のダイオード素子を用いることができる。さらに、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれには、コンデンサが並列接続されている。コンデンサとしては、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の各寄生キャパシタや、当該寄生キャパシタとは別の外付け共振コンデンサを用いることができる。本実施形態では、第５スイッチ素子Ｑ５に共振コンデンサＣｃが並列接続され、第６スイッチ素子Ｑ６に共振コンデンサＣｄが並列接続されている。

制御回路５は、例えば、マイコンやＦＰＧＡ（フィールドプログラマブル・ゲートアレイ）等の制御用ＩＣ（集積回路）により構成される。制御回路５は、１次側フルブリッジ回路３および２次側フルブリッジ回路４を制御する。具体的には、制御回路５は、１次側フルブリッジ回路３に対して、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の位相をシフトさせる位相シフト制御を行い、２次側フルブリッジ回路４に対して、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のスイッチング動作を１次側フルブリッジ回路３のスイッチング動作に同期させる同期整流制御を行う。

次に、図２〜図４を参照して、逆方向電力変換動作時における制御回路５の制御方式を説明する。なお、図２に示すとおり、１次側フルブリッジ回路３のＰＷＭデューティ（第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４のＰＷＭデューティ）が５０％に設定されているものとする。

制御回路５は、順方向電力変換動作時に２次側の端子Ｔ２、Ｔ２’間電圧が外部電源等により予め規定された規定電圧より上昇すると、逆方向電力変換動作に対応した制御を行う。すなわち、制御回路５は、逆方向電力変換動作時に、１次側フルブリッジ回路３に対して位相シフト制御を行う。具体的には、制御回路５は、第２スイッチ素子Ｑ２のＯＦＦ時間を第１スイッチ素子Ｑ１のＯＮ時間よりも若干長くして、第１スイッチ素子Ｑ１と第２スイッチ素子Ｑ２とがともにＯＦＦ状態になるデッドタイム（図２の時間ｔ_２〜ｔ_３）を含むように、第１スイッチ素子Ｑ１と第２スイッチ素子Ｑ２の位相を反転させる。同様に、制御回路５は、第３スイッチ素子Ｑ３のＯＦＦ時間を第４スイッチ素子Ｑ４のＯＮ時間よりも若干長くして、第３スイッチ素子Ｑ３と第４スイッチ素子Ｑ４とがともにＯＦＦ状態になるデッドタイム（図２の時間ｔ_４〜ｔ_５）を含むように、第３スイッチ素子Ｑ３と第４スイッチ素子Ｑ４の位相を反転させる。

さらに、制御回路５は、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の位相に対して、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４の位相をシフトさせる。逆方向電力変換動作時における位相のシフト量は、順方向の電力変換量を最小にするように制御されるため、最小化されている。換言すれば、逆方向電力変換動作時における位相のシフト量は、制御回路５において設定可能な最小値に設定されている。なお、最小値が位相シフト量ゼロを含む値でもよい。

制御回路５は、逆方向電力変換動作時に、２次側フルブリッジ回路４に対して同期整流制御を行う。具体的には、制御回路５は、第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４がともにＯＮ状態のときにのみ第６スイッチ素子Ｑ６および第７スイッチ素子Ｑ７をＯＦＦ状態にし、第２スイッチ素子Ｑ２および第３スイッチ素子Ｑ３がともにＯＮ状態のときにのみ第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８をＯＦＦ状態にする。

時間ｔ_２〜ｔ_５における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態２−１、状態２−２、状態３−１）は、図３（Ａ）〜（Ｃ）のとおりである。状態２−１、状態２−２、状態３−１では、２次側フルブリッジ回路４の４つのスイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８がＯＮ状態となるので、トランスＴＲ１の２次巻線に電流が流れることなく２次側ＬＣ回路のコイルＬ３に電流が流れ、当該コイルＬ３にエネルギーが蓄積される。

時間ｔ_５〜ｔ_６における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態３−２）は、図３（Ｄ）のとおりである。状態３−２では、第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８がＯＦＦ状態となるので、トランスＴＲ１の２次巻線に電流が流れ、１次側に電力が供給される。１次側では、第３スイッチ素子Ｑ３がターンＯＮして第２スイッチ素子Ｑ２および第３スイッチ素子Ｑ３がＯＮ状態となるが、第２スイッチ素子Ｑ２および第３スイッチ素子Ｑ３には電流が流れず、第２整流素子Ｄ２および第３整流素子Ｄ３に電流が流れる。このため、第３スイッチ素子Ｑ３のターンＯＮ時に当該第３スイッチ素子Ｑ３の寄生キャパシタおよび外付けの共振コンデンサＣａの電荷が放出されることにより発生する電圧振動が抑制される。

時間ｔ_６〜ｔ_９における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態４−１、状態４−２、状態１−１）は、図４（Ａ）〜（Ｃ）のとおりである。状態４−１、状態４−２、状態１−１では、２次側フルブリッジ回路４の４つのスイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８がＯＮ状態となるので、トランスＴＲ１の２次巻線に電流が流れることなく２次側ＬＣ回路のコイルＬ３に電流が流れ、当該コイルＬ３にエネルギーが蓄積される。

時間ｔ_９〜ｔ_１０における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態１−２）は、図４（Ｄ）のとおりである。状態１−２では、第６スイッチ素子Ｑ６および第７スイッチ素子Ｑ７がＯＦＦ状態となるので、トランスＴＲ１の２次巻線に状態３−２のときと逆向きの電流が流れ、１次側に電力が供給される。１次側では、第４スイッチ素子Ｑ４がターンＯＮして第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４がＯＮ状態となるが、第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４には電流が流れず、第１整流素子Ｄ１および第４整流素子Ｄ４に電流が流れる。このため、第４スイッチ素子Ｑ４のターンＯＮ時に当該第４スイッチ素子Ｑ４の寄生キャパシタおよび外付けの共振コンデンサＣｂの電荷が放出されることにより発生する電圧振動が抑制される。

次に、図５〜図７を参照して、順方向電力変換動作時における制御回路５の制御方式を説明する。制御回路５は、順方向電力変換動作時において、１次側フルブリッジ回路３に対して位相シフト制御を行い、２次側フルブリッジ回路４に対して同期整流制御を行う。

順方向電力変換動作時における位相シフト制御は、位相のシフト量を除き、逆方向電力変換動作時における位相シフト制御と共通している。順方向電力変換動作時における位相のシフト量は、順方向の電力変換の量によって制御されるので、図５と図２の比較から分かるように、一般に逆方向電力変換動作時における位相のシフト量よりも大きな値に設定されている。一方、順方向電力変換動作時における同期整流制御は、逆方向電力変換動作時における同期整流制御と共通している。

時間ｔ_１〜ｔ_２における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態１−２）は、図６（Ａ）のとおりである。状態１−２では、第１スイッチ素子Ｑ１、第４スイッチ素子Ｑ４、第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８がＯＮ状態となり、トランスＴＲ１の１次巻線に電流が流れ、２次側に電力が供給される。

時間ｔ_２における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態２−１）は、図６（Ｂ）のとおりである。状態２−１では、第１スイッチ素子Ｑ１がゼロ電圧スイッチングでターンＯＦＦし、第６スイッチ素子Ｑ６および第７スイッチ素子Ｑ７がハードスイッチングでターンＯＮするとともに、第１スイッチ素子Ｑ１の寄生キャパシタが充電され、第２スイッチ素子Ｑ２の寄生キャパシタが放電する。

時間ｔ_３における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態２−２）は、図６（Ｃ）のとおりである。状態２−２では、第２スイッチ素子Ｑ２がゼロ電圧スイッチングでターンＯＮする。

時間ｔ_４における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態３−１）は、図６（Ｄ）のとおりである。状態３−１では、第４スイッチ素子Ｑ４がゼロ電圧スイッチングでターンＯＦＦするとともに、第４スイッチ素子Ｑ４の寄生キャパシタおよび共振コンデンサＣｂが充電され、第３スイッチ素子Ｑ３の寄生キャパシタおよび共振コンデンサＣａが放電する。

時間ｔ_５における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態３−２）は、図７（Ａ）のとおりである。状態３−２では、第３スイッチ素子Ｑ３がゼロ電圧スイッチングでターンＯＮし、トランスＴＲ１の１次巻線に状態１−２のときと逆向きの電流が流れ、２次側に電力が供給される。

時間ｔ_６における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態４−１）は、図７（Ｂ）のとおりである。状態４−１では、第２スイッチ素子Ｑ２がゼロ電圧スイッチングでターンＯＦＦし、第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８がハードスイッチングでターンＯＮするとともに、第２スイッチ素子Ｑ２の寄生キャパシタが充電され、第１スイッチ素子Ｑ１の寄生キャパシタが放電する。

時間ｔ_７における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態４−２）は、図７（Ｃ）のとおりである。状態４−２では、第１スイッチ素子Ｑ１がゼロ電圧スイッチングでターンＯＮする。

時間ｔ_８における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａの状態（状態１−１）は、図７（Ｄ）のとおりである。状態１−１では、第３スイッチ素子Ｑ３がゼロ電圧スイッチングでターンＯＦＦするとともに、第３スイッチ素子Ｑ３の寄生キャパシタおよび共振コンデンサＣａが充電され、第４スイッチ素子Ｑ４の寄生キャパシタおよび共振コンデンサＣｂが放電する。

結局、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａによれば、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２により１次側フルブリッジ回路３−トランスＴＲ１間にインピーダンスをもたせることで、順方向電力変換動作時において、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２と第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の各寄生キャパシタや外付け共振コンデンサＣａ、Ｃｂは、１次側フルブリッジ回路３の各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング時に部分共振回路を構成し、ゼロ電圧スイッチングによりスイッチング損失を低減することができる。さらに、第１〜第４整流素子Ｄ１〜Ｄ４により第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を迂回する電流経路を形成して、逆方向電力変換動作時に第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に電流が流れにくくすることで、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング時に当該第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の寄生キャパシタおよび／または外付けの共振コンデンサＣａ、Ｃｂの電荷が放出されることにより発生する電圧振動を抑制することができる。したがって、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａによれば、１次側から２次側への電力供給と２次側から１次側への電力供給とを効率よく行うことが可能になる。

以上、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

［変形例１］
図８に、本発明の変形例１に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａ’の回路図を示す。双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａ’は、上記実施形態に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａに、コイルＬ３’と、開閉手段Ｓ１、Ｓ２と、第４コイルＬ４と、第５コイルＬ５と、第５〜第８整流素子Ｄ５〜Ｄ８とを追加したものである。

開閉手段Ｓ１、Ｓ２は、リレーや、スイッチング動作を行うＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のパワー素子で構成され、制御回路５の制御下で導通状態と非導通状態とが切り替わる。開閉手段Ｓ１は、１次側のコイルＬ３’に並列接続されており、開閉手段Ｓ２は、２次側のコイルＬ３に並列接続されている。

開閉手段Ｓ１が導通状態で開閉手段Ｓ２が非導通状態の場合、上記実施形態と同様に、１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１の回路トポロジは電圧型となり、２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部２の回路トポロジは電流型となる。当該回路トポロジの双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａ’は、通常、１次側から２次側に電力を供給する順方向電力変換動作を行い、２次側の端子Ｔ２、Ｔ２’間電圧が外部電源等により予め規定された規定電圧より上昇すると逆方向電力変換動作を行う。当該逆方向電力変換動作時における第１〜第４整流素子Ｄ１〜Ｄ４は、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を迂回する電流経路を形成する。

一方、開閉手段Ｓ１が非導通状態で開閉手段Ｓ２が導通状態の場合、１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１の回路トポロジは電流型となり、２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部２の回路トポロジは電圧型となる。当該回路トポロジの双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００Ａ’は、通常、２次側から１次側に電力を供給する順方向電力変換動作を行い、１次側の端子Ｔ１、Ｔ１’間電圧が外部電源等により予め規定された規定電圧より上昇すると、１次側から２次側に電力を供給する逆方向電力変換動作を行う。当該逆方向電力変換動作時における第５〜第８整流素子Ｄ５〜Ｄ８は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８を迂回する電流経路を形成する。

［その他の変形例］
本発明では、位相シフト制御におけるスイッチングパターンまたは同期整流制御におけるスイッチングパターンの少なくとも一方を適宜変更することができる。例えば、第１スイッチ素子Ｑ１の立ち上がりかつ第４スイッチ素子Ｑ４の立ち下がり間で位相シフトを行うようにし、第１および第４スイッチ素子Ｑ１およびＱ４が同時にＯＮするときに第６および第７スイッチ素子Ｑ６およびＱ７をＯＦＦし、同期整流させるようにしてもよい。

１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１は、回路トポロジが電圧型であり、１次側フルブリッジ回路３と、第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２と、第１〜第４整流素子Ｄ１〜Ｄ４とを備えているのであれば、適宜構成を変更することができる。

２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部２は、回路トポロジが電流型であり、１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部１との間で双方向の電力供給が可能であれば、適宜構成を変更することができる。

絶縁変圧部は、例えば、複数のトランスで構成されていてもよい。

１ １次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部
２ ２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部
３ １次側フルブリッジ回路
４ ２次側フルブリッジ回路
５ 制御回路
１００Ａ、１００Ａ’ 双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (1)

1. １次巻線および２次巻線を有する絶縁変圧部と、
   前記絶縁変圧部の１次側に設けられたフルブリッジ回路を含む電圧型の１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
   前記絶縁変圧部の２次側に設けられた電流型の２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
   前記１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部に対して位相シフト制御を行う一方、前記２次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部に対して同期整流制御を行う制御回路と、
   を備えた双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記１次側ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
   一端が前記フルブリッジ回路の第１レグを構成する第１スイッチ素子および第２スイッチ素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の一端に接続された第１コイルと、
   一端が前記フルブリッジ回路の第２レグを構成する第３スイッチ素子および第４スイッチ素子の接続点に接続され、他端が前記１次巻線の他端に接続された第２コイルと、
   アノードが前記第１コイルの他端に接続され、カソードが前記第１レグの一端に接続された第１整流素子と、
   アノードが前記第１レグの他端に接続され、カソードが前記第１コイルの他端に接続された第２整流素子と、
   アノードが前記第２コイルの他端に接続され、カソードが前記第２レグの一端に接続された第３整流素子と、
   アノードが前記第２レグの他端に接続され、カソードが前記第２コイルの他端に接続された第４整流素子と、を含み、
   前記制御回路では、２次側から１次側に電力を供給する逆方向電力変換動作時における、前記第１スイッチ素子および前記第２スイッチ素子の位相に対する前記第３スイッチ素子および前記第４スイッチ素子の位相のシフト量が、前記制御回路において設定可能な最小値に設定されており、
   前記制御回路は、前記逆方向電力変換動作時において、１次側から２次側に電力を供給する量が最小またはゼロになるように前記シフト量を制御することを特徴とする双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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