JP7432892B2 - power converter - Google Patents
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Description
本開示は、電力の電圧を変換する電力変換装置に関する。 The present disclosure relates to a power conversion device that converts the voltage of power.
蓄電池、太陽電池、燃料電池などに接続されるパワーコンディショナでは、DC/DCコンバータとインバータが使用される。DC/DCコンバータとインバータは、高効率な電力変換と小型設計が望まれる。それを実現するためのDC/DCコンバータとして、リアクトルの後段に、フライングキャパシタ回路(直列接続された4つのスイッチング素子と、第2スイッチング素子と第3スイッチング素子に並列接続されたフライングキャパシタで構成される)を接続し、リアクトルとフライングキャパシタ回路の接続点の電圧を3レベル化したマルチレベル電力変換装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Power conditioners connected to storage batteries, solar cells, fuel cells, etc. use DC/DC converters and inverters. Highly efficient power conversion and compact design are desired for DC/DC converters and inverters. To achieve this, the DC/DC converter is configured with a flying capacitor circuit (four switching elements connected in series, and a flying capacitor connected in parallel to the second switching element and the third switching element) after the reactor. A multilevel power conversion device has been proposed in which the voltage at the connection point between the reactor and the flying capacitor circuit is set to three levels by connecting the reactor and the flying capacitor circuit (for example, see Patent Document 1).
マルチレベル電力変換装置は、各スイッチング素子に印加される電圧を小さくでき、それによりスイッチング損失を少なくでき、高効率な電力変換を実現する。上記フライングキャパシタ回路を利用したマルチレベル電力変換装置では3レベル化することにより、フライングキャパシタ回路を構成する各スイッチング素子に印加される電圧を、直流バス電圧の1/2倍まで小さくすることができる。 A multilevel power conversion device can reduce the voltage applied to each switching element, thereby reducing switching loss and realizing highly efficient power conversion. By using three levels in the multilevel power conversion device using the flying capacitor circuit described above, the voltage applied to each switching element making up the flying capacitor circuit can be reduced to 1/2 of the DC bus voltage. .
それにより、インバータのフルブリッジ部で使用している比較的高い耐圧(例えば、600V)のスイッチング素子を使用せずに、比較的低い耐圧(例えば、300V)のスイッチング素子で構成することが可能となる。耐圧の低いスイッチング素子は耐圧の高いスイッチング素子に対して安価であり、かつ電力変換中の導通損失、スイッチング損失などが少なく、さらなる高効率化に寄与する。 As a result, it is possible to configure the inverter with relatively low voltage (e.g., 300V) switching elements instead of the relatively high voltage (e.g., 600V) switching elements used in the full bridge section of the inverter. Become. Switching elements with low breakdown voltages are cheaper than switching elements with high breakdown voltages, and have less conduction loss, switching loss, etc. during power conversion, contributing to higher efficiency.
安価なスイッチング素子として一般的に使用されるMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)では、還流ダイオードとして寄生ダイオードが使用される。寄生ダイオードはリカバリ損失が大きく、スイッチング損失を増加させる要因となる。 In MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) that are commonly used as inexpensive switching elements, parasitic diodes are used as freewheeling diodes. A parasitic diode has a large recovery loss and becomes a factor that increases switching loss.
本開示はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、低コストで高効率な電力変換装置を提供することにある。 The present disclosure has been made in view of these circumstances, and its purpose is to provide a low-cost, highly efficient power conversion device.
上記課題を解決するために、本開示のある態様の電力変換装置は、少なくとも一つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子が、複数直列に接続された電力変換部を有する電力変換装置であって、各スイッチング素子には逆並列にダイオードが形成または接続されており、複数の並列スイッチング素子のうち、並列数が他の並列スイッチング素子より少ない並列スイッチング素子を含む。 In order to solve the above problems, a power conversion device according to an aspect of the present disclosure is a power conversion device having a power conversion section in which a plurality of parallel switching elements, each of which has at least one switching element connected in parallel, are connected in series. A diode is formed or connected in antiparallel to each switching element, and among the plurality of parallel switching elements, a parallel switching element whose number of parallel switching elements is smaller than other parallel switching elements is included.
本開示によれば、低コストで高効率な電力変換装置を実現することができる。 According to the present disclosure, a low-cost and highly efficient power conversion device can be realized.
図1は、実施の形態1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態1に係るDC/DC変換装置3は、双方向の昇降圧DC/DCコンバータである。DC/DC変換装置3は、第2直流電源2から供給される直流電力を昇圧して第1直流電源1に供給することができる。またDC/DC変換装置3は、第1直流電源1から供給される直流電力を降圧して第2直流電源2に供給することができる。本明細書では、第2直流電源2が第1直流電源1より低圧な電源であることを前提とする。
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a DC/
第2直流電源2は例えば、蓄電池、電気二重層コンデンサなどが該当する。第1直流電源1は例えば、双方向DC/ACインバータが接続された直流バスなどが該当する。当該双方向DC/ACインバータの交流側は、蓄電システムの用途では商用電力系統と交流負荷に接続される。電気自動車の用途ではモータ(回生機能あり)に接続される。蓄電システムの用途では当該直流バスに、太陽電池用のDC/DCコンバータや、他の蓄電池用のDC/DCコンバータがさらに接続されていてもよい。
The second
DC/DC変換装置3は、DC/DC変換部30及び制御部40を備える。DC/DC変換部30は、入力コンデンサC5、リアクトルL1、第1フライングキャパシタ回路31、第2フライングキャパシタ回路32、第1分割コンデンサC3、第2分割コンデンサC4、及び出力コンデンサC6を含む。
The DC/
第2直流電源2と並列に入力コンデンサC5が接続される。第1直流電源1と並列に出力コンデンサC6が接続される。第1直流電源1の正側バスと負側バスの間に、第1分割コンデンサC3及び第2分割コンデンサC4が直列に接続される。第1分割コンデンサC3及び第2分割コンデンサC4は、第1直流電源1の電圧Eを1/2に分圧する作用、DC/DC変換部30内で発生するサージ電圧を抑制するためのスナバコンデンサとしての作用を有する。本明細書では、入力コンデンサC5より前段の構成を低圧直流部と呼び、第1分割コンデンサC3及び第2分割コンデンサC4より後段の構成を高圧直流部と呼ぶ。
An input capacitor C5 is connected in parallel with the second
第1フライングキャパシタ回路31及び第2フライングキャパシタ回路32は、高圧側直流部と並列に直列接続される。リアクトルL1は、低圧側直流部の正側端子と、第1フライングキャパシタ回路31の中点間に接続される。低圧側直流部の負側端子と、第2フライングキャパシタ回路32の中点が接続される。第1フライングキャパシタ回路31と第2フライングキャパシタ回路32との間の接続点は、高圧側直流部の中間電位点M(第1分割コンデンサC3と第2分割コンデンサC4の分圧点)に接続される。
The first
なお、第1分割コンデンサC3及び第2分割コンデンサC4は省略可能であり、その場合、第1フライングキャパシタ回路31と第2フライングキャパシタ回路32との間の接続点は、必ずしも高圧側直流部の中間電位点Mに接続される必要はない。
Note that the first dividing capacitor C3 and the second dividing capacitor C4 can be omitted, and in that case, the connection point between the first flying
第1フライングキャパシタ回路31は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4及び第1フライングキャパシタC1を含む。第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3及び第4スイッチング素子S4は直列接続され、高圧直流部の正側バスと中間電位点Mの間に接続される。第1フライングキャパシタC1は、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2との接続点と、第3スイッチング素子S3と第4スイッチング素子S4との接続点との間に接続され、第1スイッチング素子S1-第4スイッチング素子S4により充放電される。
The first
第1フライングキャパシタ回路31の中点には、第1スイッチング素子S1の上側端子に印加される第1直流電源1の電圧E[V]と、第4スイッチング素子S4の下側端子に印加される1/2E[V]の間の範囲の電位が生成される。第1フライングキャパシタC1は1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第1フライングキャパシタ回路31の中点には、概ね、E[V]、3/4E[V]、1/2E[V]の3レベルの電位が生成される。
At the midpoint of the first flying
第2フライングキャパシタ回路32は、第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6、第7スイッチング素子S7、第8スイッチング素子S8及び第2フライングキャパシタC2を含む。第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8は直列接続され、高圧直流部の中間電位点Mと負側バスの間に接続される。第2フライングキャパシタC2は、第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6との接続点と、第7スイッチング素子S7と第8スイッチング素子S8との接続点との間に接続され、第5スイッチング素子S5-第8スイッチング素子S8により充放電される。
The second
第2フライングキャパシタ回路32の中点には、第5スイッチング素子S5の上側端子に印加される1/2E[V]と、第8スイッチング素子S8の下側端子に印加される0[V]の間の範囲の電位が生成される。第2フライングキャパシタC2は1/4E[V]の電圧になるように初期充電(プリチャージ)され、1/4E[V]の電圧を中心として充放電が繰り返される。従って、第2フライングキャパシタ回路32の中点には、概ね、1/2E[V]、1/4E[V]、0[V]の3レベルの電位が生成される。
At the midpoint of the second
第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にはそれぞれ、第1ダイオードD1-第8ダイオードD8が逆並列に形成/接続される。 A first diode D1 to an eighth diode D8 are formed/connected in antiparallel to the first switching element S1 to the eighth switching element S8, respectively.
第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8には、第1直流電源1及び第2直流電源2の電圧より低い耐圧のスイッチング素子が使用されることが好ましい。以下、本実施の形態では第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8に、150V耐圧のNチャネルMOSFETを使用する例を想定する。NチャネルMOSFETでは、ソースからドレイン方向に寄生ダイオードが形成される。
It is preferable that switching elements having a breakdown voltage lower than the voltages of the first
図1には示していないが、低圧直流部の電圧を検出する電圧センサ、リアクトルL1に流れる電流を検出する電流センサ、第1フライングキャパシタC1の電圧を検出する電圧センサ、第2フライングキャパシタC2の電圧を検出する電圧センサ、及び高圧直流部の電圧を検出する電圧センサが設けられ、それぞれの計測値が制御部40に出力される。
Although not shown in FIG. 1, a voltage sensor detects the voltage of the low-voltage DC section, a current sensor detects the current flowing to the reactor L1, a voltage sensor detects the voltage of the first flying capacitor C1, and a voltage sensor detects the voltage of the second flying capacitor C2. A voltage sensor that detects voltage and a voltage sensor that detects the voltage of the high-voltage DC section are provided, and their measured values are output to the
制御部40は、第1フライングキャパシタ回路31及び第2フライングキャパシタ回路32を制御して、低圧側直流部から高圧側直流部へ昇圧動作で直流電力を伝送することができる。また高圧側直流部から低圧側直流部へ降圧動作で直流電力を伝送することができる。より具体的には制御部40は、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のゲート端子に駆動信号(PWM(Pulse Width Modulation)信号)を供給することにより、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8をオン/オフ制御して、昇圧動作または降圧動作で、双方向に電力を伝送することができる。
The
制御部40の構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、又はハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、DSP、ROM、RAM、FPGA、ASIC、その他のLSIを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。
The configuration of the
図2は、実施の形態1に係るDC/DC変換装置3の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンをまとめた図である。図2に示すスイッチングパターンでは、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8の組と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5の組とが相補関係となる。また第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7の組と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6の組とが相補関係となる。
FIG. 2 is a diagram summarizing the switching patterns of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 of the DC/
制御部40は、4つのモードを使用して昇圧動作または降圧動作を実行する。
モードaでは制御部40は、第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオン状態、並びに第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードaでは、第1フライングキャパシタ回路31の中点と第2フライングキャパシタ回路32の中点間の電圧(即ち、フライングキャパシタ部の低圧側の入出力電圧VL)は1/2Eとなる。
The
In mode a, the
モードbでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第8スイッチング素子S8をオン状態、並びに第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第7スイッチング素子S7をオフ状態に制御する。モードbでは、フライングキャパシタ部の低圧側の入出力電圧VLは1/2Eとなる。
In mode b, the
モードcでは制御部40は、第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオン状態、並びに第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオフ状態に制御する。モードcでは、フライングキャパシタ部の低圧側の入出力電圧VLはEとなる。
In mode c, the
モードdでは制御部40は、第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6をオン状態、並びに第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8をオフ状態に制御する。モードdでは、フライングキャパシタ部の低圧側の入出力電圧VLは0となる。
In mode d, the
図3(a)-(d)は、昇圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。図4(a)-(d)は、降圧動作時の各スイッチングパターンの電流経路を示す回路図である。なお、図面の簡略化のためMOSFETを単純なスイッチ記号で描いている。 FIGS. 3A to 3D are circuit diagrams showing current paths of each switching pattern during boost operation. FIGS. 4(a) to 4(d) are circuit diagrams showing current paths of each switching pattern during voltage step-down operation. Note that, to simplify the drawing, MOSFETs are drawn using simple switch symbols.
図3(a)は昇圧動作時のモードaの電流経路を示し、図3(b)は昇圧動作時のモードbの電流経路を示し、図3(c)は昇圧動作時のモードcの電流経路を示し、図3(d)は昇圧動作時のモードdの電流経路を示している。同様に、図4(a)は降圧動作時のモードaの電流経路を示し、図4(b)は降圧動作時のモードbの電流経路を示し、図4(c)は降圧動作時のモードcの電流経路を示し、図4(d)は降圧動作時のモードdの電流経路を示している。 3(a) shows the current path of mode a during boost operation, FIG. 3(b) shows the current path of mode b during boost operation, and FIG. 3(c) shows the current path of mode c during boost operation. FIG. 3(d) shows the current path in mode d during boost operation. Similarly, FIG. 4(a) shows the current path in mode a during buck operation, FIG. 4(b) shows the current path in mode b during buck operation, and FIG. 4(c) shows the current path in mode b during buck operation. FIG. 4D shows the current path in mode d during step-down operation.
昇圧動作時と降圧動作時とで電流の向きが反対になる。モードaにおいて、図3(a)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となるが、図4(a)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となる。モードbにおいて、図3(b)に示すように昇圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が放電動作となるが、図4(b)に示すように降圧動作時は第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2が充電動作となる。 The direction of current is opposite during step-up operation and step-down operation. In mode a, as shown in FIG. 3(a), the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are in the charging operation during the step-up operation, but as shown in FIG. The flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are in a discharging operation. In mode b, as shown in FIG. 3(b), the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are in a discharging operation during step-up operation, but as shown in FIG. 4(b), during step-down operation, the first flying capacitor C1 and second flying capacitor C2 The flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 are in a charging operation.
制御部40は低圧直流部から高圧直流部へ昇圧動作で電力を伝送する場合、正方向の電流指令値を設定し、リアクトルL1に流れる電流の計測値が、当該正方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。反対に、制御部40は高圧直流部から低圧直流部へ降圧動作で電力を伝送する場合、負方向の電流指令値を設定し、リアクトルL1に流れる電流の計測値が、当該負方向の電流指令値を維持するように第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のデューティ比(オン時間)を制御する。
When transmitting power from the low-voltage DC section to the high-voltage DC section by step-up operation, the
また制御部40は、低圧側直流部の電圧と高圧側直流部の電圧との比率が設定値より小さい場合、モードa、モードb及びモードcを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該比率が当該設定値より大きい場合、モードa、モードb及びモードdを使用して電力を伝送する。また制御部40は、当該比率が当該設定値と一致する場合、モードa及びモードbを使用して電力を伝送する。
Further, the
低圧側直流部の電圧と高圧側直流部の電圧は、それぞれ電圧センサにより計測される。上記設定値は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧1/2Eと、第1直流電源1の電圧Eとの比率に応じて設定される。本実施の形態では上記設定値は2に設定される。
The voltage of the low-voltage side DC section and the voltage of the high-voltage side DC section are each measured by voltage sensors. The above set value is set according to the ratio of the voltage E of the first
制御部40は、電流指令値とリアクトルL1に流れる電流の計測値とが一致し、かつ第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eになるようにデューティ比を生成する。具体的には制御部40は、リアクトルL1に流れる電流の計測値が電流指令値に対して小さいほどデューティ比を上昇させ、大きいほどデューティ比を低下させる。
The
図5は、昇圧比が2倍以上の場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図6は、昇圧比が2倍未満の場合の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8のスイッチングパターンの一例を示すタイミングチャートである。図5及び図6に示す制御例は、ダブルキャリア駆動方式を使用した制御例を示している。ダブルキャリア駆動方式では、180°位相がずれた2つのキャリア信号(図5及び図6では三角波)を使用する。デューティ比dutyは2つのキャリア信号と比較される閾値となる。昇圧比が2倍以上の場合、デューティ比dutyは0.5~1.0の範囲の値をとり、昇圧比が2倍未満の場合、デューティ比dutyは0.0~0.5の範囲の値をとる。 FIG. 5 is a timing chart showing an example of a switching pattern of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 when the boost ratio is twice or more. FIG. 6 is a timing chart showing an example of a switching pattern of the first switching element S1 to the eighth switching element S8 when the boost ratio is less than twice. The control examples shown in FIGS. 5 and 6 show control examples using a double carrier drive method. The double carrier drive method uses two carrier signals (triangular waves in FIGS. 5 and 6) that are 180° out of phase. The duty ratio duty becomes a threshold value with which two carrier signals are compared. When the step-up ratio is 2 times or more, the duty ratio takes a value in the range of 0.5 to 1.0, and when the step-up ratio is less than 2 times, the duty ratio takes a value in the range of 0.0 to 0.5. Takes a value.
太線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8に供給する第1ゲート信号と、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5に供給する第4ゲート信号を生成する。具体的には太線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第1ゲート信号がオン及び第4ゲート信号がオフになる。太線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第1ゲート信号がオフ及び第4ゲート信号がオンになる。第1ゲート信号と第4ゲート信号は相補関係にある。なお、第1ゲート信号と第4ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第1ゲート信号と第4ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。 Based on the comparison result between the carrier signal indicated by the thick line and the duty ratio, the first gate signal is supplied to the first switching element S1 and the eighth switching element S8, and the fourth gate signal is supplied to the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5. Generate a signal. Specifically, in a region where the bold carrier signal is higher than the duty ratio, the first gate signal is on and the fourth gate signal is off. In a region where the carrier signal indicated by the thick line is lower than the duty ratio, the first gate signal is turned off and the fourth gate signal is turned on. The first gate signal and the fourth gate signal have a complementary relationship. Note that when the first gate signal and the fourth gate signal are switched on and off, a dead time period is set in which the first gate signal and the fourth gate signal are simultaneously turned off.
細線のキャリア信号とデューティ比dutyの比較結果により、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7に供給する第2ゲート信号と、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6に供給する第3ゲート信号を生成する。具体的には細線のキャリア信号がデューティ比dutyより高い領域では、第2ゲート信号がオン及び第3ゲート信号がオフになる。細線のキャリア信号がデューティ比dutyより低い領域では、第2ゲート信号がオフ及び第3ゲート信号がオンになる。第2ゲート信号と第3ゲート信号は相補関係にある。なお、第2ゲート信号と第3ゲート信号のオン/オフが切り替わる際に、第2ゲート信号と第3ゲート信号が同時にオフになるデッドタイム期間が設定されている。 Based on the comparison result between the thin line carrier signal and the duty ratio, the second gate signal is supplied to the second switching element S2 and the seventh switching element S7, and the third gate signal is supplied to the third switching element S3 and the sixth switching element S6. Generate a signal. Specifically, in a region where the thin line carrier signal is higher than the duty ratio, the second gate signal is turned on and the third gate signal is turned off. In a region where the thin line carrier signal is lower than the duty ratio, the second gate signal is turned off and the third gate signal is turned on. The second gate signal and the third gate signal have a complementary relationship. Note that when the second gate signal and the third gate signal are switched on and off, a dead time period is set in which the second gate signal and the third gate signal are simultaneously turned off.
昇圧比が2倍以上の場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードdを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードd→モードb→モードd→モードa→モードd→モードb→モードd・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍以上の場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードdの期間が長くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。
When the boost ratio is twice or more, the
昇圧比が2倍未満の場合、制御部40はモードaとモードbを交互に切り替え、両者を切り替える間にモードcを挿入する。即ち制御部40は、モードa→モードc→モードb→モードc→モードa→モードc→モードb→モードc・・・の順にモードを切り替える。デューティ比dutyが変化しない間は、モードaとモードbの期間が等しくなり、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ1/4Eに保たれる。昇圧比が2倍未満の場合、デューティ比dutyが上昇するほど、モードa及びモードbの期間に対するモードcの期間が短くなり、伝達されるエネルギー量が増大する。
When the boost ratio is less than twice, the
昇圧比が理想的に2倍を維持し、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2の電圧がそれぞれ理想的に1/4Eを維持すれば、デューティ比dutyは0.5を維持する。 If the step-up ratio ideally maintains 2 times, and the voltages of the first flying capacitor C1 and the second flying capacitor C2 ideally maintain 1/4E, the duty ratio duty maintains 0.5.
制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを下回ると、モードa及びモードbの内、充電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。反対に制御部40は、第1フライングキャパシタC1の電圧と第2フライングキャパシタC2の電圧の合計電圧が1/2Eを上回ると、モードa及びモードbの内、放電する方のモードの時間を増やして当該合計電圧を1/2Eに近づける。
When the total voltage of the voltage of the first flying capacitor C1 and the voltage of the second flying capacitor C2 becomes less than 1/2E, the
なお制御部40は、第1フライングキャパシタC1及び第2フライングキャパシタC2を使用せずに、モードcとモードdを交互に切り替えることにより、DC/DC変換部30に、通常の昇圧チョッパの動作をさせることも可能である。この場合、昇圧比による動作モードの切り替えは発生しない。
Note that the
以下、昇圧比が2倍以上、降圧比が2倍以上、昇圧比が2倍未満、及び降圧比が2倍未満のそれぞれについて、デッドタイムを含めた詳細な切替パターンを説明する。 Hereinafter, detailed switching patterns including dead time will be described for each of the step-up ratio of 2 times or more, the step-down ratio of 2 times or more, the step-up ratio of less than 2 times, and the step-down ratio of less than 2 times.
図7(a)-(d)は、昇圧比が2倍以上の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その1)。図8(a)-(d)は、昇圧比が2倍以上の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その2)。昇圧比が2倍以上の場合、制御部40は、モードd(図7(a))→デッドタイム1(図7(b))→モードa(図7(c))→デッドタイム1(図7(d))→モードd(図8(a))→デッドタイム2(図8(b))→モードb(図8(c))→デッドタイム2(図8(d))を一サイクルとして、スイッチングパターンを切り替える。
FIGS. 7A to 7D are circuit diagrams (part 1) showing transitions of switching patterns when the boost ratio is twice or more. FIGS. 8A to 8D are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the boost ratio is twice or more (part 2). When the boost ratio is twice or more, the
昇圧比が2倍以上の場合におけるデッドタイム1では、制御部40は、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第7スイッチング素子S7を同時にオフする。デッドタイム1では第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7はオフ状態であるため、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7は同期整流ではなく、第2スイッチング素子S2の寄生ダイオード及び第7スイッチング素子S7の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
In
デッドタイム1(図7(d))からモードd(図8(a))に切り替わる際、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第2スイッチング素子S2の寄生ダイオード及び第7スイッチング素子S7の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6に上記リカバリ電流が流れ込むため、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6のターンオン時に流れる電流が増加し、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 1 (FIG. 7(d)) to mode d (FIG. 8(a)), the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the second switching element S2 and the parasitic diode of the seventh switching element S7 through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the third switching element S3 and the sixth switching element S6, so the current flowing when the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on increases, and the current flowing when the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on increases. Switching loss of switching element S6 increases.
昇圧比が2倍以上の場合におけるデッドタイム2では制御部40は、第1スイッチング素子S1、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第8スイッチング素子S8を同時にオフする。デッドタイム2では第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8はオフ状態であるため、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8は同期整流ではなく、第1スイッチング素子S1の寄生ダイオード及び第8スイッチング素子S8の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
During
デッドタイム2(図8(d))からモードd(図7(a))に切り替わる際、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第1スイッチング素子S1の寄生ダイオード及び第8スイッチング素子S8の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5に上記リカバリ電流が流れ込むため、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5のターンオン時に流れる電流が増加し、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 2 (FIG. 8(d)) to mode d (FIG. 7(a)), the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the first switching element S1 and the parasitic diode of the eighth switching element S8, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5, so the current flowing when the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on increases, and the current flowing when the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on increases. Switching loss of switching element S5 increases.
図9(a)-(d)は、降圧比が2倍以上の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その1)。図10(a)-(d)は、降圧比が2倍以上の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その2)。降圧比が2倍以上の場合、制御部40は、モードd(図9(a))→デッドタイム1(図9(b))→モードa(図9(c))→デッドタイム1(図9(d))→モードd(図10(a))→デッドタイム2(図10(b))→モードb(図10(c))→デッドタイム2(図10(d))を一サイクルとして、スイッチングパターンを切り替える。
FIGS. 9A to 9D are circuit diagrams (part 1) showing transitions of switching patterns when the step-down ratio is twice or more. FIGS. 10A to 10D are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the step-down ratio is twice or more (part 2). When the step-down ratio is twice or more, the
降圧比が2倍以上の場合におけるデッドタイム1では、制御部40は、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第7スイッチング素子S7を同時にオフする。デッドタイム1では第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6はオフ状態であるため、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6は同期整流ではなく、第3スイッチング素子S3の寄生ダイオード及び第6スイッチング素子S6の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
In
デッドタイム1(図9(b))からモードa(図9(c))に切り替わる際、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第3スイッチング素子S3の寄生ダイオード及び第6スイッチング素子S6の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7に上記リカバリ電流が流れ込むため、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7のターンオン時に流れる電流が増加し、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 1 (FIG. 9(b)) to mode a (FIG. 9(c)), the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the third switching element S3 and the parasitic diode of the sixth switching element S6, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the second switching element S2 and the seventh switching element S7, so the current flowing when the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on increases, and the current flowing when the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on increases. Switching loss of switching element S7 increases.
降圧比が2倍以上の場合におけるデッドタイム2では制御部40は、第1スイッチング素子S1、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第8スイッチング素子S8を同時にオフする。デッドタイム2では第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5はオフ状態であるため、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5は同期整流ではなく、第4スイッチング素子S4の寄生ダイオード及び第5スイッチング素子S5の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
During
デッドタイム2(図10(b))からモードb(図10(c))に切り替わる際、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第4スイッチング素子S4の寄生ダイオード及び第5スイッチング素子S5の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8に上記リカバリ電流が流れ込むため、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8のターンオン時に流れる電流が増加し、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 2 (FIG. 10(b)) to mode b (FIG. 10(c)), the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the fourth switching element S4 and the parasitic diode of the fifth switching element S5, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the first switching element S1 and the eighth switching element S8, so the current flowing when the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on increases, and the current flowing when the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on increases. Switching loss of switching element S8 increases.
図11(a)-(d)は、昇圧比が2倍未満の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その1)。図12(a)-(d)は、昇圧比が2倍未満の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その2)。昇圧比が2倍未満の場合、制御部40は、モードc(図11(a))→デッドタイム1(図11(b))→モードa(図11(c))→デッドタイム1(図11(d))→モードc(図12(a))→デッドタイム2(図12(b))→モードb(図12(c))→デッドタイム2(図12(d))を一サイクルとして、スイッチングパターンを切り替える。
FIGS. 11(a) to 11(d) are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the boost ratio is less than twice (Part 1). FIGS. 12(a) to 12(d) are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the boost ratio is less than twice (part 2). When the boost ratio is less than twice, the
昇圧比が2倍未満の場合におけるデッドタイム1では、制御部40は、第1スイッチング素子S1、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第8スイッチング素子S8を同時にオフする。デッドタイム1では第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8はオフ状態であるため、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8は同期整流ではなく、第1スイッチング素子S1の寄生ダイオード及び第8スイッチング素子S8の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
In
デッドタイム1(図11(b))からモードa(図11(c))に切り替わる際、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第1スイッチング素子S1の寄生ダイオード及び第8スイッチング素子S8の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5に上記リカバリ電流が流れ込むため、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5のターンオン時に流れる電流が増加し、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 1 (FIG. 11(b)) to mode a (FIG. 11(c)), the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the first switching element S1 and the parasitic diode of the eighth switching element S8, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5, so the current flowing when the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on increases, and the current flowing when the fourth switching element S4 and the fifth switching element S5 are turned on increases. Switching loss of switching element S5 increases.
昇圧比が2倍未満の場合におけるデッドタイム2では制御部40は、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第7スイッチング素子S7を同時にオフする。デッドタイム2では第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7はオフ状態であるため、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7は同期整流ではなく、第2スイッチング素子S2の寄生ダイオード及び第7スイッチング素子S7の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
During
デッドタイム2(図12(b))からモードb(図12(c))に切り替わる際、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第2スイッチング素子S2の寄生ダイオード及び第7スイッチング素子S7の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6に上記リカバリ電流が流れ込むため、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6のターンオン時に流れる電流が増加し、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 2 (FIG. 12(b)) to mode b (FIG. 12(c)), the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the second switching element S2 and the parasitic diode of the seventh switching element S7 through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the third switching element S3 and the sixth switching element S6, so the current flowing when the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on increases, and the current flowing when the third switching element S3 and the sixth switching element S6 are turned on increases. Switching loss of switching element S6 increases.
図13(a)-(d)は、降圧比が2倍未満の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その1)。図14(a)-(d)は、降圧比が2倍未満の場合における、スイッチングパターンの遷移を示す回路図である(その2)。降圧比が2倍未満の場合、制御部40は、モードc(図13(a))→デッドタイム1(図13(b))→モードa(図13(c))→デッドタイム1(図13(d))→モードc(図14(a))→デッドタイム2(図14(b))→モードb(図14(c))→デッドタイム2(図14(d))を一サイクルとして、スイッチングパターンを切り替える。
FIGS. 13(a) to 13(d) are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the step-down ratio is less than 2 times (part 1). FIGS. 14(a) to 14(d) are circuit diagrams showing transitions of switching patterns when the step-down ratio is less than 2 times (Part 2). When the step-down ratio is less than twice, the
降圧比が2倍未満の場合におけるデッドタイム1では、制御部40は、第1スイッチング素子S1、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第8スイッチング素子S8を同時にオフする。デッドタイム1では第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5はオフ状態であるため、第4スイッチング素子S4及び第5スイッチング素子S5は同期整流ではなく、第4スイッチング素子S4の寄生ダイオード及び第5スイッチング素子S5の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
In
デッドタイム1(図13(d))からモードc(図14(a))に切り替わる際、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第4スイッチング素子S4の寄生ダイオード及び第5スイッチング素子S5の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8に上記リカバリ電流が流れ込むため、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8のターンオン時に流れる電流が増加し、第1スイッチング素子S1及び第8スイッチング素子S8のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 1 (FIG. 13(d)) to mode c (FIG. 14(a)), the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the fourth switching element S4 and the parasitic diode of the fifth switching element S5, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the first switching element S1 and the eighth switching element S8, so the current flowing when the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on increases, and the current flowing when the first switching element S1 and the eighth switching element S8 are turned on increases. Switching loss of switching element S8 increases.
降圧比が2倍未満の場合におけるデッドタイム2では制御部40は、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6及び第7スイッチング素子S7を同時にオフする。デッドタイム2では第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6はオフ状態であるため、第3スイッチング素子S3及び第6スイッチング素子S6は同期整流ではなく、第3スイッチング素子S3の寄生ダイオード及び第6スイッチング素子S6の寄生ダイオードを経由して電流が還流する。
During
デッドタイム2(図14(d))からモードc(図13(a))に切り替わる際、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7がターンオンする。これにより、順方向に電流が流れていた第3スイッチング素子S3の寄生ダイオード及び第6スイッチング素子S6の寄生ダイオードに逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる(R参照)。これにより、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7に上記リカバリ電流が流れ込むため、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7のターンオン時に流れる電流が増加し、第2スイッチング素子S2及び第7スイッチング素子S7のスイッチング損失が増加する。 When switching from dead time 2 (FIG. 14(d)) to mode c (FIG. 13(a)), the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on. As a result, a reverse bias voltage is applied to the parasitic diode of the third switching element S3 and the parasitic diode of the sixth switching element S6, through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction (see R). As a result, the recovery current flows into the second switching element S2 and the seventh switching element S7, so the current flowing when the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on increases, and the current flowing when the second switching element S2 and the seventh switching element S7 are turned on increases. Switching loss of switching element S7 increases.
スイッチング素子として使用するMOSFETの寄生ダイオードによるリカバリ損失は無視できない大きさであり、寄生ダイオードによるリカバリ損失を低減することは、DC/DC変換装置3全体の効率改善に大きく寄与する。以下、リカバリ損失の対策が施された回路構成について説明する。
The recovery loss caused by the parasitic diode of the MOSFET used as a switching element is too large to be ignored, and reducing the recovery loss caused by the parasitic diode greatly contributes to improving the efficiency of the DC/
図15は、実施の形態1の比較例に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。図15に示す実施の形態1の比較例に係るDC/DC変換装置3では、図1に示したDC/DC変換装置3の第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8がそれぞれ3並列で構成されている。これにより、一つのスイッチング素子に流れる電流を1/3にすることができる。したがって、一つのスイッチング素子の許容電流を下げることができ、各スイッチング素子のサイズを小さくすることができる。また、一つのスイッチング素子からの発熱量を低減することができる。なお、並列数は3に限るものではない。並列数を増加させることにより、一つのスイッチング素子からの発熱量をさらに低減することができる。以下、並列接続された複数の第1スイッチング素子S1a-S1cを総称して、第1並列スイッチング素子S1a-S1cという。第2スイッチング素子S2-第8スイッチング素子S8も同様である。
FIG. 15 is a diagram for explaining the configuration of a DC/
図16は、実施の形態1の実施例1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。図16に示す実施例1に係るDC/DC変換装置3では、第1並列スイッチング素子S1a-S1b、第2並列スイッチング素子S2a-S2b、第7並列スイッチング素子S7a-S7b及び第8並列スイッチング素子S8a-S8bの並列数が、第3並列スイッチング素子S3a-S3c、第4並列スイッチング素子S4a-S4c、第5並列スイッチング素子S5a-S5c及び第6並列スイッチング素子S6a-S6cの並列数より少なく設計されている。具体的には前者のグループの並列数が2、後者のグループの並列数が3に設計されている。なお、前者のグループの並列数は1でもよい。また、後者のグループの並列数は4以上でもよい。
FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
図17は、実施の形態1の実施例2に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。図17に示す実施の形態1の実施例2に係るDC/DC変換装置3では、第3並列スイッチング素子S3a-S3b、第4並列スイッチング素子S4a-S4b、第5並列スイッチング素子S5a-S5b及び第6並列スイッチング素子S6a-S6bの並列数が、第1並列スイッチング素子S1a-S1c、第2並列スイッチング素子S2a-S2c、第7並列スイッチング素子S7a-S7c及び第8並列スイッチング素子S8a-S8cの並列数より少なく設計されている。具体的には前者のグループの並列数が3、後者のグループの並列数が2に設計されている。なお、前者のグループの並列数は4以上でもよい。また、後者のグループの並列数は1でもよい。
FIG. 17 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
図16に示す実施の形態1の実施例1では、昇圧動作時のリカバリ損失を低減することができる。昇圧動作時には第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8にリカバリ電流が発生する(図7(a)、図8(a)、図11(c)、図12(c)参照)。これに対して実施の形態1の実施例1では、第1並列スイッチング素子S1a-S1b、第2並列スイッチング素子S2a-S2b、第7並列スイッチング素子S7a-S7b及び第8並列スイッチング素子S8a-S8bの並列数を減らすことにより、リカバリ電流量を低減することができる。
In Example 1 of
図17に示す実施の形態1の実施例2では、降圧動作時のリカバリ損失を低減することができる。降圧動作時には第3スイッチング素子S3、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6にリカバリ電流が発生する(図9(c)、図10(c)、図13(a)、図14(a)参照)。これに対して実施の形態1の実施例2では、第3並列スイッチング素子S3a-S3b、第4並列スイッチング素子S4a-S4b、第5並列スイッチング素子S5a-S5b及び第6並列スイッチング素子S6a-S6bの並列数を減らすことにより、リカバリ電流量を低減することができる。
In Example 2 of
図18は、実施の形態1の実施例1の変形例に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。図16に示した実施の形態1の実施例1のDC/DC変換装置3では、リアクトルL1を、低圧側直流部の正側端子と第1フライングキャパシタ回路31の中点間に接続した。この点、図18に示す変形例では、低圧側直流部の正側端子と第1フライングキャパシタ回路31の中点間に第1リアクトルL1を接続し、低圧側直流部の負側端子と第2フライングキャパシタ回路32の中点間に第2リアクトルL2を接続している。第1リアクトルL1と第2リアクトルL2を、コアを共通にした磁気結合リアクトルで構成されてもよい。この場合、通電時に、第1リアクトルL1と第2リアクトルL2の磁束を相互に強め合うことができる。
FIG. 18 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
なお、リアクトルL1は、低圧側直流部の負側端子と第2フライングキャパシタ回路32の中点間に接続してもよい。このように、リアクトルL1は、低圧側直流部の正側端子と第1フライングキャパシタ回路31の中点間を接続する経路と、低圧側直流部の負側端子と第2フライングキャパシタ回路32の中点間を接続する経路の少なくとも一方に挿入されていればよい。なお図示しないが、図17に示した実施の形態1の実施例2のDC/DC変換装置3においても、低圧側直流部の負側端子と第2フライングキャパシタ回路32の中点間に第2リアクトルL2を接続してもよい。
Note that the reactor L1 may be connected between the negative terminal of the low-voltage DC section and the midpoint of the second
図19(a)-(c)は、フライングキャパシタ回路の構成例を示す図である。図19(a)は1段のフライングキャパシタ回路を示す。図19(a)に示すフライングキャパシタ回路は、上記実施の形態1で説明した回路構成と同様である。 FIGS. 19(a) to 19(c) are diagrams showing configuration examples of flying capacitor circuits. FIG. 19(a) shows a one-stage flying capacitor circuit. The flying capacitor circuit shown in FIG. 19(a) has the same circuit configuration as described in the first embodiment above.
図19(b)は2段のフライングキャパシタ回路を示す。2段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42と、2つのフライングキャパシタC11、C12を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、1/6Eの電圧を維持するように制御される。 FIG. 19(b) shows a two-stage flying capacitor circuit. The two-stage flying capacitor circuit includes six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42 connected in series, and two flying capacitors C11 and C12. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/6E. The second flying capacitor C12 from the inside is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 1/6E.
図19(c)は3段のフライングキャパシタ回路を示す。3段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された6つのスイッチング素子S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43と、3つのフライングキャパシタC11、C12、C13を備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/8Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/8Eの電圧を維持するように制御される。 FIG. 19(c) shows a three-stage flying capacitor circuit. The three-stage flying capacitor circuit includes six switching elements S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, and S43 connected in series, and three flying capacitors C11, C12, and C13. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/8E. The second flying capacitor C12 from the inside is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 2/8E. The third flying capacitor C13 from the inside is connected in parallel to the six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42, and is controlled to maintain a voltage of 3/8E.
図20は、N(Nは自然数)段のフライングキャパシタ回路を示す。N段のフライングキャパシタ回路では、直列接続された(2N+2)個のスイッチング素子S1n、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4nと、N個のフライングキャパシタC11、C12、C13、・・・、C1nを備える。1番内側のフライングキャパシタC11は、2つのスイッチング素子S2、S3に対して並列に接続され、1/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から2番目のフライングキャパシタC12は、4つのスイッチング素子S1、S2、S3、S4に対して並列に接続され、2/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。内側から3番目のフライングキャパシタC13は、6つのスイッチング素子S12、S1、S2、S3、S4、S42に対して並列に接続され、3/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。最も外側のフライングキャパシタC1nは、2N個のS1(n-1)、・・・、S13、S12、S1、S2、S3、S4、S42、S43、・・・、S4(n-1)に対して並列に接続され、N/(2N+2)Eの電圧を維持するように制御される。 FIG. 20 shows a flying capacitor circuit with N stages (N is a natural number). In an N-stage flying capacitor circuit, (2N+2) switching elements S1n,..., S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, S43,..., S4n are connected in series, and N switching elements are connected in series. flying capacitors C11, C12, C13, . . . , C1n. The innermost flying capacitor C11 is connected in parallel to the two switching elements S2 and S3, and is controlled to maintain a voltage of 1/(2N+2)E. The second flying capacitor C12 from the inside is connected in parallel to the four switching elements S1, S2, S3, and S4, and is controlled to maintain a voltage of 2/(2N+2)E. The third flying capacitor C13 from the inside is connected in parallel to the six switching elements S12, S1, S2, S3, S4, and S42, and is controlled to maintain a voltage of 3/(2N+2)E. The outermost flying capacitor C1n is connected to 2N S1(n-1), ..., S13, S12, S1, S2, S3, S4, S42, S43, ..., S4(n-1). are connected in parallel and controlled to maintain a voltage of N/(2N+2)E.
図1に示した第1フライングキャパシタ回路31及び第2フライングキャパシタ回路32では、図19(a)に示した1段のフライングキャパシタ回路を使用している。1段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路31の中点と第2フライングキャパシタ回路32の中点との間に3レベル(E、1/2E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図19(b)に示した2段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路31の中点と第2フライングキャパシタ回路32の中点との間に5レベル(E、2/3E、1/2E、1/3E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図19(c)に示した3段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路31の中点と第2フライングキャパシタ回路32の中点との間に7レベル(E、3/4E、5/8E、1/2E、3/8E、1/4E、0)の電圧を発生させることが可能となる。図20に示したN段のフライングキャパシタ回路を使用すると、第1フライングキャパシタ回路31の中点と第2フライングキャパシタ回路32の中点との間に(2N+1)レベルの電圧を発生させることが可能となる。
The first
フライングキャパシタ回路の段数を増やすほど、安価で耐圧が低いスイッチング素子を使用することができる一方、使用するスイッチング素子の数が増大する。従って設計者は、トータルのコストとトータルの変換効率を考慮して、フライングキャパシタ回路の最適な段数を決定すればよい。また、高圧側直流部の電圧が1000Vを超えるアプリケーションや、10000Vを超えるアプリケーションでは、各スイッチング素子の耐圧を下げるために、フライングキャパシタ回路の段数を増やすことが有効である。 As the number of stages of the flying capacitor circuit increases, switching elements that are inexpensive and have low breakdown voltage can be used, but the number of switching elements used increases. Therefore, the designer only has to consider the total cost and total conversion efficiency to determine the optimal number of stages of the flying capacitor circuit. Furthermore, in applications where the voltage of the high-voltage DC section exceeds 1000 V or 10000 V, it is effective to increase the number of stages of the flying capacitor circuit in order to lower the withstand voltage of each switching element.
実施の形態1では、フライングキャパシタ回路の段数がいずれの場合であっても、リカバリ電流を減少させるべきダイオードが接続されたスイッチング素子を含む並列スイッチング素子の並列数を、他の並列スイッチング素子の並列数より少なく設計することにより、リカバリ損失を低減することができる。
In
図21は、実施の形態2の実施例1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態2の実施例1に係るDC/DC変換装置3は、チョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータである。実施の形態2の実施例1に係るDC/DC変換部30は、上側のスイッチング素子S1と下側のスイッチング素子S3を含む。下側のスイッチング素子S3は、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S3a-S3bで構成される。
FIG. 21 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
制御部40は昇圧時、上側のスイッチング素子S1を常時オフに制御し、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bを昇圧比に応じてPWM制御する。制御部40は降圧時、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bを常時オフに制御し、上側のスイッチング素子S1を降圧比に応じてPWM制御する。
When boosting the voltage, the
昇圧時の昇圧比が大きいほど、デューティ比が高くなる。即ち、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bのオン時間が長くなる。 The larger the boost ratio during boosting, the higher the duty ratio. That is, the on time of the lower parallel switching elements S3a-S3b becomes longer.
下側の並列スイッチング素子S3a-S3bがオフの期間は、上側のスイッチング素子S1のダイオードD1に順方向電流が流れる。下側の並列スイッチング素子S3a-S3bのターンオン時に、順方向に電流が流れていた上側のスイッチング素子S1のダイオードD1に逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる。これにより、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bに当該リカバリ電流が流れ込むため、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bのターンオン時に流れる電流が増加し、下側の並列スイッチング素子S3a-S3bのスイッチング損失が増加する。 While the lower parallel switching elements S3a-S3b are off, a forward current flows through the diode D1 of the upper switching element S1. When the lower parallel switching elements S3a-S3b are turned on, a reverse bias voltage is applied to the diode D1 of the upper switching element S1 through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction. As a result, the recovery current flows into the lower parallel switching elements S3a-S3b, so the current flowing when the lower parallel switching elements S3a-S3b are turned on increases, resulting in switching loss of the lower parallel switching elements S3a-S3b. increases.
これに対して実施の形態2の実施例1では、上側のスイッチング素子S1の並列数を、下側のスイッチング素子S3の並列数より減らすことにより、リカバリ電流量を低減することができる。 In contrast, in Example 1 of the second embodiment, the amount of recovery current can be reduced by reducing the number of upper switching elements S1 in parallel than the number of lower switching elements S3 in parallel.
実施の形態2の実施例1の構成は、昇圧比が大きいほど有効な構成である。昇圧比が大きいほど、下側のスイッチング素子S3の電流時間積が上側のスイッチング素子S1の電流時間積より大きくなる。したがって、上側のスイッチング素子S1の許容電流を、下側のスイッチング素子S3の許容電流より下げることができる。即ち、上側のスイッチング素子S1の並列数を、下側のスイッチング素子S3の並列数より減らすことができる。
The configuration of Example 1 of
図22は、実施の形態2の実施例2に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態2の実施例2に係るDC/DC変換装置3も、チョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータである。実施の形態2の実施例2に係るDC/DC変換部30は、上側のスイッチング素子S1と下側のスイッチング素子S3を含む。上側のスイッチング素子S1は、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S1a-S1bで構成される。
FIG. 22 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
制御部40は昇圧時、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bを常時オフに制御し、下側のスイッチング素子S3を昇圧比に応じてPWM制御する。制御部40は降圧時、下側のスイッチング素子S3を常時オフに制御し、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bを降圧比に応じてPWM制御する。
When boosting the voltage, the
降圧時の降圧比が小さいほど、デューティ比が高くなる。即ち、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bのオン時間が長くなる。 The smaller the step-down ratio during step-down, the higher the duty ratio. That is, the on time of the upper parallel switching elements S1a-S1b becomes longer.
上側の並列スイッチング素子S1a-S1bがオフの期間は、下側のスイッチング素子S3のダイオードD3に順方向電流が流れる。上側の並列スイッチング素子S1a-S1bのターンオン時に、順方向に電流が流れていた下側のスイッチング素子S3のダイオードD3に逆バイアス電圧が印加され、逆方向にリカバリ電流が流れる。これにより、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bに当該リカバリ電流が流れ込むため、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bのターンオン時に流れる電流が増加し、上側の並列スイッチング素子S1a-S1bのスイッチング損失が増加する。 While the upper parallel switching elements S1a-S1b are off, a forward current flows through the diode D3 of the lower switching element S3. When the upper parallel switching elements S1a-S1b are turned on, a reverse bias voltage is applied to the diode D3 of the lower switching element S3 through which current was flowing in the forward direction, and a recovery current flows in the reverse direction. As a result, the recovery current flows into the upper parallel switching elements S1a-S1b, so the current flowing when the upper parallel switching elements S1a-S1b are turned on increases, and the switching loss of the upper parallel switching elements S1a-S1b increases. .
これに対して実施の形態2の実施例2では、下側のスイッチング素子S3の並列数を、上側のスイッチング素子S1の並列数より減らすことにより、リカバリ電流量を低減することができる。 On the other hand, in Example 2 of the second embodiment, the amount of recovery current can be reduced by reducing the number of lower switching elements S3 in parallel than the number of upper switching elements S1 in parallel.
実施の形態2の実施例2の構成は、降圧比が小さいほど有効な構成である。降圧比が小さいほど、上側のスイッチング素子S1の電流時間積が下側のスイッチング素子S3の電流時間積より大きくなる。したがって、下側のスイッチング素子S3の許容電流を、上側のスイッチング素子S1の許容電流より下げることができる。即ち、下側のスイッチング素子S3の並列数を、上側のスイッチング素子S1の並列数より減らすことができる。
The configuration of Example 2 of
図23は、実施の形態3の実施例1に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態3の実施例1に係るDC/DC変換装置3は、インタリーブ方式のチョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータである。実施の形態3の実施例1に係るDC/DC変換部30は、第1相の上側のスイッチング素子S1と下側のスイッチング素子S3と、第2相の上側のスイッチング素子S2と下側のスイッチング素子S4を含む。第1相の下側のスイッチング素子S3は、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S3a-S3bで構成される。第2相の下側のスイッチング素子S4も、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S4a-S4bで構成される。
FIG. 23 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
制御部40は昇圧時、第1相及び第2相の上側のスイッチング素子S1、S3を常時オフに制御し、第1相及び第2相の下側の並列スイッチング素子S3a-S3b、S4a-S4bを昇圧比に応じてPWM制御する。インタリーブ方式では、制御部40は、第1相の下側の並列スイッチング素子S3a-S3bと、第2相の下側の並列スイッチング素子S4a-S4bを、位相を180°ずらして交互にオン/オフする。インタリーブ方式では、出力コンデンサC6に流れる電流を小さくすることができるため、出力コンデンサC6の容量を小さくすることができる。その他の説明は、図21に示したチョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータと同様である。
During boosting, the
図24は、実施の形態3の実施例2に係るDC/DC変換装置3の構成を説明するための図である。実施の形態3の実施例2に係るDC/DC変換装置3は、インタリーブ方式のチョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータである。実施の形態3の実施例2に係るDC/DC変換部30は、第1相の上側のスイッチング素子S1と下側のスイッチング素子S3と、第2相の上側のスイッチング素子S2と下側のスイッチング素子S4を含む。第1相の上側のスイッチング素子S1は、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S1a-S1bで構成される。第2相の上側のスイッチング素子S2も、2つのスイッチング素子が並列接続された並列スイッチング素子S2a-S2bで構成される。
FIG. 24 is a diagram for explaining the configuration of the DC/
制御部40は降圧時、第1相及び第2相の下側のスイッチング素子S2、S4を常時オフに制御し、第1相及び第2相の上側の並列スイッチング素子S1a-S1b、S3a-S3bを降圧比に応じてPWM制御する。インタリーブ方式では、制御部40は、第1相の上側の並列スイッチング素子S1a-S1bと、第2相の上側の並列スイッチング素子S3a-S3bを、位相を180°ずらして交互にオン/オフする。その他の説明は、図22に示したチョッパ型の昇降圧DC/DCコンバータと同様である。
During step-down, the
以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present disclosure has been described above based on the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that the embodiments are illustrative, and that various modifications are possible to the combinations of each component and each treatment process, and that such modifications are also within the scope of the present disclosure. .
上述した実施の形態では、第1スイッチング素子S1-第8スイッチング素子S8にMOSFETを使用する例を説明した。この点、寄生ダイオードが形成されないIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子を使用する場合にも、本開示を適用可能である。この場合も外付けダイオードに流れるリカバリ電流を低減することができ、リカバリ損失を低減することができる。 In the embodiments described above, an example has been described in which MOSFETs are used for the first switching element S1 to the eighth switching element S8. In this respect, the present disclosure is also applicable to the case of using a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) in which a parasitic diode is not formed. In this case as well, the recovery current flowing through the external diode can be reduced, and recovery loss can be reduced.
なお、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ダイヤモンド(C)等を使用したワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチング素子を使用する場合にも、本開示を適用可能である。 Note that the present disclosure is also applicable when using a switching element configured with a wide bandgap semiconductor using silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga2O3), diamond (C), etc. It is.
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。 Note that the embodiment may be specified by the following items.
[項目1]
少なくとも一つのスイッチング素子(S1a-S1b)が並列接続された並列スイッチング素子(S1)が、複数(S1-S8)直列に接続された電力変換部(30)を有する電力変換装置(3)であって、
各スイッチング素子(S1a-S1b)には逆並列にダイオード(D1a-D1b)が形成または接続されており、
複数の並列スイッチング素子(S1-S8)のうち、並列数が他の並列スイッチング素子より少ない並列スイッチング素子(S1)を含む、
電力変換装置(3)。
これによれば、ダイオード(D1a-D1b)によるリカバリ損失を低減することができる。
[項目2]
リカバリ電流を低減させるべきダイオード(D1a-D1b)が逆並列に形成または接続されたスイッチング素子(S1a-S1b)を含む並列スイッチング素子(S1)の並列数が、他の並列スイッチング素子の並列数より少ない、
項目1に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、対象となるダイオード(D1a-D1b)によるリカバリ損失を低減することができる。
[項目3]
低圧側直流部に接続される少なくとも一つのリアクトル(L1)と、
高圧側直流部と並列に直列接続された第1フライングキャパシタ回路(31)及び第2フライングキャパシタ回路(32)と、を備え、
前記低圧側直流部の正側端子と前記第1フライングキャパシタ回路(31)の中点間が電気的に接続され、前記低圧側直流部の負側端子と前記第2フライングキャパシタ回路(32)の中点間が電気的に接続され、
前記リアクトル(L1)は、前記低圧側直流部の正側端子と前記第1フライングキャパシタ回路(31)の中点間を接続する経路と、前記低圧側直流部の負側端子と前記第2フライングキャパシタ回路(32)の中点間を接続する経路の少なくとも一方に挿入され、
前記第1フライングキャパシタ回路(31)及び第2フライングキャパシタ回路(32)は、それぞれ直列に接続された複数の前記並列スイッチング素子(S1-S8)を含む、
項目1または2に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、フライングキャパシタを用いたマルチレベル電力変換装置(3)における、ダイオードのリカバリ損失を低減することができる。
[項目4]
前記第1フライングキャパシタ回路(31)は、
直列接続された第1並列スイッチング素子(S1)、第2並列スイッチング素子(S2)、第3並列スイッチング素子(S3)及び第4並列スイッチング素子(S4)と、
前記第1並列スイッチング素子(S1)と第2並列スイッチング素子(S2)との接続点と、第3並列スイッチング素子(S3)と第4並列スイッチング素子(S4)との接続点との間に接続された第1フライングキャパシタ(C1)と、を含み、
前記第2フライングキャパシタ回路(32)は、
直列接続された第5並列スイッチング素子(S5)、第6並列スイッチング素子(S6)、第7並列スイッチング素子(S7)及び第8並列スイッチング素子(S8)と、
前記第5並列スイッチング素子(S5)と第6並列スイッチング素子(S6)との接続点と、第7並列スイッチング素子(S7)と第8並列スイッチング素子(S8)との接続点との間に接続された第2フライングキャパシタ(C2)と、を含む、
項目3に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、フライングキャパシタを用いた3レベル電力変換装置(3)における、ダイオードのリカバリ損失を低減することができる。
[項目5]
前記第1並列スイッチング素子(S1a-S1b)、前記第2並列スイッチング素子(S2a-S2b)、前記第7並列スイッチング素子(S7a-S7b)及び前記第8並列スイッチング素子(S8a-S8b)の並列数が、前記第3並列スイッチング素子(S3a-S3c)、前記第4並列スイッチング素子(S4a-S4c)、前記第5並列スイッチング素子(S5a-S5c)及び前記第6並列スイッチング素子(S6a-S6c)の並列数より少ない、
項目4に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、昇圧動作時における、ダイオード(D1-D2、D7-D8)によるリカバリ損失を低減することができる。
[項目6]
前記第3並列スイッチング素子(S3a-S3b)、前記第4並列スイッチング素子(S4a-S4b)、前記第5並列スイッチング素子(S5a-S5b)及び前記第6並列スイッチング素子(S6a-S6b)の並列数が、前記第1並列スイッチング素子(S1a-S1c)、前記第2並列スイッチング素子(S2a-S2c)、前記第7並列スイッチング素子(S7a-S7c)及び前記第8並列スイッチング素子(S8a-S8c)の並列数より少ない、
項目4に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、降圧動作時における、ダイオード(D3-D6)によるリカバリ損失を低減することができる。
[項目7]
前記第1フライングキャパシタ回路(31)及び前記第2フライングキャパシタ回路(32)を制御して、前記低圧側直流部から前記高圧側直流部へ昇圧動作で電力伝送、及び前記高圧側直流部から前記低圧側直流部へ降圧動作で電力伝送の少なくとも一方を実行可能な制御部(40)をさらに備え、
前記制御部(40)は、
前記第2並列スイッチング素子(S2)、前記第4並列スイッチング素子(S4)、前記第5並列スイッチング素子(S5)及び前記第7並列スイッチング素子(S7)をオン状態、並びに前記第1並列スイッチング素子(S1)、前記第3並列スイッチング素子(S3)、前記第6並列スイッチング素子(S6)及び前記第8並列スイッチング素子(S8)をオフ状態に制御する第1モード、
前記第1並列スイッチング素子(S1)、前記第3並列スイッチング素子(S3)、前記第6並列スイッチング素子(S6)及び前記第8並列スイッチング素子(S8)をオン状態、並びに前記第2並列スイッチング素子(S2)、前記第4並列スイッチング素子(S4)、前記第5並列スイッチング素子(S5)及び前記第7並列スイッチング素子(S7)をオフ状態に制御する第2モード、
前記第1並列スイッチング素子(S1)、前記第2並列スイッチング素子(S2)、前記第7並列スイッチング素子(S7)及び前記第8並列スイッチング素子(S8)をオン状態、並びに前記第3並列スイッチング素子(S3)、前記第4並列スイッチング素子(S4)、前記第5並列スイッチング素子(S5)及び前記第6並列スイッチング素子(S6)をオフ状態に制御する第3モード、
前記第3並列スイッチング素子(S3)、前記第4並列スイッチング素子(S4)、前記第5並列スイッチング素子(S5)及び前記第6並列スイッチング素子(S6)をオン状態、並びに前記第1並列スイッチング素子(S1)、前記第2並列スイッチング素子(S2)、前記第7並列スイッチング素子(S7)及び前記第8並列スイッチング素子(S8)をオフ状態に制御する第4モード、
の4つのモードを使用して前記昇圧動作または前記降圧動作を実行する、
項目4から6のいずれか1項に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、4つのモードを組み合わせて種々の制御が可能となる。
[項目8]
前記スイッチング素子(S1-S8)は、NチャンネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、
前記ダイオード(D1-D8)は、前記NチャンネルMOSFETの寄生ダイオードである、
項目1から7のいずれか1項に記載の電力変換装置(3)。
これによれば、寄生ダイオードに還流電流が流れることによるリカバリ損失を低減することができる。
[Item 1]
A power conversion device (3) includes a power conversion unit (30) in which a plurality of parallel switching elements (S1) (S1-S8) are connected in series, in which at least one switching element (S1a-S1b) is connected in parallel. hand,
Diodes (D1a-D1b) are formed or connected in antiparallel to each switching element (S1a-S1b),
Among the plurality of parallel switching elements (S1-S8), a parallel switching element (S1) whose number of parallel switching elements is smaller than other parallel switching elements,
Power converter (3).
According to this, recovery loss due to the diode (D1a-D1b) can be reduced.
[Item 2]
The number of parallel switching elements (S1) including a switching element (S1a-S1b) in which diodes (D1a-D1b) to reduce the recovery current are formed or connected in antiparallel is greater than the number of other parallel switching elements in parallel. few,
The power conversion device (3) according to
According to this, recovery loss caused by the target diode (D1a-D1b) can be reduced.
[Item 3]
at least one reactor (L1) connected to the low-pressure side DC part;
A first flying capacitor circuit (31) and a second flying capacitor circuit (32) connected in series in parallel with the high voltage side DC section,
The positive side terminal of the low voltage side DC section and the midpoint of the first flying capacitor circuit (31) are electrically connected, and the negative side terminal of the low voltage side DC section and the middle point of the second flying capacitor circuit (32) are electrically connected. The midpoints are electrically connected,
The reactor (L1) has a path connecting the positive side terminal of the low voltage side DC section and the midpoint of the first flying capacitor circuit (31), and a path connecting the negative side terminal of the low voltage side DC section and the second flying capacitor circuit (31). inserted into at least one of the paths connecting the midpoints of the capacitor circuit (32),
The first flying capacitor circuit (31) and the second flying capacitor circuit (32) each include a plurality of the parallel switching elements (S1-S8) connected in series.
The power conversion device (3) according to
According to this, recovery loss of the diode in the multilevel power conversion device (3) using a flying capacitor can be reduced.
[Item 4]
The first flying capacitor circuit (31) includes:
A first parallel switching element (S1), a second parallel switching element (S2), a third parallel switching element (S3), and a fourth parallel switching element (S4) connected in series,
A connection between the connection point between the first parallel switching element (S1) and the second parallel switching element (S2) and the connection point between the third parallel switching element (S3) and the fourth parallel switching element (S4). a first flying capacitor (C1),
The second flying capacitor circuit (32) includes:
A fifth parallel switching element (S5), a sixth parallel switching element (S6), a seventh parallel switching element (S7), and an eighth parallel switching element (S8) connected in series,
A connection between the connection point between the fifth parallel switching element (S5) and the sixth parallel switching element (S6) and the connection point between the seventh parallel switching element (S7) and the eighth parallel switching element (S8). a second flying capacitor (C2),
The power conversion device (3) according to
According to this, recovery loss of the diode in the three-level power conversion device (3) using flying capacitors can be reduced.
[Item 5]
the number of parallel switching elements of the first parallel switching element (S1a-S1b), the second parallel switching element (S2a-S2b), the seventh parallel switching element (S7a-S7b), and the eighth parallel switching element (S8a-S8b); is the third parallel switching element (S3a-S3c), the fourth parallel switching element (S4a-S4c), the fifth parallel switching element (S5a-S5c), and the sixth parallel switching element (S6a-S6c). less than the number of parallel
The power conversion device (3) according to
According to this, recovery loss caused by the diodes (D1-D2, D7-D8) during boost operation can be reduced.
[Item 6]
the number of the third parallel switching elements (S3a-S3b), the fourth parallel switching elements (S4a-S4b), the fifth parallel switching elements (S5a-S5b), and the sixth parallel switching elements (S6a-S6b) in parallel; is the first parallel switching element (S1a-S1c), the second parallel switching element (S2a-S2c), the seventh parallel switching element (S7a-S7c), and the eighth parallel switching element (S8a-S8c). less than the number of parallel
The power conversion device (3) according to
According to this, it is possible to reduce recovery loss due to the diodes (D3-D6) during step-down operation.
[Item 7]
The first flying capacitor circuit (31) and the second flying capacitor circuit (32) are controlled to transfer power from the low-voltage side DC section to the high-voltage side DC section by step-up operation, and from the high-voltage side DC section to the further comprising a control unit (40) capable of performing at least one of power transmission by step-down operation to the low voltage side DC section,
The control unit (40) includes:
the second parallel switching element (S2), the fourth parallel switching element (S4), the fifth parallel switching element (S5), and the seventh parallel switching element (S7) are in an on state, and the first parallel switching element (S1), a first mode in which the third parallel switching element (S3), the sixth parallel switching element (S6), and the eighth parallel switching element (S8) are controlled to an OFF state;
The first parallel switching element (S1), the third parallel switching element (S3), the sixth parallel switching element (S6), and the eighth parallel switching element (S8) are in an on state, and the second parallel switching element (S2), a second mode in which the fourth parallel switching element (S4), the fifth parallel switching element (S5), and the seventh parallel switching element (S7) are controlled to an OFF state;
The first parallel switching element (S1), the second parallel switching element (S2), the seventh parallel switching element (S7), and the eighth parallel switching element (S8) are in an on state, and the third parallel switching element (S3), a third mode in which the fourth parallel switching element (S4), the fifth parallel switching element (S5), and the sixth parallel switching element (S6) are controlled to an OFF state;
The third parallel switching element (S3), the fourth parallel switching element (S4), the fifth parallel switching element (S5), and the sixth parallel switching element (S6) are in an on state, and the first parallel switching element (S1), a fourth mode in which the second parallel switching element (S2), the seventh parallel switching element (S7), and the eighth parallel switching element (S8) are controlled to an OFF state;
performing the step-up operation or the step-down operation using four modes;
The power conversion device (3) according to any one of
According to this, various controls can be performed by combining the four modes.
[Item 8]
The switching elements (S1-S8) are N-channel MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors),
The diodes (D1-D8) are parasitic diodes of the N-channel MOSFET,
The power conversion device (3) according to any one of
According to this, recovery loss due to freewheeling current flowing through the parasitic diode can be reduced.
1 第1直流電源、 2 第2直流電源、 3 DC/DC変換装置、 30 DC/DC変換部、 31,32 フライングキャパシタ回路、 40 制御部、 C1,C2 フライングキャパシタ、 C3,C4 分割コンデンサ、 C5 入力コンデンサ、 C6 出力コンデンサ、 L1,L2 リアクトル、 S1-S8 スイッチング素子、 D1-D8 ダイオード。 1 First DC power supply, 2 Second DC power supply, 3 DC/DC converter, 30 DC/DC converter, 31, 32 Flying capacitor circuit, 40 Control unit, C1, C2 Flying capacitor, C3, C4 Split capacitor, C5 Input capacitor, C6 output capacitor, L1, L2 reactor, S1-S8 switching element, D1-D8 diode.
Claims (7)
高圧側直流部と並列に直列接続された第1フライングキャパシタ回路及び第2フライングキャパシタ回路と、を備え、
前記第1フライングキャパシタ回路及び第2フライングキャパシタ回路は、それぞれ直列に接続された複数の並列スイッチング素子を含み、
前記低圧側直流部の正側端子と前記第1フライングキャパシタ回路に含まれる前記複数の並列スイッチング素子の直列回路の第1中点間が電気的に接続され、前記低圧側直流部の負側端子と前記第2フライングキャパシタ回路に含まれる前記複数の並列スイッチング素子の直列回路の第2中点間が電気的に接続され、
前記リアクトルは、前記低圧側直流部の正側端子と前記第1中点間を接続する経路と、前記低圧側直流部の負側端子と前記第2中点間を接続する経路の少なくとも一方に挿入され、
前記並列スイッチング素子は、少なくとも一つのスイッチング素子が並列接続されており、
各スイッチング素子には逆並列にダイオードが形成または接続されており、
複数の並列スイッチング素子のうち、並列数が他の並列スイッチング素子より少ない並列スイッチング素子を含む、
電力変換装置。 at least one reactor connected to the low pressure side DC part;
A first flying capacitor circuit and a second flying capacitor circuit connected in series in parallel with the high voltage side DC section,
The first flying capacitor circuit and the second flying capacitor circuit each include a plurality of parallel switching elements connected in series,
The positive side terminal of the low voltage side DC section and the first midpoint of the series circuit of the plurality of parallel switching elements included in the first flying capacitor circuit are electrically connected, and the negative side terminal of the low voltage side DC section is electrically connected. and a second midpoint of a series circuit of the plurality of parallel switching elements included in the second flying capacitor circuit are electrically connected,
The reactor is connected to at least one of a path connecting between the positive side terminal of the low voltage side DC section and the first midpoint, and a path connecting between the negative side terminal of the low voltage side DC section and the second midpoint. inserted,
The parallel switching element has at least one switching element connected in parallel,
A diode is formed or connected in antiparallel to each switching element,
Among the plurality of parallel switching elements, including a parallel switching element whose number of parallel switching elements is smaller than other parallel switching elements,
Power converter.
請求項1に記載の電力変換装置。 The number of parallel switching elements including a switching element in which diodes to reduce the recovery current are formed or connected in antiparallel is smaller than the number of other parallel switching elements.
The power conversion device according to claim 1.
直列接続された第1並列スイッチング素子、第2並列スイッチング素子、第3並列スイッチング素子及び第4並列スイッチング素子と、
前記第1並列スイッチング素子と第2並列スイッチング素子との接続点と、第3並列スイッチング素子と第4並列スイッチング素子との接続点との間に接続された第1フライングキャパシタと、を含み、
前記第2フライングキャパシタ回路は、
直列接続された第5並列スイッチング素子、第6並列スイッチング素子、第7並列スイッチング素子及び第8並列スイッチング素子と、
前記第5並列スイッチング素子と第6並列スイッチング素子との接続点と、第7並列スイッチング素子と第8並列スイッチング素子との接続点との間に接続された第2フライングキャパシタと、を含む、
請求項1に記載の電力変換装置。 The first flying capacitor circuit includes:
A first parallel switching element, a second parallel switching element, a third parallel switching element, and a fourth parallel switching element connected in series,
a first flying capacitor connected between a connection point between the first parallel switching element and the second parallel switching element and a connection point between the third parallel switching element and the fourth parallel switching element;
The second flying capacitor circuit includes:
A fifth parallel switching element, a sixth parallel switching element, a seventh parallel switching element, and an eighth parallel switching element connected in series,
a second flying capacitor connected between a connection point between the fifth parallel switching element and the sixth parallel switching element and a connection point between the seventh parallel switching element and the eighth parallel switching element;
The power conversion device according to claim 1 .
請求項3に記載の電力変換装置。 The number of parallel switching elements of the first parallel switching element, the second parallel switching element, the seventh parallel switching element, and the eighth parallel switching element is the third parallel switching element, the fourth parallel switching element, and the fifth parallel switching element. less than the number of parallel switching elements and the sixth parallel switching element;
The power conversion device according to claim 3 .
請求項3に記載の電力変換装置。 The number of parallel switching elements of the third parallel switching element, the fourth parallel switching element, the fifth parallel switching element, and the sixth parallel switching element is the same as that of the first parallel switching element, the second parallel switching element, and the seventh parallel switching element. less than the number of parallel switching elements and the eighth parallel switching element;
The power conversion device according to claim 3 .
前記制御部は、
前記第2並列スイッチング素子、前記第4並列スイッチング素子、前記第5並列スイッチング素子及び前記第7並列スイッチング素子をオン状態、並びに前記第1並列スイッチング素子、前記第3並列スイッチング素子、前記第6並列スイッチング素子及び前記第8並列スイッチング素子をオフ状態に制御する第1モード、
前記第1並列スイッチング素子、前記第3並列スイッチング素子、前記第6並列スイッチング素子及び前記第8並列スイッチング素子をオン状態、並びに前記第2並列スイッチング素子、前記第4並列スイッチング素子、前記第5並列スイッチング素子及び前記第7並列スイッチング素子をオフ状態に制御する第2モード、
前記第1並列スイッチング素子、前記第2並列スイッチング素子、前記第7並列スイッチング素子及び前記第8並列スイッチング素子をオン状態、並びに前記第3並列スイッチング素子、前記第4並列スイッチング素子、前記第5並列スイッチング素子及び前記第6並列スイッチング素子をオフ状態に制御する第3モード、
前記第3並列スイッチング素子、前記第4並列スイッチング素子、前記第5並列スイッチング素子及び前記第6並列スイッチング素子をオン状態、並びに前記第1並列スイッチング素子、前記第2並列スイッチング素子、前記第7並列スイッチング素子及び前記第8並列スイッチング素子をオフ状態に制御する第4モード、
の4つのモードを使用して前記昇圧動作または前記降圧動作を実行する、
請求項3から5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The first flying capacitor circuit and the second flying capacitor circuit are controlled to transmit power from the low-voltage side DC section to the high-voltage side DC section by step-up operation, and from the high-voltage side DC section to the low-voltage side DC section. further comprising a control unit capable of executing at least one of power transmission in operation,
The control unit includes:
The second parallel switching element, the fourth parallel switching element, the fifth parallel switching element, and the seventh parallel switching element are turned on, and the first parallel switching element, the third parallel switching element, and the sixth parallel switching element are turned on. a first mode in which the switching element and the eighth parallel switching element are controlled to be in an off state;
The first parallel switching element, the third parallel switching element, the sixth parallel switching element, and the eighth parallel switching element are turned on, and the second parallel switching element, the fourth parallel switching element, and the fifth parallel switching element are turned on. a second mode of controlling the switching element and the seventh parallel switching element to an off state;
The first parallel switching element, the second parallel switching element, the seventh parallel switching element, and the eighth parallel switching element are turned on, and the third parallel switching element, the fourth parallel switching element, and the fifth parallel switching element are turned on. a third mode of controlling the switching element and the sixth parallel switching element to an off state;
The third parallel switching element, the fourth parallel switching element, the fifth parallel switching element, and the sixth parallel switching element are turned on, and the first parallel switching element, the second parallel switching element, and the seventh parallel switching element are turned on. a fourth mode of controlling the switching element and the eighth parallel switching element to an off state;
performing the step-up operation or the step-down operation using four modes;
The power conversion device according to any one of claims 3 to 5 .
前記ダイオードは、前記NチャンネルMOSFETの寄生ダイオードである、
請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 The switching element is an N-channel MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),
the diode is a parasitic diode of the N-channel MOSFET;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 6 .
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