特開 2024-161799 電力変換装置、電力変換装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024161799

(43)【公開日】2024-11-20

(54)【発明の名称】電力変換装置、電力変換装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241113BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023076833

(22)【出願日】2023-05-08

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】阪部 智城

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 尊衛

(72)【発明者】

【氏名】栗本 佳典

(72)【発明者】

【氏名】中原 瑞紀

(72)【発明者】

【氏名】印南 敏之

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 英樹

(72)【発明者】

【氏名】安川 義人

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AS01

5H730BB27

5H730BB57

5H730DD16

5H730EE03

5H730EE04

5H730EE07

5H730EE57

5H730EE59

5H730EE72

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730XX03

5H730XX13

5H730XX23

5H730XX33

(57)【要約】      （修正有）

【課題】比較的簡易な回路構成で、高効率な電力変換装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】入力側の１次巻線Ｎ１１６及び出力側の２次巻線Ｎ１１７を含む少なくとも２巻線以上を有するトランス１０３からの交流電力を、２次巻線に接続された整流回路１０２を用いて直流電力に変換する電力変換装置であって、整流回路は、ダイオードＤ１１１～Ｄ１１４からなるダイオードブリッジ回路と、当該ダイオードブリッジ回路のレグ間にコンデンサＣ１２０、Ｃ１２１と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線を含む少なくとも２巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路と、当該ダイオードブリッジ回路のレグ間にコンデンサと、を備える電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサの充放電により、出力側のトランス漏れインダクタンスを充電し、
前記トランスに電圧が印加されたときに、前記充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧する電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサと直列に接続された切替用スイッチと、
前記切替用スイッチを制御する制御回路と、を有する電力変換装置。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電力変換装置の入力電圧または出力電圧が所定の閾値を下回った場合、前記切替用スイッチをONする電力変換装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサは、前記ダイオードブリッジ回路の上アームのダイオードまたは下アームのダイオードのいずれかと並列に接続される電力変換装置。

【請求項6】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサは、前記ダイオードブリッジ回路のいずれか１つのダイオードと並列に接続される電力変換装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサは、前記２次巻線と並列に接続される電力変換装置。

【請求項8】

入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線と３次巻線を含む少なくとも３巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線及び前記３次巻線のいずれか１つ以上の巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置であって、
前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路と、当該ダイオードブリッジ回路のレグ間にコンデンサと切替用スイッチの直列体と、を備え、
前記切替用スイッチを制御する制御回路を有する電力変換装置。

【請求項9】

請求項８に記載の電力変換装置であって、
前記整流回路は、前記３次巻線に接続されており、
前記制御回路は、２次側の負荷電流が所定の閾値を下回った場合、前記切替用スイッチをONすることで、３次側の直流電圧の低下を抑制する電力変換装置。

【請求項10】

入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線を含む少なくとも２巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、
（ａ）前記整流回路を構成するダイオードブリッジ回路のレグ間に接続されたコンデンサの充放電により、出力側のトランス漏れインダクタンスを充電するステップと、
（ｂ）前記トランスに電圧が印加されたときに、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧するステップと、
を有する電力変換装置の制御方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の電力変換装置の制御方法であって、
前記（ｂ）ステップにおいて、前記電力変換装置の入力電圧または出力電圧が所定の閾値を下回った場合、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧する電力変換装置の制御方法。

【請求項12】

入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線と３次巻線を含む少なくとも３巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線及び前記３次巻線のいずれか１つ以上の巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、
（ａ）前記整流回路を構成するダイオードブリッジ回路のレグ間に接続されたコンデンサの充放電により、出力側のトランス漏れインダクタンスを充電するステップと、
（ｂ）前記トランスに電圧が印加されたときに、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧するステップと、
を有する電力変換装置の制御方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の電力変換装置の制御方法であって、
前記（ｂ）ステップにおいて、２次側の負荷電流が所定の閾値を下回った場合、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで３次側の直流電圧の低下を抑制する電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置の構成とその制御方法に係り、特に、DC/ACコンバータと整流回路をトランスで結合した絶縁型DC/DCコンバータに適用して有効な技術に関する。

【背景技術】

【0002】

広い入力電圧範囲から安定化した電圧を絶縁して出力する絶縁型DC/DCコンバータは、車載用の電力変換回路や基地局、ルータ等の情報通信機器、サーバ等の電力変換回路として幅広く利用されている。

【0003】

近年、この絶縁型DC/DCコンバータのトランスに、さらに別の回路を結合することにより、回路の小型・軽量化を図る取り組みがなされている。

【0004】

例えば、車載分野においては、電動車（xEV）向けの低電圧蓄電池（LVBAT）用DC/DCコンバータと、AC100Vコンセント（V2L）用DC/ACコンバータとを一体化した車載電力変換回路の開発が進められている。

【0005】

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、「電圧変換用トランスの１次側巻線と２次側巻線の巻線比にとらわれず、高い変換効率で昇圧／降圧が可能なDC-DCコンバータ」が開示されている。

【0006】

また、特許文献２には、「装置の小型化と幅広い範囲の電圧への対応を両立可能な充放電装置」が開示されている。

【0007】

また、特許文献３には、「プライマリ巻線と、第１セカンダリ巻線および第２セカンダリ巻線とが磁気的に相互に結合されたトランスを備える電力変換装置」が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００５－２２４０１２号公報

【特許文献2】特開２０１４－２７８５７号公報

【特許文献3】特開２０２１－１６４３３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記特許文献１及び特許文献２のように、一次側の回路と二次側の回路をトランスで結合した絶縁型DC-DCコンバータでは、一次側と同じスイッチング周波数で二次側を駆動することで、DC電圧を昇圧する。そのため、二次側には、一次側と同期した高周波駆動回路が必要となる。また、高周波駆動に対応したデバイスも必要となる。この結果、回路が高価になり、電力損失も大きくなることが懸念される。

【0010】

また、上記特許文献３のように、一次側の回路に、トランスを介して２つの異なる回路（二次側回路および三次側回路）を結合した電力変換装置では、三次側スイッチングにより、三次側の出力電圧を制御する。三次側スイッチングは、一次側と同期したスイッチングをする必要があるため、三次側は高周波数駆動をする。そのため、三次側では高周波数駆動に対応したデバイスが必要となる。この結果、やはり回路が高価になり、電力損失も大きくなることが懸念される。

【0011】

そこで、本発明の目的は、比較的簡易な回路構成で、高効率な電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、本発明は、入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線を含む少なくとも２巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置であって、前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路と、当該ダイオードブリッジ回路のレグ間にコンデンサと、を備えることを特徴とする。

【0013】

また、本発明は、入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線と３次巻線を含む少なくとも３巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線及び前記３次巻線のいずれか１つ以上の巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置であって、前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路と、当該ダイオードブリッジ回路のレグ間にコンデンサと切替用スイッチの直列体と、を備え、前記切替用スイッチを制御する制御回路を有することを特徴とする。

【0014】

また、本発明は、入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線を含む少なくとも２巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、（ａ）前記整流回路を構成するダイオードブリッジ回路のレグ間に接続されたコンデンサの充放電により、出力側のトランス漏れインダクタンスを充電するステップと、（ｂ）前記トランスに電圧が印加されたときに、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧するステップと、を有することを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、入力側の１次巻線及び出力側の２次巻線と３次巻線を含む少なくとも３巻線以上を有するトランスからの交流電力を前記２次巻線及び前記３次巻線のいずれか１つ以上の巻線に接続された整流回路を用いて直流電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、（ａ）前記整流回路を構成するダイオードブリッジ回路のレグ間に接続されたコンデンサの充放電により、出力側のトランス漏れインダクタンスを充電するステップと、（ｂ）前記トランスに電圧が印加されたときに、前記（ａ）ステップで充電されたトランス漏れインダクタンスを放電することで出力電圧を昇圧するステップと、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、比較的簡易な回路構成で、高効率な電力変換装置及びその制御方法を実現することができる。

【0017】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施例１に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図2】図１の電力変換装置の動作を模式的に示す図である。

【図3】図１の電力変換装置の動作波形を示す図である。

【図4】本発明の実施例２に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図5】本発明の実施例３に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図6】本発明の実施例４に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図7】本発明の実施例５に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図8】図７の電力変換装置の制御波形を示す図である。

【図9】図７の電力変換装置の制御波形を示す図である。

【図10】本発明の実施例６に係る電力変換装置の概略構成を示す回路図である。

【図11】図１０の電力変換装置の制御波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

【実施例0020】

図１から図３を参照して、本発明の実施例１に係る電力変換装置及びその制御方法について説明する。

【0021】

図１は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示す回路図である。図２は、図１の電力変換装置の動作を模式的に示すモード図であり、図３は、その動作波形を示す図である。

【0022】

図１に示すように、本実施例の電力変換装置は、絶縁型DC/DCコンバータであり、一次側はDC/ACコンバータ１０１を、二次側は整流回路１０２をトランス１０３で結合した回路構成である。

【0023】

DC/ACコンバータ１０１は、４つのスイッチング素子Ｓ１０７～Ｓ１１０からなるフルブリッジ回路で構成されている。なお、２つのスイッチング素子Ｓ１０７，Ｓ１０８またはＳ１０９，Ｓ１１０の組み合わせからなるハーフブリッジ回路で構成することも考えられる。DC/ACコンバータ１０１の入力側には、平滑コンデンサＣ１０６が接続されている。

【0024】

整流回路１０２は、ダイオードＤ１１１～Ｄ１１４からなるダイオードブリッジ回路で構成されている。ダイオードブリッジ回路のダイオードＤ１１２，Ｄ１１４と並列に、コンデンサＣ１２０，Ｃ１２１がそれぞれ接続されている。整流回路１０２の出力側には、平滑コンデンサＣ１１５が接続されている。

【0025】

トランス１０３は、一次側巻線Ｎ１１６、二次側巻線Ｎ１１７、一次側漏れインダクタンスＬ１１８、二次側漏れインダクタンスＬ１１９を有する。

【0026】

また、本実施例の電力変換装置は、整流回路１０２の出力側の電流及び電圧のいずれか一方または両方を検出する電流／電圧検出回路１０４、制御回路１０５を備えている。制御回路１０５は、電流／電圧検出回路１０４の検出値に基づいて、DC/ACコンバータ１０１の各スイッチング素子Ｓ１０７～Ｓ１１０のスイッチング動作をそれぞれ制御する。

【0027】

図２及び図３を用いて、図１の電力変換装置の動作（制御方法）について説明する。

【0028】

図３のt0～t1期間はmode aであり、この期間の電流経路を図２の（ａ）に示している。一次側のDC/ACコンバータはスイッチＳ１０７，Ｓ１１０がONであり、二次側の整流回路はコンデンサＣ１２０が充電されてVa02が増加し、コンデンサＣ１２１が放電されてVa03が減少する。コンデンサＣ１２０，Ｃ１２１の充放電電流により、二次側の漏れインダクタンスＬ１１９が充電される。コンデンサＣ１２０，Ｃ１２１の充放電が完了するとmode bに移行する。

【0029】

図３のt1～t2期間はmode bであり、この期間の電流経路を図２の（ｂ）に示している。一次側のDC/ACコンバータはmode aと同じくスイッチＳ１０７，Ｓ１１０がONであり、二次側の整流回路はダイオードＤ１１１，Ｄ１１４が導通する。このとき, mode aで充電されていた二次側の漏れインダクタンスＬ１１９が放電されるため、出力電圧Va07はトランス印加電圧Va01に二次側の漏れインダクタンスＬ１１９の電圧が上乗せされた値となる。一次側のDC/ACコンバータのスイッチＳ１０７，Ｓ１１０がOFFになるとmode cに移行する。

【0030】

図３のt2～t3期間はmode cであり、この期間の電流経路を図２の（ｃ）に示している。一次側のDC/ACコンバータでは全てのスイッチＳ１０７～Ｓ１１０がOFFとなるデッドタイムである。二次側の整流回路では漏れインダクタンスＬ１１９の放電が継続しているため、ダイオードＤ１１１，Ｄ１１４は導通する。一次側のDC/ACコンバータのスイッチＳ１０８，Ｓ１０９がONになるとmode dに移行する。

【0031】

mode d，mode e，mode fは、mode a，mode b，mode cと対称動作であるため、詳細な説明は省略する。

【0032】

本実施例の電力変換装置は、以上の動作（制御方法）により出力電圧V2が昇圧される。

【0033】

以上説明したように、本実施例の電力変換装置は、入力側の１次巻線Ｎ１１６及び出力側の２次巻線Ｎ１１７を含む少なくとも２巻線以上を有するトランス１０３からの交流電力を２次巻線Ｎ１１７に接続された整流回路１０２を用いて直流電力に変換する電力変換装置であり、整流回路１０２は、ダイオードブリッジ回路Ｄ１１１～Ｄ１１４と、当該ダイオードブリッジ回路Ｄ１１１～Ｄ１１４のレグ間にコンデンサＣ１２０，Ｃ１２１とを備えている。

【0034】

本実施例のような構成とすることで、例えば、上述したように、低電圧蓄電池（LVBAT）用DC/DCコンバータと、AC100Vコンセント（V2L）用DC/ACコンバータとをトランスを介して一体化した電力変換回路において、安価な回路構成でV2LDC電圧を高効率に昇圧することができる。

【0035】

これにより、LVBAT軽負荷時にV2L側DC電圧が低下する問題を解決できるとともに、一体型電力変換回路の目標である、小型・軽量化と高効率化の両立を達成することができる。

【実施例0036】

図４を参照して、本発明の実施例２に係る電力変換装置について説明する。図４は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示す回路図であり、実施例１（図１）の変形例に相当する。

【0037】

実施例１（図１）では、ダイオードブリッジ回路の下アームのダイオードＤ１１２，Ｄ１１４と並列に、コンデンサＣ１２０，Ｃ１２１がそれぞれ接続されているのに対し、本実施例の電力変換装置では、図４に示すように、ダイオードブリッジ回路の上アームのダイオードＤ１１１，Ｄ１１３と並列に、コンデンサＣ２０１，Ｃ２０２がそれぞれ接続されている点において、実施例１（図１）と異なっている。その他の構成は、実施例１（図１）と同様である。

【0038】

本実施例（図４）のように、ダイオードブリッジ回路の上アームのダイオードＤ１１１，Ｄ１１３と並列に、コンデンサＣ２０１，Ｃ２０２をそれぞれ接続する構成としても、実施例１（図１）と同様の効果を得ることができる。

【0039】

回路動作は、実施例１（図２及び図３）と同様であり、繰り返しとなる説明は省略する。