特許 7518323 ソフトスイッチングインターリーブコンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】ソフトスイッチングインターリーブコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240710BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 W

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020196377

(22)【出願日】2020-11-09

(65)【公開番号】P2022076432

(43)【公開日】2022-05-19

【審査請求日】2023-10-13

(73)【特許権者】

【識別番号】307006516

【氏名又は名称】ポニー電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】長井 真一郎

(72)【発明者】

【氏名】小池 直希

(72)【発明者】

【氏名】星野 哲馬

(72)【発明者】

【氏名】大田原 祐樹

【審査官】冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１２６１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４０１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３２２８９８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項7】

請求項１及び請求項２記載の電力変換装置におけるリアクトルの手段として、該リアクトルと、並列する他のユニットのリアクトルとを磁気結合することを特徴とする請求項１～６記載のソフトスイッチングインターリーブコンバータ。

【発明の詳細な説明】

【請求項１の従来技術】

【技術分野】

【0001】

本発明はインターリーブコンバータに関する。

【背景技術】

【0002】

複数の電力用スイッチで構成され、スイッチングによって電力を変換する電力変換装置は、モーター駆動用インバータ、無停電電源装置などに用いられている。中でもバッテリ用の充放電装置は電力貯蔵の観点からも重要である。このバッテリの充放電装置には電力を双方向に変換する双方向コンバータが使われる。この双方向コンバータを高効率化低ノイズ化する技術に、ソフトスイッチング技術がある。［特許文献１］また、双方向コンバータを小型化するのためインターリーブ技術が進んでいる。［特許文献２］インターリーブ方式の制御は、電流電圧の検出を連続的に行うアナログ回路での制御が多い。［非特許文献１］電力容量の大きい電力変換器では通信機能や調整機能などのためマイコンにてデジタル制御を行うことが多い。ところが、デジタル制御を行う場合、電流電圧の検出を離散的に行うため、スイッチングによるノイズが大きいと問題になりやすい。

【0003】

図４に、従来の３相インターリーブ双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの基本構成を示す。同図に於いて，１は高圧端子、２１は変換器交流端子、Ｑｐ１，Ｑｎ２は主スイッチ、Ｄｐ１，Ｄｐ２はダイオード、Ｃｐ１，Ｃｎ２は並列コンデンサでスイッチの出力容量とする場合もある。Ｌ１はリアクトルを示し、ｃｔ１は出力電圧器出力を示し、これら３１を１相分ユニットとする。このユニットを３つ並列に接続して低圧陽極端子５に接続し、図示しない負荷もしくはバッテリに接続される。同図の装置がｃｔ１は出力電圧器出からの電流検出値を元に７のデジタル制御回路にて、オン・オフ信号を８１～８２の駆動回路に主スイッチＱｐ１，Ｑｎ２の駆動信号を出力して電力を変換する。７のデジタル制御回路は、このオン・オフ信号を各相それぞれ位相をずらし３相インターリーブ駆動を行う。

【0004】

図２に、従来の３相インターリーブ双方向ＤＣ－ＤＣコンバータのオンオフ信号とスイッチ端子電圧、リアクトル電流を示す。スイッチ端子電圧にはターンオンスイッチング時にノイズが発生する。

【0005】

デジタル制御回路では、電流検出、電圧検出のタイミングは離散的であり、スイッチング周期毎に１，２回の検出を行っている。ここではリアクトル電流の平均電流を検出したいため、そのタイミングが重要になる。

【0006】

３相の電流波形と検出点は、ノイズ発生タイミング不一致部分にて検出する場合もあるが、ノイズ発生タイミング一致部分にて検出する場合ではノイズが大きく出力電流検出や図示していないが電圧検出などが難しくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０２０－１０８２９２：双方向インバータ及び当該双方向インバータを備えた蓄電池システム］

【文献】特開２０１７－２０８９７６：インターリーブコンバータ

【非特許文献】

【0008】

【文献】掲載誌名：電子情報通信学会技術研究報告：信学技報 掲載巻１１０掲載号１５１ 掲載ページ４１～４６ トランスリンク方式単相インターリーブＰＦＣコンバータの小型化］

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【請求項１～６の課題】

【0009】

従来のインターリーブ双方向コンバータではスイッチングタイミングが多くありノイズ発生が大きい。このため電流や電圧の検出タイミングをノイズ発生タイミングから避けることができない部分ができ、検出に重畳するノイズが大きくなり検出が困難であった。デジタル制御回路のようにスイッチング周期に１、２回の検出の場合、他相のスイッチング時に、検出タイミングを一致することがあり検出ノイズが大きくなる。この場合、従来の対策では、検出フィルタが必要であり、制御応答が遅くなっていた。この検出フィルタの遅れがある分、インターリーブ双方向コンバータでは制御応答が遅く性能を劣化させていた。また、スイッチング損失を減らすために、スイッチング速度をあげるとスイッチングノイズが大きくなる。このため、検出ノイズが大きくなるためスイッチング損失を減らせなかった。これにより、スイッチング損失は大きく変換効率を下げ性能を劣化させていた。

【目的】

【0010】

主スイッチＱｐ１，Ｑｎ２のスイッチングをソフトスイッチングにして検出タイミングにおいてもノイズ発生を小さくし、スイッチング損失を減らす電力変換回路を提案する。

【課題を解決するための手段と作用】

【請求項１】

【手段】

【0011】

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、高圧端子（１）と変換器交流端子（２１）と陰極端子を高圧端子（１）とする低圧陽極端子（５）を具備し、高圧電力から低圧電力に電力を変換し、高圧端子の陽極端子より変換器交流端子（２１）に第一のダイオード（Ｄｐ１）と第一コンデンサ（Ｃｐ１）を並列に接続した第一の主スイッチ（Ｑｐ１）を接続し、変換器交流端子（２１）より高圧端子（１）の陰極端子に、第二のダイオード（Ｄｎ２）と第二のコンデンサ（Ｃｎ２）を並列に接続した第二の主スイッチ（Ｑｎ２）を接続し、変換器交流端子（２１）より、リアクトル（Ｌ１）を介して低圧陽極端子（５）に接続したユニット（３１）を具備し、前記ユニット（３１）を３つ以上の並列接続構成にてインターリーブ駆動を行い、それぞれの前記ユニット（３１～３３）が低圧陽極端子（５）に出力する出力電流検出を離散的に行うデジタル制御回路（７）を備える電力変換装置において、並列するそれぞれの前記ユニット（３１～３３）においてリアクトル（Ｌ１）に磁気結合したソフトスイッチングタイミング検出器（Ｌ１ｄ）を具備し、ソフトスイッチングタイミング検出器（Ｌ１ｄ）よりゼロ電圧検出回路（Ｄｅ１１）を介して、第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）をソフトスイッチングターンオン実行させるタイミングをデジタル制御回路（７）に入力し、デジタル制御回路（７）は、出力電流検出タイミングにおいて、並列するそれぞれの前記ユニット（３１～３３）の第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）のソフトスイッチングターンオンを実行させる構成とすることを特徴とする。

【効果】

【0012】

この様な構成では、並列するそれぞれの前記ユニット（３１）のリアクトル（Ｌ１）に磁気結合したソフトスイッチングタイミング検出器（Ｌ１ｄ）にて、リアクトルのゼロ電流時の振動を検出し、ゼロ電圧検出回路（Ｄｅ１１）にてスイッチのゼロ電圧を信号出力する。この信号を、デジタル制御回路（７）に入力し、第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ１）をソフトスイッチングターンオン実行させる。
並列するそれぞれの前記ユニット（３１）の第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ１）のソフトスイッチングターンオンを実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項２】

【手段】

【0013】

上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置におけるそれぞれの前記ユニット（３１～３３）が低圧陽極端子（５）に出力する出力電流検出の手段として、それぞれの前記ユニット（３１～３３）が低圧陽極端子（５）に出力し、それぞれの前記ユニット（３１）が合計した出力電流検出を用いることを特徴とする。

【効果】

【0014】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項３】

【手段】

【0015】

上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置におけるそれぞれの前記ユニット（３１～３３）が低圧陽極端子（５）に出力する出力電流検出の手段として、それぞれの前記ユニット（３１～３３）が低圧陽極端子（５）に出力する出力電圧検出を用いることを特徴とする。

【効果】

【0016】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項４】

【手段】

【0017】

上記目的を達成するため，請求項４記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置における高圧端子（１）の陽極端子より変換器交流端子（２１）に第一のダイオード（Ｄｐ１）と第一コンデンサ（Ｃｐ１）を並列に接続した第一の主スイッチ（Ｑｐ１）の手段として、高圧端子（１）の陽極端子より変換器交流端子（２１）に第一コンデンサ（Ｃｐ１）を並列に接続した第一のダイオード（Ｄｐ１）を用い、請求項１記載のソフトスイッチングインターリーブコンバータと同様に持つことを特徴とする。

【効果】

【0018】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項５】

【手段】

【0019】

上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１記載の電力変換装置における変換器交流端子（２１）より高圧端子（１）の陰極端子に、第二のダイオード（Ｄｎ１）と第二のコンデンサ（Ｃｎ１）を並列に接続した第二の主スイッチ（Ｑｎ１）の手段として、変換器交流端子（２１）より高圧端子（１）の陰極端子に、第二のコンデンサ（Ｃｎ１）を並列に接続した第二のダイオード（Ｄｎ１）を用い、その他の構成を請求項１記載のソフトスイッチングインターリーブコンバータと同様に持つことを特徴とする。

【効果】

【0020】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項６】

【手段】

【0021】

請求項２記載の電力変換装置において低圧陽極端子（５）の電流を交流に出力する手段をもち、その他の構成を請求項２記載のソフトスイッチングインターリーブコンバータと同様に持つことを特徴とする。

【効果】

【0022】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【請求項７】

【手段】

【0023】

請求項１記載の電力変換装置におけるリアクトル（Ｌ１）の手段として、該リアクトル（Ｌ１）と、並列する他のユニットのリアクトル（Ｌ２，Ｌ３）とを磁気結合することを特徴とする請求項１～６記載の電力変換器。

【効果】

【0024】

この様な構成では、前記と同様の作用によって主スイッチをソフトスイッチングターンオン実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。

【発明を実施するための形態】

【第１実施例】

【構成】

【0025】

図１において、Ｌ１ｄ，Ｌ２ｄ，Ｌ３ｄがソフトスイッチングタイミング検出Ｄｅ１１，Ｄｅ１２，Ｄｅ１３ゼロ電圧検出回路はであり、その他の要素は図４の同一番号の要素に対応する。負荷端子（６）の陽極端子を低圧陽極端子（５）と同電位、負荷端子（６）の陽極端子は高圧端子（１）の陽極端子と同電位である。高圧端子（１）および負荷端子（６）は、図示しないバッテリーやコンデンサまたは負荷などに接続される。
８１，８２，８３は駆動回路でありＱｐ１～６を７のデジタル制御回路信号を元に駆動する。
３１，３２，３３はユニットであり、並列接続されたインターリーブの３相分を示している。
同図は３相ソフトスイッチングインターリーブコンバータの構成を示している。

【請求項１】

【0026】

本発明の第１実施例について図１と図３を用いて説明する。

【作用】

【0027】

同図の作用は以下の通りである。
図１に提案するソフトスイッチングインターリーブコンバータの構成を示す。並列するそれぞれの前記ユニット（３１）のリアクトル（Ｌ１）に磁気結合したソフトスイッチングタイミング検出器（Ｌ１ｄ）にて、リアクトルのゼロ電流時の振動を検出し、ゼロ電圧検出回路（Ｄｅ１１）にてスイッチのゼロ電圧を信号出力する。この信号を、デジタル制御回路（７）に入力し、第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）をソフトスイッチングターンオン実行させる。並列するそれぞれの前記ユニット（３１）の第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）のソフトスイッチングターンオンを実行させ、すべての出力電流検出タイミングにおいてノイズ発生が減る。図３に提案するソフトスイッチングインターリーブコンバータのオンオフ信号とスイッチ端子電圧、リアクトル電流を示す。
リアクトル電流がゼロ電流になると、第一コンデンサ（Ｃｐ１）及び第二コンデンサ（Ｃｐ２）とリアクトルの共振現象が起こり、第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）の端子電圧がゼロ電圧又はゼロに近い電圧になる。このタイミングを検出してソフトスイッチングを行う。更に第一の主スイッチ（Ｑｐ１）又は第二の主スイッチ（Ｑｎ２）の端子電圧がゼロ電圧にてスイッチングできる。

【効果】

【0028】

本提案のようにソフトスイッチングインターリーブコンバータ構成すればノイズ発生が少ないため、従来のように出力電流や電圧検出をスイッチングタイミングと不一致にさせる必要はなく、スイッチングタイミングが一致した場合においても良好に行うことができる。更に、本提案のソフトスイッチングではスイッチング損失も低減できるため、システム電力効率を改善できる。

【発明の効果】

【0029】

以上述べたように本発明によれば、第１実施例や第２実施例のようなソフトスイッチングインターリーブコンバータの構成により、３相以上のインターリーブ駆動を行い主スイッチのスイッチングタイミングが多くなっても、電流、電圧の検出が良好に行えるため、電流、電圧の制御を速くすることができるため電流電圧応答の良い電力変換器を実現できる。更にソフトスイッチングするため、スイッチング損失の少ない電力効率の高い電力変換器を実現できる。

【産業上の利用可能性】

【0030】

本発明はソフトスイッチングインターリーブを使う電力変換器においてノイズ発生低減、電力効率改善技術として有用である。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の請求項１のソフトスイッチングインターリーブコンバータ構成図

【図2】従来のインターリーブコンバータの各所信号電流電圧波形図

【図3】本発明の請求項１のソフトスイッチングインターリーブコンバータの各所信号電流電圧波形図

【図4】従来のインターリーブコンバータの構成図

【符号の説明】

【0032】

［１］：高圧端子
［５］：低圧陽極端子
［６］：負荷端子
［７］：デジタル制御回路
［２１～２３］：交流端子
［３１～３３］：ユニット
［８１～８３］：駆動回路
［Ｑｐ１～３，Ｑｎ４～６］：主スイッチ
［Ｄｐ１～３，Ｄｎ４～６］：ダイオード
［Ｃｐ１～３，Ｃｎ４～６］：コンデンサ
［ｃｔ１～３］ 出力電流検出器
［Ｌ１～６］：リアクトル
［Ｌｄ１～６］：ソフトスイッチングタイミング検出器
［Ｄｅ１１～１３］ ゼロ電圧検出回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】