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JP7657107B2 - Power Conversion Equipment - Google Patents
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Description

本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.

従来、DC-DCコンバータにおいては、大電力化を図るために、コンバータ回路を並列化したインターリーブ方式の回路構成を備えるものがある。このインターリーブ方式の回路構成を小型化するために、各相のリアクトルを磁気結合した結合リアクトルを用いることが提案されている。 Conventionally, some DC-DC converters have an interleaved circuit configuration in which converter circuits are parallelized in order to achieve high power output. In order to miniaturize this interleaved circuit configuration, it has been proposed to use a coupling reactor in which the reactors of each phase are magnetically coupled.

例えば、特許文献1には、互いに結合された第1相の第1リアクトルおよび第2相の第2リアクトルを含むコンバータが開示されている。第1リアクトルには、第1ハイサイドスイッチおよび第1ローサイドスイッチが接続されている。第2リアクトルには、第2ハイサイドスイッチおよび第2ローサイドスイッチが接続されている。このコンバータにおいては、第1リアクトルおよび第2リアクトルの結合の強弱に応じて、第1ハイサイドスイッチのオンに応じて第2ローサイドスイッチのボディダイオードの導通を制御している。 For example, Patent Document 1 discloses a converter including a first reactor of a first phase and a second reactor of a second phase that are coupled to each other. A first high-side switch and a first low-side switch are connected to the first reactor. A second high-side switch and a second low-side switch are connected to the second reactor. In this converter, the conduction of the body diode of the second low-side switch is controlled in response to the on-state of the first high-side switch, depending on the strength of the coupling between the first reactor and the second reactor.

米国特許第10326369号明細書U.S. Pat. No. 1,032,6369

結合リアクトルを備える昇圧型のDC-DCコンバータでは、スイッチング素子に与えられるスイッチングパルスのオンデューティ比が50%未満である軽負荷時に、電流不連続モード(DCM)で駆動した場合に、結合リアクトルに逆電流が発生する。このため、オンデューティ比の変化に対して出力電圧が追従しなくなる不感帯現象が起こることがある。この不感帯現象の発生している状態では、電力変換装置の制御が不安定になり、出力電圧が発振するおそれがあるという課題がある。 In a step-up DC-DC converter equipped with a coupling reactor, when the converter is driven in discontinuous current mode (DCM) under a light load in which the on-duty ratio of the switching pulse applied to the switching element is less than 50%, a reverse current is generated in the coupling reactor. This can cause a dead zone phenomenon in which the output voltage does not follow changes in the on-duty ratio. When this dead zone phenomenon occurs, the control of the power conversion device becomes unstable, and there is a risk of the output voltage oscillating.

本発明の一態様は、結合リアクトルを備える電圧変換装置の制御をより安定化させることを目的とする。 One aspect of the present invention aims to further stabilize the control of a voltage conversion device equipped with a coupling reactor.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電圧変換装置は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する電力変換装置であって、互いに磁気結合された第1のリアクトル及び第2のリアクトルを有する結合リアクトルと、前記第1のリアクトルの出力側に接続された第1のスイッチング素子と、前記第2のリアクトルの出力側に接続された第2のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、軽負荷時に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げる。 In order to solve the above problems, a voltage conversion device according to one aspect of the present invention is a power conversion device that converts an input voltage into a predetermined output voltage, and includes a coupled reactor having a first reactor and a second reactor that are magnetically coupled to each other, a first switching element connected to the output side of the first reactor, a second switching element connected to the output side of the second reactor, and a control unit that controls the driving of the first switching element and the second switching element, and the control unit increases the switching frequency of the first switching element and the second switching element during a light load.

電流不連続モードと電流連続モードとの境界で第1のリアクトル及び第2のリアクトルのいずれかに流れる電流は、スイッチング周波数の逆数に依存する。これにより、スイッチング周波数を上げることにより、上記の電流の値が小さくなる。それゆえ、電流不連続モードと電流連続モードとが切り替わる境界が、電流連続モード側にシフトする。したがって、電流不連続モードの範囲を狭めて、電流連続モードの範囲を広げることができる。よって、電力変換装置が軽負荷時の電流不連続モードで動作しているときに生じる不感帯領域を狭めることができる。 The current flowing through either the first reactor or the second reactor at the boundary between the discontinuous current mode and the continuous current mode depends on the inverse of the switching frequency. As a result, by increasing the switching frequency, the value of the above current decreases. Therefore, the boundary where the discontinuous current mode and the continuous current mode switch is shifted toward the continuous current mode. Therefore, the range of the discontinuous current mode can be narrowed and the range of the continuous current mode can be widened. Therefore, the dead zone that occurs when the power conversion device is operating in the discontinuous current mode under a light load can be narrowed.

本発明の態様2に係る電力変換装置において、前記制御部は、負荷の大きさに応じて前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をスイッチングする制御信号のオンデューティ比を変更し、前記オンデューティ比が50%未満である場合に、前記スイッチング周波数を上げる。 In the power conversion device according to aspect 2 of the present invention, the control unit changes the on-duty ratio of the control signal that switches the first switching element and the second switching element according to the magnitude of the load, and increases the switching frequency when the on-duty ratio is less than 50%.

上記の構成によれば、オンデューティ比が50%未満であるか否かに応じてスイッチング周波数を上げるか否かを決定することができる。これにより、電流不連続モードと電流連続モードとの切り替えを容易に制御することができる。 According to the above configuration, it is possible to determine whether to increase the switching frequency depending on whether the on-duty ratio is less than 50%. This makes it easy to control switching between discontinuous current mode and continuous current mode.

本発明の態様3に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、電流不連続モード及び電流連続モードで動作し、前記電流不連続モードと前記電流連続モードとの境界において前記第1のリアクトル及び前記第2のリアクトルのいずれかに流れる電流Icrmは、前記入力電圧をViとし、前記オンデューティ比をAとし、前記スイッチング周波数をfSWとし、前記第1のリアクトル及び前記第2のリアクトルの自己リアクタンスをLとし、前記結合リアクトルの結合係数をkとすると、次の式、
Icrm=AVi{1-A(1+k)}/2LfSW(1-A)(1-k)
により表される。
In the power conversion device according to the third aspect of the present invention, the power conversion device operates in a discontinuous current mode and a continuous current mode, and a current Icrm flowing through either the first reactor or the second reactor at a boundary between the discontinuous current mode and the continuous current mode is expressed by the following equation, where Vi is the input voltage, A is the on-duty ratio, f SW is the switching frequency, L is the self-reactance of the first reactor and the second reactor, and k is the coupling coefficient of the coupling reactor.
Icrm=AVi{1-A(1+k)}/2Lf SW (1-A)(1-k 2 )
It is expressed by:

上記の構成によれば、電流Icrmのスイッチング周波数依存性を利用して、電流不連続モードと電流連続モードとの切り替えを容易に制御することができる。 The above configuration makes it possible to easily control switching between discontinuous current mode and continuous current mode by utilizing the switching frequency dependency of the current Icrm.

本発明の態様4に係る電力変換装置では、前記結合リアクトルの入力側に接続された第1のコンデンサと、前記結合リアクトルの出力側に接続された第2のコンデンサと、を更に備えている。 The power conversion device according to aspect 4 of the present invention further includes a first capacitor connected to the input side of the coupling reactor and a second capacitor connected to the output side of the coupling reactor.

上記構成によれば、第1のコンデンサによりリプル電流を除去できると共に、結合リアクトルに蓄えられたエネルギーを第2のコンデンサに供給した後に放出することで、電力変換装置の出力を大きくできる。 With the above configuration, the first capacitor can eliminate ripple current, and the energy stored in the coupling reactor can be supplied to the second capacitor and then released, thereby increasing the output of the power conversion device.

本発明の態様5に係る電力変換装置では、前記第1のスイッチング素子の出力側に接続された第1のダイオードと、前記第2のスイッチング素子の出力側に接続された第2のダイオードと、を更に備えている。 The power conversion device according to aspect 5 of the present invention further includes a first diode connected to the output side of the first switching element and a second diode connected to the output side of the second switching element.

上記構成によれば、第1のスイッチング素子の出力側に第1のダイオードを接続し、第2のスイッチング素子の出力側に第2のダイオードを接続することで、第1のコンデンサから結合リアクトル側へ電流が逆流することを防止できる。 According to the above configuration, by connecting a first diode to the output side of the first switching element and a second diode to the output side of the second switching element, it is possible to prevent current from flowing back from the first capacitor to the coupling reactor.

本発明の態様6に係る電力変換装置では、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子は、縦型のMOS型電界効果トランジスタであり、前記第1のスイッチング素子のドレインと、前記第1のダイオードのアノードとが接続され、前記第2のスイッチング素子のドレインと、前記第2のダイオードのアノードとが接続されている。 In the power conversion device according to aspect 6 of the present invention, the first switching element and the second switching element are vertical MOS field effect transistors, the drain of the first switching element is connected to the anode of the first diode, and the drain of the second switching element is connected to the anode of the second diode.

上記構成によれば、スイッチング素子として、縦型のMOS型電界効果トランジスタを用いることによって、耐圧を高め、且つ高速にスイッチングを行うことができる。 According to the above configuration, by using vertical MOS field effect transistors as switching elements, it is possible to increase the breakdown voltage and perform switching at high speed.

本発明の態様7に係る電力変換装置では、前記第1のスイッチング素子の出力側に接続された第3のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子の出力側に接続された第4のスイッチング素子と、を更に備え、前記制御部は、前記第1のスイッチング素子のオン時に前記第3のスイッチング素子がオフし、前記第1のスイッチング素子のオフ時に前記第3のスイッチング素子がオンし、前記第2のスイッチング素子のオン時に前記第4のスイッチング素子がオフし、前記第2のスイッチング素子のオフ時に前記第4のスイッチング素子がオンするように、前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の駆動を制御する。 The power conversion device according to aspect 7 of the present invention further includes a third switching element connected to the output side of the first switching element and a fourth switching element connected to the output side of the second switching element, and the control unit controls the driving of the third switching element and the fourth switching element so that the third switching element is turned off when the first switching element is turned on, the third switching element is turned on when the first switching element is turned off, the fourth switching element is turned off when the second switching element is turned on, and the fourth switching element is turned on when the second switching element is turned off.

上記構成によれば、第1のスイッチング素子の出力側に第3のスイッチング素子を接続し、第2のスイッチング素子の出力側に第4のスイッチング素子を接続することで、第1のコンデンサから結合リアクトル側へ電流が逆流することを防止できる。また、同期整流方式の回路構成が形成されるので、態様5に係る電力変換装置と比べて、変換効率を高めることができる。 According to the above configuration, by connecting a third switching element to the output side of the first switching element and connecting a fourth switching element to the output side of the second switching element, it is possible to prevent a current from flowing back from the first capacitor to the coupling reactor. In addition, since a synchronous rectification circuit configuration is formed, it is possible to improve the conversion efficiency compared to the power conversion device according to aspect 5.

本発明の一態様によれば、結合リアクトルを備える電圧変換装置の制御をより安定化させることができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to more stably control a voltage conversion device equipped with a coupling reactor.

本発明の実施形態に係る電力変換装置を含む電源装置の概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a power supply device including a power conversion device according to an embodiment of the present invention. 上記電力変換装置における電流連続モードにおける各相の電流経路を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing current paths of each phase in a current continuous mode in the power conversion device. 上記電力変換装置における第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子のオンデューティ比の時間変化と出力電圧の時間変化との関係を示すグラフである。5 is a graph showing a relationship between a time change in an on-duty ratio of a first switching element and a second switching element in the power conversion device and a time change in an output voltage. 上記電力変換装置における結合リアクトルに逆電流が流れる状態を示す図である。4 is a diagram showing a state in which a reverse current flows through a coupling reactor in the power conversion device. FIG. 上記電力変換装置の結合リアクトルに不感帯領域が発生した場合の図3相当図である。4 is a diagram corresponding to FIG. 3 when a dead zone occurs in a coupling reactor of the power conversion device. FIG. 上記オンデューティ比が50%未満である場合に結合リアクトルを構成する第1のリアクトル及び第2のリアクトルに流れる電流の波形を示す波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram showing waveforms of currents flowing through a first reactor and a second reactor constituting a coupling reactor when the on-duty ratio is less than 50%. スイッチング周期と上記第1のリアクトル及び上記第2のリアクトルに流れる電流との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a switching period and a current flowing through the first reactor and the second reactor.

〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置10を含む電源装置100について、図1~図7を参照して説明する。
[Embodiment]
Hereinafter, a power supply device 100 including a power conversion device 10 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG.

<電源装置の概略構成>
図1は、電力変換装置10を含む電源装置100の概略構成を示す図である。図1に示すように、電源装置100は、電源Eと、電力変換装置10とを備えている。電源装置100は、例えば、電気自動車及びハイブリッド自動車等の車両に搭載され、モータ30に接続される。
<General configuration of power supply device>
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a power supply device 100 including a power conversion device 10. As shown in Fig. 1, the power supply device 100 includes a power source E and the power conversion device 10. The power supply device 100 is mounted on a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, and is connected to a motor 30.

電力変換装置10は、電源Eから供給される直流の入力電圧Vinを、所定の出力電圧Voutに変換する装置である。電力変換装置10は、例えば、昇圧コンバータ等のDC-DCコンバータである。電源Eは、例えば200〔V〕程度の高電圧電源である。電力変換装置10は、インバータ20に接続され、インバータ20に出力電圧Voutを供給する。なお、電力変換装置10は、DC-DCコンバータに限らず、他にも力率改善(PFC:Power Factor Correction)回路に用いてもよい。 The power conversion device 10 is a device that converts a direct current input voltage Vin supplied from a power source E into a predetermined output voltage Vout. The power conversion device 10 is, for example, a DC-DC converter such as a boost converter. The power source E is, for example, a high-voltage power source of about 200 V. The power conversion device 10 is connected to an inverter 20 and supplies an output voltage Vout to the inverter 20. Note that the power conversion device 10 is not limited to a DC-DC converter, and may also be used in a power factor correction (PFC) circuit.

電源装置100には、インバータ20が接続される。インバータ20には、三相交流式のモータ30が接続される。インバータ20は、電力変換装置10から供給される出力電圧Voutを3相の交流電圧に変換して、モータ30に出力する。モータ30は、車両の走行駆動源として機能する。 The power supply device 100 is connected to an inverter 20. A three-phase AC motor 30 is connected to the inverter 20. The inverter 20 converts the output voltage Vout supplied from the power conversion device 10 into a three-phase AC voltage and outputs it to the motor 30. The motor 30 functions as a drive source for the vehicle.

[電力変換装置の構成]
電力変換装置10は、図1に示すように、結合リアクトル1と、第1のスイッチング素子Tr1と、第2のスイッチング素子Tr2と、第1のダイオードD1と、第2のダイオードD2と、第1のコンデンサC1と、第2のコンデンサC2と、制御部15とを有している。
[Configuration of power conversion device]
As shown in FIG. 1 , the power conversion device 10 includes a coupling reactor 1, a first switching element Tr1, a second switching element Tr2, a first diode D1, a second diode D2, a first capacitor C1, a second capacitor C2, and a control unit 15.

電力変換装置10の入力端子Pinは、電源Eの正極に接続されている。一方、電力変換装置10の入力端子Ninは、電源Eの負極に接続されている。また、電力変換装置10の出力端子Poutは、インバータ20の正極側の入力端子21に接続されている。一方、電力変換装置10の出力端子Noutは、インバータ20の負極側の入力端子22に接続されている。電力変換装置10は、電源Eから入力される入力電圧Vinを所定の出力電圧Voutに昇圧する。 The input terminal Pin of the power conversion device 10 is connected to the positive electrode of the power source E. On the other hand, the input terminal Nin of the power conversion device 10 is connected to the negative electrode of the power source E. In addition, the output terminal Pout of the power conversion device 10 is connected to the input terminal 21 on the positive electrode side of the inverter 20. On the other hand, the output terminal Nout of the power conversion device 10 is connected to the input terminal 22 on the negative electrode side of the inverter 20. The power conversion device 10 boosts the input voltage Vin input from the power source E to a predetermined output voltage Vout.

結合リアクトル1は、コア11にコイルが巻回された第1のリアクトルL1と、コア11にコイルが巻回された第2のリアクトルL2とを有して構成される。結合リアクトル1の第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2は、互いに磁気結合されている。第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2は、互いに異なる方向に巻回された差動型の結合リアクトルである。これにより、コア11内に発生する各相の直流磁束を打ち消すことができ、磁気飽和に対する余裕度を向上させることができる。したがって、磁気飽和を抑制しながら、コア11のサイズを小型にすることができる。 The coupled reactor 1 is composed of a first reactor L1 having a coil wound around the core 11, and a second reactor L2 having a coil wound around the core 11. The first reactor L1 and the second reactor L2 of the coupled reactor 1 are magnetically coupled to each other. The first reactor L1 and the second reactor L2 are differential type coupled reactors wound in different directions. This makes it possible to cancel out the DC magnetic flux of each phase generated in the core 11, and improve the margin for magnetic saturation. Therefore, the size of the core 11 can be reduced while suppressing magnetic saturation.

第1のリアクトルL1の入力側の端子T11は、電源Eの正極に接続される。第2のリアクトルL2の入力側の端子T21は、電源Eの正極に接続される。また、第1のリアクトルL1の出力側の端子T12には、第1のスイッチング素子Tr1及び第1のダイオードD1が接続されている。第2のリアクトルL2の出力側の端子T22には、第2のスイッチング素子Tr2及び第2のダイオードD2が接続されている。 The input side terminal T11 of the first reactor L1 is connected to the positive electrode of the power source E. The input side terminal T21 of the second reactor L2 is connected to the positive electrode of the power source E. The output side terminal T12 of the first reactor L1 is connected to a first switching element Tr1 and a first diode D1. The output side terminal T22 of the second reactor L2 is connected to a second switching element Tr2 and a second diode D2.

第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2は、例えば、パワーMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2は、制御部15によって、オン及びオフ動作が制御される。なお、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2は、パワーMOSFETに限らず、他にもIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。 The first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are, for example, power MOSFETs (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). The on and off operations of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are controlled by the control unit 15. Note that the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are not limited to power MOSFETs, and may also be IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).

第1のスイッチング素子Tr1のソースs1とドレインd1の間には、第1のボディダイオードDb1が形成されている。第1のボディダイオードDb1は、第1のスイッチング素子Tr1の寄生ダイオードである。第1のスイッチング素子Tr1がオンしているとき、第1のボディダイオードDb1よりも抵抗の小さいチャネル部分に電流が流れる。一方、第1のスイッチング素子Tr1がオフしているとき、第1のボディダイオードDb1を電流が流れる。 A first body diode Db1 is formed between the source s1 and drain d1 of the first switching element Tr1. The first body diode Db1 is a parasitic diode of the first switching element Tr1. When the first switching element Tr1 is on, a current flows through a channel portion that has a smaller resistance than the first body diode Db1. On the other hand, when the first switching element Tr1 is off, a current flows through the first body diode Db1.

第2のスイッチング素子Tr2のソースs2とドレインd2の間には、第2のボディダイオードDb2が形成されている。第2のボディダイオードDb2は、第2のスイッチング素子Tr2の寄生ダイオードである。第2のスイッチング素子Tr2がオンしているとき、第2のボディダイオードDb2よりも抵抗の小さいチャネル部分に電流が流れる。一方、第2のスイッチング素子Tr2がオフしているとき、第2のボディダイオードDb2を電流が流れる。 A second body diode Db2 is formed between the source s2 and drain d2 of the second switching element Tr2. The second body diode Db2 is a parasitic diode of the second switching element Tr2. When the second switching element Tr2 is on, a current flows through a channel portion that has a smaller resistance than the second body diode Db2. On the other hand, when the second switching element Tr2 is off, a current flows through the second body diode Db2.

第1のスイッチング素子Tr1のドレインd1は、第1のリアクトルL1の出力側の端子T12、及び第1のダイオードD1のアノードに接続される。第1のスイッチング素子Tr1のソースs1は、入力端子Nin及び出力端子Noutに接続される。第1のスイッチング素子Tr1のゲートg1は、制御部15に接続される。 The drain d1 of the first switching element Tr1 is connected to the output terminal T12 of the first reactor L1 and the anode of the first diode D1. The source s1 of the first switching element Tr1 is connected to the input terminal Nin and the output terminal Nout. The gate g1 of the first switching element Tr1 is connected to the control unit 15.

第2のスイッチング素子Tr2のドレインd2は、第2のリアクトルL2の出力側の端子T22、及び第2のダイオードD2のアノードに接続される。第2のスイッチング素子Tr2のソースs2は、入力端子Nin及び出力端子Noutに接続される。第2のスイッチング素子Tr2のゲートg2は、制御部15に接続される。 The drain d2 of the second switching element Tr2 is connected to the output terminal T22 of the second reactor L2 and the anode of the second diode D2. The source s2 of the second switching element Tr2 is connected to the input terminal Nin and the output terminal Nout. The gate g2 of the second switching element Tr2 is connected to the control unit 15.

第1のコンデンサC1の一端P1は、入力端子Pinと第1のリアクトルL1の入力側の端子T11との間に接続されている。第1のコンデンサC1の他端N1は、入力端子Ninと出力端子Noutとの間に接続されている。第1のコンデンサC1は、平滑コンデンサであり、電源Eから電力変換装置10に供給される入力電圧Vinに含まれるリプルを少なくする。 One end P1 of the first capacitor C1 is connected between the input terminal Pin and the input side terminal T11 of the first reactor L1. The other end N1 of the first capacitor C1 is connected between the input terminal Nin and the output terminal Nout. The first capacitor C1 is a smoothing capacitor, and reduces the ripple contained in the input voltage Vin supplied from the power source E to the power conversion device 10.

第2のコンデンサC2の一端P2は、出力端子Poutを介して、インバータ20の正極の端子21に接続される。第2のコンデンサC2の他端N2は、出力端子Noutを介して、インバータ20の負極の端子22に接続される。 One end P2 of the second capacitor C2 is connected to the positive terminal 21 of the inverter 20 via the output terminal Pout. The other end N2 of the second capacitor C2 is connected to the negative terminal 22 of the inverter 20 via the output terminal Nout.

制御部15は、図1に示すように、制御信号Sig1を出力することにより、第1のスイッチング素子Tr1のオン及びオフ動作を制御する。また、制御部15は、制御信号Sig2を出力することにより、第2のスイッチング素子Tr2のオン及びオフ動作を制御する。これにより、制御部15は、第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2に蓄積したエネルギーを、第2のコンデンサC2を介してインバータ20へ供給する。 As shown in FIG. 1, the control unit 15 controls the on and off operation of the first switching element Tr1 by outputting a control signal Sig1. The control unit 15 also controls the on and off operation of the second switching element Tr2 by outputting a control signal Sig2. As a result, the control unit 15 supplies the energy stored in the first reactor L1 and the second reactor L2 to the inverter 20 via the second capacitor C2.

制御部15は、負荷の大きさに応じて第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2をスイッチングする制御信号のオンデューティ比を変更する。具体的には、制御部15は、負荷が大きい(重負荷である)ときに、オンデューティ比を大きくし、負荷が小さい(軽負荷である)ときに、オンデューティ比を小さくする。 The control unit 15 changes the on-duty ratio of the control signal that switches the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 depending on the magnitude of the load. Specifically, the control unit 15 increases the on-duty ratio when the load is large (heavy load) and decreases the on-duty ratio when the load is small (light load).

<電力変換装置の動作>
次に、電力変換装置10の動作の一例について、図2を参照して説明する。図2は、電力変換装置10における電流連続モードにおける各相の電流経路を示す図である。図3は、電力変換装置10におけるオンデューティ比Aの時間変化と出力電圧Voutの時間変化との関係を示すグラフである。
<Operation of the power conversion device>
Next, an example of the operation of the power conversion device 10 will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing the current paths of each phase in a current continuous mode in the power conversion device 10. Fig. 3 is a graph showing the relationship between the time change of the on-duty ratio A and the time change of the output voltage Vout in the power conversion device 10.

図2に示す電力変換装置10は、4つの動作モード1~4を有する。 The power conversion device 10 shown in FIG. 2 has four operating modes 1 to 4.

動作モード1は、第1のスイッチング素子Tr1がオン、第2のスイッチング素子Tr2がオフの状態である。 In operation mode 1, the first switching element Tr1 is on and the second switching element Tr2 is off.

動作モード2は、第1のスイッチング素子Tr1がオフ、第2のスイッチング素子Tr2がオンの状態である。 In operating mode 2, the first switching element Tr1 is off and the second switching element Tr2 is on.

動作モード3は、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2がオフの状態である。 In operation mode 3, the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are off.

動作モード4は、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2がオンの状態である。各動作モード1~4では、第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2は、互いに磁気結合した状態で動作する。 In operation mode 4, the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are on. In each of operation modes 1 to 4, the first reactor L1 and the second reactor L2 operate in a state where they are magnetically coupled to each other.

制御部15は、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2を半周期ずらして、即ち180°位相をシフトさせて駆動させる。第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aが50%未満である場合、制御部15は、例えば、動作モード1→動作モード3→動作モード2→動作モード3のパターンが繰り返されるように、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2の駆動を制御する。 The control unit 15 drives the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 with a half-cycle shift, i.e., a 180° phase shift. When the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 is less than 50%, the control unit 15 controls the driving of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 so that, for example, the pattern of operation mode 1 → operation mode 3 → operation mode 2 → operation mode 3 is repeated.

一方、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2スイッチングのオンデューティ比Aが50%よりも大きい場合、制御部15は、動作モード1→動作モード4→動作モード2→動作モード4のパターンが繰り返されるように、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2の駆動を制御する。また、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aが50%である場合、制御部15は、動作モード1と動作モード2を交互に繰り返す。なお、上記した電力変換装置10の動作パターンは、一例であり、適宜変更可能である。 On the other hand, when the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 is greater than 50%, the control unit 15 controls the driving of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 so that the pattern of operation mode 1 → operation mode 4 → operation mode 2 → operation mode 4 is repeated. Also, when the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 is 50%, the control unit 15 alternately repeats operation mode 1 and operation mode 2. Note that the above-mentioned operation pattern of the power conversion device 10 is an example and can be changed as appropriate.

オンデューティ比Aが50%以上である場合、図3に示すように、出力電圧Voutがオンデューティ比Aの変化に追従するように変化する。このように、オンデューティ比Aが50%以上である場合、出力電圧Voutの制御が安定している。 When the on-duty ratio A is 50% or more, as shown in FIG. 3, the output voltage Vout changes to follow the change in the on-duty ratio A. In this way, when the on-duty ratio A is 50% or more, the control of the output voltage Vout is stable.

[逆電流の発生]
次に、結合リアクトル1の第1のリアクトルL1又は第2のリアクトルL2に逆電流が発生する条件、及び逆電流が発生しない条件について、図3~図5、及び表1を参照して説明する。図3は、図1の電力変換装置10における第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aの時間変化と出力電圧Voutの時間変化との関係を示すグラフである。図4は、図1の電力変換装置10の第2のリアクトルL2に逆電流が流れる状態を示す図である。図5は、図1の電力変換装置10の結合リアクトル1に不感帯現象が発生した場合の図3相当図である。ここで、「不感帯現象」とは、オンデューティ比Aの変化に対して、出力電圧Voutが追従しなくなる現象をいう。また、図5の時間t2~t3に示すように、不感帯現象が発生する領域を「不感帯領域」という。
[Occurrence of reverse current]
Next, the conditions under which a reverse current occurs in the first reactor L1 or the second reactor L2 of the coupling reactor 1 and the conditions under which a reverse current does not occur will be described with reference to Figs. 3 to 5 and Table 1. Fig. 3 is a graph showing the relationship between the time change of the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 in the power conversion device 10 of Fig. 1 and the time change of the output voltage Vout. Fig. 4 is a diagram showing a state in which a reverse current flows in the second reactor L2 of the power conversion device 10 of Fig. 1. Fig. 5 is a diagram equivalent to Fig. 3 when a dead band phenomenon occurs in the coupling reactor 1 of the power conversion device 10 of Fig. 1. Here, the "dead band phenomenon" refers to a phenomenon in which the output voltage Vout does not follow the change in the on-duty ratio A. In addition, as shown in Fig. 5 from time t2 to t3, the region in which the dead band phenomenon occurs is called the "dead band region".

以下の表1に、逆電流が発生する条件を示す。表1において、電流連続モード(CCM:Continuous Conduction Mode)とは、第1のリアクトルL1又は第2のリアクトルL2に電流が連続的に流れるモードをいう。一方、電流不連続モード(DCM:Discontinuous Conduction Mode)とは、第1のリアクトルL1又は第2のリアクトルL2に流れる電流が、一周期中にゼロになる期間ができるモードをいう。 The following Table 1 shows the conditions under which reverse current occurs. In Table 1, continuous conduction mode (CCM) refers to a mode in which current flows continuously through the first reactor L1 or the second reactor L2. On the other hand, discontinuous conduction mode (DCM) refers to a mode in which there is a period during one cycle in which the current flowing through the first reactor L1 or the second reactor L2 becomes zero.

なお、一般的なDC-DCコンバータは、軽負荷であっても常に電流連続モードで動作させようとすると、それを意識して設計しなければならないので、電流不連続モード及び電流連続モードが混在する状態で動作するのが通常である。したがって、電力変換装置10も同様に、電流不連続モード及び電流連続モードが混在する状態で動作するものとする。 Note that a typical DC-DC converter must be designed with continuous current mode in mind if it is to always operate in that mode even under light loads, so it usually operates in a state where discontinuous current mode and continuous current mode coexist. Therefore, the power conversion device 10 is also designed to operate in a state where discontinuous current mode and continuous current mode coexist.

Figure 0007657107000001
Figure 0007657107000001

表1に示すように、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aが50%以上である場合、第1のリアクトルL1又は第2のリアクトルL2に逆電流は発生しない。また、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2が電流連続モードで駆動する場合、第1のリアクトルL1又は第2のリアクトルL2に逆電流は発生しない。 As shown in Table 1, when the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 is 50% or more, no reverse current is generated in the first reactor L1 or the second reactor L2. Also, when the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are driven in the current continuous mode, no reverse current is generated in the first reactor L1 or the second reactor L2.

一方、例えば、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aが50%未満である場合、第2のスイッチング素子Tr2が電流不連続モードで駆動するとき、図4に示すように、第2のリアクトルL2にリアクトル電流IL2-1で示される逆電流が発生する。 On the other hand, for example, when the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 is less than 50%, when the second switching element Tr2 is driven in the discontinuous current mode, as shown in FIG. 4, a reverse current indicated by the reactor current I L2-1 is generated in the second reactor L2.

具体的には、上記した動作モード1から動作モード3へ状態が変化するとき、即ち、第1のスイッチング素子Tr1がターンオフし、第1のリアクトルL1から出力側へ放電している期間に、第2のスイッチング素子Tr2がオフしているとき、第2のボディダイオードDb2が導通することにより、第2のリアクトルL2に逆電流が発生する。 Specifically, when the state changes from the above-mentioned operation mode 1 to operation mode 3, that is, when the first switching element Tr1 is turned off and the first reactor L1 is discharging to the output side, the second body diode Db2 becomes conductive and a reverse current is generated in the second reactor L2 when the second switching element Tr2 is off.

この第2のリアクトルL2における逆電流は、図4に示すようにリアクトル電流IL1-1が出力側へ流れているとき、電力伝送を行っている相に対して、これを妨げる方向にリアクトル電流IL2-1が流れることにより起こる。このため、図5のt2~t3に示すように、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチングのオンデューティ比Aの変化に対し、出力電圧Voutが追従しなくなる不感帯現象が発生する不感帯領域が現れる。 This reverse current in the second reactor L2 occurs when, when the reactor current I L1 -1 flows toward the output side as shown in Fig. 4, the reactor current I L2 -1 flows in a direction that hinders the phase in which power is being transmitted. For this reason, as shown by t2 to t3 in Fig. 5, a dead band region appears in which the output voltage Vout does not follow the change in the on-duty ratio A of the switching of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2.

[電流不連続モードと電流連続モードとの境界で流れる電流]
続いて、電流不連続モードと電流連続モードとが切り替わる境界でリアクトルに流れる電流(境界電流)と、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチング周波数との関係について説明する。
[Current flowing at the boundary between discontinuous current mode and continuous current mode]
Next, a description will be given of the relationship between the current (boundary current) flowing through the reactor at the boundary where the current discontinuous mode and the current continuous mode are switched over to, and the switching frequencies of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2.

図6は、オンデューティ比が50%未満である場合に結合リアクトルを構成する第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2に流れる電流の波形を示す波形図である。 Figure 6 is a waveform diagram showing the waveforms of the currents flowing through the first reactor L1 and the second reactor L2 that constitute the combined reactor when the on-duty ratio is less than 50%.

なお、図6を参照した以下の説明では、上述した第1モード、第2モード、及び第3モードについて、第1モードをモードM1とし、第1モードに続く第3モードをモードM2とし、第2モードをモードM3とし、第2モードに続く第3モードをモードM4とする。また、以降の説明では、第1のリアクトルL1,L2にそれぞれ流れる電流を、その向きに関わらずIL1,IL2と称する。 6, the first mode will be referred to as mode M1, the third mode following the first mode as mode M2, the second mode as mode M3, and the third mode following the second mode as mode M4. In the following description, the currents flowing through the first reactors L1 and L2, respectively, will be referred to as I L1 and I L2 , regardless of their directions.

また、後述する表2を参照した説明では、入力電圧VinをViと称し、出力電圧VoutをVoと称する。 In addition, in the explanation referring to Table 2 below, the input voltage Vin is referred to as Vi and the output voltage Vout is referred to as Vo.

図6に示すように、オンデューティ比Aが50%未満である場合、モードM1~M4について、第1のリアクトルL1に流れるリアクトル電流IL1は、以下のように変化する。 As shown in FIG. 6, when the on-duty ratio A is less than 50%, in the modes M1 to M4, the reactor current IL1 flowing through the first reactor L1 changes as follows.

モードM1では、第1のスイッチング素子Tr1がオン時間tonでオンする。これにより、第1のスイッチング素子Tr1を介して第1のリアクトルL1にdi1〔A〕のリアクトル電流IL1が流れ込むことで、第1のリアクトルL1に磁気エネルギーが蓄えられる。 In mode M1, the first switching element Tr1 is turned on for an on-time t on . As a result, a reactor current IL1 of di1 [A] flows into the first reactor L1 via the first switching element Tr1, and magnetic energy is stored in the first reactor L1.

モードM2では、第1のスイッチング素子Tr1がオフ時間toff(=ton)でオフすることにより、第1のリアクトルL1に蓄えられていた磁気エネルギーの一部が放出される。これにより、負のdi2〔A〕(|di1|>|di2|)のリアクトル電流IL1が第1のリアクトルL1から第1のダイオードD1に流れ出す。 In mode M2, the first switching element Tr1 is turned off during the off time tof (=t), thereby discharging a part of the magnetic energy stored in the first reactor L1. As a result, the reactor current IL1 of negative di2 [A] (|di1|>|di2|) flows from the first reactor L1 to the first diode D1.

モードM3では、第2のスイッチング素子Tr2がオン時間tonでオンする。これにより、第2のスイッチング素子Tr2を介して第1のリアクトルL1に、僅かなdi3〔A〕(|di2|>|di3|)のリアクトル電流IL1が流れ込む。 In mode M3, the second switching element Tr2 is turned on for an on-time t on . As a result, a small reactor current IL1 of di3 [A] (|di2|>|di3|) flows into the first reactor L1 via the second switching element Tr2.

モードM4では、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2がオフ時間toffでオフすることにより、第1のリアクトルL1に蓄えられていた磁気エネルギーの残りが放出される。これにより、負のdi4〔A〕(di2<di4<0)のリアクトル電流IL1が第1のリアクトルL1から第1のダイオードD1に流れ出す。 In mode M4, the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are turned off during the off time toff, and the remaining magnetic energy stored in the first reactor L1 is released. As a result, a reactor current IL1 of negative di4 [A] (di2<di4<0) flows from the first reactor L1 to the first diode D1.

なお、モードM1~M4におけるリアクトル電流IL1は、それぞれモードM3,M4,M1,M2におけるリアクトル電流IL2と等しい。 The reactor currents IL1 in the modes M1 to M4 are equal to the reactor currents IL2 in the modes M3, M4, M1, and M2, respectively.

ここで、第1相(第1のリアクトルL1)及び第2相(第2のリアクトルL2)のそれぞれのモードM1~M4における、入力電圧Viと、入力電圧Viと出力電圧Voとの差(Vi-Vo)は、表2に示す各式のように表される。表2において、Lは第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2のそれぞれの自己インダクタンスを表し、Mは、結合リアクトル1における相互インダクタンスを表している。 Here, the input voltage Vi and the difference (Vi-Vo) between the input voltage Vi and the output voltage Vo in each of modes M1 to M4 of the first phase (first reactor L1) and the second phase (second reactor L2) are expressed by the equations shown in Table 2. In Table 2, L represents the self-inductance of each of the first reactor L1 and the second reactor L2, and M represents the mutual inductance in the coupling reactor 1.

Figure 0007657107000002
Figure 0007657107000002

表2におけるモードM1の第1相及び第2相の式より、tonについて整理することにより、式(1)が導かれる。 By rearranging t on from the equations for the first and second phases of mode M1 in Table 2, equation (1) is derived.

Voton/(L+M)=di1-di3 …(1)
表2におけるモードM2の第1相及び第2相の式より、toffについて整理することにより、式(2)が導かれる。
Voton/(L+M)=di1-di3...(1)
By rearranging the equations for t off from the equations for the first and second phases of mode M2 in Table 2, equation (2) is derived.

di2=di41=(Vi-Vo)toff/(L-M) …(2)
モードM3については、モードM1と相が入れ替わるだけであるので、式(1)と同じ式が導かれる。モードM4については、モードM2と相が入れ替わるだけであるので、式(2)と同じ式が導かれる。
di2=di41=(Vi-Vo)toff/(LM)...(2)
For mode M3, the phase is simply exchanged with mode M1, so the same equation as equation (1) is derived. For mode M4, the phase is simply exchanged with mode M2, so the same equation as equation (2) is derived.

第1相の周期平均電流Iaveは、第1相(第1のスイッチング素子Tr1)のスイッチング周期をTとすると、式(3)のように表される。 The periodic average current Iave of the first phase is expressed as in equation (3), where T is the switching period of the first phase (first switching element Tr1).

Iave=di1{(ton/2)+toff+(ton/2)}/T
=di1/2 …(3)
また、電流の傾きの符号を考慮すれば、di1+di3は、-(di2+di4)と等しいことから、式(4)のように求められる。
Iave=di1 {(ton/2)+toff+(ton/2)}/T
=di1/2...(3)
Furthermore, when the sign of the current gradient is taken into consideration, di1+di3 is equal to −(di2+di4), and therefore, can be obtained as shown in equation (4).

di1+di3=-2(Vi-Vo)toff/(L-M) …(4)
式(1)及び式(4)と、A=ton/(ton+toff)=ton・fSWから、di1は、次式のように求められる。ここで、Aはオンデューティ比を表し、fSWは第1のスイッチング素子Tr1のスイッチング周波数を表す。
di1+di3=-2(Vi-Vo)toff/(LM)...(4)
From equations (1) and (4) and A=t on /(t on +t off )=t on ·f SW , di1 can be obtained as follows: where A represents the on-duty ratio, and f SW represents the switching frequency of the first switching element Tr1.

di1=(L-M)VoA-(L+M)(Vi-Vo)(1-2A)/2fSW(L-M)
上式において、Vi=(1-A)Vo及びM=kL(kは結合リアクトル1の結合係数)であることにより、di1は式(5)のように表される。
di1=(LM)VoA-(L+M)(Vi-Vo)(1-2A)/2f SW (L 2 -M 2 )
In the above equation, Vi=(1−A)Vo and M=kL (k is the coupling coefficient of the coupling reactor 1), so that di1 is expressed as in equation (5).

di1=AVo{1-A(1+k)}/fSW(1-D(1+k)) …(5)
よって、第1相の周期平均電流Iaveで表される境界電流Icrmは、式(3),(5)より、次式(6)のように表される。
di1=AVo{1-A(1+k)}/f SW (1-D(1+k))...(5)
Therefore, the boundary current Icrm represented by the periodic average current Iave of the first phase is expressed by the following equation (6) from equations (3) and (5).

Icrm=Iave=AVi{1-A(1+k)}/2LfSW(1-A)(1-k) …(6)
このように、境界電流Icrmは、スイッチング周波数fSWを分母に有する式で定まり、スイッチング周波数fSWの逆数に依存する。
Icrm=Iave=AVi{1-A(1+k)}/2Lf SW (1-A)(1-k 2 )...(6)
In this way, the boundary current Icrm is determined by an equation having the switching frequency f SW in the denominator, and depends on the inverse of the switching frequency f SW .

[電流不連続モードと電流連続モードとの境界の変更]
上述した式(6)による境界電流Icrmとスイッチング周波数fSWとの関係から、スイッチング周波数fSWを上げると境界電流Icrmが小さくなる。これにより、オンデューティ比Aが50%未満であるとき、スイッチング周波数fSWを上げることにより、電流不連続モードで動作する領域を狭めることができる。また、スイッチング周波数fSWがスイッチング周期TSWと逆数の関係にあることから、オンデューティ比Aが50%未満であるとき、スイッチング周期TSWを短くすることにより、上記の境界電流値が小さくなり、電流不連続モードで動作する領域を狭めることができる。
[Changing the boundary between discontinuous current mode and continuous current mode]
From the relationship between the boundary current Icrm and the switching frequency fSW according to the above-mentioned formula (6), increasing the switching frequency fSW reduces the boundary current Icrm. As a result, when the on-duty ratio A is less than 50%, the region in which the device operates in the discontinuous current mode can be narrowed by increasing the switching frequency fSW . In addition, since the switching frequency fSW is in an inverse relationship with the switching period TSW , when the on-duty ratio A is less than 50%, the above-mentioned boundary current value can be reduced by shortening the switching period TSW , thereby narrowing the region in which the device operates in the discontinuous current mode.

そこで、制御部15は、オンデューティ比Aが50%未満であるとき、即ち軽負荷時に、スイッチング周波数fSWを上げるように、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2の動作を制御する。 Therefore, when the on-duty ratio A is less than 50%, that is, during a light load, the control unit 15 controls the operations of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 so as to increase the switching frequency f SW .

続いて、スイッチング周波数fSWを上げることによる効果について説明する。図7は、スイッチング周期TSWと結合リアクトル1に流れる電流(境界電流)との関係を示す図である。ここでは、第1のスイッチング素子Tr1及び第2のスイッチング素子Tr2のスイッチング周波数fSW(スイッチング周期TSW)が等しくなるように制御され、リアクトル電流IL1,IL2が上述のように等しいとする(図6参照)。 Next, the effect of increasing the switching frequency f SW will be described. Fig. 7 is a diagram showing the relationship between the switching period T SW and the current (boundary current) flowing through the coupling reactor 1. Here, it is assumed that the switching frequencies f SW (switching period T SW ) of the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are controlled to be equal, and the reactor currents I L1 and I L2 are equal as described above (see Fig. 6).

上述した式(6)をスイッチング周期TSWで表すと、図7に示すように、スイッチング周期TSWと境界電流Icrmとが比例の関係となる。これにより、図7に示すように、軽負荷時に、スイッチング周波数fSWを上げる前(スイッチング周期TSWを短くする前)の、電流不連続モードの範囲DCM1と、電流連続モードの範囲CCM1との境界Bm1は、境界電流Icrm1によって定まる位置にある。 When the above-mentioned formula (6) is expressed by the switching period T SW , the switching period T SW and the boundary current Icrm have a proportional relationship as shown in Fig. 7. As a result, as shown in Fig. 7, during light load, before the switching frequency f SW is increased (before the switching period T SW is shortened), the boundary Bm1 between the range DCM1 of the discontinuous current mode and the range CCM1 of the continuous current mode is at a position determined by the boundary current Icrm1.

これに対し、スイッチング周波数fSWを上げる(スイッチング周期TSWを短くする)ことにより、境界電流Icrm1が、より小さい境界電流Icrm2に変化する。これにより、境界Bm1がより左側の境界Bm2に変位する。したがって、電流不連続モードの範囲DCM1は、より狭い範囲DCM2に狭まり、電流連続モードの範囲CCM1の範囲は、より広い範囲CCM2に広がる。 In contrast, by increasing the switching frequency f SW (shortening the switching period T SW ), the boundary current Icrm1 changes to a smaller boundary current Icrm2. This causes the boundary Bm1 to shift to the left boundary Bm2. Therefore, the range DCM1 of the discontinuous current mode narrows to a narrower range DCM2, and the range CCM1 of the continuous current mode expands to a wider range CCM2.

[実施形態の効果]
上記のように、電流不連続モードの範囲が狭まることにより、オンデューティ比Aが50%未満である状態での電流不連続モードで生じる不感帯領域を狭めることができる。よって、結合リアクトル1を備える電力変換装置10の制御をより安定化させることができる。
[Effects of the embodiment]
As described above, by narrowing the range of the discontinuous current mode, it is possible to narrow the dead band region that occurs in the discontinuous current mode when the on-duty ratio A is less than 50%, thereby making it possible to further stabilize the control of the power conversion device 10 including the coupling reactor 1.

また、オンデューティ比Aが50%未満であるか否かに応じてスイッチング周波数を上げるか否かを決定することができる。これにより、電流不連続モードと電流連続モードとの切り替えを容易に制御することができる。 In addition, it is possible to determine whether to increase the switching frequency depending on whether the on-duty ratio A is less than 50%. This makes it easy to control switching between discontinuous current mode and continuous current mode.

また、式(6)により表されるように、電流Icrmのスイッチング周波数依存性を利用して、電流不連続モードと電流連続モードとの切り替えを容易に制御することができる。 In addition, as expressed by equation (6), the switching frequency dependency of the current Icrm can be utilized to easily control switching between discontinuous current mode and continuous current mode.

また、電源Eと結合リアクトル1との間に、第1のコンデンサC1に並列に接続することで、リプルを少なくできる。また、結合リアクトル1の出力側に第2のコンデンサC2を接続することにより、結合リアクトル1に蓄えられたエネルギーを、第2のコンデンサC2に供給した後にインバータ20へ放出することで、電力変換装置10の出力を大きくできる。 In addition, by connecting the first capacitor C1 in parallel between the power source E and the coupling reactor 1, the ripple can be reduced. In addition, by connecting the second capacitor C2 to the output side of the coupling reactor 1, the energy stored in the coupling reactor 1 can be supplied to the second capacitor C2 and then released to the inverter 20, thereby increasing the output of the power conversion device 10.

また、第1のスイッチング素子Tr1の出力側に第1のダイオードD1を接続し、第2のスイッチング素子Tr2の出力側に第2のダイオードD2を接続することで、第2のコンデンサC2から結合リアクトル1側へ電流が逆流することを防止できる。 In addition, by connecting a first diode D1 to the output side of the first switching element Tr1 and a second diode D2 to the output side of the second switching element Tr2, it is possible to prevent current from flowing back from the second capacitor C2 to the coupling reactor 1.

また、第1のスイッチング素子Tr1又は第2のスイッチング素子Tr2として、縦型のMOS型電界効果トランジスタであるパワーMOSFETを用いることによって、耐圧を高め、且つ高速にスイッチングを行うことができる。 In addition, by using a power MOSFET, which is a vertical MOS field effect transistor, as the first switching element Tr1 or the second switching element Tr2, it is possible to increase the breakdown voltage and perform high-speed switching.

〔その他の実施形態〕
上記した実施形態の電力変換装置10では、2相の第1のリアクトルL1及び第2のリアクトルL2が磁気結合した結合リアクトル1が1つ配置された場合について説明した。しかしながら、これに限らず、例えば4相のリアクトルからなる2つの結合リアクトル1が設けられていてもよい。
Other embodiments
In the power conversion device 10 according to the above embodiment, a case has been described in which one coupling reactor 1 in which a two-phase first reactor L1 and a two-phase second reactor L2 are magnetically coupled is provided. However, the present invention is not limited to this, and two coupling reactors 1 each consisting of a four-phase reactor may be provided.

上記した実施形態の電力変換装置10では、第1のリアクトルL1の出力側に、第1のダイオードD1が接続され、第2のリアクトルL2の出力側に、第2のダイオードD2が接続されている構成としたが、これに限定されない。第1のダイオードD1及び第2のダイオードD2の代わりに、第3のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子を配置した同期整流方式の回路構成としてもよい。 In the power conversion device 10 of the above embodiment, the first diode D1 is connected to the output side of the first reactor L1, and the second diode D2 is connected to the output side of the second reactor L2, but this is not limited to the above. Instead of the first diode D1 and the second diode D2, a synchronous rectification circuit configuration in which a third switching element and a fourth switching element are arranged may also be used.

即ち、電力変換装置10の回路構成を、第1のスイッチング素子Tr1の出力側に第3のスイッチング素子を接続し、第2のスイッチング素子Tr2の出力側に第4のスイッチング素子を接続した回路構成としてもよい。第3のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子としては、FET等を用いることができる。 That is, the circuit configuration of the power conversion device 10 may be such that a third switching element is connected to the output side of the first switching element Tr1, and a fourth switching element is connected to the output side of the second switching element Tr2. FETs or the like can be used as the third switching element and the fourth switching element.

第3のスイッチング素子及び第4のスイッチング素子のオン及びオフ動作は、制御部15によって制御される。具体的には、制御部15は、第1のスイッチング素子Tr1のオフ時に第3のスイッチング素子がオンし、第2のスイッチング素子Tr2のオフ時に第4のスイッチング素子がオンするように制御する。また、制御部15は、第1のスイッチング素子Tr1のオン時に第3のスイッチング素子がオフし、第2のスイッチング素子Tr2のオン時に第4のスイッチング素子がオフするように制御する。これにより、第1のスイッチング素子Tr1のオン時、及び第2のスイッチング素子Tr2のオン時に、第2のコンデンサC2から結合リアクトル1側へ電流が逆流することを防止できる。 The on and off operations of the third switching element and the fourth switching element are controlled by the control unit 15. Specifically, the control unit 15 controls the third switching element to be on when the first switching element Tr1 is off, and the fourth switching element to be on when the second switching element Tr2 is off. The control unit 15 also controls the third switching element to be off when the first switching element Tr1 is on, and the fourth switching element to be off when the second switching element Tr2 is on. This makes it possible to prevent current from flowing back from the second capacitor C2 to the coupling reactor 1 when the first switching element Tr1 is on and when the second switching element Tr2 is on.

この場合、電源Eを二次電池とすることで、電力変換装置10によって、モータ30が発電された電力を、直流に変換して電源Eに充電することが可能である。また、同期整流方式の回路構成は、第1のダイオードD1及び第2のダイオードD2を備える非同期整流方式の回路構成と比べて、変換効率を高めることができる。 In this case, by using a secondary battery as the power source E, the power generated by the motor 30 can be converted to direct current by the power conversion device 10 and charged to the power source E. In addition, the synchronous rectification circuit configuration can improve the conversion efficiency compared to the asynchronous rectification circuit configuration that includes the first diode D1 and the second diode D2.

〔付記事項〕
本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。また、本発明は、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. In addition, the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments.

1 結合リアクトル
10 電力変換装置
11 コア
15 制御部
20 インバータ
100 電源装置
L1 第1のリアクトル
L2 第2のリアクトル
Tr1 第1のスイッチング素子
Tr2 第2のスイッチング素子
C1 第1のコンデンサ
C2 第2のコンデンサ
D1 第1のダイオード
D2 第2のダイオード
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧
A オンデューティ比
REFERENCE SIGNS LIST 1 Coupling reactor 10 Power conversion device 11 Core 15 Control unit 20 Inverter 100 Power supply device L1 First reactor L2 Second reactor Tr1 First switching element Tr2 Second switching element C1 First capacitor C2 Second capacitor D1 First diode D2 Second diode Vin Input voltage Vout Output voltage A On-duty ratio

Claims (7)

入力電圧を所定の出力電圧に変換する電力変換装置であって、
互いに磁気結合された第1のリアクトル及び第2のリアクトルを有する結合リアクトルと、
前記第1のリアクトルの出力側に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第2のリアクトルの出力側に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、軽負荷時に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げることを特徴とする電力変換装置。
A power conversion device that converts an input voltage into a predetermined output voltage,
a coupling reactor including a first reactor and a second reactor that are magnetically coupled to each other;
a first switching element connected to an output side of the first reactor;
a second switching element connected to an output side of the second reactor;
a control unit that controls driving of the first switching element and the second switching element;
Equipped with
The power conversion device according to claim 1, wherein the control unit increases a switching frequency of the first switching element and the second switching element when a light load is applied.
前記制御部は、負荷の大きさに応じて前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をスイッチングする制御信号のオンデューティ比を変更し、前記オンデューティ比が50%未満である場合に、前記スイッチング周波数を上げることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, characterized in that the control unit changes the on-duty ratio of the control signal that switches the first switching element and the second switching element according to the magnitude of the load, and increases the switching frequency when the on-duty ratio is less than 50%. 前記電力変換装置は、電流不連続モード及び電流連続モードで動作し、
前記電流不連続モードと前記電流連続モードとの境界において前記第1のリアクトル及び前記第2のリアクトルのいずれかに流れる電流Icrmは、前記入力電圧をViとし、前記オンデューティ比をAとし、前記スイッチング周波数をfSWとし、前記第1のリアクトル及び前記第2のリアクトルの自己リアクタンスをLとし、前記結合リアクトルの結合係数をkとすると、次の式、
Icrm=AVi{1-A(1+k)}/2LfSW(1-A)(1-k)
により表されることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
The power conversion device operates in a discontinuous current mode and a continuous current mode,
A current Icrm flowing through either the first reactor or the second reactor at the boundary between the discontinuous current mode and the continuous current mode is expressed by the following equation, where Vi is the input voltage, A is the on-duty ratio, f SW is the switching frequency, L is the self-reactance of the first reactor and the second reactor, and k is the coupling coefficient of the coupling reactor.
Icrm=AVi{1-A(1+k)}/2Lf SW (1-A)(1-k 2 )
3. The power conversion device according to claim 2, wherein the power conversion device is expressed by:
前記結合リアクトルの入力側に接続された第1のコンデンサと、
前記結合リアクトルの出力側に接続された第2のコンデンサと、
を更に備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
A first capacitor connected to an input side of the coupling reactor;
a second capacitor connected to an output side of the coupling reactor;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記第1のスイッチング素子の出力側に接続された第1のダイオードと、
前記第2のスイッチング素子の出力側に接続された第2のダイオードと、
を更に備えていることを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
a first diode connected to an output side of the first switching element;
a second diode connected to an output side of the second switching element;
The power conversion device according to claim 4, further comprising:
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子は、縦型のMOS型電界効果トランジスタであり、
前記第1のスイッチング素子のドレインと、前記第1のダイオードのアノードとが接続され、
前記第2のスイッチング素子のドレインと、前記第2のダイオードのアノードとが接続されていることを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
the first switching element and the second switching element are vertical MOS field effect transistors,
the drain of the first switching element and the anode of the first diode are connected;
6. The power conversion device according to claim 5, wherein the drain of the second switching element and the anode of the second diode are connected together.
前記第1のスイッチング素子の出力側に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子の出力側に接続された第4のスイッチング素子と、
を更に備え、
前記制御部は、前記第1のスイッチング素子のオン時に前記第3のスイッチング素子がオフし、前記第1のスイッチング素子のオフ時に前記第3のスイッチング素子がオンし、前記第2のスイッチング素子のオン時に前記第4のスイッチング素子がオフし、前記第2のスイッチング素子のオフ時に前記第4のスイッチング素子がオンするように、前記第3のスイッチング素子及び前記第4のスイッチング素子の駆動を制御することを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
a third switching element connected to an output side of the first switching element;
a fourth switching element connected to an output side of the second switching element;
Further comprising:
5. The power conversion device according to claim 4, wherein the control unit controls driving of the third switching element and the fourth switching element so that the third switching element is turned off when the first switching element is turned on, the third switching element is turned on when the first switching element is turned off, the fourth switching element is turned off when the second switching element is turned on, and the fourth switching element is turned on when the second switching element is turned off.
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