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JP7697767B2 - Bidirectional current resonant DC/DC converter and bidirectional power supply device - Google Patents
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JP7697767B2 - Bidirectional current resonant DC/DC converter and bidirectional power supply device - Google Patents

Bidirectional current resonant DC/DC converter and bidirectional power supply device Download PDF

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Description

本発明は、双方向電流共振型DC/DCコンバータおよび当該双方向電流共振型DC/DCコンバータを備える双方向電源装置に関する。 The present invention relates to a bidirectional current resonant DC/DC converter and a bidirectional power supply device equipped with the bidirectional current resonant DC/DC converter.

近年、絶縁型の双方向DC/DCコンバータとして、LLC方式の電流共振型DC/DCコンバータを双方向化したCLLC方式の(CLLLC方式とも呼ばれる)双方向電流共振型DC/DCコンバータが注目されている。 In recent years, CLLC-type (also called CLLLC-type) bidirectional current-resonant DC/DC converters, which are an LLC-type current-resonant DC/DC converter made bidirectional, have been attracting attention as an isolated bidirectional DC/DC converter.

LLC方式の電流共振型DC/DCコンバータは、小型かつ高効率で部品点数が少なく低コストであるという利点がある一方、入力電圧、出力電圧によって出力電力が異なり、制御が難しいことに加え、制御可能な電圧範囲が狭く、周波数制御だけでは出力電力を0まで絞り切れないという欠点がある。 LLC type current resonant DC/DC converters have the advantages of being small, highly efficient, with a small number of parts and low cost, but they also have the disadvantages that the output power varies depending on the input voltage and output voltage, making them difficult to control, the controllable voltage range is narrow, and the output power cannot be reduced to zero by frequency control alone.

CLLC方式の双方向電流共振型DC/DCコンバータについても、LLC方式と同様の欠点があり、周波数制御だけでは出力電力を0まで絞り切れないため、電力伝送の方向を切換える時に電力ジャンプ(瞬間的な電力変動)が生じる。このため、CLLC方式の双方向電流共振型DC/DCコンバータは、シームレスに電力伝送の方向を切換えることができないという問題がある。 CLLC-type bidirectional current resonant DC/DC converters have the same drawbacks as LLC-type converters, in that frequency control alone cannot reduce the output power to zero, causing a power jump (instantaneous power fluctuation) when switching the direction of power transmission. For this reason, CLLC-type bidirectional current resonant DC/DC converters have the problem of being unable to seamlessly switch the direction of power transmission.

従来一般的であった電圧電流型DC/DCコンバータの場合は、出力側に印加される電圧が制御中の出力電圧値よりも高くなると、電流の向きが自然に逆流して電力伝送の方向が反転するので、制御方法を変更する必要がなく、シームレスに電力伝送の方向を切換えることができる。しかしながら、LLC方式あるいはCLLC方式の場合は、制御の向きと電流の流れの向き(電力伝送の方向)が一致しているので、シームレスな電力伝送方向の切換えを行う場合、切換え時の電力ジャンプの問題に加え、制御方法も変更する必要があり、シームレスな電力伝送方向の切換えは容易ではない。 In the case of conventional voltage-current type DC/DC converters, when the voltage applied to the output side becomes higher than the output voltage value being controlled, the current flow naturally reverses and the direction of power transmission is reversed, so there is no need to change the control method and the direction of power transmission can be switched seamlessly. However, in the case of the LLC or CLLC method, the direction of control and the direction of current flow (direction of power transmission) are the same, so in order to seamlessly switch the direction of power transmission, in addition to the problem of power jumps when switching, the control method must also be changed, making it difficult to switch the direction of power transmission seamlessly.

図10は、上記従来のCLLC方式の双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向の切換え時における、駆動周波数と出力電力の変化を模式的に示した図である。図10の第3象限は、1次側から2次側への電力伝送量で、横軸Fdは駆動周波数、縦軸Pdは順方向の出力電力であり、第1象限は2次側から1次側への電力伝送量であり、横軸Fcは駆動周波数、縦軸Pcは逆方向の出力電力である。第3象限の場合は、駆動周波数Fdが大きくなるについて、順方向の出力電力Pdは減少するが、駆動周波数Fdが大きくなるにつれて、出力電力Pdの減少率は低下する。同様に、第1象限の場合は、駆動周波数Fcが大きくなるについて、逆方向の出力電力Pcは減少するが、駆動周波数Fcが大きくなるにつれて、出力電力Pcの減少率は低下する。 Figure 10 is a diagram showing the change in drive frequency and output power when the power transmission direction of the conventional CLLC bidirectional current resonant DC/DC converter is switched. The third quadrant of Figure 10 is the amount of power transmission from the primary side to the secondary side, with the horizontal axis Fd being the drive frequency and the vertical axis Pd being the forward output power, while the first quadrant is the amount of power transmission from the secondary side to the primary side, with the horizontal axis Fc being the drive frequency and the vertical axis Pc being the reverse output power. In the case of the third quadrant, the forward output power Pd decreases as the drive frequency Fd increases, but the rate of decrease in the output power Pd decreases as the drive frequency Fd increases. Similarly, in the case of the first quadrant, the reverse output power Pc decreases as the drive frequency Fc increases, but the rate of decrease in the output power Pc decreases as the drive frequency Fc increases.

例えば、駆動点Acから駆動点Adへの方向切換えの場合、出力を低下させつつ一方側の駆動回路の駆動周波数を上昇させて最大周波数のBc点に移行後、一方側の駆動回路の駆動を停止すると同時に他方側の駆動回路を最大周波数のBd点で駆動開始させ、駆動周波数を低下させてAd点まで移行させる。この場合、駆動回路の切換えに伴い、Bc点からBd点に瞬時に移行するので、電力ジャンプが生じる。駆動点Adから駆動点Acへの切換えについても同様である。 For example, when switching direction from drive point Ac to drive point Ad, the drive frequency of one drive circuit is increased while decreasing the output to move to point Bc, which is the maximum frequency, and then the drive circuit on one side is stopped and at the same time the drive circuit on the other side starts driving at point Bd, which is the maximum frequency, and the drive frequency is decreased to move to point Ad. In this case, as the drive circuit is switched, there is an instantaneous transition from point Bc to point Bd, which causes a power jump. The same is true for switching from drive point Ad to drive point Ac.

特許文献1には、この問題に対して、共振周波数での固定周波数によるパルス幅変調制御または位相変調制御と、共振周波数以下での周波数変調制御とを切換える制御方法が提案されている。しかしながら、この制御方法では、共振周波数においてパルス幅変調制御を行うとハードスイッチングとなるため、スイッチングノイズが発生するという問題がある。 In response to this problem, Patent Document 1 proposes a control method that switches between pulse width modulation control or phase modulation control with a fixed frequency at the resonant frequency, and frequency modulation control below the resonant frequency. However, with this control method, performing pulse width modulation control at the resonant frequency results in hard switching, which creates the problem of switching noise.

特許文献2には、CLLC方式の双方向電流共振型DC/DCコンバータにおけるシームレスな電力伝送方向の切換えの方法として、1次(給電)側の駆動周波数を最大とし(ステップ3)、2次側の駆動を1次側に対して最大の位相差の遅れから開始し(ステップ4)、位相シフト制御により位相差を減じて(ステップ5)、位相差が最小となると電力伝送の方向を切換える(ステップ6)方法が提案されている。 Patent Document 2 proposes a method for seamlessly switching the direction of power transmission in a CLLC-type bidirectional current resonant DC/DC converter, in which the driving frequency on the primary (power supply) side is maximized (step 3), the driving of the secondary side is started from a delay of the maximum phase difference with respect to the primary side (step 4), the phase difference is reduced by phase shift control (step 5), and when the phase difference becomes a minimum, the direction of power transmission is switched (step 6).

しかしながら、一般的なCLLC方式の駆動方法は、1次(給電)側はデューティ50%でブリッジ駆動し、2次側はダイオード整流または同期整流する方法であり、1次側と2次側とで位相差を設けて駆動する方法ではない。このため、特許文献2に記載の方法には、一般に知られているLLC方式あるいはCLLC方式の設計手法や既存のハードウェアおよびソフトウェア資産や知識をそのまま適用あるいは展開、流用することができない。さらに、特許文献2には、シームレスな電力伝送方向の切換えを実現するのに必要な具体的な2次側ブリッジ回路の駆動方法、1次側と2次側の駆動信号間の最大位相差および最小位相差についての開示がない。 However, the general method of driving the CLLC system involves bridge driving the primary (power supply) side with a duty of 50% and diode or synchronous rectification of the secondary side, and is not a method of driving with a phase difference between the primary and secondary sides. For this reason, the method described in Patent Document 2 cannot directly apply, develop, or reuse commonly known design methods for the LLC system or the CLLC system, or existing hardware and software assets and knowledge. Furthermore, Patent Document 2 does not disclose a specific method of driving the secondary bridge circuit, or the maximum and minimum phase differences between the drive signals on the primary and secondary sides, which are necessary to realize seamless switching of the power transmission direction.

非特許文献1には、CLLC方式の双方向電流共振型DC/DCコンバータにおけるシームレスな電力伝送方向の切換えについて、1次(給電側)側ブリッジ回路の駆動周波数を最大とし、1次側に対する2次側の位相遅れを+0.05から減じて0を経由し-0.05まで増加させることで、逆方向に切換える方法が提案されている。 Non-Patent Document 1 proposes a method for seamlessly switching the power transmission direction in a CLLC-type bidirectional current resonant DC/DC converter by maximizing the drive frequency of the primary (power supply side) bridge circuit and decreasing the phase delay of the secondary side relative to the primary side from +0.05, passing through 0, and then increasing it to -0.05, thereby switching to the opposite direction.

非特許文献1に記載の方法は、特許文献2に記載の方法と同様、一般的なLLC方式あるいはCLLC方式の設計手法等が利用できないことに加え、1次側と2次側との位相差±0.05はデッドタイム(駆動周波数が100kHz程度とすれば0.5μ秒程度以下)の1/2程度の範囲と非常に狭く、制御が難しい。具体的には、高精度の制御指示手段が必要で、かつ1次側と2次側との間が絶縁されているので、検出の遅延を考慮して位相を検出する必要があり、位相差の検知も難しい。 The method described in Non-Patent Document 1, like the method described in Patent Document 2, cannot utilize the design methods of the general LLC or CLLC methods, and in addition, the phase difference between the primary and secondary sides of ±0.05 is very narrow, being only half the range of the dead time (less than about 0.5 μsec if the drive frequency is about 100 kHz), making it difficult to control. Specifically, a highly accurate control instruction means is required, and since the primary and secondary sides are insulated, it is necessary to detect the phase taking into account the detection delay, and it is also difficult to detect the phase difference.

また、特許文献2および非特許文献1の方法は、1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路との間に位相差を設ける方法であるが、2次側の位相は入力電圧や接続先の負荷によっても変化するので、1次側の駆動信号に対する位相差を想定しても簡単に制御することはできない。また、1次側と2次側との間は絶縁されているので絶縁検知が必要になり、検出回路の増大、高コスト化、検出の遅延を招くことになる。また、入力電圧にもよるが1次側の駆動周波数を最大とすると2次側の電流値は最小となるので、2次側の電流を検知しても正確に位相差を検出するのが難しいという問題がある。 In addition, the methods of Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 provide a phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit, but since the phase of the secondary side also changes depending on the input voltage and the load to which it is connected, it cannot be easily controlled even if the phase difference with respect to the primary drive signal is assumed. In addition, since the primary and secondary sides are insulated, insulation detection is required, which leads to an increase in the detection circuit, high costs, and detection delays. In addition, although it depends on the input voltage, when the drive frequency of the primary side is maximized, the current value of the secondary side is minimized, so there is a problem that it is difficult to accurately detect the phase difference even if the current on the secondary side is detected.

特開2014-79145号公報JP 2014-79145 A 米国特許第10587201号明細書U.S. Pat. No. 1,058,7201

川野想一朗、外5名、“双方向電力伝送が可能なCLLC方式共振形コンバータ”、[online]、信学技報EE2021-5、[令和4年2月22日検索]、インターネット<URL:https://www.ieice.org/ken/paper/20210527MCEF/>Soichiro Kawano and five others, "CLLC-type resonant converter capable of bidirectional power transmission", [online], IEICE Technical Report EE2021-5, [Retrieved February 22, 2022], Internet <URL: https://www.ieice.org/ken/paper/20210527MCEF/>

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、比較的簡単な制御で、切換え時に電力ジャンプのないシームレスに電力伝送方向を切換えることが可能な双方向電流共振型DC/DCコンバータおよび双方向電源装置を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its objective is to provide a bidirectional current resonant DC/DC converter and a bidirectional power supply device that can seamlessly switch the power transmission direction without power jumps when switching, with relatively simple control.

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータは、
電源部および制御部を含む双方向電流共振型DC/DCコンバータであって、
前記電源部は、
1次側コイルおよび2次側コイルを含むトランスと、
並列接続された第1レグおよび第2レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含み、各アームがスイッチング素子を含み、前記1次側コイルに接続された第1ブリッジ回路と、
並列接続された第3レグおよび第4レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含み、各アームがスイッチング素子を含み、前記2次側コイルに接続された第2ブリッジ回路と、
前記第1ブリッジ回路と前記1次側コイルとの間に設けられ、第1共振コイルおよび第1共振コンデンサを含む1次側共振回路と、
前記第2ブリッジ回路と前記2次側コイルとの間に設けられ、第2共振コイルおよび第2共振コンデンサを含む2次側共振回路と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1ブリッジ回路を駆動回路とし、前記第2ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、前記第1ブリッジ回路から前記第2ブリッジ回路への電力伝送を行わせる順方向制御と、
前記第2ブリッジ回路を駆動回路とし、前記第1ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、前記第2ブリッジ回路から前記第1ブリッジ回路への電力伝送を行わせる逆方向制御と、
前記駆動回路の駆動周波数を増加させてから電力伝送の方向を切換える切換え制御と、を実行し、
前記切換え制御において、前記駆動回路の各レグ間の位相シフト制御を、位相シフト量が0から最大値の範囲で行うか、または前記駆動回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、当該スイッチング素子のオン比率を50%から最小値の範囲で変化させることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention comprises:
A bidirectional current resonant DC/DC converter including a power supply unit and a control unit,
The power supply unit includes:
a transformer including a primary coil and a secondary coil;
a first bridge circuit including a first leg and a second leg connected in parallel, each leg including an upper arm and a lower arm connected in series, each arm including a switching element, and connected to the primary coil;
a second bridge circuit including a third leg and a fourth leg connected in parallel, each leg including an upper arm and a lower arm connected in series, each arm including a switching element, and connected to the secondary coil;
a primary-side resonant circuit provided between the first bridge circuit and the primary-side coil, the primary-side resonant circuit including a first resonant coil and a first resonant capacitor;
a secondary resonant circuit provided between the second bridge circuit and the secondary coil, the secondary resonant circuit including a second resonant coil and a second resonant capacitor;
Equipped with
The control unit is
a forward control in which the first bridge circuit is used as a drive circuit, and synchronous rectification control or diode rectification control is performed on the second bridge circuit to transmit power from the first bridge circuit to the second bridge circuit;
a reverse control in which the second bridge circuit is used as a drive circuit, synchronous rectification control or diode rectification control is performed on the first bridge circuit, and power is transmitted from the second bridge circuit to the first bridge circuit;
and increasing the drive frequency of the drive circuit and then switching the direction of power transmission.
The switching control is characterized in that the phase shift control between each leg of the drive circuit is performed with the phase shift amount ranging from 0 to a maximum value, or PWM control is performed on each switching element of the drive circuit to change the on-ratio of the switching element in the range from 50% to a minimum value.

この構成によれば、駆動回路の各レグ間の位相シフト制御または各スイッチング素子のオン比率を変化させるPWM制御を行うことで、周波数制御だけでは対応できない零電力でのシームレスな電力伝送方向の切換えが可能となる。すなわち、この構成では、各レグ間での駆動信号の位相シフト制御を0から最大値の範囲で行うか、またはスイッチング素子のオン比率を50%から最小値の範囲で変化させるPWM制御を行うことで、位相シフト制御に1次側2次側間の信号を使用する必要がなく、また第1ブリッジ回路と第2ブリッジ回路との位相差を制御する必要もない。したがって、この構成によれば、従来のLLC方式あるいはCLLC方式の設計手法等を利用でき、比較的簡単な制御が可能(例えば、デッドタイムに比べて10倍程度の広い範囲での制御が可能)となり、低コスト化を図ることができる。 According to this configuration, by performing phase shift control between each leg of the drive circuit or PWM control that changes the on-ratio of each switching element, seamless switching of the power transmission direction at zero power, which cannot be achieved by frequency control alone, is possible. In other words, in this configuration, by performing phase shift control of the drive signal between each leg in the range from 0 to the maximum value, or by performing PWM control that changes the on-ratio of the switching element in the range from 50% to the minimum value, it is not necessary to use a signal between the primary side and secondary side for phase shift control, and it is also not necessary to control the phase difference between the first bridge circuit and the second bridge circuit. Therefore, according to this configuration, it is possible to use the design method of the conventional LLC method or CLLC method, and relatively simple control is possible (for example, control is possible over a range about 10 times wider than the dead time), and costs can be reduced.

前記双方向電流共振型DC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、
前記順方向制御において、前記第2ブリッジ回路の前記同期整流制御を行い、
前記順方向制御時の前記切換え制御において、
前記第1ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数まで増加させる第1処理と、
前記第1ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を行い、当該位相シフト制御の第1位相シフト量を0から増加させるか、または前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子の第1オン比率を50%から減少させる第2処理と、
前記第2ブリッジ回路の出力電流値が所定の閾値以下となった場合に、前記第2ブリッジ回路の前記同期整流制御を停止させる第3処理と、
前記第1位相シフト量を最大値にするか前記第1オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の出力電圧値が所定の上限値に達した場合に、前記第1ブリッジ回路の駆動を停止させる第4処理と、
前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数とし、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の第2位相シフト量を最大値にして、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を開始させるか、または前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子の第2オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を開始させる第5処理と、
前記第1ブリッジ回路の出力電流値が所定の閾値以上となった場合に、前記第1ブリッジ回路の前記同期整流制御を開始させる第6処理と、
前記第2位相シフト量を0にするか前記第2オン比率を50%にして、前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を前記最大周波数から低下させる第7処理と、を実行するよう構成できる。
In the bidirectional current resonant DC/DC converter,
The control unit is
In the forward control, the synchronous rectification control of the second bridge circuit is performed;
In the switching control during the forward control,
a first process of increasing a drive frequency of the first bridge circuit to a predetermined maximum frequency;
a second process of performing a phase shift control between the legs of the first bridge circuit and increasing a first phase shift amount of the phase shift control from 0, or performing a PWM control of each switching element of the first bridge circuit and decreasing a first on ratio of each switching element of the first bridge circuit from 50%;
a third process of stopping the synchronous rectification control of the second bridge circuit when an output current value of the second bridge circuit becomes equal to or lower than a predetermined threshold value;
a fourth process of setting the first phase shift amount to a maximum value or the first on ratio to a minimum value, and stopping the driving of the first bridge circuit when an output voltage value of the second bridge circuit reaches a predetermined upper limit value;
a fifth process of setting a drive frequency of the second bridge circuit to a predetermined maximum frequency and a second phase shift amount between each leg of the second bridge circuit to a maximum value to start phase shift control between each leg of the second bridge circuit, or setting a second on-ratio of each switching element of the second bridge circuit to a minimum value to start PWM control of each switching element of the second bridge circuit;
a sixth process of starting the synchronous rectification control of the first bridge circuit when an output current value of the first bridge circuit becomes equal to or greater than a predetermined threshold value;
and a seventh process of lowering the drive frequency of the second bridge circuit from the maximum frequency by setting the second phase shift amount to 0 or setting the second on ratio to 50%.

この構成によれば、第2ブリッジ回路の出力電流値と出力電圧値とに基づいて電力伝送方向を切換えるため、外部制御信号なしでシームレスな電力伝送方向の切換えが可能となる。 With this configuration, the power transmission direction is switched based on the output current value and output voltage value of the second bridge circuit, making it possible to seamlessly switch the power transmission direction without an external control signal.

前記双方向電流共振型DC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、
前記第2ブリッジ回路に対して定電圧制御を行いつつ、少なくとも前記第5処理を実行するよう構成できる。
In the bidirectional current resonant DC/DC converter,
The control unit is
At least the fifth process may be executed while performing constant voltage control on the second bridge circuit.

この構成によれば、第2ブリッジ回路を定電圧制御しつつ電力伝送方向を切換えるため、電流方向のみの切換えが可能となる。 With this configuration, the power transmission direction is switched while controlling the second bridge circuit at a constant voltage, making it possible to switch only the current direction.

前記双方向電流共振型DC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、
前記第2処理を実行する前に前記第3処理を実行し、
前記第6処理を実行する前に前記第7処理を実行するよう構成できる。
In the bidirectional current resonant DC/DC converter,
The control unit is
execute the third process before executing the second process;
The seventh process may be executed before the sixth process is executed.

前記双方向電流共振型DC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、
前記順方向制御において、前記第2ブリッジ回路の前記ダイオード整流制御を行い、
前記順方向制御時の前記切換え制御において、
前記第1ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数まで増加させる第1処理と、
前記第1ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を行い、当該位相シフト制御の第1位相シフト量を0から増加させるか、または前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子の第1オン比率を50%から減少させる第2処理と、
前記第1位相シフト量を最大値にするか前記第1オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の出力電圧値が所定の上限値に達した場合に、前記第1ブリッジ回路の駆動を停止させる第4処理と、
前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数とし、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の第2位相シフト量を最大値にして、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を開始させるか、または前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子の第2オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を開始させる第5処理と、
前記第2位相シフト量を0にするか前記第2オン比率を50%にして、前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を前記最大周波数から低下させる第7処理と、を実行するよう構成できる。
In the bidirectional current resonant DC/DC converter,
The control unit is
In the forward control, the diode rectification control of the second bridge circuit is performed;
In the switching control during the forward control,
a first process of increasing a drive frequency of the first bridge circuit to a predetermined maximum frequency;
a second process of performing a phase shift control between the legs of the first bridge circuit and increasing a first phase shift amount of the phase shift control from 0, or performing a PWM control of each switching element of the first bridge circuit and decreasing a first on ratio of each switching element of the first bridge circuit from 50%;
a fourth process of setting the first phase shift amount to a maximum value or the first on ratio to a minimum value, and stopping the driving of the first bridge circuit when an output voltage value of the second bridge circuit reaches a predetermined upper limit value;
a fifth process of setting a drive frequency of the second bridge circuit to a predetermined maximum frequency and a second phase shift amount between each leg of the second bridge circuit to a maximum value to start phase shift control between each leg of the second bridge circuit, or setting a second on-ratio of each switching element of the second bridge circuit to a minimum value to start PWM control of each switching element of the second bridge circuit;
and a seventh process of reducing the drive frequency of the second bridge circuit from the maximum frequency by setting the second phase shift amount to 0 or setting the second on ratio to 50%.

上記課題を解決するために、本発明に係る双方向電源装置は、
前記双方向電流共振型DC/DCコンバータと、
DC/AC変換動作およびAC/DC変換動作を行う双方向DC/ACインバータと、
を備える双方向電源装置であって、
電力伝送の方向を切換えるときに、前記双方向電流共振型DC/DCコンバータと前記双方向DC/ACインバータの接続点電圧が、一定電圧となるか、または前記双方向電流共振型DC/DCコンバータの入力電圧により定まる電圧となることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a bidirectional power supply device according to the present invention comprises:
The bidirectional current resonant DC/DC converter;
a bidirectional DC/AC inverter that performs a DC/AC conversion operation and an AC/DC conversion operation;
A bidirectional power supply device comprising:
When the direction of power transmission is switched, the voltage at the connection point between the bidirectional current resonant DC/DC converter and the bidirectional DC/AC inverter becomes a constant voltage or a voltage determined by the input voltage of the bidirectional current resonant DC/DC converter.

この構成によれば、双方向電流共振型DC/DCコンバータと双方向DC/ACインバータとの接続点電圧(リンク電圧)を一定電圧または双方向電流共振型DC/DCコンバータ側の電源電圧により定まる電圧とするため、電力伝送方向の切換え時にリンク電圧の安定化のために設けられたコンデンサ(例えば、電解コンデンサ)を充放電することがなくなり、無駄なエネルギー伝送なしで電力伝送方向の切換えが即座に可能となる。 With this configuration, the connection point voltage (link voltage) between the bidirectional current resonant DC/DC converter and the bidirectional DC/AC inverter is a constant voltage or a voltage determined by the power supply voltage on the bidirectional current resonant DC/DC converter side, so there is no need to charge or discharge a capacitor (e.g., an electrolytic capacitor) provided to stabilize the link voltage when switching the power transmission direction, making it possible to instantly switch the power transmission direction without unnecessary energy transmission.

前記双方向電源装置において、
前記双方向電流共振型DC/DCコンバータは、電気自動車に接続可能に構成され、
前記電気自動車に対して充電動作および放電動作を行うよう構成できる。
In the bidirectional power supply device,
The bidirectional current resonant DC/DC converter is configured to be connectable to an electric vehicle,
The electric vehicle may be configured to perform charging and discharging operations.

本発明によれば、比較的簡単な制御で、切換え時に電力ジャンプのないシームレスに電力伝送方向を切換えることが可能な双方向電流共振型DC/DCコンバータおよび双方向電源装置を提供することができる。 The present invention provides a bidirectional current resonant DC/DC converter and a bidirectional power supply device that can seamlessly switch the power transmission direction without a power jump when switching, with relatively simple control.

本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの回路構成の例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention; 本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時の制御の第1の流れを示すフロー図の例である。1 is a flow diagram showing an example of a first flow of control when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention; 本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時の制御の第2の流れを示すフロー図の例である。FIG. 11 is a flow diagram showing an example of a second flow of control when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention. 本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時の制御の第3の流れを示すフロー図の例である。FIG. 11 is an example of a flow diagram showing a third flow of control when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention. 本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時の位相差の変化を示すタイミング図の例である。1 is a timing diagram showing an example of a change in phase difference when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention; 本発明に係る双方向電源装置の応用例を示すシステム構成図の例である。FIG. 1 is a system configuration diagram showing an example of an application of a bidirectional power supply device according to the present invention. 本発明に係る双方向電源装置の電力伝送方向切換え時の駆動周波数と出力電力の変化を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic diagram of changes in drive frequency and output power when the power transmission direction of the bidirectional power supply device according to the present invention is switched. 本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時のPWM制御のデューティの変化を示すタイミング図の例である。1 is a timing diagram showing an example of a change in duty of PWM control when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter according to the present invention; 本発明に係る双方向電源装置の電力伝送方向の切換えによるリンク電圧の変化を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic diagram of a change in link voltage due to switching of the power transmission direction of the bidirectional power supply device according to the present invention. 従来の双方向電流共振型DC/DCコンバータの電力伝送方向切換え時の駆動周波数と出力電力の変化を模式的に示した図である。1 is a diagram showing a schematic diagram of changes in drive frequency and output power when switching the power transmission direction of a conventional bidirectional current resonant DC/DC converter.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータおよび双方向電源装置の実施形態について説明する。 Below, an embodiment of a bidirectional current resonant DC/DC converter and a bidirectional power supply device according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.

[双方向電流共振型DC/DCコンバータ]
図1に、本発明の一実施形態に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータ1を示す。双方向電流共振型DC/DCコンバータ1は、DC/DC電源部10(本発明の「電源部」に相当)と、制御部20と、端子T1~T4とを備える。
[Bidirectional current resonant DC/DC converter]
1 shows a bidirectional current resonant DC/DC converter 1 according to an embodiment of the present invention. The bidirectional current resonant DC/DC converter 1 includes a DC/DC power supply unit 10 (corresponding to the "power supply unit" of the present invention), a control unit 20, and terminals T1 to T4.

DC/DC電源部10は、トランスTrと、第1ブリッジ回路11と、第2ブリッジ回路12と、1次側共振回路13と、2次側共振回路14と、各種検出回路(図示せず)とを備える。DC/DC電源部10は、回路構成が左右対称なので、双方向でLLC共振の電力伝送が可能である。そのため、DC/DC電源部10の回路構成は、CLLC(または励磁インダクタンスLmも含めCLLLC)方式と呼ばれる。 The DC/DC power supply unit 10 includes a transformer Tr, a first bridge circuit 11, a second bridge circuit 12, a primary resonant circuit 13, a secondary resonant circuit 14, and various detection circuits (not shown). The DC/DC power supply unit 10 has a symmetrical circuit configuration, so that power can be transmitted in both directions using LLC resonance. Therefore, the circuit configuration of the DC/DC power supply unit 10 is called the CLLC (or CLLLC including the excitation inductance Lm) system.

トランスTrは、高周波絶縁トランスであり、1次側コイルおよび2次側コイルを含む。1次側コイルは、1次側共振回路13を介して第1ブリッジ回路11に接続される。2次側コイルは、2次側共振回路14を介して第2ブリッジ回路12に接続される。トランスTrは、容量に応じて1個または複数個で構成してもよい。また、トランスTrの励磁インダクタンスLmはトランスTrに含まれるものとして図示していない。 The transformer Tr is a high-frequency insulating transformer, and includes a primary coil and a secondary coil. The primary coil is connected to the first bridge circuit 11 via the primary resonant circuit 13. The secondary coil is connected to the second bridge circuit 12 via the secondary resonant circuit 14. The transformer Tr may be configured with one or more transformers depending on the capacity. In addition, the excitation inductance Lm of the transformer Tr is not shown in the figure as it is included in the transformer Tr.

第1ブリッジ回路11は、並列接続された第1レグおよび第2レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含む。第1レグの上アームはスイッチング素子Q1、ダイオードD1、コンデンサC1を含み、第1レグの下アームはスイッチング素子Q2、ダイオードD2、コンデンサC2を含み、第2レグの上アームはスイッチング素子Q3、ダイオードD3、コンデンサC3を含み、第2レグの下アームはスイッチング素子Q4、ダイオードD4、コンデンサC4を含む。 The first bridge circuit 11 includes a first leg and a second leg connected in parallel, and each leg includes an upper arm and a lower arm connected in series. The upper arm of the first leg includes a switching element Q1, a diode D1, and a capacitor C1, the lower arm of the first leg includes a switching element Q2, a diode D2, and a capacitor C2, the upper arm of the second leg includes a switching element Q3, a diode D3, and a capacitor C3, and the lower arm of the second leg includes a switching element Q4, a diode D4, and a capacitor C4.

第2ブリッジ回路12は、並列接続された第3レグおよび第4レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含む。第3レグの上アームはスイッチング素子Q5、ダイオードD5、コンデンサC5を含み、第3レグの下アームはスイッチング素子Q6、ダイオードD6、コンデンサC6を含み、第4レグの上アームはスイッチング素子Q7、ダイオードD7、コンデンサC7を含み、第4レグの下アームはスイッチング素子Q8、ダイオードD8、コンデンサC8を含む。 The second bridge circuit 12 includes a third leg and a fourth leg connected in parallel, and each leg includes an upper arm and a lower arm connected in series. The upper arm of the third leg includes a switching element Q5, a diode D5, and a capacitor C5, the lower arm of the third leg includes a switching element Q6, a diode D6, and a capacitor C6, the upper arm of the fourth leg includes a switching element Q7, a diode D7, and a capacitor C7, and the lower arm of the fourth leg includes a switching element Q8, a diode D8, and a capacitor C8.

スイッチング素子Q1~Q8は、トランジスタの回路記号で記載しているが、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)、SiC(シリコンカーバイド)-MOSFET、GaN(窒化ガリウム)-MOSFET等、高周波でスイッチングが可能な電力用半導体スイッチング素子を用いることができる。 The switching elements Q1 to Q8 are indicated by the circuit symbols for transistors, but any power semiconductor switching element capable of switching at high frequencies, such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor), MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), SiC (silicon carbide)-MOSFET, or GaN (gallium nitride)-MOSFET, can be used.

ダイオードD1~D8は、スイッチング素子Q1~Q8の電流路に逆方向に並列接続される。ダイオードD1~D8は、スイッチング素子Q1~Q8とは独立した外付けダイオードで記載しているが、スイッチング素子Q1~Q8の寄生ダイオードでもよいし、その両方でもよい。 Diodes D1 to D8 are connected in parallel in the reverse direction to the current paths of switching elements Q1 to Q8. Diodes D1 to D8 are described as external diodes independent of switching elements Q1 to Q8, but they may be parasitic diodes of switching elements Q1 to Q8, or both.

コンデンサC1~C8は、部分共振のためのコンデンサであり、スイッチング素子Q1~Q8の電流路およびダイオードD1~D8に並列接続される。コンデンサC1~C8は、スイッチング素子Q1~Q8の寄生コンデンサでもよいし、スイッチング素子Q1~Q8とは独立した外付けコンデンサでもよいし、その両方でもよい。 Capacitors C1 to C8 are capacitors for partial resonance and are connected in parallel to the current paths of switching elements Q1 to Q8 and diodes D1 to D8. Capacitors C1 to C8 may be parasitic capacitors of switching elements Q1 to Q8, or may be external capacitors independent of switching elements Q1 to Q8, or may be both.

1次側共振回路13は、トランスTrの1次側コイルに対して直列に接続された、本発明の「第1共振コイル」に相当する共振コイルLr1と、本発明の「第1共振コンデンサ」に相当する共振コンデンサCr1とを含む。 The primary resonant circuit 13 includes a resonant coil Lr1, which corresponds to the "first resonant coil" of the present invention, and a resonant capacitor Cr1, which corresponds to the "first resonant capacitor" of the present invention, connected in series to the primary coil of the transformer Tr.

2次側共振回路14は、トランスTrの2次側コイルに対して直列に接続された、本発明の「第2共振コイル」に相当する共振コイルLr2と、本発明の「第2共振コンデンサ」に相当する共振コンデンサCr2とを含む。 The secondary resonant circuit 14 includes a resonant coil Lr2, which corresponds to the "second resonant coil" of the present invention, and a resonant capacitor Cr2, which corresponds to the "second resonant capacitor" of the present invention, connected in series to the secondary coil of the transformer Tr.

共振コイルLr1および共振コンデンサCr1は、1次側コイルの両端に配置しているが、1次側コイルの片側に配置してもよい。または、共振コンデンサCr1および共振コイルLr1の定数を分割して、双方を1次側コイルの両端に配置してもよい。共振コイルLr2および共振コンデンサCr2についても同様である。また、共振コイルLr1、Lr2は、その一部あるいはそのすべてがトランスTrの漏れ磁束で構成されてもよく、個別のコイルで構成されてもよく、その両方でもよい。 The resonant coil Lr1 and the resonant capacitor Cr1 are placed on both ends of the primary coil, but they may be placed on one side of the primary coil. Alternatively, the constants of the resonant capacitor Cr1 and the resonant coil Lr1 may be divided and both may be placed on both ends of the primary coil. The same applies to the resonant coil Lr2 and the resonant capacitor Cr2. Furthermore, the resonant coils Lr1 and Lr2 may be partially or entirely composed of leakage flux from the transformer Tr, or may be composed of individual coils, or both.

制御部20は、スイッチング素子Q1~Q8をオン/オフさせるためのスイッチング素子Q1~Q8の各駆動回路と、各駆動回路に制御信号を送るための制御回路とを含む。制御部20は、アナログ回路で構成されてもよいし、マイクロコントローラやDSP等のデジタル回路で構成されてもよいし、アナログ回路とデジタル回路とを組み合わせた回路で構成されてもよい。 The control unit 20 includes drive circuits for the switching elements Q1 to Q8 for turning the switching elements Q1 to Q8 on and off, and a control circuit for sending control signals to each drive circuit. The control unit 20 may be composed of analog circuits, digital circuits such as a microcontroller or DSP, or a combination of analog and digital circuits.

制御部20は、各種検出回路(図示せず)の検出値に基づいて、1次側の電圧V1、2次側の電圧V2、および1次側と2次側の電流(図示せず)を監視し、スイッチング素子Q1~Q8をオン/オフさせる。 The control unit 20 monitors the primary side voltage V1, the secondary side voltage V2, and the primary and secondary side currents (not shown) based on the detection values of various detection circuits (not shown), and turns the switching elements Q1 to Q8 on and off.

制御部20は、1次側の第1ブリッジ回路11から2次側の第2ブリッジ回路12への電力伝送を行わせる順方向制御と、2次側の第2ブリッジ回路12から1次側の第1ブリッジ回路11への電力伝送を行わせる逆方向制御と、電力伝送の方向を切換える切換え制御とを実行する。 The control unit 20 executes forward control to transmit power from the first bridge circuit 11 on the primary side to the second bridge circuit 12 on the secondary side, reverse control to transmit power from the second bridge circuit 12 on the secondary side to the first bridge circuit 11 on the primary side, and switching control to switch the direction of power transmission.

具体的には、順方向制御時の制御部20は、駆動回路となる第1ブリッジ回路11に対してスイッチング素子Q1~Q4を規定の周波数範囲で駆動させる周波数制御を行う一方、第2ブリッジ回路12に対して同期整流制御を行う。順方向制御かつ切換え制御時の制御部20は、第1ブリッジ回路11に対して第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の位相シフト制御を行う。 Specifically, during forward control, the control unit 20 performs frequency control for the first bridge circuit 11, which serves as the drive circuit, to drive the switching elements Q1 to Q4 within a specified frequency range, while performing synchronous rectification control for the second bridge circuit 12. During forward control and switching control, the control unit 20 performs phase shift control between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) of the first bridge circuit 11.

逆方向制御時の制御部20は、駆動回路となる第2ブリッジ回路12に対してスイッチング素子Q5~Q8を規定の周波数範囲で駆動させる周波数制御を行う一方、第1ブリッジ回路11に対して同期整流制御を行う。逆方向制御かつ切換え制御時の制御部20は、第2ブリッジ回路12に対して第3レグ(スイッチング素子Q5、Q6)と第4レグ(スイッチング素子Q7、Q8)間の位相シフト制御を行う。 During reverse control, the control unit 20 performs frequency control for the second bridge circuit 12, which serves as the drive circuit, to drive the switching elements Q5 to Q8 within a specified frequency range, while performing synchronous rectification control for the first bridge circuit 11. During reverse control and switching control, the control unit 20 performs phase shift control between the third leg (switching elements Q5, Q6) and the fourth leg (switching elements Q7, Q8) of the second bridge circuit 12.

図2~図4に、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1の電力伝送方向切換え時の制御(切換え制御)の流れを示す。具体的には、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1が定電圧制御で順方向電力伝送中に出力電力が低下し、出力電圧が上昇して逆方向への電力伝送方向切換えを行う時の制御、および逆方向への電力伝送方向切換え後に逆方向出力電力が低下し、順方向への電力伝送方向切換えを行う時の制御の流れを示す。 Figures 2 to 4 show the flow of control (switching control) when switching the power transmission direction of the bidirectional current resonant DC/DC converter 1. Specifically, they show the flow of control when the output power drops during forward power transmission in the bidirectional current resonant DC/DC converter 1 under constant voltage control, the output voltage rises, and the power transmission direction is switched to the reverse direction, and the flow of control when the reverse output power drops after switching the power transmission direction to the reverse direction, and the power transmission direction is switched to the forward direction.

図2において、順方向電力伝送時に出力が低下する場合の処理の流れについて説明する。双方向電流共振型DC/DCコンバータ1は、第1ブリッジ回路11から第2ブリッジ回路12の方向に電力伝送を行っているものとする。この場合、制御部20は、順方向制御を実行し、第1ブリッジ回路11に対して、入力を電圧V1とし第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の位相差を0°(位相差なし)として周波数制御を行い、第2ブリッジ回路12に対して、同期整流制御かつ電圧V2の定電圧制御を行う(S101)。 In FIG. 2, the flow of processing when the output drops during forward power transmission will be described. The bidirectional current resonant DC/DC converter 1 is assumed to transmit power in the direction from the first bridge circuit 11 to the second bridge circuit 12. In this case, the control unit 20 executes forward control, performs frequency control on the first bridge circuit 11 with the input voltage V1 and the phase difference between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) at 0° (no phase difference), and performs synchronous rectification control and constant voltage control of voltage V2 on the second bridge circuit 12 (S101).

制御部20は、電圧V2の上昇による出力電力の低下に応じて、第1ブリッジ回路11の駆動周波数F1を所定の最大周波数F1maxまで増加させる(S102でYes)。駆動周波数F1が最大周波数F1maxに達するまでは(S102でNo)、ステップS101を実行する。さらに出力電力が低下すると、制御部20は、位相シフト制御を開始し、第1ブリッジ回路11の第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の位相差すなわち第1位相シフト量θ1を0°から増加させる(S103)。なお、ステップS103で電圧V2の上昇によって出力電力が低下すれば第1位相シフト量θ1を増加し、電圧V2の下降によって出力電力が増加すれば第1位相シフト量θ1を減少させる。すなわち、制御部20は、目標電力に対して出力電力が大きい場合は、第1位相シフト量θ1を増加し、目標電力に対して出力電力が小さい場合は、第1位相シフト量θ1を減少させる。このように位相シフト制御することで回路を構成する素子の寄生容量による共振の影響を受けずに制御することができる。 The control unit 20 increases the drive frequency F1 of the first bridge circuit 11 to a predetermined maximum frequency F1max in response to the decrease in output power due to the increase in voltage V2 (Yes in S102). Step S101 is executed until the drive frequency F1 reaches the maximum frequency F1max (No in S102). If the output power further decreases, the control unit 20 starts phase shift control and increases the phase difference between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) of the first bridge circuit 11, i.e., the first phase shift amount θ1, from 0° (S103). Note that if the output power decreases due to the increase in voltage V2 in step S103, the first phase shift amount θ1 is increased, and if the output power increases due to the decrease in voltage V2, the first phase shift amount θ1 is decreased. That is, the control unit 20 increases the first phase shift amount θ1 when the output power is greater than the target power, and decreases the first phase shift amount θ1 when the output power is smaller than the target power. By controlling the phase shift in this way, it is possible to control without being affected by resonance due to the parasitic capacitance of the elements that make up the circuit.

制御部20は、第2ブリッジ回路12の出力電流(2次側電流)が予め規定された閾値よりも大きい場合(S104でNo)、第2ブリッジ回路12の同期整流制御を継続し(S105)、第1位相シフト量θ1が0°でなければ(S106でNo)、ステップS103以降を実行し、第1位相シフト量θ1が0°であれば(S106でYes)、ステップS101以降を実行する。一方、第2ブリッジ回路12の出力電流が閾値以下の場合(S104でYes)、制御部20は、第2ブリッジ回路12の同期整流制御を停止する(S107)。 If the output current (secondary side current) of the second bridge circuit 12 is greater than a predefined threshold (No in S104), the control unit 20 continues the synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 (S105). If the first phase shift amount θ1 is not 0° (No in S106), the control unit 20 executes steps S103 and onward. If the first phase shift amount θ1 is 0° (Yes in S106), the control unit 20 executes steps S101 and onward. On the other hand, if the output current of the second bridge circuit 12 is equal to or less than the threshold (Yes in S104), the control unit 20 stops the synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 (S107).

さらに出力電力が低下し、第1位相シフト量θ1が最大値(予め設定した最大値または180°)に達するまでは(S108でNo)ステップS103以降を実行する。一方、第1位相シフト量θ1が最大値に達し(S108でYes)、第1ブリッジ回路11から第2ブリッジ回路12への出力が最小値(0または予め設定した最小値)に制御されたにも関わらず、出力電圧V2が上昇し、所定の上限値に達した場合(S109でYes)、制御部20は、第1ブリッジ回路11の駆動を停止させる(S110)。これにより、制御部20は、電力伝送方向の反転(第2ブリッジ回路12から第1ブリッジ回路11への逆方向電力伝送)開始と判断し、図3「A」(S201以降)へ続く。なお、第1位相シフト量θ1が最大値に達した後、出力電圧V2が上昇しなければ(S109でNo)、ステップS103以降を実行する。 The output power further decreases, and steps S103 and onwards are executed until the first phase shift amount θ1 reaches a maximum value (preset maximum value or 180°) (No in S108). On the other hand, if the first phase shift amount θ1 reaches a maximum value (Yes in S108) and the output from the first bridge circuit 11 to the second bridge circuit 12 is controlled to a minimum value (0 or a preset minimum value), but the output voltage V2 rises and reaches a predetermined upper limit value (Yes in S109), the control unit 20 stops driving the first bridge circuit 11 (S110). As a result, the control unit 20 determines that the power transmission direction has started to be reversed (reverse power transmission from the second bridge circuit 12 to the first bridge circuit 11), and proceeds to FIG. 3 "A" (S201 and onwards). Note that if the output voltage V2 does not rise after the first phase shift amount θ1 reaches a maximum value (No in S109), steps S103 and onwards are executed.

次いで、図3において、図2「A」の後の逆方向電力伝送時の起動処理の流れを説明する。制御部20は、第1ブリッジ回路11の駆動を停止させたまま、第2ブリッジ回路12に対して、入力を電圧V2として当該電圧V2の定電圧制御を行いつつ、第3レグ(スイッチング素子Q5、Q6)と第4レグ(スイッチング素子Q7、Q8)間の位相差を最大値(予め設定した最大値または180°)にして、かつ駆動周波数F2を最大周波数F2maxにして位相シフト制御を開始する(S201)。 Next, in FIG. 3, the flow of the startup process during reverse power transmission after FIG. 2 "A" will be described. While stopping the drive of the first bridge circuit 11, the control unit 20 performs constant voltage control of the input voltage V2 for the second bridge circuit 12, sets the phase difference between the third leg (switching elements Q5, Q6) and the fourth leg (switching elements Q7, Q8) to the maximum value (preset maximum value or 180°) and sets the drive frequency F2 to the maximum frequency F2max to start phase shift control (S201).

制御部20は、電圧V2の状況に合わせて第3レグ(スイッチング素子Q5、Q6)と第4レグ(スイッチング素子Q7、Q8)間の位相差すなわち第2位相シフト量θ2を制御し、電圧V2が上昇した場合は第2位相シフト量θ2を最大値から減少させる(S202)。位相シフト制御により第1ブリッジ回路11の出力電流(1次側電流)が予め規定された閾値以上になると(S203でYes)、制御部20は、第1ブリッジ回路11の同期整流制御を開始する(S204)。なお、ステップS202で、電圧V2が上昇した場合は第2位相シフト量θ2を減少させ、電圧V2が下降した場合は第2位相シフト量θ2を増加させる。 The control unit 20 controls the phase difference between the third leg (switching elements Q5, Q6) and the fourth leg (switching elements Q7, Q8), i.e., the second phase shift amount θ2, according to the state of the voltage V2, and reduces the second phase shift amount θ2 from the maximum value when the voltage V2 rises (S202). When the output current (primary side current) of the first bridge circuit 11 becomes equal to or greater than a predetermined threshold value due to the phase shift control (Yes in S203), the control unit 20 starts synchronous rectification control of the first bridge circuit 11 (S204). Note that in step S202, when the voltage V2 rises, the second phase shift amount θ2 is reduced, and when the voltage V2 drops, the second phase shift amount θ2 is increased.

さらに出力電力が増加し、第2位相シフト量θ2が0°に達すると(S205でYes)、制御部20は、第2ブリッジ回路12の駆動周波数F2を最大周波数F2maxから低下させる周波数制御を行い(S206)、出力電力を目標値に近づける。出力電力が目標値に達すると、制御部20は、制御を継続する場合は(S207でYes)、ステップS202以降を実行し、制御を継続しない場合は(S207でNo)、処理を終了する。 When the output power further increases and the second phase shift amount θ2 reaches 0° (Yes in S205), the control unit 20 performs frequency control to reduce the drive frequency F2 of the second bridge circuit 12 from the maximum frequency F2max (S206) to bring the output power closer to the target value. When the output power reaches the target value, if the control unit 20 continues the control (Yes in S207), it executes steps S202 and onward, and if the control does not continue (No in S207), it ends the process.

一方、第1ブリッジ回路11の出力電流(1次側電流)が予め規定された閾値未満の場合(S203でNo)、第1ブリッジ回路11の同期整流制御を停止し(S208)、第2位相シフト量θ2が最大値未満の場合(S209でNo)はステップS202以降を実行する。第2位相シフト量θ2が最大値となり(S209でYes)、電圧V2が所定の下限値以下になった場合(S210でYes)、制御部20は、逆流電力が減少し逆方向動作が不要になったとして第2ブリッジ回路12の駆動を停止させる(S211)。これにより、制御部20は、電力伝送方向の反転(第1ブリッジ回路11から第2ブリッジ回路12への順方向電力伝送)開始と判断し、図4「B」(S301以降)へ続く。 On the other hand, if the output current (primary side current) of the first bridge circuit 11 is less than the predetermined threshold (No in S203), the synchronous rectification control of the first bridge circuit 11 is stopped (S208), and if the second phase shift amount θ2 is less than the maximum value (No in S209), steps S202 and after are executed. If the second phase shift amount θ2 becomes the maximum value (Yes in S209) and the voltage V2 becomes equal to or less than a predetermined lower limit value (Yes in S210), the control unit 20 stops driving the second bridge circuit 12 since the reverse current has decreased and reverse operation is no longer necessary (S211). As a result, the control unit 20 determines that the power transmission direction has started to be reversed (forward power transmission from the first bridge circuit 11 to the second bridge circuit 12), and the process continues to "B" (S301 and after) in FIG. 4.

次いで、図4において、図3「B」の後の順方向電力伝送時の起動処理の流れを説明する。制御部20は、第2ブリッジ回路12の駆動を停止させたまま、第1ブリッジ回路11に対して、入力を電圧V1とし電圧V2の定電圧制御を行いつつ、第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の位相差を最大値(予め設定した最大値または180°)にして、かつ駆動周波数F1を最大周波数F1maxにして位相シフト制御を開始する(S301)。 Next, in FIG. 4, the flow of the startup process during forward power transmission after FIG. 3 "B" will be described. While stopping the drive of the second bridge circuit 12, the control unit 20 performs constant voltage control of the first bridge circuit 11 with the input voltage V1 and the voltage V2, while setting the phase difference between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) to the maximum value (preset maximum value or 180°) and setting the drive frequency F1 to the maximum frequency F1max to start phase shift control (S301).

制御部20は、以下、ステップS202~S207と同様に制御する。すなわち、制御部20は、電圧V2の状況に合わせて第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)との間の位相差、すなわち第1位相シフト量θ1を制御し、電圧V2が減少した場合は、第1位相シフト量θ1を最大値から減少させ(S302)、第2ブリッジ回路12の出力電流が予め規定された閾値以上になると(S303でYes)、第2ブリッジ回路12の同期整流制御を開始する(S304)。第1位相シフト量θ1が0°に達するまでは(S305でNo)、ステップS302以降を実行する。なお、ステップS302で、電圧V2が減少した場合は第1位相シフト量θ1を減少させ、電圧V2が上昇した場合は第1位相シフト量θ1を増加させる。 The control unit 20 performs the same control as steps S202 to S207. That is, the control unit 20 controls the phase difference between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4), i.e., the first phase shift amount θ1, according to the state of the voltage V2. When the voltage V2 decreases, the control unit 20 decreases the first phase shift amount θ1 from the maximum value (S302). When the output current of the second bridge circuit 12 becomes equal to or greater than a predetermined threshold value (Yes in S303), the control unit 20 starts synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 (S304). Until the first phase shift amount θ1 reaches 0° (No in S305), the control unit 20 executes steps S302 and after. Note that in step S302, when the voltage V2 decreases, the control unit 20 decreases the first phase shift amount θ1, and when the voltage V2 increases, the control unit 20 increases the first phase shift amount θ1.

さらに出力電力が増加し、第1ブリッジ回路11の第1位相シフト量θ1が0°に達すると(S305でYes)、第1ブリッジ回路11の駆動周波数F1を出力電力に合わせて最大周波数F1maxから低下させる周波数制御を行い(S306)、制御を継続する場合は(S307でYes)、図2の「C」からステップS101の状態に移行する。制御を継続しない場合は(S307でNo)、処理を終了する。 When the output power further increases and the first phase shift amount θ1 of the first bridge circuit 11 reaches 0° (Yes in S305), frequency control is performed to reduce the drive frequency F1 of the first bridge circuit 11 from the maximum frequency F1max to match the output power (S306). If the control is to be continued (Yes in S307), the state transitions from "C" in FIG. 2 to step S101. If the control is not to be continued (No in S307), the process ends.

一方、第2ブリッジ回路12の出力電流が予め規定された閾値未満の場合(S303でNo)、第2ブリッジ回路12の同期整流制御を停止し(S308)、第1位相シフト量θ1が最大値未満の場合は(S309でNo)、ステップS302以降を実行する。第1位相シフト量θ1が最大値になると(S309でYes)、第2ブリッジ回路12に外部から電圧が印可されて電圧V2が所定の上限値になるまでは(S310でNo)、ステップS302以降を実行し、上限値以上になった場合(S310でYes)、図2の「D」からステップS110の状態に移行する。 On the other hand, if the output current of the second bridge circuit 12 is less than the predetermined threshold value (No in S303), the synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 is stopped (S308), and if the first phase shift amount θ1 is less than the maximum value (No in S309), steps S302 and after are executed. When the first phase shift amount θ1 becomes the maximum value (Yes in S309), steps S302 and after are executed until a voltage is applied to the second bridge circuit 12 from the outside and the voltage V2 becomes a predetermined upper limit value (No in S310), and when it becomes equal to or greater than the upper limit value (Yes in S310), the state transitions from "D" in FIG. 2 to step S110.

上記説明において、ステップS102でYesとなり第1ブリッジ回路11の駆動周波数F1を最大とする処理が、本発明の「第1処理」に相当する。ステップS103で第1ブリッジ回路11の第1位相シフト量θ1を増加させる処理が、本発明の「第2処理」に相当する。ステップS104、S107で第2ブリッジ回路12の出力電流が閾値以下となり、第2ブリッジ回路12の同期整流制御を停止する処理が、本発明の「第3処理」に相当する。ステップS108~S110で第1ブリッジ回路11の第1位相シフト量θ1が最大となり、電圧V2が上限値以上となり、第1ブリッジ回路11の駆動を停止させる処理が、本発明の「第4処理」に相当する。 In the above description, the process in which the answer is Yes in step S102 and the drive frequency F1 of the first bridge circuit 11 is maximized corresponds to the "first process" of the present invention. The process in which the first phase shift amount θ1 of the first bridge circuit 11 is increased in step S103 corresponds to the "second process" of the present invention. The process in which the output current of the second bridge circuit 12 is below the threshold value in steps S104 and S107 and the synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 is stopped corresponds to the "third process" of the present invention. The process in which the first phase shift amount θ1 of the first bridge circuit 11 is maximized in steps S108 to S110 and the voltage V2 is above the upper limit value and the drive of the first bridge circuit 11 is stopped corresponds to the "fourth process" of the present invention.

ステップS201で第1ブリッジ回路11の駆動を停止させたまま第2ブリッジ回路12に対して位相差最大かつ最大周波数F2maxで位相シフト制御を開始する処理が、本発明の「第5処理」に相当する。ステップS202~S204で第2ブリッジ回路12の第2位相シフト量θ2を減少させ、第1ブリッジ回路11の出力電流が閾値以上となると、第1ブリッジ回路11の同期整流制御を開始する処理が、本発明の「第6処理」に相当する。ステップS205、S206で第2ブリッジ回路12の第2位相シフト量θ2が0°となり、駆動周波数F2を最大周波数F2maxから低下させる周波数制御を行う処理が、本発明の「第7処理」に相当する。 The process of starting phase shift control for the second bridge circuit 12 with the maximum phase difference and maximum frequency F2max while stopping the drive of the first bridge circuit 11 in step S201 corresponds to the "fifth process" of the present invention. The process of decreasing the second phase shift amount θ2 of the second bridge circuit 12 in steps S202 to S204 and starting synchronous rectification control of the first bridge circuit 11 when the output current of the first bridge circuit 11 becomes equal to or greater than the threshold corresponds to the "sixth process" of the present invention. The process of performing frequency control in which the second phase shift amount θ2 of the second bridge circuit 12 becomes 0° and the drive frequency F2 is reduced from the maximum frequency F2max in steps S205 and S206 corresponds to the "seventh process" of the present invention.

なお、上記説明では、「第2処理」の後に「第3処理」を行い、「第6処理」の後に「第7処理」を行うようにしたが、同期整流制御を停止または開始するのは出力電流の閾値に依存し、駆動回路の位相シフト制御の動作とは無関係なので、位相シフト制御を行う際には同期整流制御を停止してもよい。すなわち、「第3処理」を行った後に「第2処理」を行い、「第7処理」を行った後に「第6処理」のステップS203、S204の処理を行ってもよい。 In the above explanation, the "third process" is performed after the "second process" and the "seventh process" is performed after the "sixth process". However, whether the synchronous rectification control is stopped or started depends on the output current threshold and is unrelated to the operation of the phase shift control of the drive circuit, so the synchronous rectification control may be stopped when the phase shift control is performed. In other words, the "second process" may be performed after the "third process", and the processes of steps S203 and S204 of the "sixth process" may be performed after the "seventh process".

図5は、第1ブリッジ回路11の第1レグと第2レグ間の位相差θ(第1位相シフト量θ1)の変化を示したタイミング図である。 Figure 5 is a timing diagram showing the change in the phase difference θ (first phase shift amount θ1) between the first leg and the second leg of the first bridge circuit 11.

図5(A)は、第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の位相差θを0°(位相差なし)とした状態であり、図2のステップS101の状態に相当する。 Figure 5 (A) shows a state in which the phase difference θ between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) is 0° (no phase difference), which corresponds to the state of step S101 in Figure 2.

図5(B)では、第1レグと第2レグ間は位相差θがわずかに生じており、図5(C)では、位相差θが大きくなっている。これらは図2のステップS103の状態に相当する。図5(D)では、第1レグと第2レグ間は位相差θ=180°(最大値)になっており、これは図2のステップS108でYesの状態に相当する。 In FIG. 5(B), there is a slight phase difference θ between the first leg and the second leg, and in FIG. 5(C), the phase difference θ is large. These correspond to the state of step S103 in FIG. 2. In FIG. 5(D), the phase difference θ between the first leg and the second leg is θ = 180° (maximum value), which corresponds to the Yes state in step S108 in FIG. 2.

[双方向電源装置]
図6に、本発明の一実施形態に係る双方向電源装置2を用いた電源システムの構成図を示す。図6では、双方向電源装置2をV2H(Vehicle to Home)に適用している。
[Bidirectional power supply]
6 shows a configuration diagram of a power supply system using a bidirectional power supply device 2 according to an embodiment of the present invention. In FIG. 6, the bidirectional power supply device 2 is applied to a V2H (Vehicle to Home) system.

双方向電源装置2は、DC/DC電源部10と、DC/AC電源部30と、これらを制御する制御部21と、端子T1~T6とを備える。DC/DC電源部10と、制御部21のDC/DC電源部10の制御に関する部分(すなわち、制御部20の機能を有する部分)とが、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1に相当し、DC/AC電源部30と、制御部21のDC/AC電源部30の制御に関する部分とが、本発明の双方向DC/ACインバータに相当する。 The bidirectional power supply 2 comprises a DC/DC power supply unit 10, a DC/AC power supply unit 30, a control unit 21 that controls these, and terminals T1 to T6. The DC/DC power supply unit 10 and the part of the control unit 21 that controls the DC/DC power supply unit 10 (i.e., the part that has the functions of the control unit 20) correspond to the bidirectional current resonant DC/DC converter 1, and the DC/AC power supply unit 30 and the part of the control unit 21 that controls the DC/AC power supply unit 30 correspond to the bidirectional DC/AC inverter of the present invention.

DC/DC電源部10は、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1のDC/DC電源部10と同じ構成である。DC/DC電源部10とDC/AC電源部30との接続点(端子T3、T4間)には、電圧安定化のための電解コンデンサ(図示せず)が接続されている。 The DC/DC power supply unit 10 has the same configuration as the DC/DC power supply unit 10 of the bidirectional current resonant DC/DC converter 1. An electrolytic capacitor (not shown) for voltage stabilization is connected to the connection point (between terminals T3 and T4) between the DC/DC power supply unit 10 and the DC/AC power supply unit 30.

DC/AC電源部30は、複数のスイッチング素子およびインダクタを含み、制御部21の制御下(例えば、PWM制御下)で、直流電力を交流電力に変換するDC/AC変換動作と、交流電力を直流電力に変換するAC/DC変換動作とを行うよう構成される。 The DC/AC power supply unit 30 includes multiple switching elements and inductors, and is configured to perform DC/AC conversion operations to convert DC power to AC power and AC/DC conversion operations to convert AC power to DC power under the control of the control unit 21 (e.g., under PWM control).

制御部21は、上記の制御部20の機能を有し、さらにDC/AC電源部30の複数のスイッチング素子をオン/オフさせるためのスイッチング制御(例えば、PWM制御)を行うよう構成される。制御部21は、制御部20と同様に、アナログ回路で構成されてもよいし、マイクロコントローラやDSP等のデジタル回路で構成されてもよいし、アナログ回路とデジタル回路とを組み合わせた回路で構成されてもよい。 The control unit 21 has the functions of the control unit 20 described above, and is further configured to perform switching control (e.g., PWM control) for turning on/off multiple switching elements of the DC/AC power supply unit 30. Like the control unit 20, the control unit 21 may be configured with an analog circuit, or may be configured with a digital circuit such as a microcontroller or DSP, or may be configured with a circuit that combines an analog circuit and a digital circuit.

双方向電源装置2では、DC/DC電源部10とDC/AC電源部30とが端子T3、T4を介して互いに接続される。双方向電源装置2の直流側の端子T1、T2は、図示しない充放電コネクタを経由して電気自動車(EV)40に接続される。双方向電源装置2の交流側の端子T5、T6は、家庭の電気製品や電気設備等の負荷50に接続され、また太陽光パネル(PV)60のパワーコンディショナー装置(PCS)61に接続され、さらに系統解列器(SW)70を経由して電力系統71(系統電源V4)に接続される。 In the bidirectional power supply 2, the DC/DC power supply unit 10 and the DC/AC power supply unit 30 are connected to each other via terminals T3 and T4. The DC side terminals T1 and T2 of the bidirectional power supply 2 are connected to an electric vehicle (EV) 40 via a charge/discharge connector (not shown). The AC side terminals T5 and T6 of the bidirectional power supply 2 are connected to a load 50 such as a household electrical appliance or electrical equipment, and are also connected to a power conditioner device (PCS) 61 of a solar panel (PV) 60, and are further connected to a power system 71 (system power source V4) via a system disconnector (SW) 70.

双方向電源装置2は、図示しない操作部(例えば、操作パネル)を備えており、操作部で充電指示を受け付けた場合、電気自動車40に対して充電動作を行う一方、操作部で放電指示を受け付けた場合、電気自動車40に対して放電動作を行う。 The bidirectional power supply device 2 has an operation unit (e.g., an operation panel) not shown, and when a charge command is received by the operation unit, the device performs a charging operation on the electric vehicle 40, whereas when a discharge command is received by the operation unit, the device performs a discharging operation on the electric vehicle 40.

具体的には、充電動作時の双方向電源装置2は、充電電源として動作し、端子T5、T6に供給された系統電力および/またはパワーコンディショナー装置61で交流に変換された太陽光パネル60の発電電力を直流電力に変換し、当該直流電力を定電流制御で電気自動車40に供給する。 Specifically, during charging operation, the bidirectional power supply device 2 operates as a charging power supply, converting the system power supplied to terminals T5 and T6 and/or the power generated by the solar panel 60 that has been converted to AC by the power conditioner device 61 into DC power, and supplies the DC power to the electric vehicle 40 under constant current control.

放電動作時の双方向電源装置2は、電力系統71が通電している通電時の場合、回生電源として動作し、電気自動車40のバッテリーに蓄えられた直流電力を商用周波数の交流電力に変換し、当該交流電力を系統連係して端子T5、T6から出力する。 When discharging, the bidirectional power supply device 2 operates as a regenerative power supply when the power grid 71 is energized, converting the DC power stored in the battery of the electric vehicle 40 into AC power of commercial frequency, and outputting the AC power from terminals T5 and T6 via grid connection.

一方、電力系統71が停電している停電時の場合、放電動作時の双方向電源装置2は、系統解列器70を操作して電力系統71から解列させ、自立運転を行い、負荷50に交流電力を供給する。パワーコンディショナー装置61は、双方向電源装置2が供給する交流電力に連系(疑似連系)して負荷50に交流電力を供給することができる。 On the other hand, in the event of a power outage in which the power grid 71 is out, the bidirectional power supply device 2 during discharging operation operates the system disconnector 70 to disconnect from the power grid 71, performs independent operation, and supplies AC power to the load 50. The power conditioner device 61 can supply AC power to the load 50 by connecting (pseudo-connecting) to the AC power supplied by the bidirectional power supply device 2.

太陽光パネル60の発電電力に余剰電力がある場合、双方向電源装置2は、余剰電力を利用して電気自動車40に対して充電動作を行うことができ、電力系統71の停電時でも電気自動車40のバッテリーに電力を蓄えることができる。これにより、双方向電源装置2は、自立運転を長時間行うことができる。 When there is surplus power generated by the solar panel 60, the bidirectional power supply 2 can use the surplus power to charge the electric vehicle 40, and can store power in the battery of the electric vehicle 40 even during a power outage in the power grid 71. This allows the bidirectional power supply 2 to operate autonomously for long periods of time.

そのため、双方向電源装置2は、定電圧制御による端子T1、T2から端子T5、T6方向への放電動作中に、余剰電力が発生し電流の流れが反転した時点で、切換え時の電力ジャンプがなく、スムーズかつシームレスに電力伝送方向の切換えを行う必要がある。また、電力伝送方向の切換え後に余剰電力が減少し、電流の流れが元に戻った時点で、充電動作から放電動作にスムーズかつシームレスに電力伝送方向を元に戻す必要がある。 Therefore, when surplus power is generated and the current flow is reversed during discharging operation from terminals T1, T2 to terminals T5, T6 under constant voltage control, the bidirectional power supply 2 must smoothly and seamlessly switch the power transmission direction without a power jump during switching. In addition, when the surplus power decreases after switching the power transmission direction and the current flow returns to normal, the power transmission direction must be smoothly and seamlessly returned from charging to discharging.

放電動作時のDC/DC電源部10は、電気自動車40のバッテリー電圧である電圧V1を入力とし、DC/AC電源部30との接続点(端子T3、T4間)の電圧であるリンク電圧V2(本発明の「接続点電圧」に相当)の定電圧制御を行う。DC/AC電源部30は、DC/AC変換動作により直流のリンク電圧V2を商用交流電圧(電圧V3)に変換し、かつ電圧V3の定電圧制御を行う。 During discharge operation, the DC/DC power supply unit 10 receives voltage V1, which is the battery voltage of the electric vehicle 40, and performs constant voltage control of link voltage V2 (corresponding to the "connection point voltage" of the present invention), which is the voltage at the connection point (between terminals T3 and T4) with the DC/AC power supply unit 30. The DC/AC power supply unit 30 converts the direct current link voltage V2 into a commercial AC voltage (voltage V3) through a DC/AC conversion operation, and performs constant voltage control of voltage V3.

負荷50の消費電力よりも太陽光パネル60の発電電力が大きくなり余剰電力が生じると、電圧V3が上昇し、DC/AC電源部30は逆向き(充電方向)の電力変換動作(AC/DC変換動作)を開始する。これにより、双方向電源装置2では、電流の向きが反転してリンク電圧V2が上昇する。DC/DC電源部10は、制御部21の制御(切換え制御)により、リンク電圧V2が上昇しても、切換え時の電力ジャンプがなく、スムーズかつシームレスに電流方向を反転させて、電力伝送方向を反転させることができる。また、電力伝送方向の切換え後に負荷50の消費電力と太陽光パネル60の発電電力との差が減少し、余剰電力がなくなると、電圧V3が下降し、DC/AC電源部30は元の放電方向の電力変換動作(DC/AC変換動作)を開始する。これにより、双方向電源装置2では、電流の向きが反転してリンク電圧V2が減少する。DC/DC電源部10は、制御部21の制御(切換え制御)により、リンク電圧V2が減少しても、切換え時の電力ジャンプがなく、スムーズかつシームレスに電流方向を反転させて、電力伝送方向を元の方向に戻すことができる。 When the power generated by the solar panel 60 becomes greater than the power consumption of the load 50 and surplus power is generated, the voltage V3 rises, and the DC/AC power supply unit 30 starts a power conversion operation (AC/DC conversion operation) in the reverse direction (charging direction). As a result, in the bidirectional power supply 2, the direction of the current is reversed and the link voltage V2 rises. The DC/DC power supply unit 10, under the control (switching control) of the control unit 21, can smoothly and seamlessly reverse the current direction and reverse the power transmission direction without a power jump at the time of switching, even if the link voltage V2 rises. In addition, after the power transmission direction is switched, when the difference between the power consumption of the load 50 and the power generated by the solar panel 60 decreases and the surplus power disappears, the voltage V3 drops, and the DC/AC power supply unit 30 starts a power conversion operation (DC/AC conversion operation) in the original discharge direction. As a result, in the bidirectional power supply 2, the direction of the current is reversed and the link voltage V2 decreases. The DC/DC power supply unit 10, under the control of the control unit 21 (switching control), can smoothly and seamlessly reverse the current direction and return the power transmission direction to the original direction without a power jump when switching, even if the link voltage V2 decreases.

図7に、双方向電源装置2内におけるDC/DC電源部10の電力伝送方向切換え時の駆動周波数と出力電力の変化を模式的に示す。 Figure 7 shows a schematic diagram of the changes in drive frequency and output power when the power transmission direction of the DC/DC power supply unit 10 in the bidirectional power supply device 2 is switched.

図7の第3象限は、放電側(V1側からV3側への)電力伝送量を示し、横軸FdはDC/DC電源部10の駆動周波数、縦軸Pdは放電電力を示す。図7の第1象限は、充電側(V3側からV1側への)電力伝送量を示し、横軸FcはDC/DC電源部10の駆動周波数、縦軸Pcは充電電力を示す。 The third quadrant of FIG. 7 shows the amount of power transmission on the discharge side (from the V1 side to the V3 side), with the horizontal axis Fd representing the drive frequency of the DC/DC power supply unit 10 and the vertical axis Pd representing the discharge power. The first quadrant of FIG. 7 shows the amount of power transmission on the charge side (from the V3 side to the V1 side), with the horizontal axis Fc representing the drive frequency of the DC/DC power supply unit 10 and the vertical axis Pc representing the charge power.

放電動作時の双方向電源装置2において、制御部21は、放電電力(双方向電源装置2の出力電力)がAd点となるように、DC/DC電源部10およびDC/AC電源部30を制御する。その後、負荷50の消費電力と太陽光パネル60の発電電力との電力差が減少すると、DC/DC電源部10の第1ブリッジ回路11の駆動周波数が増加し、放電電力がBd点まで低下し、駆動周波数が放電側の最大周波数に達する。 During the discharging operation, in the bidirectional power supply 2, the control unit 21 controls the DC/DC power supply unit 10 and the DC/AC power supply unit 30 so that the discharge power (output power of the bidirectional power supply 2) is at point Ad. When the power difference between the power consumed by the load 50 and the power generated by the solar panel 60 subsequently decreases, the drive frequency of the first bridge circuit 11 of the DC/DC power supply unit 10 increases, the discharge power decreases to point Bd, and the drive frequency reaches the maximum frequency on the discharge side.

制御部21は、駆動周波数が放電側の最大周波数に達すると、第1ブリッジ回路11の位相シフト制御を開始し、第1レグ(スイッチング素子Q1、Q2)と第2レグ(スイッチング素子Q3、Q4)間の第1位相シフト量θ1を0°から増加させる。位相シフト制御により放電電力がCd点まで低下すると、制御部21は、DC/DC電源部10の第2ブリッジ回路12の同期整流制御を停止する。さらに出力電力が低下し、第1位相シフト量θ1が最大値に達すると、放電電力がDd点に達して0になる。放電電力が0になると、制御部21は、第1ブリッジ回路11の駆動を停止させる。 When the drive frequency reaches the maximum frequency on the discharge side, the control unit 21 starts phase shift control of the first bridge circuit 11 and increases the first phase shift amount θ1 between the first leg (switching elements Q1, Q2) and the second leg (switching elements Q3, Q4) from 0°. When the phase shift control causes the discharge power to drop to point Cd, the control unit 21 stops the synchronous rectification control of the second bridge circuit 12 of the DC/DC power supply unit 10. When the output power further drops and the first phase shift amount θ1 reaches its maximum value, the discharge power reaches point Dd and becomes 0. When the discharge power becomes 0, the control unit 21 stops driving the first bridge circuit 11.

太陽光パネル60の発電電力に余剰電力(太陽光パネル60の発電電力と負荷50の消費電力との電力差)が生じると、制御部21の制御下でDC/AC電源部30が逆向きの電力変換動作(AC/DC変換動作)を開始し、リンク電圧V2が上昇する。制御部21は、充電電力(双方向電源装置2の出力電力)がDc点となるように、第2ブリッジ回路12に対して、第3レグ(スイッチング素子Q5、Q6)と第4レグ(スイッチング素子Q7、Q8)間の第2位相シフト量θ2を最大値にした状態で、駆動周波数を最大周波数として位相シフト制御を開始する。 When surplus power (the power difference between the power generated by the solar panel 60 and the power consumed by the load 50) occurs in the power generated by the solar panel 60, the DC/AC power supply unit 30 starts reverse power conversion operation (AC/DC conversion operation) under the control of the control unit 21, and the link voltage V2 rises. The control unit 21 starts phase shift control with the drive frequency at the maximum frequency and with the second phase shift amount θ2 between the third leg (switching elements Q5, Q6) and the fourth leg (switching elements Q7, Q8) at the maximum value for the second bridge circuit 12 so that the charging power (the output power of the bidirectional power supply device 2) is at point Dc.

余剰電力が増加すると、制御部21は、第2位相シフト量θ2を減少させる。位相シフト制御により充電電力がCc点まで上昇すると、制御部21は、第1ブリッジ回路11の同期整流制御を開始する。第2位相シフト量θ2が0°になると、充電電力はBc点まで上昇する。充電電力がBc点まで上昇すると、制御部20は、第2ブリッジ回路12の駆動周波数を最大周波数から低下させる周波数制御を行い、充電電力を目標値のAc点に近づける。 When the surplus power increases, the control unit 21 reduces the second phase shift amount θ2. When the charging power increases to point Cc due to phase shift control, the control unit 21 starts synchronous rectification control of the first bridge circuit 11. When the second phase shift amount θ2 becomes 0°, the charging power increases to point Bc. When the charging power increases to point Bc, the control unit 20 performs frequency control to reduce the driving frequency of the second bridge circuit 12 from the maximum frequency, and brings the charging power closer to the target value of point Ac.

なお、図7の駆動周波数に対する充電電力および放電電力の関係線は、入力電圧によって異なり、入力電圧が高い程同じ駆動周波数でも高い出力値となる。放電時の最大周波数と充電時の最大周波数は同じ値でも、異なる値でもよい。また、放電側および充電側の同期整流制御の開始/停止時の電力値にヒステリシスを設けなかったが、ハンチングを防止するためにヒステリシスを設けることが好ましい。これらの動作条件ごとに異なる最大周波数を充電/放電時の入力電圧範囲に対して、最大周波数を制御部20あるいは制御部21内の記憶部(図示せず)に記憶し、動作条件によって、最適な最大周波数を読み出して制御してもよい。 The relationship lines of the charge power and discharge power versus drive frequency in FIG. 7 vary depending on the input voltage, and the higher the input voltage, the higher the output value even at the same drive frequency. The maximum frequency during discharge and the maximum frequency during charging may be the same or different. Although no hysteresis is provided for the power values at the start/stop of synchronous rectification control on the discharge side and charge side, it is preferable to provide hysteresis to prevent hunting. The maximum frequencies that differ for each of these operating conditions may be stored in a memory unit (not shown) in the control unit 20 or control unit 21 for the input voltage range during charging/discharging, and the optimal maximum frequency may be read out and controlled depending on the operating conditions.

双方向電流共振型DC/DCコンバータ1および双方向電源装置2によれば、DC/DC電源部10の駆動回路の位相シフト制御を行うことで、周波数制御だけでは対応できない零電力(切換え時の電力ジャンプなし)でのシームレスな電力伝送方向の切換えが可能となる。すなわち、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1および双方向電源装置2では、DC/DC電源部10の駆動回路の各レグ間での駆動信号の位相シフト制御を0から最大値の範囲で行うことで、位相シフト制御に1次側2次側間の信号を使用する必要がなく、また第1ブリッジ回路11と第2ブリッジ回路12との位相差を制御する必要もない。このため、従来のLLC方式あるいはCLLC方式の設計手法等を利用でき、比較的簡単な制御が可能(例えば、デッドタイムに比べて10倍程度の広い範囲での制御が可能)となり、低コスト化を図ることができる。 The bidirectional current resonant DC/DC converter 1 and the bidirectional power supply 2 perform phase shift control of the drive circuit of the DC/DC power supply unit 10, thereby enabling seamless switching of the power transmission direction at zero power (no power jump at switching), which cannot be achieved by frequency control alone. In other words, the bidirectional current resonant DC/DC converter 1 and the bidirectional power supply 2 perform phase shift control of the drive signal between each leg of the drive circuit of the DC/DC power supply unit 10 in the range from 0 to the maximum value, making it unnecessary to use a signal between the primary side and the secondary side for phase shift control, and also unnecessary to control the phase difference between the first bridge circuit 11 and the second bridge circuit 12. This allows the use of design methods of the conventional LLC method or CLLC method, making relatively simple control possible (for example, control over a range about 10 times wider than the dead time) and reducing costs.

双方向電流共振型DC/DCコンバータ1および双方向電源装置2では、DC/DC電源部10の出力電流値と出力電圧値とに基づいて電力伝送方向を切換えるため、外部制御信号なしでシームレスな電力伝送方向の切換えが可能となる。また、双方向電流共振型DC/DCコンバータ1および双方向電源装置2では、DC/DC電源部10の第2ブリッジ回路12を定電圧制御しつつ電力伝送方向を切換えることで、電流方向のみの切換えが可能となる。 In the bidirectional current resonant DC/DC converter 1 and the bidirectional power supply 2, the power transmission direction is switched based on the output current value and output voltage value of the DC/DC power supply unit 10, so that the power transmission direction can be switched seamlessly without an external control signal. In addition, in the bidirectional current resonant DC/DC converter 1 and the bidirectional power supply 2, the power transmission direction is switched while the second bridge circuit 12 of the DC/DC power supply unit 10 is subjected to constant voltage control, so that only the current direction can be switched.

なお、最大駆動周波数(最大周波数F1max、F2max)から出力を低下させるのに駆動側のレグ間の位相シフト量を0°から最大値または180°まで行う方法を使用したが、これに限るものではなく、PWM制御を用いてスイッチング素子のオン比率を50%から最小値(予め設定した最小値または0%)まで短くすることで、負荷電流を制限し、出力を低下させてもよい。 In this embodiment, the phase shift between the drive legs is changed from 0° to the maximum value or 180° to reduce the output from the maximum drive frequency (maximum frequencies F1max and F2max). However, this is not limiting. The on ratio of the switching element may be reduced from 50% to the minimum value (preset minimum value or 0%) using PWM control to limit the load current and reduce the output.

図8(A)~(D)は、第1ブリッジ回路11のPWM制御のデューティDの変化を示したタイミング図である。図8の(A)~(D)は、図5の(A)~(D)に相当する。図8(A)はデューティD=50%の状態であり、図8(B)においてデューティDは50%よりも小さくなり、図8(C)においてデューティDはさらに小さくなる。そして、図8(D)でデューティD=0%となる。なお、図8では、ターンオフのタイミング制御を行うことでデューティDを変化させているが、ターンオンのタイミング制御を行ってデューティDを変化させてもよいし、他の制御を行ってデューティDを変化させてもよい。 Figures 8 (A) to (D) are timing diagrams showing the change in duty D of the PWM control of the first bridge circuit 11. Figures 8 (A) to (D) correspond to Figures 5 (A) to (D). Figure 8 (A) shows a state where duty D = 50%, in Figure 8 (B) duty D is smaller than 50%, and in Figure 8 (C) duty D is even smaller. And in Figure 8 (D) duty D = 0%. Note that in Figure 8, duty D is changed by controlling the timing of turn-off, but duty D may be changed by controlling the timing of turn-on, or by other control.

以上、本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータおよび双方向電源装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 The above describes the embodiments of the bidirectional current resonant DC/DC converter and bidirectional power supply device according to the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiments.

[ダイオード整流制御]
上記実施形態では、順方向制御時には第2ブリッジ回路12に対して同期整流制御を行い、逆方向制御時には第1ブリッジ回路11に対して同期整流制御を行ったが、同期整流制御の代わりにダイオード整流制御を行ってもよい。
[Diode rectification control]
In the above embodiment, synchronous rectification control is performed on the second bridge circuit 12 during forward control, and synchronous rectification control is performed on the first bridge circuit 11 during reverse control, but diode rectification control may be performed instead of synchronous rectification control.

ダイオード整流制御の場合、順方向制御時には第2ブリッジ回路12のスイッチング素子Q5~Q8を連続オフ状態にして、第2ブリッジ回路12にダイオード整流させ、逆方向制御時には第1ブリッジ回路11のスイッチング素子Q1~Q4を連続オフ状態にして、第1ブリッジ回路11にダイオード整流させる。 In the case of diode rectification control, during forward control, the switching elements Q5 to Q8 of the second bridge circuit 12 are kept in a continuous off state, causing the second bridge circuit 12 to perform diode rectification, and during reverse control, the switching elements Q1 to Q4 of the first bridge circuit 11 are kept in a continuous off state, causing the first bridge circuit 11 to perform diode rectification.

また、ダイオード整流制御の場合、例えば、第1ブリッジ回路11から第2ブリッジ回路12への電力伝送時(順方向制御時)の切換え制御において、第3処理および第6処理を省略して、第1処理、第2処理、第4処理、第5処理、第7処理を実行すればよい。 In the case of diode rectification control, for example, in switching control during power transmission from the first bridge circuit 11 to the second bridge circuit 12 (forward control), the third and sixth processes can be omitted, and the first, second, fourth, fifth, and seventh processes can be executed.

すなわち、ダイオード整流制御の場合、
(1)第1ブリッジ回路11の駆動周波数F1を最大とする「第1処理」と、
(2)位相シフト制御により第1ブリッジ回路11の各レグ間の第1位相シフト量θ1を0から増加させる(または、PWM制御によりスイッチング素子Q1~Q4のオン比率(第1オン比率)を50%から減少させる)「第2処理」と、
(3)第1位相シフト量θ1が最大値(または、第1オン比率が最小値)となり、電圧V2が上限値以上となり、第1ブリッジ回路11の駆動を停止させる「第4処理」と、
(4)第1ブリッジ回路11の駆動を停止させたまま、第2ブリッジ回路12に対して位相差最大かつ最大周波数で位相シフト制御を開始させる(または、第2ブリッジ回路12に対してスイッチング素子Q5~Q8のオン比率(第2オン比率)を最小かつ最大周波数でPWM制御を開始させる)「第5処理」と、
(5)第2ブリッジ回路12の各レグ間の第2位相シフト量θ2が0°(または、第2オン比率が50%)となり、駆動周波数F2を最大周波数F2maxから低下させる周波数制御を行う「第7処理」と、
を実行すればよい。
That is, in the case of diode rectification control,
(1) A “first process” in which the drive frequency F1 of the first bridge circuit 11 is maximized;
(2) A “second process” in which the first phase shift amount θ1 between the legs of the first bridge circuit 11 is increased from 0 by phase shift control (or the on-ratio (first on-ratio) of the switching elements Q1 to Q4 is decreased from 50% by PWM control);
(3) A fourth process in which the first phase shift amount θ1 becomes a maximum value (or the first on-ratio becomes a minimum value), the voltage V2 becomes equal to or greater than the upper limit value, and the driving of the first bridge circuit 11 is stopped;
(4) A "fifth process" in which, while the driving of the first bridge circuit 11 is stopped, the second bridge circuit 12 is caused to start phase shift control with a maximum phase difference and a maximum frequency (or the second bridge circuit 12 is caused to start PWM control with a minimum on-ratio (second on-ratio) of the switching elements Q5 to Q8 and a maximum frequency);
(5) A "seventh process" in which the second phase shift amount θ2 between the legs of the second bridge circuit 12 becomes 0° (or the second on ratio becomes 50%) and frequency control is performed to reduce the drive frequency F2 from the maximum frequency F2max; and
Just execute the following.

[リンク電圧の制御]
図9に、上記実施形態に係る双方向電源装置2の放電動作と充電動作とを切換える場合のリンク電圧V2の変化を模式的に示す。
[Link voltage control]
FIG. 9 shows a schematic diagram of a change in the link voltage V2 when the bidirectional power supply 2 according to the embodiment switches between a discharging operation and a charging operation.

図9(A)の場合、放電動作時のDC/DC電源部10のリンク電圧V2はa電圧であるが、充電動作時のDC/AC電源部30のリンク電圧V2はb電圧(ただし、b電圧<a電圧)である。そのため、充電動作と放電動作を切換えると、リンク電圧V2が生じる接続点(端子T3、T4間)に接続された電圧安定化のための電解コンデンサに充放電が発生し、無駄な電力が消費される。 In the case of FIG. 9(A), the link voltage V2 of the DC/DC power supply unit 10 during discharging is voltage a, but the link voltage V2 of the DC/AC power supply unit 30 during charging is voltage b (where voltage b is less than voltage a). Therefore, when switching between charging and discharging, the electrolytic capacitor for voltage stabilization connected to the connection point (between terminals T3 and T4) where the link voltage V2 is generated is charged and discharged, resulting in unnecessary power consumption.

一方、図9(B)の場合、放電動作時のDC/DC電源部10のリンク電圧V2および充電動作時のDC/AC電源部30のリンク電圧V2は、ともにc電圧である。そのため、充電動作と放電動作を切換えても、接続点(端子T3、T4間)に接続された電圧安定化のための電解コンデンサに充放電が発生しないため、無駄な電力が消費されない。このため、図9(B)の場合は、電力伝送方向の切換え時に、リンク電圧V2の変化を待たずに即座に電力伝送方向の切換えが可能である。なお、リンク電圧V2は、例えば、電圧V1によって可変としても、固定としてもよい。 On the other hand, in the case of FIG. 9(B), the link voltage V2 of the DC/DC power supply unit 10 during discharging operation and the link voltage V2 of the DC/AC power supply unit 30 during charging operation are both c voltages. Therefore, even when switching between charging and discharging operation, no charging or discharging occurs in the electrolytic capacitor for voltage stabilization connected to the connection point (between terminals T3 and T4), so no unnecessary power is consumed. Therefore, in the case of FIG. 9(B), when switching the power transmission direction, it is possible to switch the power transmission direction immediately without waiting for a change in the link voltage V2. Note that the link voltage V2 may be variable or fixed depending on, for example, the voltage V1.

すなわち、双方向電源装置2は、電力伝送方向の切換え時におけるDC/DC電源部10とDC/AC電源部30のリンク電圧V2を、一定電圧とするか、またはDC/DC電源部10の入力電圧(電圧V1)により定まる電圧とすることにより、リンク電圧V2の変化を待たずに即座に電力伝送方向を切換えることができる。 In other words, the bidirectional power supply device 2 can instantly switch the power transmission direction without waiting for a change in the link voltage V2 by setting the link voltage V2 between the DC/DC power supply unit 10 and the DC/AC power supply unit 30 at a constant voltage or a voltage determined by the input voltage (voltage V1) of the DC/DC power supply unit 10 when switching the power transmission direction.

[その他の変形例]
本発明に係る双方向電流共振型DC/DCコンバータは、トランスと、第1ブリッジ回路と、第2ブリッジ回路と、1次側共振回路と、2次側共振回路と、制御部とを備え、制御部が、第1ブリッジ回路を駆動回路とし、第2ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、第1ブリッジ回路から第2ブリッジ回路への電力伝送を行わせる順方向制御、第2ブリッジ回路を駆動回路とし、第1ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、第2ブリッジ回路から第1ブリッジ回路への電力伝送を行わせる逆方向制御、および駆動回路の駆動周波数を増加させてから電力伝送の方向を切換える切換え制御を実行し、切換え制御において、駆動回路の各レグ間の位相シフト制御を、位相シフト量が0から最大値(予め設定した最大値または180°)の範囲で行う、あるいはPWM制御で、スイッチング素子のオン比率を50%から最小値(予め設定した最小値または0%)までの範囲で変化させるのであれば、適宜構成を変更できる。
[Other Modifications]
The bidirectional current resonant type DC/DC converter according to the present invention includes a transformer, a first bridge circuit, a second bridge circuit, a primary side resonant circuit, a secondary side resonant circuit, and a control unit, and the control unit executes forward control, in which the first bridge circuit is used as a drive circuit, and performs synchronous rectification control or diode rectification control on the second bridge circuit to transmit power from the first bridge circuit to the second bridge circuit, reverse control, in which the second bridge circuit is used as a drive circuit, and performs synchronous rectification control or diode rectification control on the first bridge circuit to transmit power from the second bridge circuit to the first bridge circuit, and switching control, in which the drive frequency of the drive circuit is increased and then the direction of power transmission is switched, and the configuration can be changed as appropriate in the switching control, as long as the phase shift amount between the legs of the drive circuit is controlled within a range from 0 to a maximum value (a preset maximum value or 180°) or the on ratio of the switching element is changed within a range from 50% to a minimum value (a preset minimum value or 0%) by PWM control.

すなわち、実施形態では、一方の駆動周波数を最大値とし、位相シフト量を0から最大値まで増加して切換え、もう一方の駆動周波数を最大値とし、位相シフト量を最大値から0まで減少させた後、駆動周波数を最大値から減少させたが、一方の駆動周波数を十分大きくした状態(例えば、共振コイルと共振コンデンサで決まる共振周波数の1.5倍~2倍程度)で位相シフト量を0から増加しつつ駆動周波数を増加して、もう一方の駆動周波数を十分大きな値かつ位相シフト量を最大値とした状態で切換え、位相シフト量を最大値から減少させつつ、駆動周波数を十分大きな値から減少させ、位相シフト量が0になった後に、引き続き駆動周波数を減少させてもよい。 In other words, in the embodiment, one drive frequency is set to the maximum value, the phase shift amount is increased from 0 to the maximum value, and then the drive frequency is switched to the other drive frequency, the phase shift amount is reduced from the maximum value to 0, and then the drive frequency is reduced from the maximum value. However, it is also possible to increase the drive frequency while increasing the phase shift amount from 0 with one drive frequency set to a sufficiently large value (for example, about 1.5 to 2 times the resonant frequency determined by the resonant coil and resonant capacitor), switch to the other drive frequency with a sufficiently large value and a maximum phase shift amount, reduce the phase shift amount from the maximum value, and reduce the drive frequency from a sufficiently large value, and continue to reduce the drive frequency after the phase shift amount becomes 0.

なお、駆動周波数が上記共振周波数よりも高くなると、駆動周波数の増加によるゲインの低下率が下がる一方、駆動周波数が高くなるとトランスおよび共振コイルの発熱が大きくなる。そのため、両者を勘案して駆動周波数の最大値(最大周波数F1max、F2max)を決めることが好ましい。 When the drive frequency is higher than the resonant frequency, the rate of gain reduction due to an increase in drive frequency decreases, while the heat generated by the transformer and resonant coil increases as the drive frequency increases. Therefore, it is preferable to determine the maximum drive frequency (maximum frequencies F1max and F2max) taking both into consideration.

1 双方向電流共振型DC/DCコンバータ
2 双方向電源装置
10 DC/DC電源部
11 第1ブリッジ回路
12 第2ブリッジ回路
13 1次側共振回路
14 2次側共振回路
2 双方向電源装置
20、21 制御部
30 DC/AC電源部
40 電気自動車
50 負荷
60 太陽光パネル
61 パワーコンディショナー装置
70 系統解列器
71 電力系統
REFERENCE SIGNS LIST 1 Bidirectional current resonant DC/DC converter 2 Bidirectional power supply device 10 DC/DC power supply unit 11 First bridge circuit 12 Second bridge circuit 13 Primary side resonant circuit 14 Secondary side resonant circuit 2 Bidirectional power supply devices 20, 21 Control unit 30 DC/AC power supply unit 40 Electric vehicle 50 Load 60 Solar panel 61 Power conditioner device 70 System disconnector 71 Power system

Claims (7)

電源部および制御部を含む双方向電流共振型DC/DCコンバータであって、
前記電源部は、
1次側コイルおよび2次側コイルを含むトランスと、
並列接続された第1レグおよび第2レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含み、各アームがスイッチング素子を含み、前記1次側コイルに接続された第1ブリッジ回路と、
並列接続された第3レグおよび第4レグを含み、各レグが直列接続された上アームおよび下アームを含み、各アームがスイッチング素子を含み、前記2次側コイルに接続された第2ブリッジ回路と、
前記第1ブリッジ回路と前記1次側コイルとの間に設けられ、第1共振コイルおよび第1共振コンデンサを含む1次側共振回路と、
前記第2ブリッジ回路と前記2次側コイルとの間に設けられ、第2共振コイルおよび第2共振コンデンサを含む2次側共振回路と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1ブリッジ回路を駆動回路とし、前記第2ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、前記第1ブリッジ回路から前記第2ブリッジ回路への電力伝送を行わせる順方向制御と、
前記第2ブリッジ回路を駆動回路とし、前記第1ブリッジ回路に対して同期整流制御またはダイオード整流制御を行い、前記第2ブリッジ回路から前記第1ブリッジ回路への電力伝送を行わせる逆方向制御と、
前記駆動回路の駆動周波数を増加させてから電力伝送の方向を切換える切換え制御と、を実行し、
前記切換え制御において、前記駆動回路の各レグ間の位相シフト制御を、位相シフト量が0から最大値の範囲で行うか、または前記駆動回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、当該スイッチング素子のオン比率を50%から最小値の範囲で変化させる
ことを特徴とする双方向電流共振型DC/DCコンバータ。
A bidirectional current resonant DC/DC converter including a power supply unit and a control unit,
The power supply unit includes:
a transformer including a primary coil and a secondary coil;
a first bridge circuit including a first leg and a second leg connected in parallel, each leg including an upper arm and a lower arm connected in series, each arm including a switching element, and connected to the primary coil;
a second bridge circuit including a third leg and a fourth leg connected in parallel, each leg including an upper arm and a lower arm connected in series, each arm including a switching element, and connected to the secondary coil;
a primary-side resonant circuit provided between the first bridge circuit and the primary-side coil, the primary-side resonant circuit including a first resonant coil and a first resonant capacitor;
a secondary resonant circuit provided between the second bridge circuit and the secondary coil, the secondary resonant circuit including a second resonant coil and a second resonant capacitor;
Equipped with
The control unit is
a forward control in which the first bridge circuit is used as a drive circuit, and synchronous rectification control or diode rectification control is performed on the second bridge circuit to transmit power from the first bridge circuit to the second bridge circuit;
a reverse control in which the second bridge circuit is used as a drive circuit, synchronous rectification control or diode rectification control is performed on the first bridge circuit, and power is transmitted from the second bridge circuit to the first bridge circuit;
and increasing the drive frequency of the drive circuit and then switching the direction of power transmission.
a bidirectional current resonant DC/DC converter characterized in that in the switching control, a phase shift control between each leg of the drive circuit is performed with a phase shift amount in a range from 0 to a maximum value, or PWM control is performed on each switching element of the drive circuit to change an on-ratio of the switching element in a range from 50% to a minimum value.
前記制御部は、
前記順方向制御において、前記第2ブリッジ回路の前記同期整流制御を行い、
前記順方向制御時の前記切換え制御において、
前記第1ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数まで増加させる第1処理と、
前記第1ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を行い、当該位相シフト制御の第1位相シフト量を0から増加させるか、または前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子の第1オン比率を50%から減少させる第2処理と、
前記第2ブリッジ回路の出力電流値が所定の閾値以下となった場合に、前記第2ブリッジ回路の前記同期整流制御を停止させる第3処理と、
前記第1位相シフト量を最大値にするか前記第1オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の出力電圧値が所定の上限値に達した場合に、前記第1ブリッジ回路の駆動を停止させる第4処理と、
前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数とし、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の第2位相シフト量を最大値にして、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を開始させるか、または前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子の第2オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を開始させる第5処理と、
前記第1ブリッジ回路の出力電流値が所定の閾値以上となった場合に、前記第1ブリッジ回路の前記同期整流制御を開始させる第6処理と、
前記第2位相シフト量を0にするか前記第2オン比率を50%にして、前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を前記最大周波数から低下させる第7処理と、を実行する
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電流共振型DC/DCコンバータ。
The control unit is
In the forward control, the synchronous rectification control of the second bridge circuit is performed;
In the switching control during the forward control,
a first process of increasing a drive frequency of the first bridge circuit to a predetermined maximum frequency;
a second process of performing a phase shift control between the legs of the first bridge circuit and increasing a first phase shift amount of the phase shift control from 0, or performing a PWM control of each switching element of the first bridge circuit and decreasing a first on ratio of each switching element of the first bridge circuit from 50%;
a third process of stopping the synchronous rectification control of the second bridge circuit when an output current value of the second bridge circuit becomes equal to or lower than a predetermined threshold value;
a fourth process of setting the first phase shift amount to a maximum value or the first on ratio to a minimum value, and stopping the driving of the first bridge circuit when an output voltage value of the second bridge circuit reaches a predetermined upper limit value;
a fifth process of setting a drive frequency of the second bridge circuit to a predetermined maximum frequency and a second phase shift amount between each leg of the second bridge circuit to a maximum value to start phase shift control between each leg of the second bridge circuit, or setting a second on-ratio of each switching element of the second bridge circuit to a minimum value to start PWM control of each switching element of the second bridge circuit;
a sixth process of starting the synchronous rectification control of the first bridge circuit when an output current value of the first bridge circuit becomes equal to or greater than a predetermined threshold value;
and a seventh process of reducing a drive frequency of the second bridge circuit from the maximum frequency by setting the second phase shift amount to 0 or setting the second on ratio to 50%.
前記制御部は、
前記第2ブリッジ回路に対して定電圧制御を行いつつ、少なくとも前記第5処理を実行する
ことを特徴とする請求項2に記載の双方向電流共振型DC/DCコンバータ。
The control unit is
3. The bidirectional current resonant DC/DC converter according to claim 2, wherein at least the fifth process is executed while performing a constant voltage control on the second bridge circuit.
前記制御部は、
前記第2処理を実行する前に前記第3処理を実行し、
前記第6処理を実行する前に前記第7処理を実行する
ことを特徴とする請求項2に記載の双方向電流共振型DC/DCコンバータ。
The control unit is
execute the third process before executing the second process;
3. The bidirectional current resonant DC/DC converter according to claim 2, wherein the seventh process is executed before the sixth process is executed.
前記制御部は、
前記順方向制御において、前記第2ブリッジ回路の前記ダイオード整流制御を行い、
前記順方向制御時の前記切換え制御において、
前記第1ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数まで増加させる第1処理と、
前記第1ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を行い、当該位相シフト制御の第1位相シフト量を0から増加させるか、または前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を行い、前記第1ブリッジ回路の各スイッチング素子の第1オン比率を50%から減少させる第2処理と、
前記第1位相シフト量を最大値にするか前記第1オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の出力電圧値が所定の上限値に達した場合に、前記第1ブリッジ回路の駆動を停止させる第4処理と、
前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を所定の最大周波数とし、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の第2位相シフト量を最大値にして、前記第2ブリッジ回路の各レグ間の位相シフト制御を開始させるか、または前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子の第2オン比率を最小値にして、前記第2ブリッジ回路の各スイッチング素子のPWM制御を開始させる第5処理と、
前記第2位相シフト量を0にするか前記第2オン比率を50%にして、前記第2ブリッジ回路の駆動周波数を前記最大周波数から低下させる第7処理と、を実行する
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電流共振型DC/DCコンバータ。
The control unit is
In the forward control, the diode rectification control of the second bridge circuit is performed;
In the switching control during the forward control,
a first process of increasing a drive frequency of the first bridge circuit to a predetermined maximum frequency;
a second process of performing a phase shift control between the legs of the first bridge circuit and increasing a first phase shift amount of the phase shift control from 0, or performing a PWM control of each switching element of the first bridge circuit and decreasing a first on ratio of each switching element of the first bridge circuit from 50%;
a fourth process of setting the first phase shift amount to a maximum value or the first on ratio to a minimum value, and stopping the driving of the first bridge circuit when an output voltage value of the second bridge circuit reaches a predetermined upper limit value;
a fifth process of setting a drive frequency of the second bridge circuit to a predetermined maximum frequency and a second phase shift amount between each leg of the second bridge circuit to a maximum value to start phase shift control between each leg of the second bridge circuit, or setting a second on-ratio of each switching element of the second bridge circuit to a minimum value to start PWM control of each switching element of the second bridge circuit;
and a seventh process of reducing a drive frequency of the second bridge circuit from the maximum frequency by setting the second phase shift amount to 0 or setting the second on ratio to 50%.
請求項1~5のいずれか一項に記載の双方向電流共振型DC/DCコンバータと、
DC/AC変換動作およびAC/DC変換動作を行う双方向DC/ACインバータと、
を備える双方向電源装置であって、
電力伝送の方向を切換えるときに、前記双方向電流共振型DC/DCコンバータと前記双方向DC/ACインバータの接続点電圧が、一定電圧となるか、または前記双方向電流共振型DC/DCコンバータの入力電圧により定まる電圧となる
ことを特徴とする双方向電源装置。
A bidirectional current resonant DC/DC converter according to any one of claims 1 to 5,
a bidirectional DC/AC inverter that performs a DC/AC conversion operation and an AC/DC conversion operation;
A bidirectional power supply device comprising:
a bidirectional power supply device characterized in that, when switching the direction of power transmission, a connection point voltage between the bidirectional current resonant DC/DC converter and the bidirectional DC/AC inverter becomes a constant voltage or a voltage determined by the input voltage of the bidirectional current resonant DC/DC converter.
前記双方向電流共振型DC/DCコンバータは、電気自動車に接続可能に構成され、
前記電気自動車に対して充電動作および放電動作を行う
ことを特徴とする請求項6に記載の双方向電源装置。
The bidirectional current resonant DC/DC converter is configured to be connectable to an electric vehicle,
7. The bidirectional power supply device according to claim 6, wherein the bidirectional power supply device performs charging and discharging operations for the electric vehicle.
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