JP2013074779A - INSULATED BIDIRECTIONAL Cuk CONVERTER AND DRIVE METHOD THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、連続的に充放電切替可能な絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとその駆動方法とに関する。 The present invention relates to an insulated bidirectional DC-DC converter capable of continuously switching between charge and discharge and a driving method thereof.
図１１は、蓄電池に対して充電と放電とを切替えて遂行する従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの構成概要を説明する図である。図１０において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１１４１は、ＦＥＴ等のトランジスタからなるスイッチング素子ＳＷ１１１１，ＳＷ１１１２と、充電制御部（ＣＯＮＴ１）１１４４，放電制御部（ＣＯＮＴ２）１１４５と、ダイオードＤ１１１１，Ｄ１１１２とチョークコイルＬ１１１１，Ｌ１１１２と、コンデンサＣ１１１１，Ｃ１１１２とを含む。
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration outline of a conventional bidirectional DC-DC converter that performs charging and discharging by switching between storage batteries. In FIG. 10, a bidirectional DC-
また、図１１に示すように直流電源部１１４２は、交流電圧を所望の直流電圧として整流するＡＣ−ＤＣコンバータとして説明する。直流電源部１１４２から蓄電池１１４３に対して充電する場合、充電制御信号により充電制御部（ＣＯＮＴ１）１１４４からスイッチング素子ＳＷ１１１１をオン・オフ制御して、スイッチング素子ＳＷ１１１１とダイオードＤ１１１１とチョークコイルＬ１１１１とコンデンサＣ１１１１とによる降圧コンバータとして動作させて、蓄電池１１４３を充電する。
Moreover, as shown in FIG. 11, the DC
蓄電池１１４３への充電中は、スイッチング素子ＳＷ１１１２をオフ状態に維持する。また、蓄電池１１４３の放電は、放電制御信号により放電制御部（ＣＯＮＴ２）１１４５からスイッチング素子ＳＷ１１１２をオン・オフ制御して、チョークコイルＬ１１１２と、スイッチング素子ＳＷ１１１２と、コンデンサＣ１１１２とによる昇圧コンバータとして動作させ、蓄電池１１４３の電圧を昇圧して直流電源部１１４２へ放電（電力回生）する。
During charging of the
また、蓄電池１１４３の放電中は、スイッチング素子ＳＷ１１１１をオフ状態に維持する。上述のように、図１１に示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、蓄電池１１４３の充電用のダウンコンバータと、放電用のアップコンバータとの構成を別途に並列に備える構成となる。
Further, during the discharge of the
また、図１２は、従来の他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２５１の構成概要を説明する図である。図１２において、１２５２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）であり、１２５３は蓄電池であり、ＳＷ１２２１，ＳＷ１２２２はスイッチング素子であり、Ｄ１２２１，Ｄ１２２２はダイオードであり、Ｌ１２２１はチョークコイルであり、Ｃ１２２１，Ｃ１２２２はコンデンサであり、１２５４は充放電制御部（ＣＯＮＴ）であり、１２５５は充電制御を行う充電制御部であり、１２５６は放電制御を行う放電制御部である。
FIG. 12 is a diagram for explaining the outline of the configuration of another conventional bidirectional DC-
また、直流電源部１２５２から蓄電池１２５３を充電する場合、充電制御信号と切替信号とを入力し、充放電制御部（ＣＯＮＴ）１２５４の充電制御部１２５５を用いて、スイッチング素子ＳＷ１２２１のオン・オフ制御を遂行する。また、スイッチング素子ＳＷ１２２１と異なるタイミングで、放電制御部１２５６がスイッチング素子ＳＷ１２２２のオン・オフ制御を遂行し、チョークコイルＬ１２２１とコンデンサＣ１２２２とを含むダウンコンバータ機能により蓄電池１２５３の充電電圧に降圧して充電を行う。
In addition, when charging the
また、放電制御信号と切替信号とを入力した場合、充放電制御部（ＣＯＮＴ）１２５４の放電制御部１２５６がスイッチング素子ＳＷ１２２２のオン・オフ制御を遂行する。また、スイッチング素子ＳＷ１２２２と異なるタイミングで、充電制御部１２５５がスイッチング素子ＳＷ１２２１のオン・オフ制御を遂行して、チョークコイルＬ１２２１とコンデンサＣ１２２１とをアップコンバータ機能により動作させて、蓄電池１２５３の電圧を昇圧し、直流電源部１２５２に電力回生を行う。
When a discharge control signal and a switching signal are input, the
また、ハイブリッド電気自動車等に適用する為に、駆動モータを回生用発電機として利用する回生動作の発電機能に相当する構成を高圧用蓄電池とし、電装部品等に動作電力を供給するバッテリを低圧用蓄電池とし、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴにより構成して、その寄生ダイオードを整流用のダイオードとし、高圧用蓄電池から低圧用蓄電池への充電の場合はダウンコンバータとして動作させ、低圧用蓄電池から高圧用蓄電池への充電の場合はアップコンバータとして動作させ、ダウンコンバータとアップコンバータとの機能を同一のスイッチング構成により実現した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも知られている。上述した従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば下記特許文献１に開示されている。また、従来の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、例えば下記特許文献２に開示されている。
In addition, for application to hybrid electric vehicles, etc., a configuration corresponding to the power generation function of the regenerative operation using the drive motor as a regenerative generator is used as a high-voltage storage battery, and a battery that supplies operating power to electrical components is used for low-voltage A storage battery, a switching element composed of a MOSFET, a parasitic diode as a rectifying diode, and when charging from a high-voltage storage battery to a low-voltage storage battery, it is operated as a down converter, from the low-voltage storage battery to the high-voltage storage battery. There is also known a bidirectional DC-DC converter that operates as an up-converter in the case of charging and realizes the functions of the down-converter and the up-converter with the same switching configuration. The conventional bidirectional DC-DC converter described above is disclosed in, for example,
従来の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを切替える為にアップコンバータ回路構成とダウンコンバータ回路構成とをそれぞれ別途に備える構成であるから、部品点数が多く、コストアップとなる問題があった。 Since the conventional bidirectional DC-DC converter is configured to have an up-converter circuit configuration and a down-converter circuit configuration separately in order to switch between the up-converter function and the down-converter function, the number of parts is large and the cost is increased. There was a problem.
また、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを一部共用化した従来の他の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、コストダウンを図ることができる。しかし、オン・オフ制御するスイッチング素子共用化部分を、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とで切替えるには、切替えの為のインターバル期間を一定程度以上必要とする。 In addition, another conventional bidirectional DC-DC converter in which the up-converter function and the down-converter function are partially shared can reduce the cost. However, in order to switch the switching element shared portion for on / off control between the up-converter function and the down-converter function, an interval period for switching is required to be more than a certain level.
このため、バッテリの充放電制御等において、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とをインターバル期間を設けることなく連続的に切替えることができず、稼働効率の観点からは問題があった。 For this reason, in the charge / discharge control of the battery and the like, the up-converter function and the down-converter function cannot be switched continuously without providing an interval period, and there is a problem from the viewpoint of operating efficiency.
本発明は、上述した問題点に鑑み為された発明であって、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とをインターバル期間を設けることなく、連続的に切替可能とする絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ等を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, such as an insulated bidirectional DC-DC converter that can continuously switch between an up-converter function and a down-converter function without providing an interval period. It aims at realizing.
また、本発明は、充電時と放電時とで共通のコンバータとすることにより、部品点数を低減し、小型化・軽量化・低価格化を達成した絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ等を実現することを目的とする。 In addition, the present invention realizes an insulated bi-directional DC-DC converter, etc. that achieves a reduction in the number of parts, miniaturization, weight reduction, and price reduction by using a common converter for charging and discharging. The purpose is to do.
本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、試料への充電と放電とを遂行する絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータにおいて、充電する場合と放電する場合とのいずれの場合にも、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とし、充放電切替時に、充放電電流と充放電電圧とをリニアに制御することを特徴とする。 The insulated bidirectional Cuk converter of the present invention is arranged on the primary side of the transformer in both cases of charging and discharging in an insulated bidirectional Cuk converter that performs charging and discharging of a sample. The first switching element and the second switching element arranged on the secondary side are both switched by synchronous rectification, and the charge / discharge current and the charge / discharge voltage are controlled linearly during charge / discharge switching. To do.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、好ましくは充電する場合には第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を増大させ、放電する場合には第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を減少させることを特徴とする。 The insulated bidirectional Cuk converter of the present invention preferably increases the on-period (T1) of the first switching element when charging, and increases the on-period (T1) of the first switching element when discharging. It is characterized by decreasing.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、さらに好ましくは第二スイッチング素子のオン期間が、一周期（Ｔ）から第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）とデッドタイム（Ｔ２とＴ４との和）とを減算した期間であることを特徴とする。 In the insulated bidirectional Cuk converter according to the present invention, more preferably, the on period of the second switching element is from one period (T) to the on period (T1) of the first switching element and the dead time (T2 and T4). It is a period obtained by subtracting (sum).
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、さらに好ましくは充放電切替時に、充放電電流がゼロとなる場合にインターバルを有しないことを特徴とする。 Further, the insulated bidirectional Cuk converter of the present invention is more preferably characterized by having no interval when the charge / discharge current becomes zero at the time of charge / discharge switching.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、さらに好ましくは第一スイッチング素子と第二スイッチング素子とは、出力電流値をフィードバック制御するＰＷＭ制御により駆動されることを特徴とする。 In the insulated bidirectional Cuk converter of the present invention, more preferably, the first switching element and the second switching element are driven by PWM control for feedback control of the output current value.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法は、試料への充電と放電とを遂行する絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法において、充電する場合に、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とする工程と、放電する場合に、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とする工程と、を有し、充放電切替時に、充放電電流と充放電電圧とをリニアに制御することを特徴とする。 Also, the drive method of the insulated bidirectional Cuk converter of the present invention is arranged on the primary side of the transformer when charging in the drive method of the insulated bidirectional Cuk converter that performs charging and discharging of the sample. A step of switching driving by synchronous rectification for both the first switching element and the second switching element arranged on the secondary side, and the first switching element and the secondary side arranged on the primary side of the transformer when discharging And a step of switching driving by synchronous rectification together with the second switching element disposed in the battery, and the charge / discharge current and the charge / discharge voltage are controlled linearly during charge / discharge switching.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法は、好ましくは充電する場合に第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を増大させる工程を有し、放電する場合に第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を減少させる工程を有することを特徴とする。 The driving method of the insulated bidirectional Cuk converter of the present invention preferably includes a step of increasing the on-period (T1) of the first switching element when charging, and turning on the first switching element when discharging. It has the process of reducing a period (T1), It is characterized by the above-mentioned.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法は、さらに好ましくは第二スイッチング素子のオン期間は、一周期（Ｔ）から第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）とデッドタイム（Ｔ２とＴ４との和）とを減算した期間であることを特徴とする。 In the driving method of the insulated bidirectional Cuk converter according to the present invention, more preferably, the on period of the second switching element is from one cycle (T) to the on period (T1) of the first switching element and the dead time (T2). It is a period obtained by subtracting (sum of T4).
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法は、さらに好ましくは充放電切替時に、充放電電流がゼロとなる場合にインターバルを有しないことを特徴とする。 The driving method of the insulated bidirectional Cuk converter according to the present invention is more preferably characterized by having no interval when the charge / discharge current becomes zero at the time of charge / discharge switching.
また、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法は、さらに好ましくは第一スイッチング素子と第二スイッチング素子とは、出力電流値をフィードバック制御するＰＷＭ制御により駆動されることを特徴とする。 The driving method of the insulated bidirectional Cuk converter according to the present invention is more preferably characterized in that the first switching element and the second switching element are driven by PWM control for feedback control of the output current value.
アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とをインターバル期間を設けることなく、連続的に切替可能とする絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ等を実現できる。 An insulated bidirectional DC-DC converter or the like that allows continuous switching between the up-converter function and the down-converter function without providing an interval period can be realized.
また、充電時と放電時とで共通のコンバータとすることにより、部品点数を低減し、小型化・軽量化・低価格化を達成した絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ等を実現できる。 In addition, by using a common converter for charging and discharging, it is possible to realize an insulated bidirectional DC-DC converter or the like that achieves a reduction in the number of components and a reduction in size, weight, and cost.
本実施形態で説明する絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、蓄電池（バッテリ）の充電と放電とを遂行する場合に、絶縁型Ｃｕｋコンバータの一次側スイッチと二次側スイッチとをオン・オフ制御することにより、充電または放電の切り替えインターバルを要することなく、連続的かつリニアに制御することができる。 The insulated bidirectional DC-DC converter described in this embodiment performs on / off control of the primary side switch and the secondary side switch of the insulated Cuk converter when charging and discharging a storage battery (battery). Thus, continuous and linear control can be performed without requiring a charge or discharge switching interval.
本実施形態においては、従来のように充電時と放電時とで各々一次側または二次側いずれか一方のみをメインスイッチとしてオン・オフ動作させ、他方を常時オフとすることがなく、他方も同期整流させて両スイッチを同一のデッドタイムで常時オン・オフ動作させる。このため、各スイッチのオン期間・オフ期間の制御を適宜調整することで、充電時と放電時との切り替え時に、充放電電流や充放電電圧の切り替え時間を要することなく、リニアに連続的に充電モードと放電モードとの間を移行させることができる。本実施形態で説明する絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、フィードバック制御でＰＷＭスイッチ制御されるので、各スイッチのオン期間・オフ期間は、電圧値やトランスの巻数比により変動する。 In the present embodiment, as in the prior art, only either the primary side or the secondary side is turned on and off as the main switch during charging and discharging, and the other is not always turned off. Synchronous rectification is performed so that both switches are always turned on and off with the same dead time. For this reason, by appropriately adjusting the control of the on period and off period of each switch, it is possible to continuously and linearly switch between charging and discharging without requiring charging / discharging current or charging / discharging voltage switching time. It is possible to transition between the charging mode and the discharging mode. Since the isolated bidirectional DC-DC converter described in the present embodiment is PWM switch controlled by feedback control, the ON period / OFF period of each switch varies depending on the voltage value and the turns ratio of the transformer.
図１は、本発明の実施形態にかかる絶縁型双方向コンバータ１０００の構成概要を説明するブロック図である。図１に示すように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、所定の巻数比で設計されたトランス１０８０の一次側にスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０を備え、二次側にスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０を備える。トランス１０８０は高周波トランスを用いることができる。一次側のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０と二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０とは、制御部（ＣＯＮＴ）１０３０によりＰＷＭ駆動される。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an outline of the configuration of an insulating
また、図１に示すように絶縁型双方向コンバータ１０００のトランス１０８０の二次側には、蓄電池２０と、リアクトル１１００およびコンデンサ１０９０を接続する。また、トランス１０８０の一次側には、コンデンサ１０７０、リアクトル１０５０、電解コンデンサ１０４０を介してＡＣ−ＤＣコンバータ１０に接続する。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００の放電運転時には、一次側のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０と二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０とを、図６に説明するようにオン・オフ制御する。これらのスイッチング素子１０６０，１１１０は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を利用する。スイッチング素子１０６０，１１１０としてＭＯＳＦＥＴを使用した場合には、それらの寄生ダイオードにて代替可能である。
During the discharge operation of the insulated
また、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０のオフ時には、蓄電池２０からリアクトル１１００、コンデンサ１０９０、トランス１０８０の二次側を介して蓄電池２０に戻る経路で電流が流れて、コンデンサ１０９０が充電される。
Further, when the switching element (SW2) 1110 is turned off, a current flows through a path returning from the
また、同時にトランス１０８０の一次側では、コンデンサ１０７０からトランス１０８０の一次側、スイッチング素子（ＳＷ１）１０６０を介してコンデンサ１０７０に戻る経路で電流が流れてコンデンサ１０７０が充電される。
At the same time, on the primary side of the
一方、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０のオン時には、トランス１０８０の二次側では、蓄電池２０からリアクトル１１００、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０を介して蓄電池２０に戻る経路で電流が流れて、リアクトル１１００にエネルギーが蓄積される。
On the other hand, when the switching element (SW2) 1110 is turned on, on the secondary side of the
また、同時にコンデンサ１０９０からスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０、トランス１０８０の二次側を介してコンデンサ１０９０に戻る経路でコンデンサ１０９０の放電電流が流れる。さらに、これと同時に、トランス１０８０の一次側では、コンデンサ１０４０からトランス１０８０の一次側、コンデンサ１０７０、リアクトル１０５０を介してコンデンサ１０４０に戻る経路でコンデンサ１０４０の放電電流が流れる。
At the same time, a discharge current of the
このようにトランス二次側から一次側にエネルギーが伝達されて、蓄電池２０の電力がＡＣ−ＤＣコンバータ１０側に放電される。
Thus, energy is transmitted from the transformer secondary side to the primary side, and the electric power of the
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００の充電運転時には、回路が左右対称であるため放電時と同様であり、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０側から与えられた直流電圧が、蓄電池２０に対応する電圧に降圧されて、蓄電池２０に供給される。
Further, the charging operation of the insulated
上述のように、本実施形態の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、電力流通方向に応じて常時オフとするスイッチング素子を一次側と二次側とで順次切り替える必要がなく、図６乃至図７に説明するようにリニアな双方向動作を実現する。
As described above, the insulated
このため、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、スイッチング素子数を増加させる必要がなく、部品点数の増大を抑制できるので比較的低コストの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとできるだけでなく、連続したリニアな充放電切り替え動作が可能となる。
Therefore, the insulation type
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、入出力間が一次側、二次側として絶縁されているため、地絡事故発生時等の予期せぬ障害が生じた場合においても、交流側から電力が流れ続けることがなく、比較的安全性の高い充放電システムを提供することができる。また、充電と放電とを切り替える場合には、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、図７に説明するように切り替え時間が生じることはなく、リニアに連続的に切り替えることができる。
Also, since the insulation type
また、上述したように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、共用コンバータとするので部品点数はある程度低減され、充電時と放電時とではいずれの場合も、単一の制御部（ＣＯＮＴ）１０３０により連続的に充放電制御される。このため、図１に示すように、充電制御と放電制御とに対応して充電用の制御部と放電用の制御部とを別個独立に備える必要がない。すなわち、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、一コンバータ一制御方式のため制御が複雑とならず、瞬時の充放電切り替えが可能である。
Further, as described above, since the insulated
図２は、図１に示した実施形態の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００の回路構成の概要を説明する図である。図２においては図１と対応する部位には同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図３は、デッドタイムを設けない場合の理論上の絶縁型双方向ＣｕｋコンバータのＳＷ１，ＳＷ２の動作タイミングチャートを説明する図である。また、図４は、ＳＷ１側をメインスイッチとし、ＳＷ２側を同期整流とした場合の充電方向（ａ）の従来の絶縁型双方向ＣｕｋコンバータのＳＷ１，ＳＷ２の動作タイミングチャートを説明する図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the outline of the circuit configuration of the insulated
また、図５は、ＳＷ２側をメインスイッチとし、ＳＷ１側を同期整流とした場合の放電方向（ｂ）の従来の絶縁型双方向ＣｕｋコンバータのＳＷ１，ＳＷ２の動作タイミングチャートを説明する図である。また、図６は、ＳＷ１側及びＳＷ２側を共にメインスイッチとし、同期整流による充放電一括制御（充放電方向）とした本発明の実施形態にかかる絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のＳＷ１，ＳＷ２の動作タイミングチャートを説明する図である。なお、図３乃至図５は、本発明の理解の一助として比較するために説明するものである。
FIG. 5 is a diagram illustrating an operation timing chart of SW1 and SW2 of the conventional insulated bidirectional Cuk converter in the discharge direction (b) when the SW2 side is the main switch and the SW1 side is the synchronous rectification. . FIG. 6 shows the SW1 and SW2 of the insulated
また、図７は、本発明の実施形態にかかる絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００が充放電電流と充放電電圧とをリニアかつ連続的に切り替える状態を模式的に説明する図である。
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a state in which the insulated
そこで、図１乃至図７を適宜参照しながら、以下に本発明の実施形態にかかる絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング動作について説明する。
Accordingly, the switching operation of the insulated
図３に示すように、デッドタイムがないと仮定した場合において、充電時の期間Ｔ１ａが絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０のオン期間を示し、Ｔ１ａ＝Ｔ１ｂである。また、デッドタイムがないと仮定した場合においては、充電時の期間Ｔ３ａが絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０のオン期間を示し、Ｔ３ａ＝Ｔ３ｂである。
As shown in FIG. 3, when it is assumed that there is no dead time, the charging period T1a indicates the ON period of the switching element (SW1) 1060 of the insulated
ここで、期間Ｔ１ｂと期間Ｔ３ｂとは、各々放電時のＳＷ１、ＳＷ２のオン期間を意味するものとする。また、仮にデッドタイムがないと仮定した場合には、図３から理解できるように、期間Ｔ１ａと期間Ｔ３ａとの和、及び期間Ｔ１ｂと期間Ｔ３ｂとの和が、各々１周期に対応する。 Here, the period T1b and the period T3b mean the ON periods of SW1 and SW2 during discharge, respectively. If it is assumed that there is no dead time, the sum of the period T1a and the period T3a and the sum of the period T1b and the period T3b each correspond to one cycle, as can be understood from FIG.
また、図４に示すように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０側を仮にメインスイッチにしたと仮定し、スイッチング素子（ＳＷ２）１１１０側を同期整流とした場合（充電の場合）には、期間Ｔ２、期間Ｔ４のデッドタイムが生じる。このため、図４から理解できるように、１周期（Ｔ）は、ＳＷ１のオン期間Ｔ１ａとデッドタイムＴ２、Ｔ４とＳＷ２のオン期間Ｔ３ａとの和となる。
Also, as shown in FIG. 4, assuming that the switching element (SW1) 1060 side of the insulated
また、図５に示すように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０側を仮にメインスイッチにしたと仮定し、スイッチング素子（ＳＷ１）１０６０側を同期整流とした場合（放電の場合）には、充電の場合と同様に、期間Ｔ２、期間Ｔ４のデッドタイムが生じる。このため、図５から理解できるように、１周期（Ｔ）は、ＳＷ１のオン期間Ｔ１ｂとデッドタイムＴ２、Ｔ４とＳＷ２のオン期間Ｔ３ｂとの和となる。
Further, as shown in FIG. 5, it is assumed that the switching element (SW2) 1110 side of the insulated
一方、本実施形態の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００においては、図６に示すように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００のスイッチング素子（ＳＷ１）１０６０とスイッチング素子（ＳＷ２）１１１０とを共に、メインスイッチとして同期整流による充放電一括制御とする。
On the other hand, in the insulated
このため、ＳＷ１のオン期間をＴ１としＳＷ２のオン期間をＴ３とすれば、図６にハッチングで示す領域において、充電と放電とが釣り合い電流がゼロとなる箇所が存在する。本実施形態の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、この釣り合い点を基準として、いずれか一方に期間がずれれば充電となり他方にずれれば放電となるように、スイッチング制御する。
For this reason, if the ON period of SW1 is T1 and the ON period of SW2 is T3, there is a portion where the charge and discharge are balanced and the current is zero in the hatched region in FIG. The insulation type
すなわち、図６に示すように、フィードバックにて期間幅が制御される期間Ｔ１においてはＳＷ１がオンでありＳＷ２がオフであり、期間Ｔ３においてはＳＷ１がオフでありＳＷ２がオンである。また、所定のデッドタイムとして設けられる固定期間幅を有する期間Ｔ２と期間Ｔ４とにおいては、ＳＷ１がオフでありＳＷ２もオフである。 That is, as shown in FIG. 6, SW1 is on and SW2 is off in a period T1 in which the period width is controlled by feedback, and SW1 is off and SW2 is on in period T3. Further, in a period T2 and a period T4 having a fixed period width provided as a predetermined dead time, SW1 is off and SW2 is also off.
ここで、充放電電流Ｉ＝０の場合には図２におけるＶ２＝Ｖ３であり、一次側をａと考えれば、Ｖ２＝Ｔ１ａ／（Ｔ−Ｔ１ａ）×Ｖ１（ＴｒＮ２／ＴｒＮ１）・・・式（１）との関係式（１）が成立する。また、この場合に二次側をｂと考えれば、Ｖ１＝Ｔ３ｂ／（Ｔ−Ｔ３ｂ）×Ｖ２（ＴｒＮ１／ＴｒＮ２）・・・式（２）との関係式（２）が成立する。式（１）と式（２）とにおいて、ＴｒＮ１とＴｒＮ２とは、各々トランスの一次側巻線数と二次側巻線数とを意味する。 Here, when the charge / discharge current I = 0, V2 = V3 in FIG. 2 and assuming that the primary side is a, V2 = T1a / (T−T1a) × V1 (TrN2 / TrN1). Relational expression (1) with (1) is established. In this case, if the secondary side is considered as b, the relational expression (2) with V1 = T3b / (T−T3b) × V2 (TrN1 / TrN2) (2) is established. In the equations (1) and (2), TrN1 and TrN2 mean the number of primary windings and the number of secondary windings of the transformer, respectively.
また、式（１）と式（２）とから、Ｔ１ａ＝Ｔ−Ｔ３ｂとの関係が導出される。ここで、仮にデッドタイムをゼロとすれば、Ｔ−Ｔ３ｂ＝Ｔ１ｂとなるので、Ｔ１ａ＝Ｔ１ｂとなる。しかし、本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、同期整流による充放電一括制御を遂行するのであって、現実にはデッドタイム（Ｔ２、Ｔ４）が必ず必要となる。従って、Ｔ１は、Ｔ１ｂより大きくＴ１ａより小さい一点（Ｔ１ｂ＜Ｔ１＜Ｔ１ａ）において、Ｔ３は（Ｔ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ４）と等しい場合（Ｔ３＝（Ｔ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ４））に、充放電電流Ｉ＝０となることが理解できる。
Further, the relationship of T1a = T−T3b is derived from the equations (1) and (2). Here, if the dead time is set to zero, T−T3b = T1b, and therefore T1a = T1b. However, the insulated
このように絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、充放電電流Ｉ＝０となる期間Ｔ１を基準値とし、この基準値からＴ１が増大すれば充電方向に動作し、この基準値からＴ１が減少すれば放電方向に動作する。上述の説明から、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、図７に説明するように、充電期間と放電期間との間をインターバルなく連続的かつリニアに推移することが理解できる。
In this way, the insulated
ここで、本発明の理解を比較上さらに容易にするため、従来の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの動作について図８乃至図９を用いて簡略に説明する。図８は充電回路と放電回路とを別個に備えるとともに各回路のトランスの巻数比が異なる従来の絶縁型双方向コンバータの構成概要を説明するブロック図であり、図９は従来の他の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの構成概要を説明するブロック図であり、図１０は、従来の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの充放電電流及び充放電電圧の経時変化特性を各々説明する概要図である。 Here, in order to further facilitate the understanding of the present invention, the operation of the conventional insulated bidirectional Cuk converter will be briefly described with reference to FIGS. FIG. 8 is a block diagram for explaining an outline of the configuration of a conventional insulated bidirectional converter having a charging circuit and a discharging circuit separately and having different turns ratios of transformers in each circuit, and FIG. 9 is another conventional insulated type. FIG. 10 is a block diagram for explaining the outline of the configuration of the bidirectional Cuk converter, and FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the time-dependent change characteristics of the charge / discharge current and charge / discharge voltage of the conventional insulated bidirectional Cuk converter.
図９に示すように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、トランス９０２４の一次側にスイッチング素子（ＳＷ１）９００１を備え、二次側にスイッチング素子（ＳＷ２）９００２を備える。
As shown in FIG. 9, the insulated
また、二次側に蓄電池９０５３を接続し、リアクトル９０２５およびコンデンサ９０２６を接続する。また、一次側にコンデンサ９０２７、リアクトル９０２９、電解コンデンサ９０２８を介してインバータ回路９０１０に接続する。
In addition, a
絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００の放電運転時には、一次側のスイッチング素子（ＳＷ１）９００１を常時オフの状態に制御する。これらのスイッチング素子もＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴを利用するので、スイッチング素子（ＳＷ１）９００１がオフ時にはダイオード素子として振舞う。二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）９００２は、制御部（ＣＯＮＴ）９０５４によりＰＷＭ駆動される。
During the discharging operation of the insulated
また、スイッチング素子（ＳＷ２）９００２のオフ時には、蓄電池９０５３からリアクトル９０２５、コンデンサ９０２６、トランス９０２４の二次側を介して蓄電池９０５３に戻る経路で電流が流れて、コンデンサ９０２６が充電される。
Further, when the switching element (SW2) 9002 is turned off, a current flows through a path from the
また、同時にトランス９０２４の一次側では、コンデンサ９０２７からトランス９０２４の一次側、スイッチング素子（ＳＷ１）９００１を介してコンデンサ９０２７に戻る経路で電流が流れてコンデンサ９０２７が充電される。
At the same time, on the primary side of the transformer 9024, a current flows along a path returning from the
一方、スイッチング素子（ＳＷ２）９００２のオン時には、トランス９０２４の二次側では、蓄電池９０５３からリアクトル９０２５、スイッチング素子（ＳＷ２）９００２を介して蓄電池９０５３に戻る経路で電流が流れて、リアクトル９０２５にエネルギーが蓄積される。
On the other hand, when the switching element (SW2) 9002 is turned on, on the secondary side of the transformer 9024, a current flows along a path returning from the
また、同時にコンデンサ９０２６からスイッチング素子（ＳＷ２）９００２、トランス二次側を介してコンデンサ９０２６に戻る経路でコンデンサ９０２６の放電電流が流れる。さらに、これと同時に、トランス一次側では、コンデンサ９０２８からトランス一次側、コンデンサ９０２７、リアクトル９０２９を介してコンデンサ９０２８に戻る経路でコンデンサ９０２７の放電電流が流れる。
At the same time, the discharge current of the
このようにトランス二次側から一次側にエネルギーが伝達されて、蓄電池９０５３の直流電圧がインバータ回路９０１０側にて得られる。
Thus, energy is transmitted from the transformer secondary side to the primary side, and a DC voltage of the
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００の充電運転時には、二次側のスイッチング素子（ＳＷ２）９００２を常にオフの状態に制御する。その他の動作は回路が左右対称であるため充電時と同様であり、インバータ回路９０１０側から与えられた直流電圧が、蓄電池９０５３に対応する電圧に降圧されて、蓄電池９０５３に供給される。
Further, during the charging operation of the insulation type
上述のように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、電力流通方向に応じて常時オフとするスイッチング素子を一次側と二次側とで順次切り替えることで、双方向動作を実現している。このため、スイッチング素子数を増加させる必要がない点においては、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、部品点数の増大を抑制できるので比較的低コストの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとできる。
As described above, the insulating
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、入出力間が一次側、二次側として絶縁されているため、地絡事故発生時等の障害が生じた場合においても、交流側から電力が流れ続けることがなく、比較的安全性の高い充放電システムを提供することができる。一方、充電と放電とを切り替える場合には、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００においても、図１０に説明するように一定の切り替え時間が生じるので、リニアに連続的に切り替えることはできない。
Moreover, since the insulation type
また、上述したように、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、共用コンバータとするので部品点数はある程度低減されるものの、充電時と放電時とでは別個独立に制御する構成となる。このため、図９に示すように、充電制御と放電制御とに対応して、充電用の制御部と放電用の制御部とを別個独立に備える必要がある。すなわち、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００は、一コンバータ二制御方式のため制御が複雑となるだけでなく、瞬時の充放電切り替えが困難である。
In addition, as described above, the insulating
一方、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ９０００の問題点を解消し、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とをインターバル期間を設けることなく、連続的に切替可能とする。
On the other hand, the insulation type
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、充電時と放電時とで共通のコンバータとすることにより、部品点数を低減し、小型化・軽量化・低価格化を実現することができる。
Further, the insulated
また、絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ１０００は、実施形態での説明に限定されるものではなく、本実施形態で説明する技術思想の範囲内かつ自明な範囲内で、適宜その構成や動作及び駆動方法等を変更することができる。
The insulated
本発明の絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータは、各種電池や試料を試験する充放電試験装置等に広く適用できる。 The insulated bidirectional Cuk converter of the present invention can be widely applied to various batteries and charge / discharge test apparatuses for testing samples.
１０・・ＡＣ−ＤＣコンバータ、２０・・蓄電池、１０００・・絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ、１０３０・・制御部（ＣＯＮＴ）、１０４０・・コンデンサ、１０５０・・リアクトル、１０６０・・スイッチング素子（ＳＷ１）、１０７０・・コンデンサ、１０８０・・トランス、１０９０・・コンデンサ、１１００・・リアクトル、１１１０・・スイッチング素子（ＳＷ２）。
10 .. AC-DC converter, 20 .. Storage battery, 1000 .. Insulated bi-directional Cuk converter, 1030 .. Control unit (CONT), 1040 .. Capacitor, 1050 .. Reactor, 1060 .. Switching element (SW1) 1070 ..
Claims (10)
充電する場合と放電する場合とのいずれの場合にも、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とし、
充放電切替時に、充放電電流と充放電電圧とをリニアに制御する
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ。 In an insulated bidirectional Cuk converter that performs charging and discharging of a sample,
In both cases of charging and discharging, the first switching element arranged on the primary side of the transformer and the second switching element arranged on the secondary side are both switched by synchronous rectification,
An insulating bidirectional Cuk converter characterized by linearly controlling a charge / discharge current and a charge / discharge voltage at the time of charge / discharge switching.
充電する場合には前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を増大させ、放電する場合には前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を減少させる
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ。 The insulated bidirectional Cuk converter according to claim 1,
An insulated bidirectional Cuk converter characterized in that the on-period (T1) of the first switching element is increased when charging, and the on-period (T1) of the first switching element is decreased when discharging. .
前記第二スイッチング素子のオン期間は、一周期（Ｔ）から前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）とデッドタイム（Ｔ２とＴ４との和）とを減算した期間である
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ。 In the insulated bidirectional Cuk converter according to claim 1 or 2,
The ON period of the second switching element is a period obtained by subtracting the ON period (T1) of the first switching element and the dead time (sum of T2 and T4) from one cycle (T). Isolated bidirectional Cuk converter.
充放電切替時に、充放電電流がゼロとなる場合にインターバルを有しない
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ。 The insulated bidirectional Cuk converter according to any one of claims 1 to 3, wherein there is no interval when the charge / discharge current becomes zero at the time of charge / discharge switching. converter.
前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とは、出力電流値をフィードバック制御するＰＷＭ制御により駆動される
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータ。 The insulation type bidirectional Cuk converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the first switching element and the second switching element are driven by PWM control for feedback control of an output current value. An insulated bidirectional Cuk converter characterized by the above.
充電する場合に、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とする工程と、
放電する場合に、トランスの一次側に配置される第一スイッチング素子と二次側に配置される第二スイッチング素子とを共に同期整流によるスイッチング駆動とする工程と、を有し、
充放電切替時に、充放電電流と充放電電圧とをリニアに制御する
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法。 In a driving method of an insulated bidirectional Cuk converter that performs charging and discharging of a sample,
When charging, a step of switching driving by synchronous rectification together with the first switching element arranged on the primary side of the transformer and the second switching element arranged on the secondary side;
A step of switching driving by synchronous rectification together with the first switching element arranged on the primary side of the transformer and the second switching element arranged on the secondary side when discharging,
A drive method for an insulated bidirectional Cuk converter, wherein charge / discharge current and charge / discharge voltage are linearly controlled during charge / discharge switching.
充電する場合に前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を増大させる工程を有し、
放電する場合に前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）を減少させる工程を有する
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法。 In the drive method of the insulation type bidirectional Cuk converter according to claim 6,
A step of increasing the ON period (T1) of the first switching element when charging,
A method for driving an insulated bidirectional Cuk converter, comprising a step of reducing an ON period (T1) of the first switching element when discharging.
前記第二スイッチング素子のオン期間は、一周期（Ｔ）から前記第一スイッチング素子のオン期間（Ｔ１）とデッドタイム（Ｔ２とＴ４との和）とを減算した期間である
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法。 In the drive method of the insulation type bidirectional Cuk converter according to claim 6 or 7,
The ON period of the second switching element is a period obtained by subtracting the ON period (T1) of the first switching element and the dead time (sum of T2 and T4) from one cycle (T). A method for driving an insulating bidirectional Cuk converter.
充放電切替時に、充放電電流がゼロとなる場合にインターバルを有しない
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法。 In the drive method of the insulation type bidirectional Cuk converter as described in any one of Claims 6 thru | or 8, It does not have an interval when charging / discharging electric current becomes zero at the time of charging / discharging switching. Driving method of bidirectional Cuk converter.
前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とは、出力電流値をフィードバック制御するＰＷＭ制御により駆動される
ことを特徴とする絶縁型双方向Ｃｕｋコンバータの駆動方法。 10. The driving method of the insulated bidirectional Cuk converter according to claim 6, wherein the first switching element and the second switching element are driven by PWM control for feedback control of an output current value. 11. A method for driving an insulation type bidirectional Cuk converter.
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