JP2018152974A - フォワード方式の双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧動作においてスイッチング損失を低減できるフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、第一のコンデンサＣ１を第二のバッテリＢ２を用いて充電する場合、第一のスイッチ素子Ｑ１と第二のスイッチ素子Ｑ２と第四のスイッチ素子Ｑ４とを遮断状態にし、第五のスイッチ素子Ｑ５を導通状態にし、第三のコンデンサＣ３に入力される入力電圧Ｖｉｎを用いて、入力電圧Ｖｉｎとソフトスタート期間Ｔｓとソフトスタート期間ＴｓのデューティＤｓとが関連付けられたソフトスタート情報を参照し、入力電圧Ｖｉｎに応じたソフトスタート期間Ｔｓとソフトスタート期間ＴｓのデューティＤｓを求め、求めたソフトスタート期間ＴｓとデューティＤｓとを用いて、第三のスイッチ素子Ｑ３のソフトスタートを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

降圧動作を通常とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータでは、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの停止から通常の降圧動作に移る際にプリチャージ動作が必要である。プリチャージ動作とは、高圧側バッテリとコンデンサとの間に接続されたリレーをオフ（遮断状態）からオン（導通状態）にした際に、高圧側バッテリからコンデンサへ突入電流が流れないように、コンデンサをあらかじめ充電しておく動作である。特許文献１では昇圧動作させることで、低圧バッテリにより高圧側のコンデンサを充電する（プリチャージする）技術が開示されている。また、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧動作を通常とするため、装置設計は降圧動作を基本に設計がされている。

特開２０１５−２２８７８８号公報

しかしながら、上記のような装置設計がされたフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータでは、プリチャージにおいてもスイッチング損失が発生する。プリチャージにおいて発生するスイッチング損失を低減するためには、降圧動作だけでなく、プリチャージ時の動作である昇圧動作を考慮して装置設計を見直す必要がある。しかし、降圧動作と昇圧動作を考慮して装置設計を見直すには、降圧動作と昇圧動作では制御や、発熱する部位が異なり、位相補償、放熱構造、評価などを行うことが不可欠であるため、多大な装置設計時間が必要となる。また、放熱構造も大型化・複雑化する虞がある。

本発明の一側面に係る目的は、昇圧動作によるプリチャージにおいてスイッチング損失を低減できるフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することである。

本発明に係る一つの形態であるフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、第一のバッテリとトランスの一次コイルとに並列接続される第一の回路と、第二のバッテリとトランスの二次コイルとに並列接続される第二の回路と、第一の回路と第二の回路とを制御する制御回路とを有する。

第一の回路は、第一のリレーと、第二のリレーと、第一のコンデンサと、第二のコンデンサと、第一のスイッチ素子と、第二のスイッチ素子とを有し、第一のバッテリの正極端子と第一のリレーの一方の端子とが接続され、第一のリレーの他方の端子と第一のコンデンサの一方の端子と第二のコンデンサの一方の端子と一次コイルの一方の端子とが接続され、第二のコンデンサの他方の端子と第一のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第一のスイッチ素子の第二の端子と一次コイルの他方の端子と第二のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第一のバッテリの負極端子と第二のリレーの一方の端子とが接続され、第二のリレーの他方の端子と第一のコンデンサの他方の端子と第二のスイッチ素子の第二の端子とが接続される。

第二の回路は、第三のコンデンサと、第四のコンデンサと、コイルと、第三のスイッチ素子と、第四のスイッチ素子と、第五のスイッチ素子とを有し、第二のバッテリの正極端子と第三のコンデンサの一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、コイルの他方の端子と二次コイルの一方の端子と第三のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、二次コイルの他方の端子と第四のスイッチ素子の第一の端子と第四のコンデンサの一方の端子とが接続され、第四のコンデンサの他方の端子と第五のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第二のバッテリの負極端子と第三のコンデンサの他方の端子と第三のスイッチ素子の第二の端子と第四のスイッチ素子の第二の端子と第五のスイッチ素子の第二の端子とが接続される。

制御回路は、第一のコンデンサを第二のバッテリを用いて充電する場合、第一のリレーと第二のリレーとを遮断状態にし、第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子と第四のスイッチ素子とを遮断状態にし、第五のスイッチ素子を導通状態にし、第三のコンデンサに入力される入力電圧を用いて、入力電圧とソフトスタート期間とソフトスタート期間に設定するデューティとが関連付けられたソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタート期間とデューティを求め、求めたソフトスタート期間とデューティとを用いて、第三のスイッチ素子のソフトスタートを制御する。

また、制御回路は、異常を検知した場合、ソフトストップを用いて第三のスイッチ素子を停止する。
なお、制御回路は、電流検出回路から一次コイルに流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号が示す電流が過電流である場合、異常を検知する。

昇圧動作においてスイッチング損失を低減できる。

フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの一実施例を示す図である。 フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を示す図である。 Ａソフトスタートを用いない場合の波形と、Ｂソフトスタートを用いた場合の波形とを示す図である。 Ａソフトスタートを用いた場合の入力電圧が高いときの波形と、Ｂソフトスタート情報を用いてソフトスタートをした場合の入力電圧が高いときの波形とを示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１の一実施例を示す図である。なお、以降においてフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１をコンバータ１と言い換える。コンバータ１は、トランスＴ１と、バッテリＢ１（第一のバッテリ）とトランスＴ１の一次コイルＬ１とに並列接続される第一の回路２と、バッテリＢ２（第二のバッテリ）とトランスＴ１の二次コイルＬ２とに並列接続される第二の回路３と、第一の回路２と第二の回路３とを制御する制御回路４とを有する。

第一の回路２は、リレーＲＬ１（第一のリレー）と、リレーＲＬ２（第二のリレー）と、コンデンサＣ１（第一のコンデンサ）と、コンデンサＣ２（第二のコンデンサ）と、スイッチ素子Ｑ１（第一のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ２（第二のスイッチ素子）と、電流検出回路ＣＴとを有する。

第二の回路３は、コンデンサＣ３（第三のコンデンサ）と、コンデンサＣ４（第四のコンデンサ）と、コイルＬ３と、スイッチ素子Ｑ３（第三のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ４（第四のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ５（第五のスイッチ素子）とを有する。

制御回路４は、第一の回路２と第二の回路３を制御し、降圧動作において、リレーＲＬ１、ＲＬ２はオン（導通状態）にしてバッテリＢ１から供給される電力を用いてバッテリＢ２を充電し、昇圧動作において、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオフ（遮断状態）にしてバッテリＢ１を第一の回路２から切り離した状態にして、バッテリＢ２の電圧を昇圧させてコンデンサＣ１を充電する。

なお、バッテリＢ１の電圧とバッテリＢ２の電圧の関係は、バッテリＢ１の電圧＞バッテリＢ２の電圧の関係である。
なお、制御回路４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される。

また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などである。なお、図１ではＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いているが、例えば、ダイオードが並列接続される他のトランジスタにより構成してもよい。

また、電流検出回路ＣＴは、例えば、電流センサやシャント抵抗などである。なお、電流検出回路ＣＴは、降圧動作で用いる電流検出回路を流用してもよい。
コンバータ１の回路構成について説明をする。

第一の回路２において、バッテリＢ１の正極端子とリレーＲＬ１の一方の端子とが接続され、リレーＲＬ１の他方の端子とコンデンサＣ１の一方の端子とコンデンサＣ２の一方の端子と一次コイルＬ１の一方の端子とが接続され、コンデンサＣ２の他方の端子とスイッチ素子Ｑ１のドレイン（第一の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｑ１のソース（第二の端子）と一次コイルＬ１の他方の端子とスイッチ素子Ｑ２のドレイン（第一の端子）とが接続され、バッテリＢ１の負極端子とリレーＲＬ２の一方の端子とが接続され、リレーＲＬ２の他方の端子とコンデンサＣ１の他方の端子とスイッチ素子Ｑ２のソース（第二の端子）とが接続される。

第二の回路３において、バッテリＢ２の正極端子とコンデンサＣ３の一方の端子とコイルＬ３の一方の端子とが接続され、コイルＬ３の他方の端子と二次コイルＬ２の一方の端子とスイッチ素子Ｑ３のドレイン（第一の端子）とが接続され、二次コイルＬ２の他方の端子とスイッチ素子Ｑ４のドレイン（第一の端子）とコンデンサＣ４の一方の端子とが接続され、コンデンサＣ４の他方の端子とスイッチ素子Ｑ５のドレイン（第一の端子）とが接続され、バッテリＢ２の負極端子とコンデンサＣ３の他方の端子とスイッチ素子Ｑ３のソース（第二の端子）とスイッチ素子Ｑ４のソース（第二の端子）とスイッチ素子Ｑ５のソース（第二の端子）とが接続される。

また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５のゲート（制御端子）は制御回路４の制御端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に接続される。また、リレーＲＬ１の制御端子は制御回路４の制御端子Ｐｒ１に接続され、リレーＲＬ２の制御端子は制御回路４の制御端子Ｐｒ２に接続され、電流検出回路ＣＴの出力端子は制御回路４の制御端子Ｐ６に接続されている。

コンバータ１の動作について説明する。
図２は、コンバータ１の動作を示す図である。
（１）図２の時刻ｔ０において、コンデンサＣ１をバッテリＢ２を用いて充電する場合（昇圧動作）、例えばプリチャージを行う場合、制御回路４は、バッテリＢ２の充電開始を示す許可信号を、制御回路４の上位のシステムなどから受信すると、バッテリＢ２から供給される電力を用いてコンデンサＣ１を充電させる制御を開始する。図２の許可信号を参照。
（２）制御回路４は、プリチャージを行う場合、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオフにした状態で、まずソフトスタートを開始する。図２のＱ３ゲート端子を参照。なお、ソフトスタートを行う理由は、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失を低減するためである。

ソフトスタートについて説明をする。
（２−１）制御回路４は、ソフトスタートをする場合、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ４をオフ（遮断状態）にし、スイッチ素子Ｑ５をオン（導通状態）にする。図２のＱ５ゲート端子を参照。
（２−２）制御回路４は、図１に不図示の電圧計測部が計測したコンデンサＣ３の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）を取得する。
（２−３）制御回路４は、入力電圧Ｖｉｎを用いて、入力電圧Ｖｉｎと、ソフトスタート期間Ｔｓと、ソフトスタート期間Ｔｓに設定するデューティＤｓとが関連付けられて記憶部に記憶されているソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタートを行うソフトスタート期間Ｔｓとソフトスタート期間Ｔｓに設定するデューティＤｓを求める。

ソフトスタート期間Ｔｓは、入力電圧Ｖｉｎに応じて決まるソフトスタートを行う期間を示す情報である。
デューティＤｓは、ソフトスタート期間Ｔｓに含まれる、制御回路４がスイッチ素子Ｑ３に対して行うパルス幅変調（ＰＷＭ）の周期Ｔごとに設定されるスイッチ素子Ｑ３のデューティを示す情報である。例えば、ソフトスタート期間Ｔｓにｎ個の周期Ｔがある場合、ｎ個の周期Ｔごとにｎ個のデューティが設定される。なお、ｎは正の整数である。

設定するデューティは、ソフトスタート期間Ｔｓを経過した後のプリチャージ期間（図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２）で用いるデューティ（固定デューティ：図２のＱ３ゲート端子を参照）になるまで徐々に長くする。例えば、ソフトスタート期間Ｔｓが終わりに近づくほどデューティは長くなる。

又は、設定するデューティは、ソフトスタート期間Ｔｓにおける入力電圧Ｖｉｎに応じて最適化する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが高いほどスイッチ素子Ｑ３のオン時間を短くする。言い換えれば、スイッチ素子Ｑ３のオフ時間を長くする。

また、制御回路４は、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにＰＷＭ制御をする。すなわち、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時に、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］で、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が０［Ａ］以下になるように、制御回路４はデューティを設定する。ただし、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失が低減できればよいので、必ずしもスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］で、かつ電流ＩＬ３が０［Ａ］以下でなくてもよい。

ソフトスタート情報は、例えば、テーブルを用いてもよいし算出式を用いてもよい。また、ソフトスタート情報は、実験又はシミュレーションにより求める。
ソフトスタート情報がテーブルの場合について説明する。

ソフトスタート情報は、入力電圧Ｖｉｎを示す入力電圧情報（「Ｖｉｎ１」「Ｖｉｎ２」「Ｖｉｎ３」……「Ｖｉｎｍ」）と、入力電圧情報に関連付けられるソフトスタート期間Ｔｓを示すソフトスタート期間情報（入力電圧情報「Ｖｉｎ１」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ１」、入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」、入力電圧情報「Ｖｉｎ３」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ３」……入力電圧情報「Ｖｉｎｍ」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓｍ」）と、入力電圧情報に関連付けられるソフトスタート期間ＴｓのデューティＤｓを示すデューティ情報（入力電圧情報「Ｖｉｎ１」に対応したデューティ情報「Ｄｓ１」、入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応したデューティ情報「Ｄｓ２」、入力電圧情報「Ｖｉｎ３」に対応したデューティ情報「Ｄｓ３」……入力電圧情報「Ｖｉｎｍ」に対応したデューティ情報「Ｄｓｍ」）とを有している。なお、ｍは３より大きい正の整数である。

例えば、制御回路４が取得した入力電圧情報が「Ｖｉｎ２」の場合、制御回路４は入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応するソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」と、デューティ情報「Ｄｓ２」とが求まる。そして、制御回路４は、ソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」が示すソフトスタート期間Ｔｓに含まれる周期Ｔごとにデューティ情報「Ｄｓ２」が示すデューティＤｓを設定する。

（１）（２）の処理により、時刻ｔ０から時刻ｔ１において、ソフトスタートを用いてコンデンサＣ１が徐々に充電される。図２の出力電圧Ｖｏｕｔを参照。
（３）図２の時刻ｔ１（ソフトスタート期間Ｔｓを経過した時刻）において、制御回路４はソフトスタートの制御を終了する。
（４）制御回路４は、ソフトスタート終了後のプリチャージを行う。ソフトスタート終了後のプリチャージについて説明する。
（４−１）制御回路４が、スイッチ素子Ｑ３をオンにすると、バッテリＢ２からコイルＬ３へ電流が流れるとともに、コンデンサＣ４からトランスＴ１の二次コイルＬ２へ電流が流れ、コイルＬ３及びトランスＴ１の二次コイルＬ２にエネルギーが蓄積される。
（４−２）制御回路４が、スイッチ素子Ｑ３をオフにすると、コイルＬ３に蓄積されているエネルギーの一部がトランスＴ１を介してコンデンサＣ１へ移動するとともに、残りのエネルギーがコンデンサＣ４へ移動し、トランスＴ１の二次コイルＬ２に蓄積されているエネルギーがコンデンサＣ１へ移動する。
（４−３）制御回路４が、再度、スイッチ素子Ｑ３がオンすると、バッテリＢ２からコイルＬ３へエネルギーが移動するとともに、コンデンサＣ４からトランスＴ１の二次コイルＬ２へエネルギーが移動する。
（４−４）制御回路４が、再度、スイッチ素子Ｑ３がオフすると、コイルＬ３からコンデンサＣ１やコンデンサＣ４へエネルギーが移動するとともに、トランスＴ１の二次コイルＬ２からコンデンサＣ１へエネルギーが移動する。

このように（４）の（４−１）（４−２）（４−３）（４−４）の処理を繰り返すことで、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、コンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）が閾値Ｖｔｈに到達する。図２の出力電圧Ｖｏｕｔを参照。
（５）図２の時刻ｔ２（プリチャージ期間を経過した時刻）において、制御回路４がプリチャージを終了する。なお、制御回路４は、プリチャージが終了したことを示すプリチャージ完了フラグを設定する。図２のプリチャージ完了フラグを参照。
（６）制御回路４は、コンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖｔｈ以上になると、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオンしてバッテリＢ１から供給される電力を用いてバッテリＢ２を充電させる制御をする。
（６−１）制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオンにし、スイッチ素子Ｑ３をオフにし、スイッチ素子Ｑ４をオンにし、スイッチ素子Ｑ５を常時オフにすると、バッテリＢ１からトランスＴ１の一次コイルＬ１へ電流が流れてトランスＴ１に起電力が発生し、その起電力によりスイッチ素子Ｑ４、トランスＴ１の二次コイルＬ２、コイルＬ３、コンデンサＣ３を介してバッテリＢ２へ電流が流れるとともに、コイルＬ３にエネルギーが蓄積される。
（６−２）制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオフにし、スイッチ素子Ｑ３をオンにし、スイッチ素子Ｑ４をオフにすると、コイルＬ３に蓄積されているエネルギーが放出されて、スイッチ素子Ｑ３、コイルＬ３、コンデンサＣ３を介してバッテリＢ２へ電流が流れる。

このように（６）の（６−１）（６−２）の処理を繰り返すことで、バッテリＢ２が充電される。
なお、制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオンにするとき、スイッチ素子Ｑ１をオフにし、スイッチ素子Ｑ２をオフにするとき、スイッチ素子Ｑ１をオンにすると、スイッチ素子Ｑ１がオンしたとき、トランスＴ１の一次コイルＬ１に蓄積されているエネルギーがコンデンサＣ２に移動する。従って、制御回路４がスイッチ素子Ｑ２を再度オンにする前に、トランスＴ１の励磁を強制的にリセットさせることができる。

ソフトスタートの動作について説明をする。
図３のＡは、ソフトスタートを用いない場合の波形を示す図である。ソフトスタートを用いない場合、図３のＡに示すようにスイッチ素子Ｑ３がターンオンすると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が増加し始める。続いて、スイッチ素子Ｑ３がターンオフすると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが上昇し始める。そしてスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが入力電圧Ｖｉｎより高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は減少に転じる。

しかし、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ、ｔ３ｂ、ｔ３ｃ、ｔ３ｄ）に、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄは入力電圧Ｖｉｎ以上であり、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は０［Ａ］以下にならないため、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時にスイッチング損失が大きくなる。

図３のＢは、ソフトスタートを用いた場合の波形を示す図である。ソフトスタートを用いた場合、スイッチ素子Ｑ３がターンオンすると、図３のＡと同じようにコイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が増加し始める。続いて、スイッチ素子Ｑ３がターンオフすると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが上昇し始める。そしてスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが入力電圧Ｖｉｎより高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は減少に転じる。

しかし、図３のＢではスイッチ素子Ｑ３のオン時間を徐々に長くしているため、すなわち図３のＡと比べて図３のＢのスイッチ素子Ｑ３のオン時間が短いため、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）までに０［Ａ］以下まで低下する。また、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が０［Ａ］になると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄも降下に転じ、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）までに０［Ｖ］まで低下する。

従って、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）において、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄは０［Ｖ］であり、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は０［Ａ］以下となるので、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。

図４のＡは、ソフトスタートを用いた場合の入力電圧Ｖｉｎが高いときの波形を示している。ソフトスタートを用いても、入力電圧Ｖｉｎが高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３の傾き（ｄＩＬ３／ｄｔ）が急峻になり、スイッチ素子Ｑ３のオフ時に、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが下がりきらなくなり、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時にスイッチング損失が発生する。

そこで、上述したように、入力電圧Ｖｉｎを用いて、ソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタートを行う。図４のＢは、ソフトスタート情報を用いてソフトスタートをした場合の入力電圧Ｖｉｎが高いときの波形を示している。

図４のＢでは、入力電圧Ｖｉｎに応じて、ソフトスタート期間Ｔｓのスイッチ素子Ｑ３のデューティを最適化し、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにしている。

このように、スイッチ素子Ｑ３に対してソフトスタートをすることで、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失を低減できる。
また、制御回路４は、プリチャージにおいてコンバータ１の異常を検知した場合、ソフトストップを用いてスイッチ素子Ｑ３を停止する。

理由は、異常を検知した後にスイッチ素子Ｑ３を急停止すると、スイッチ素子Ｑ３に流れる電流が大きいため、スイッチ素子Ｑ３に印加されるサージ電圧が大きくなり、スイッチ素子Ｑ３が損傷する虞がある。そこで、異常を検知した場合、ソフトストップを用いてスイッチ素子Ｑ３に流れる電流を徐々に減らしてから、スイッチ素子Ｑ３を停止させることで、スイッチ素子Ｑ３の損傷を回避する。例えば、ソフトストップ期間におけるスイッチ素子Ｑ３のデューティを最適化し、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにする。

制御回路４は、電流検出回路ＣＴから一次コイルＬ１に流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号が示す電流が過電流である場合、異常を検知する。例えば、図１に示す電流検出回路ＣＴを用いて異常を検知する。なお、電流検出回路ＣＴは、降圧動作時で用いる電流計測部を流用してもよい。

また、図１に不図示の電圧計測部を用いてコンデンサＣ１の電圧を計測し、コンデンサＣ１の電圧を用いて異常を検知してもよいし、図１に不図示の電圧計測部を用いてコンデンサＣ３の電圧を計測し、コンデンサＣ３の電圧を用いて異常を検知してもよい。なお、上記電圧計測部は、降圧動作で用いる保護回路の電圧計測部を流用してもよい。

また、本発明のコンバータ１は、フォワード方式を採用したので、プリチャージにおける位相補償に対する設計と評価をする時間を短縮することができる。また、本発明のコンバータ１は、プリチャージ（昇圧動作）においてソフトスタートを採用したので、降圧動作向けの放熱構造を変更しないため、放熱構造に対する設計及び評価などを行う時間を短縮することができる。また、昇圧動作向けの放熱構造の大型化・複雑化を回避できる。

また、本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ コンバータ
２ 第一の回路
３ 第二の回路
４ 制御回路
Ｂ１、Ｂ２ バッテリ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ
ＣＴ 電流検出回路
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５ スイッチ素子
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３ コイル
Ｔ１ トランス

Claims (3)

1. 第一のバッテリとトランスの一次コイルとに並列接続される第一の回路と、
   第二のバッテリと前記トランスの二次コイルとに並列接続される第二の回路と、
   前記第一の回路と前記第二の回路とを制御する制御回路と、を有するフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記第一の回路は、
   第一のリレーと、第二のリレーと、第一のコンデンサと、第二のコンデンサと、第一のスイッチ素子と、第二のスイッチ素子とを有し、
   前記第一のバッテリの正極端子と前記第一のリレーの一方の端子とが接続され、前記第一のリレーの他方の端子と前記第一のコンデンサの一方の端子と前記第二のコンデンサの一方の端子と前記一次コイルの一方の端子とが接続され、前記第二のコンデンサの他方の端子と前記第一のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第一のスイッチ素子の第二の端子と前記一次コイルの他方の端子と前記第二のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第一のバッテリの負極端子と前記第二のリレーの一方の端子とが接続され、前記第二のリレーの他方の端子と前記第一のコンデンサの他方の端子と前記第二のスイッチ素子の第二の端子とが接続され、
   前記第二の回路は、
   第三のコンデンサと、第四のコンデンサと、コイルと、第三のスイッチ素子と、第四のスイッチ素子と、第五のスイッチ素子とを有し、
   前記第二のバッテリの正極端子と前記第三のコンデンサの一方の端子と前記コイルの一方の端子とが接続され、前記コイルの他方の端子と前記二次コイルの一方の端子と前記第三のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記二次コイルの他方の端子と前記第四のスイッチ素子の第一の端子と第四のコンデンサの一方の端子とが接続され、前記第四のコンデンサの他方の端子と前記第五のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第二のバッテリの負極端子と前記第三のコンデンサの他方の端子と前記第三のスイッチ素子の第二の端子と前記第四のスイッチ素子の第二の端子と前記第五のスイッチ素子の第二の端子とが接続され、
   前記制御回路は、
   前記第一のコンデンサを前記第二のバッテリを用いて充電する場合、前記第一のリレーと前記第二のリレーとを遮断状態にし、前記第一のスイッチ素子と前記第二のスイッチ素子と前記第四のスイッチ素子とを遮断状態にし、前記第五のスイッチ素子を導通状態にし、
   前記第三のコンデンサに入力される入力電圧を用いて、前記入力電圧とソフトスタート期間と前記ソフトスタート期間に設定するデューティとが関連付けられたソフトスタート情報を参照し、前記入力電圧に応じた前記ソフトスタート期間と前記デューティを求め、
   求めた前記ソフトスタート期間と前記デューティとを用いて、前記第三のスイッチ素子の前記ソフトスタートを制御する、
   ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 請求項１に記載のフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記制御回路は、
   異常を検知をした場合、ソフトストップを用いて前記第三のスイッチ素子を停止する、
   ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 請求項２に記載のフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記制御回路は、
   前記一次コイルに流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号の示す電流が過電流である場合、前記異常を検知する、
   ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。

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