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JP2024124094A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

Figure 2024124094000001
【課題】複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力を直列接続して構成される電力変換装置において、単純な回路構成により、各DC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧をそれぞれ均等化することができる、電力変換装置を提供する。
【解決手段】本実施の形態の電力変換装置は、直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、当該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、複数のDC-DCコンバータ回路の複数の第1のインダクタにそれぞれ並列接続される複数の第3のインダクタとを備え、複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、複数の第3のインダクタが磁気的に並列接続される。
【選択図】図2

Description

本実施の形態は、電力変換装置に関する。
直流の入力電圧を昇圧または降圧して一定の直流電圧として出力する電力変換装置が知られている。電力変換装置の構成として、例えば、複数のDC-DCコンバータ回路の各入力および各出力を直列接続することにより、高い変圧比を実現する構成が知られている。この場合、複数のDC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧がそれぞれ均等化されることが好ましい。
しかしながら、実際には、複数のDC-DCコンバータ回路の各回路パラメータを完全に一致させることは困難であり、結果として、複数のDC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧をそれぞれ完全に均等化させることも困難である。この問題に対処するために、例えば、電圧を均等化するための補償回路やソフトウェア制御系等を追加することが考えられる。
しかしながら、補償回路の構成としては、例えば、昇降圧チョッパ回路やフライバックコンバータ回路等が考えられるが、これらの回路の構成は比較的複雑であり、回路全体が大型化してしまう。また、ソフトウェア制御系を設ける場合には、設計が複雑になり、またDC-DCコンバータ回路の数が増加するほど、動作が不安定になる。
特開2021-132468号公報
本実施の形態は、複数のDC-DCコンバータ回路の各入力および各出力を直列接続して構成される電力変換装置において、単純な回路構成により、複数のDC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧をそれぞれ均等化することができる、電力変換装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本実施の形態に係る電力変換装置は、直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、当該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、複数のDC-DCコンバータ回路の複数の第1のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する複数の第2のインダクタとを備え、複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、複数の第2のインダクタが2つのノードの間に並列接続される。
また、本実施の形態に係る別の電力変換装置は、直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、当該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、複数のDC-DCコンバータ回路の複数の第1のインダクタにそれぞれ並列接続される複数の第3のインダクタとを備え、複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、複数の第3のインダクタが磁気的に並列接続される。
実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示す図。 実施の形態2に係る電力変換装置の構成を示す図。 実施の形態3に係る電力変換装置の構成を示す図。 実施の形態4に係る電力変換装置の構成を示す図。 実施の形態5に係る電力変換装置の構成を示す図。
以下では、図面を参照しながら、本実施の形態について説明する。図面において同一または対応する要素には同じ参照符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置100の構成を示す図である。電力変換装置100は、直流の入力電圧を昇圧または降圧して一定の直流電圧として出力する装置であり、入力端子INaおよびINbと、出力端子OUTaおよびOUTbとを備えている。入力端子INaおよびINbには、直流の入力電圧Vinが印加され、出力端子OUTaおよびOUTbからは、直流の出力電圧Voが出力される。
電力変換装置100は、N個のDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)を備えている。DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の各入力端子11a~11bおよび各出力端子12a~12bは、それぞれ直列接続されている。
最上段のDC-DCコンバータ回路101(1)の入力端子11aは、電力変換装置100の入力端子INaに接続されている。最下段のDC-DCコンバータ回路101(N)の入力端子11bは、電力変換装置100の入力端子INbに接続されている。DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は理想的にはすべて等しく、したがって、V1×N=Vinである。
最上段のDC-DCコンバータ回路101(1)の出力端子12aは、電力変換装置100の出力端子OUTaに接続されている。最下段のDC-DCコンバータ回路101(N)の出力端子12bは、電力変換装置100の出力端子OUTbに接続されている。DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2は理想的にはすべて等しく、したがって、V2×N=Voである。
次に、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の詳細な構成について説明する。ただし、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の構成はすべて同一であるため、これ以降、これらをまとめてDC-DCコンバータ回路101と表記する。
DC-DCコンバータ回路101は、周知のLLC型のコンバータ回路であり、入力端子11aおよび11bから入力される直流電圧V1をスイッチングして第1のインダクタL1の両端に交流電圧を発生させ、当該交流電圧を整流して出力端子12aおよび12bから直流電圧V2を出力する。
DC-DCコンバータ回路101の入力側には、入力電圧V1を平滑化するキャパシタC1と、半導体スイッチング素子M1~M4によって構成されるフルブリッジ型のインバータ回路とが設けられている。半導体スイッチング素子M1~M4としては、例えば、Nチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いることができる。この場合、半導体スイッチング素子M1およびM2の各ドレイン端子が入力端子11aに接続され、半導体スイッチング素子M3およびM4の各ソース端子が入力端子11bに接続される。また、半導体スイッチング素子M1のソース端子と半導体スイッチング素子M3のドレイン端子とが接続され、半導体スイッチング素子M2のソース端子と半導体スイッチング素子M4のドレイン端子とが接続される。
半導体スイッチング素子M1と半導体スイッチング素子M3とを接続する第1のノードN1と、半導体スイッチング素子M2と半導体スイッチング素子M4とを接続する第2のノードN2との間には、キャパシタC2、インダクタL2、第1のインダクタL1、インダクタL3、およびキャパシタC3が直列接続されている。半導体スイッチング素子M1~M4の各ゲート端子には、図示しない制御回路から制御信号が入力される。制御信号に従って半導体スイッチング素子M1~M4がスイッチング動作することにより、第1のインダクタL1の両端に交流電圧が発生する。
DC-DCコンバータ回路101の出力側には、半導体スイッチング素子M5~M8によって構成されるフルブリッジ型の整流回路と、出力電圧V2を平滑化するキャパシタC4とが設けられている。半導体スイッチング素子M5~M8としては、例えば、Nチャネル型のMOSFETを用いることができる。この場合、半導体スイッチング素子M5およびM6の各ドレイン端子が出力端子12aに接続され、半導体スイッチング素子M7およびM8の各ソース端子が出力端子12bに接続される。また、半導体スイッチング素子M5のソース端子と半導体スイッチング素子M7のドレイン端子とが接続され、半導体スイッチング素子M6のソース端子と半導体スイッチング素子M8のドレイン端子とが接続される。
半導体スイッチング素子M5と半導体スイッチング素子M7とを接続する第3のノードN3には第1のインダクタL1の一端が接続されており、半導体スイッチング素子M6と半導体スイッチング素子M8とを接続する第4のノードN4には第1のインダクタL1の他端が接続されている。半導体スイッチング素子M5~M8の各ゲート端子には、図示しない制御回路から制御信号が入力される。制御信号に従って半導体スイッチング素子M5~M8がスイッチング動作することにより、第1のインダクタL1の両端に発生した交流電圧が整流され、直流電圧に変換される。
電力変換装置100は、N個のDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の第1のインダクタL1(1)~L1(N)とそれぞれ磁気的に結合する、N個の第2のインダクタ20(1)~20(N)を備えている。これら第2のインダクタ20(1)~20(N)は、ノードN5とノードN6との間に並列接続されている。第1のインダクタL1(1)~L1(N)と第2のインダクタ20(1)~20(N)との結合比率はすべて等しく、例えば1:1である。
DC-DCコンバータ回路101(1)の第1のインダクタL1(1)と、当該第1のインダクタL1(1)と磁気的に結合する第2のインダクタ20(1)とによって、トランスが構成されている。
同様に、DC-DCコンバータ回路101(2)の第1のインダクタL1(2)と、当該第1のインダクタL1(2)と磁気的に結合する第2のインダクタ20(2)とによって、トランスが構成されている。
以下同様に、DC-DCコンバータ回路101(N)の第1のインダクタL1(N)と、当該第1のインダクタL1(N)と磁気的に結合する第2のインダクタ20(N)とによって、トランスが構成されている。
各トランスの極性は、第2のインダクタ20(1)~20(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるように設定されている。詳細には、本実施の形態1では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の半導体スイッチング素子M1~M4のスイッチング制御のタイミングはすべて等しい。しがって、第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端に発生する交流電圧の位相はすべて等しい。
この場合、第2のインダクタ20(1)~20(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるためには、各トランスの極性をすべて同一に設定する必要がある。図1の例では、各トランスの極性がすべて同極性となるように設定されている。代替的には、各トランスの極性がすべて逆極性となるように設定されてもよい。
先述したように、実際に電力変換装置100を実装する場合、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の各回路パラメータを完全に一致させることは困難である。そのため、仮に第2のインダクタ20(1)~20(N)が存在しない場合には、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1および出力電圧V2をそれぞれ完全に等しくすることは困難である。
この問題に対処するために、本実施の形態1では、第1のインダクタL1(1)~L1(N)とそれぞれ等しい結合比率で磁気的に結合する、第2のインダクタ20(1)~20(N)が設けられており、これら第2のインダクタ20(1)~20(N)は、ノードN5とノードN6との間に並列接続されている。また、第1のインダクタL1(1)~L1(N)と第2のインダクタ20(1)~20(N)とによって構成される複数のトランスは、ノードN3、N4、N5、およびN6を基準とした極性が同一である。
換言すれば、ある1つの第1のインダクタL1の一方のノードN3から他方のノードN4に向かう電流が増加するとき、他の複数の第1のインダクタL1のノードN4からノードN3に向かう電流が増加する向きに、第1のインダクタL1(1)~L1(N)と第2のインダクタ20(1)~20(N)とによって構成される複数のトランスの極性が設定されている。
例えば、ある1つのDC-DCコンバータ回路101のノードN3とノードN4との間に相対的に大きな電圧が印加されると、当該ノードN3からノードN4に向かって相対的に大きな電流が流れる。このとき、トランスを介して対応する第2のインダクタ20のノードN5とノードN6との間に、ノードN5の側が正となる起電力が発生する。他の複数のDC-DCコンバータ回路101のノードN3とノードN4との間には、トランスを介してノードN4の側を正とする2次的な起電力が発生する。
これにより、ノードN3とノードN4との間に接続される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧はすべて等しくなるようにバランスし、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は、高い精度で均等化される。また、第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧を整流して得られるDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2も、高い精度で均等化される。
以上説明したように、本実施の形態1に係る電力変換装置100は、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の第1のインダクタL1(1)~L1(N)とそれぞれ磁気的に結合する第2のインダクタ20(1)~20(N)を備えており、第2のインダクタ20(1)~20(N)はノードN5とノードN6との間に並列接続されている。
上記の特徴により、本実施の形態1に係る電力変換装置100では、従来技術のように複数のDC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧をそれぞれ均等化するための複雑な補償回路やソフトウェア制御系等を設けることなく、極めて単純な回路構成により、複数のDC-DCコンバータ回路の入力電圧および出力電圧をそれぞれ均等化することができる。
結果として、従来技術よりも回路全体を小型化することができるとともに、ソフトウェア制御系の設計も不要となり、開発期間を短縮することができる。また、ソフトウェア制御系の設計における複数のDC-DCコンバータ回路の動作時の不安定性を考慮する必要が無くなるため、より多くのDC-DCコンバータ回路を直列接続することが可能になる。
なお、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)のそれぞれについて、第1のインダクタL1と第2のインダクタ20とによって構成されるトランスは、DC-DCコンバータ回路101の筐体内に設けられてもよいし、筐体外に設けられてもよい。DC-DCコンバータ回路101の筐体内にトランスを設ける場合には、複数のDC-DCコンバータ回路の接続が容易になり、拡張性が向上する。一方、DC-DCコンバータ回路101の筐体外にトランスを設ける場合には、既存のDC-DCコンバータ回路に第2のインダクタ20を追加するだけでよいので、製造が容易になる。
(実施の形態2)
図2は、実施の形態2に係る電力変換装置200の構成を示す図である。電力変換装置200は、上記の実施の形態1に係る電力変換装置100の第2のインダクタ20(1)~20(N)に代えて、第3のインダクタ230(1)~230(N)と、第4のインダクタ240(1)~240(N)とを備えている。
第3のインダクタ230(1)~230(N)は、第1のインダクタL1(1)~L1(N)にそれぞれ並列接続されている。第3のインダクタ230(1)~230(N)と、第4のインダクタ240(1)~240(N)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されている。第4のインダクタ240(1)~240(N)は、ノードN7とノードN8との間に並列接続されている。
DC-DCコンバータ回路101(1)の第1のインダクタL1(1)に並列接続される第3のインダクタ230(1)と、当該第3のインダクタ230(1)と磁気的に結合する第4のインダクタ240(1)とによって、トランスが構成されている。
同様に、DC-DCコンバータ回路101(2)の第1のインダクタL1(2)に並列接続される第3のインダクタ230(2)と、当該第3のインダクタ230(2)と磁気的に結合する第4のインダクタ240(2)とによって、トランスが構成されている。
以下同様に、DC-DCコンバータ回路101(N)の第1のインダクタL1(N)に並列接続される第3のインダクタ230(N)と、当該第3のインダクタ230(N)と磁気的に結合する第4のインダクタ240(N)とによって、トランスが構成されている。
各トランスの極性は、第4のインダクタ240(1)~240(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるように設定されている。詳細には、本実施の形態2では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の半導体スイッチング素子M1~M4のスイッチング制御のタイミングはすべて等しい。しがって、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端に発生する交流電圧の位相はすべて等しい。
この場合、第4のインダクタ240(1)~240(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるためには、各トランスの極性をすべて同一に設定する必要がある。図2の例では、各トランスの極性がすべて同極性となるように設定されている。代替的には、各トランスの極性がすべて逆極性となるように設定されてもよい。
本実施の形態2では、第3のインダクタ230(1)~230(N)と第4のインダクタ240(1)~240(N)とによって構成される複数のトランスは、ノードN3、N4、N7、およびN8を基準とした極性が同一である。
換言すれば、ある1つの第3のインダクタ230の一方のノードN3から他方のノードN4に向かう電流が増加するとき、他の複数の第3のインダクタ230のノードN4からノードN3に向かう電流が増加する向きに、第3のインダクタ230(1)~230(N)と第4のインダクタ240(1)~240(N)とによって構成される複数のトランスの極性が設定されている。
例えば、ある1つのDC-DCコンバータ回路101のノードN3とノードN4との間に相対的に大きな電圧が印加されると、当該ノードN3からノードN4に向かって相対的に大きな電流が流れる。このとき、トランスを介して対応する第4のインダクタ240のノードN7とノードN8との間に、ノードN7の側が正となる起電力が発生する。他の複数のDC-DCコンバータ回路101のノードN3とノードN4との間には、トランスを介してノードN4の側を正とする2次的な起電力が発生する。
これにより、ノードN3とノードN4との間に接続される第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端電圧はすべて等しくなるようにバランスし、これらと並列接続される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧もすべて等しくなる。結果として、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は、高い精度で均等化される。また、第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧を整流して得られるDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2も、高い精度で均等化される。
以上説明したように、本実施の形態2に係る電力変換装置200は、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の第1のインダクタL1(1)~L1(N)にそれぞれ並列接続される第3のインダクタ230(1)~230(N)と、第3のインダクタ230(1)~230(N)とそれぞれ磁気的に結合する第4のインダクタ240(1)~240(N)とを備えており、第4のインダクタ240(1)~240(N)がノードN7とノードN8との間に並列接続されている。
上記の特徴により、本実施の形態2に係る電力変換装置200は、上記の実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)のそれぞれについて、第3のインダクタ230と第4のインダクタ240とによって構成されるトランスは、DC-DCコンバータ回路101の筐体内に設けられてもよいし、筐体外に設けられてもよい。DC-DCコンバータ回路101の筐体内にトランスを設ける場合には、複数のDC-DCコンバータ回路の接続が容易になり、拡張性が向上する。一方、DC-DCコンバータ回路101の筐体外にトランスを設ける場合には、既存のDC-DCコンバータ回路に第3のインダクタ230および第4のインダクタ240を追加するだけでよいので、製造が容易になる。
(実施の形態3)
図3は、実施の形態3に係る電力変換装置300の構成を示す図である。電力変換装置300は、上記の実施の形態2に係る電力変換装置200の第4のインダクタ240(1)~240(N)を備えていない。これに代えて、DC-DCコンバータ回路101(2)~101(N-1)の第1のインダクタL1(2)~L(N-1)には、2つの第3のインダクタ230が並列接続されている。
DC-DCコンバータ回路101(1)の第1のインダクタL1(1)に並列接続される第3のインダクタ230(1)と、DC-DCコンバータ回路101(2)の第1のインダクタL1(2)に並列接続される或る第3のインダクタ230(2)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されている。これら2つのインダクタによって、トランスが構成されている。
同様に、DC-DCコンバータ回路101(2)の第1のインダクタL1(2)に並列接続される別の第3のインダクタ230(2)と、DC-DCコンバータ回路101(3)の第1のインダクタL1(3)に並列接続される或る第3のインダクタ230(3)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されている。これら2つのインダクタによって、トランスが構成されている。
以下同様に、DC-DCコンバータ回路101(N-1)の第1のインダクタL1(N-1)に並列接続される第3のインダクタ230(N-1)と、DC-DCコンバータ回路101(N)の第1のインダクタL1(N)に並列接続される第3のインダクタ230(N)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されている。これら2つのインダクタによって、トランスが構成されている。
各トランスの極性は、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるように設定されている。詳細には、本実施の形態3では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の半導体スイッチング素子M1~M4のスイッチング制御のタイミングはすべて等しい。しがって、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端に発生する交流電圧の位相はすべて等しい。この場合、各トランスの極性はすべて同極性となるように設定される。
本実施の形態3では、第3のインダクタ230(n―1)および230(n)によって構成される複数のトランスは、DC-DCコンバータ回路101(n―1)のノードN3およびN4、並びに、DC-DCコンバータ回路101(n)のノードN3およびノードN4を基準とした極性が同一である。
換言すれば、ある1つの第3のインダクタ230(n-1)のノードN3からノードN4に向かう電流が増加するとき、対応する第3のインダクタ230(n)のノードN4からノードN3に向かう電流が増加する向きに、第3のインダクタ230(n-1)および230(n)によって構成されるトランスの極性が設定されている。
これにより、ノードN3とノードN4との間に接続される第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端電圧はすべて等しくなるようにバランスし、これらと並列接続される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧もすべて等しくなる。結果として、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は、高い精度で均等化される。また、第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧を整流して得られるDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2も、高い精度で均等化される。
以上説明したように、本実施の形態3に係る電力変換装置300では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)のそれぞれについて、当該DC-DCコンバータ回路101の第1のインダクタL1に並列接続される第3のインダクタ230と、隣接する他のDC-DCコンバータ回路101の第1のインダクタL1に並列接続される第3のインダクタL3とが磁気的に結合されている。ここで隣接するとは、DC-DCコンバータ回路101の入力端子11bが、別のDC-DCコンバータ回路101の入力端子11aに接続されていることである。
上記の特徴により、本実施の形態3に係る電力変換装置300は、上記の実施の形態2と同様の効果を得ることができるともに、実施の形態2よりもトランスの数が1つ少なくて済む。
なお、本実施の形態3では、隣接する2つのDC-DCコンバータ回路101の第3のインダクタ230同士が磁気的に結合されていた。これにより、各トランスに加わる電圧が過度に大きくなることが回避される。ただし、各トランスの電圧耐性の範囲内であれば、任意の2つのDC-DCコンバータ回路101の第3のインダクタ230同士を磁気的に結合してもよい。
(実施の形態4)
図4は、実施の形態4に係る電力変換装置400の構成を示す図である。電力変換装置400は、上記の実施の形態2に係る電力変換装置200の第4のインダクタ240(1)~240(N)に代えて、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力側の整流回路にそれぞれ接続される第5のインダクタ450(1)~450(N)を備えている。
DC-DCコンバータ回路101(1)の第3のインダクタ230(1)と第5のインダクタ450(1)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されており、これら2つのインダクタによってトランスが構成されている。DC-DCコンバータ回路101(1)の第1のインダクタL1(1)の両端に発生した交流電圧は、第3のインダクタ230(1)と第5のインダクタ450(1)とによって構成されるトランスを介して、DC-DCコンバータ回路101(1)の出力側の整流回路に伝達される。
同様に、DC-DCコンバータ回路101(2)の第3のインダクタ230(2)と第5のインダクタ450(2)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されており、これら2つのインダクタによってトランスが構成されている。DC-DCコンバータ回路101(2)の第1のインダクタL1(2)の両端に発生した交流電圧は、第3のインダクタ230(2)と第5のインダクタ450(2)とによって構成されるトランスを介して、DC-DCコンバータ回路101(2)の出力側の整流回路に伝達される。
以下同様に、DC-DCコンバータ回路101(N)の第3のインダクタ230(N)と第5のインダクタ450(N)とは、等しい結合比率、例えば1:1で磁気的に結合されており、これら2つのインダクタによってトランスが構成されている。DC-DCコンバータ回路101(N)の第1のインダクタL1(N)の両端に発生した交流電圧は、第3のインダクタ230(N)と第5のインダクタ450(N)とによって構成されるトランスを介して、DC-DCコンバータ回路101(N)の出力側の整流回路に伝達される。
各トランスの極性は、第5のインダクタ250(1)~250(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるように設定されている。詳細には、本実施の形態4では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の半導体スイッチング素子M1~M4のスイッチング制御のタイミングはすべて等しい。しがって、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端に発生する交流電圧の位相はすべて等しい。
この場合、第5のインダクタ250(1)~250(N)の両端に発生する交流電圧の位相がすべて等しくなるためには、各トランスの極性をすべて同一に設定する必要がある。図4の例では、各トランスの極性がすべて同極性となるように設定されている。代替的には、各トランスの極性がすべて逆極性となるように設定されてもよい。
本実施の形態4では、第3のインダクタ230(1)~230(N)と第5のインダクタ450(1)~450(N)とによって構成される複数のトランスは、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)のノードN3およびN4を基準とした極性が同一である。
これにより、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端電圧はすべて等しくなるようにバランスし、これらと並列接続される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧もすべて等しくなる。結果として、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は、高い精度で均等化される。また、トランスによって伝送される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧を整流して得られるDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2も、高い精度で均等化される。
以上説明したように、本実施の形態4に係る電力変換装置400では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)のそれぞれは、第1のインダクタL1に並列接続される第3のインダクタ230と磁気的に結合するとともに、出力側の整流回路に接続される第5のインダクタ450を備えており、第3のインダクタ230と第5のインダクタ450とによって、第1のインダクタL1の両端に発生した交流電圧を伝達するトランスが構成されている。そして、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の各トランスのコアが共通である。
上記の特徴により、本実施の形態4に係る電力変換装置400は、上記の実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
(実施の形態5)
図5は、実施の形態5に係る電力変換装置500の構成を示す図である。電力変換装置500は、上記の実施の形態4に係る電力変換装置400のようにトランスのコアを共通化するのに代えて、第3のインダクタ230(1)~(N)と磁気的に接続される第6のインダクタ560(1)~560(N)を備えている。
詳細には、DC-DCコンバータ回路101(1)は、第3のインダクタ230(1)と磁気的に接続される1つの第6のインダクタ560を備えている。DC-DCコンバータ回路101(2)~101(N-1)は、第3のインダクタ230(2)~230(N-1)と磁気的に接続される2つの第6のインダクタ560を備えている。DC-DCコンバータ回路101(N)は、第3のインダクタ230(N)と磁気的に接続される1つの第6のインダクタ560を備えている。
DC-DCコンバータ回路101(1)に含まれる第6のインダクタ560(1)の両端は、DC-DCコンバータ回路101(2)に含まれる或る第6のインダクタ560(2)の両端に並列接続されている。詳細には、DC-DCコンバータ回路101(1)の第6のインダクタ560(1)と、DC-DCコンバータ回路101(2)の或る第6のインダクタ560(2)とは、第9のノードN9と第10のノードN10との間に並列接続されている。
同様に、DC-DCコンバータ回路101(2)に含まれる別の第6のインダクタ560(2)の両端は、DC-DCコンバータ回路101(3)に含まれる或る第6のインダクタ560(3)の両端に並列接続されている。詳細には、DC-DCコンバータ回路101(2)の別の第6のインダクタ560(2)と、DC-DCコンバータ回路101(3)の或る第6のインダクタ560(3)とは、第9のノード9と第10のノード10との間に並列接続されている。
以下同様に、DC-DCコンバータ回路101(N-1)に含まれる第6のインダクタ560(N-1)の両端は、DC-DCコンバータ回路101(N)に含まれる第6のインダクタ560(N)の両端に並列接続されている。詳細には、DC-DCコンバータ回路101(N-1)の第6のインダクタ560(N-1)と、DC-DCコンバータ回路101(N)の第6のインダクタ560(N)とは、第9のノード9と第10のノード10との間に並列接続されている。
本実施の形態3では、第3のインダクタ230(1)~230(N)と第6のインダクタ560(1)~560(N)とによって構成される複数のトランスは、ノードN1、N2、N9、およびN10基準とした極性が同一である。
換言すれば、ある1つの第3のインダクタ230の一方のノードN1側の端部から他方のノードN2側の端部に向かう電流が増加するとき、他の複数の第3のインダクタ230の他方のノードN2側の端部から一方のノードN1側の端部に向かう電流が増加するように、第3のインダクタ230(1)~230(N)と第6のインダクタ560(1)~560(N)とによって構成される複数のトランスの極性が設定されている。
これにより、第3のインダクタ230(1)~230(N)の両端電圧はすべて等しくなるようにバランスし、これらと並列接続される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧もすべて等しくなる。結果として、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の入力電圧V1は、高い精度で均等化される。また、トランスによって伝送される第1のインダクタL1(1)~L1(N)の両端電圧を整流して得られるDC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)の出力電圧V2も、高い精度で均等化される。
以上説明したように、本実施の形態5に係る電力変換装置500では、DCコンバータ回路101(1)~101(N)のそれぞれは、第1のインダクタL1に並列接続される第3のインダクタ230と磁気的に接続される1または2つの第6のインダクタを備えており、ある1つのDC-DCコンバータ回路の含まれる第6のインダクタ560の両端は、別のDC-DCコンバータ回路101に含まれる第6のインダクタ560の両端に並列接続されている。
上記の特徴により、本実施の形態5に係る電力変換装置500は、上記の実施の形態4と同様の効果を得ることができる。
(変形例)
上記の実施の形態1~5では、DC-DCコンバータ回路101(1)~101(N)は、LLC型のコンバータ回路であった。しかしながら、本実施の形態に係る技術を適用可能なDC-DCコンバータ回路は、LLC型のコンバータ回路に限定されるものではない。本実施の形態に係る技術は、直流電圧をスイッチングして交流電圧を発生させ、当該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、任意のDC-DCコンバータ回路に対して適用することができる。
上記の実施の形態1~5において、複数のインダクタや複数のトランスが並列に接続されているとは、特定の2つのノードの間に巻き方向や極性が揃うように複数のインダクタや複数のトランスの端部が接続されることを意味する。
また、上記の実施の形態1~5では、半導体スイッチング素子M1~M8として、Nチャネル型のMOSFETが用いられていた。これに代えて、半導体スイッチング素子M1~M8として、Pチャネル型のMOSFETを用いてもよい。
また、半導体スイッチング素子は、MOSFETに限定されるものではない。例えば、半導体スイッチング素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)またはBJT(Bipolar Junction Transistor)等を用いてもよい。また、半導体スイッチング素子および半導体ダイオードを構成する半導体としては、Si(Silicon)、SiC(Silicon Carbide)、またはGaN(Gallium Nitride)等の様々な材料を用いることができる。
幾つかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は例として提示したものであり、実施の形態の範囲を限定することは意図していない、これらの実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせ等を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、実施の形態の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲とその均等の範囲に含まれるものである。
なお、本実施の形態は、以下のような構成を取ることもできる。
[項目1](実1)
直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、
前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記複数の第1のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する複数の第2のインダクタと
を備え、
前記複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、前記複数の第2のインダクタが2つのノードの間に並列接続される、電力変換装置。
[項目2](実1)
前記複数の第1のインダクタと、該複数の第1のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記前記複数の第2のインダクタとによって、トランスが構成され、
ある1つの前記第1のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第1のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、項目1に記載の電力変換装置。
[項目3](実2、実3、実4、実5)
直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、
前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記複数の第1のインダクタにそれぞれ並列接続される複数の第3のインダクタと
を備え、
前記複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、前記複数の第3のインダクタが磁気的に並列接続される、電力変換装置。
[項目4](実2)
前記複数の第3のインダクタ(230)とそれぞれ磁気的に結合する複数の第4のインダクタ(240)をさらに備え、
前記複数の第4のインダクタが2つのノードの間に並列接続される、項目3に記載の電力変換装置。
[項目5](実2)
前記複数の第3のインダクタと、該複数の第3のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記複数の第4のインダクタとによって、複数のトランスが構成され、
ある1つの前記第3のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第3のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、項目4に記載の電力変換装置。
[項目6](実3)
前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれについて、該DC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタ(230-1)と、任意の他のDC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタ(230-?)とが磁気的に結合される、項目3に記載の電力変換装置。
[項目7](実3)
前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれについて、該DC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタ(230-1)と、隣接する他のDC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタ(230-2)とが磁気的に結合される、項目6に記載の電力変換装置。
[項目8](実3)
前記複数の第3のインダクタと、該複数の第3のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記複数の第4のインダクタとによって、複数のトランスが構成され、
ある1つの前記第3のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第3のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、項目6または7に記載の電力変換装置。
[項目9](実4)
前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれは、前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタ(230)と磁気的に結合するとともに、該DC-DCコンバータ回路の出力側に接続される第5のインダクタ(450)をさらに備え、前記第3のインダクタと前記第5のインダクタとによって、前記第1のインダクタの両端に発生した交流電圧を伝達するトランスが構成され、
前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記トランスのコアが共通である、項目3に記載の電力変換装置。
[項目10](実5)
前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれは、前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタと磁気的に結合するとともに、該DC-DCコンバータ回路の出力側に接続される第5のインダクタ(450)と、前記第3のインダクタと磁気的に接続される第6のインダクタ(560)とをさらに備え、前記第3のインダクタと前記第5のインダクタとによって、前記第1のインダクタの両端に発生した交流電圧を伝達するトランスが構成され、
ある1つの前記DC-DCコンバータ回路の含まれる前記第5のインダクタの両端は、別の前記DC-DCコンバータ回路に含まれる前記第6のインダクタの両端に並列接続される、項目3に記載の電力変換装置。
11a 入力端子
11b 入力端子
12a 出力端子
12b 出力端子
20 第2のインダクタ
100 電力変換装置
101 DC-DCコンバータ回路
200 電力変換装置
230 第3のインダクタ
240 第4のインダクタ
300 電力変換装置
400 電力変換装置
450 第5のインダクタ
500 電力変換装置
560 第6のインダクタ
C1 キャパシタ
C2 キャパシタ
C3 キャパシタ
C4 キャパシタ
INa 入力端子
INb 入力端子
L1 インダクタ(第1のインダクタ)
L2 インダクタ
L3 インダクタ
M1 半導体スイッチング素子
M2 半導体スイッチング素子
M3 半導体スイッチング素子
M4 半導体スイッチング素子
M5 半導体スイッチング素子
M6 半導体スイッチング素子
M7 半導体スイッチング素子
M8 半導体スイッチング素子
N1 第1のノード
N2 第2のノード
N3 第3のノード
N4 第4のノード
N5 第5のノード
N6 第6のノード
N7 第7のノード
N8 第8のノード
N9 第9のノード
N10 第10のノード
OUTa 出力端子
OUTb 出力端子
V1 入力電圧(直流電圧)
V2 出力電圧(直流電圧)
Vin 入力電圧
Vout 出力電圧

Claims (10)

  1. 直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、
    前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記複数の第1のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する複数の第2のインダクタと
    を備え、
    前記複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、前記複数の第2のインダクタが2つのノードの間に並列接続される、電力変換装置。
  2. 前記複数の第1のインダクタと、該複数の第1のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記複数の第2のインダクタとによって、複数のトランスが構成され、
    ある1つの前記第1のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第1のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 直流電圧をスイッチングして第1のインダクタの両端に交流電圧を発生させ、該交流電圧を整流して直流電圧を出力する、複数のDC-DCコンバータ回路と、
    前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記複数の第1のインダクタにそれぞれ並列接続される複数の第3のインダクタと
    を備え、
    前記複数のDC-DCコンバータ回路の入力および出力がそれぞれ直列接続されるとともに、前記複数の第3のインダクタが磁気的に並列接続される、電力変換装置。
  4. 前記複数の第3のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する複数の第4のインダクタをさらに備え、
    前記複数の第4のインダクタが2つのノードの間に並列接続される、請求項3に記載の電力変換装置。
  5. 前記複数の第3のインダクタと、該複数の第3のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記複数の第4のインダクタとによって、複数のトランスが構成され、
    ある1つの前記第3のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第3のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、請求項4に記載の電力変換装置。
  6. 前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれについて、該DC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタと、任意の他のDC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタとが磁気的に結合される、請求項3に記載の電力変換装置。
  7. 前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれについて、該DC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタと、隣接する他のDC-DCコンバータ回路の前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタとが磁気的に結合される、請求項6に記載の電力変換装置。
  8. 前記複数の第3のインダクタと、該複数の第3のインダクタとそれぞれ磁気的に結合する前記複数の第4のインダクタとによって、複数のトランスが構成され、
    ある1つの前記第3のインダクタの一方から他方に向かう電流が増加するとき、他の前記第3のインダクタの他方から一方に向かう電流が増加する向きに、前記複数のトランスの極性が設定される、請求項7に記載の電力変換装置。
  9. 前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれは、前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタと磁気的に結合するとともに、該DC-DCコンバータ回路の出力側に接続される第5のインダクタをさらに備え、前記第3のインダクタと前記第5のインダクタとによって、前記第1のインダクタの両端に発生した交流電圧を伝達するトランスが構成され、
    前記複数のDC-DCコンバータ回路の前記トランスのコアが共通である、請求項3に記載の電力変換装置。
  10. 前記複数のDC-DCコンバータ回路のそれぞれは、前記第1のインダクタに並列接続される前記第3のインダクタと磁気的に結合するとともに、該DC-DCコンバータ回路の出力側に接続される第5のインダクタと、前記第3のインダクタと磁気的に接続される第6のインダクタとをさらに備え、前記第3のインダクタと前記第5のインダクタとによって、前記第1のインダクタの両端に発生した交流電圧を伝達するトランスが構成され、
    ある1つの前記DC-DCコンバータ回路の含まれる前記第5のインダクタの両端は、別の前記DC-DCコンバータ回路に含まれる前記第6のインダクタの両端に並列接続される、請求項3に記載の電力変換装置。
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JP2016001980A (ja) * 2014-05-19 2016-01-07 ローム株式会社 電源装置

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