平地研究室技術メモ No.20140428 昇降圧チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータ（読んでほしい人：パワエレ技術者） 2014/4/28 舞鶴高専平地克也平地研究室技術メモ No. 20140104「電圧型＋電流型双方向 DC/DC コンバータ」[1]で詳しく説明したように、降圧チョッパと昇圧チョッパ、または電圧型 DC/DC コンバータと電流型 DC/DC コンバータを合体すれば双方向 DC/DC コンバータを作ることができます。同様にして２つの昇降圧チョッパをうまく合体させれば双方向 DC/DC コンバータを作ることができます。さらに２つの「多機能チョッパ」を合体させれば様々な動作を変幻自在に行うことのできるユニークな双方向 DC/DC コンバータを作ることができます。 ■昇降圧チョッパ方式図１(a)(b)は同じ昇降圧チョッパですが、(a)は V1 が入力、V2 が出力であり、電力の流れは左から右です。(b)は逆に V2 が入力、V1 が出力であり、電力の流れが右から左です。両者を合体すれば(c) の昇降圧チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータとなります。E1 から E2 を充電する時は Q1 と D2 が動作します。E2 から E1 を充電する時は Q2 と D1 が動作します。Q1 と Q2 に FET を使用すれば D1 と D2 は FET の寄生ダイオードを流用できます。昇圧チョッパ＋降圧チョッパ方式（図２）では必ず V1＞V2 でしたが、図１(c)の方式ではベースになるチョッパが昇降圧チョッパなので V1 と V2 の大小関係は任意に選ぶことができます。 D2 Q1 E1 C1 V1 (a) L1 C2 V2 D1 昇降圧チョッパ（ V1が入力 V2が出力） D1 V1 C1 Q1 E1 V1 合体 D2 C1 L1 E2 V2 Q2 L1 C2 (c) V2 昇降圧チョッパ方式双方向 DC/DCコンバータ E2 (b) Q2 C2 昇降圧チョッパ（ V2が入力 V1が出力）図１昇降圧チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータ高圧 E1 V1 L1 Q1 C1 D2 C2 Q2 図２低圧 D1 E2 V2 昇圧チョッパ＋降圧チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータ 1 ■フライバックトランス方式図１(c)の回路において L1 を変圧器の励磁インダクタンスで構成すれば図３のフライバックトランス方式双方向 DC/DC コンバータとなり、入出力の絶縁が可能となります。左から右に電力を伝達する時は図３(b)に示すように Q1 と D2 が動作します。右から左に電力を伝達する時は図３(c)に示すように Q2 と D1 が動作します。 Q が ON の時の電流径路 Q が OFF の C1 D1 時の電流径路 n1 n2 D 2 C2 Q1 Q2 (b) TR1 E1 V1 C1 n1 D1 n2 E2 C2 V2 D2 C1 D1 左から右 n1 n2 C2 D2 Q2 Q1 (a) 図３ Q1 Q2 (c) 回路構成右から左フライバックトランス方式双方向 DC/DCコンバータ ■多機能チョッパ方式多機能チョッパは１つの回路で降圧チョッパ、昇圧チョッパ、昇降圧チョッパの全ての動作を行うことができる面白いチョッパ回路です。詳細は文献[2][3][4]を参照下さい。図４に多機能チョッパの回路構成と４つの動作を示します。なお、図４(d)の昇圧降圧混合動作は昇降圧チョッパと同様に昇圧も降圧も可能ですが昇降圧チョッパより損失を抑制できるお得な動作です。この回路を図５のように２つ合体させれば双方向 DC/DC コンバータとなります。図５(a)は V1 が入力、V2 が出力であり、電力の流れは左から右です。(b)は逆に V2 が入力、V1 が出力であり、電力の流れが右から左です。L1、C1、C2 を共通部品として(a)と(b)を合体させれば図５(c)の双方向 DC/DC コンバータとなります。 Q1∼Q4 に FET を使えば D1∼D4 は FET の寄生ダイオードで代用できます。この回路の４種類の動作を図６に示します。電流径路を見れば、図６(a)∼(d)はそれぞれ図４(a)∼(d) と全く同じ動作をしていることが分かります。図６では左から右に電力を伝達しています。この回路は完全に左右対称なので右から左の電力伝達も同様に実現できます。この回路はまさに多機能であり、いろんな動作が考えられます。以下に動作の例を示します。 (1) 左から右は昇圧動作、右から左は降圧動作。この場合は V1＜V2 の条件が必要です。 (2) 左から右は降圧動作、右から左は昇圧動作。この場合は V1＞V2 の条件が必要です。 (3) 左から右、右から左、共に昇降圧動作。この場合は V1 と V2 の大小関係は任意です。 (4) 左から右、右から左、共に昇圧降圧混合動作。(3)より効率向上が期待できます。 V1 または V2 の電圧変動が大で、V1 と V2 の大小関係が入れ替わるような用途では(3)または(4)で動作させます。しかし、動作モードは自由に切替可能なので V1 と V2 の大小関係に応じて(1)と(2)を切り替えるような動作も可能です。こうすれば(3)や(4)よりも損失の低減が期待できます。 2 Q1 Q1 Q2 Q2 Q 1 ON時 (a) Q1 OFF 時 Q2 ON時降圧動作 (b) Q2 OFF 時昇圧動作 L Q1 Q1 vL Vin Vout Q2 Q1 Q2 ON時 Q2 Q 1Q 2 OFF時 Q1Q 2 ON時 Q 1 ON Q 2 OFF時 (c) 昇降圧動作（非反転昇降圧チョッパ） (d) 図４ E1 C1 V1 Q1 L1 D3 V2 Q4 E1 (a) 多機能チョッパ（ V1 が入力 V2 が出力） D1 C1 Q2 (b) 合体 L1 Q3 V1 昇圧降圧混合動作多機能チョッパの４つの動作 C2 D2 Q1 Q2 OFF 時 D4 C2 V1 Q1 C1 Q2 E2 V2 (c) D1 V2 E2 L1 D2 Q4 D4 多機能チョッパ方式双方向 DC/DCコンバータ多機能チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータ 3 D3 C2 多機能チョッパ（ V2 が入力 V1 が出力）図５ Q3 D1 Q1 D2 Q4 (a) C1 Q2 D4 Q3 (b) Q1 C2 D4 図６ (d) 昇圧動作 D1 Q3 D3 L1 Q2 (c) 昇降圧動作（非反転昇降圧チョッパ） D4 C2 C1 L1 D2 Q4 D2 Q4 Q2 D3 D3 L1 降圧動作 D1 Q3 C2 C1 L1 Q2 D1 Q1 C2 C1 Q1 D3 Q3 D2 Q4 D4 昇圧降圧混合動作多機能チョッパ方式双方向 DC/DC コンバータの各種動作（左から右に電力を伝達する時） ■参考文献 [1] 平地克也、「電圧型＋電流型双方向 DC/DC コンバータ」、平地研究室技術メモ No.20140104 [2] 平地克也、「多機能チョッパ回路の御紹介」、平地研究室技術メモ No.20120831 [3] 高見親法、平地克也、「降圧チョッパ + 昇圧チョッパ縦続接続方式の研究」、パワーエレクトロニクス学会誌、Vol.36, p.178, 2011 [4] 高見親法、平地克也、三島智和、「降圧チョッパ/昇圧チョッパ縦続接続方式の全動作モードの検討」、パワーエレクトロニクス学会誌、Vol.37, pp.89-96, 2012 4