高効率・双方向絶縁型 DCDC コンバータ 小池 直希 大田原 祐樹 星野 哲馬 長井 真一郎 (ポニー電機) High Efficiency Bi-directional Isolated DCDC Converter Naoki Koike, Yuki Otabara, Tetsuma Hoshino, Shin-ichiro Nagai (Pony Electric co., ltd.) This paper proposes an isolated 8 kW bi-directional chopper circuit which includes an auxiliary resonant commuted pole (ARCP) soft switching circuit. Isolation is achieved with a current resonant isolated DCDC converter. The ARCP soft switching circuit uses transformer instead of smoothing capacitor in the input DC voltage. The proposed ARCP soft switching circuit can achieve the zero voltage soft switching in the main switch, and the current resonant isolated DCDC converter is enable to zero current soft switching transition. As a result of experiments on the 8 kW system, it was indicated that the proposed system could attain the conversion efficiency 95 % at 40 kHz switching. Keywords:ソフトスイッチング,零電圧・零電流スイッチング,ARCP,LC 共振 1 本システムでは ARCP 型ソフトスイッチングを付加した まえがき 双方向チョッパ回路にさらに絶縁型とするため電流共振型 近年,EV や HEMS などの普及に伴い大容量のバッテリを 必要とする場面が増えてきている。用途によってバッテリ 絶縁コンバータを接続した構成となっている。ARCP 型のチ の種類も多様化してきており,中でも双方向の電力変換を のスイッチを ON にすることで高周波の部分共振現象が生 ョッパ回路ではメインスイッチの Turn on の直前に ARCP 用 実現するバッテリ充電器には様々な充電電圧規格に対応で じ,零電圧&零電流スイッチング(ZVS)を可能にする。また, きる広い汎用性が求められている。また,これら EV や Turn-off 時はメインスイッチに並列接続されたコンデンサ HEMS などが普及する背景には環境問題と電力エネルギー によって零電圧スイッチングにする。 問題が存在し,同様にバッテリ充電器も例外ではなくエネ 上述のソフトスイッチング動作により,双方向チョッパ ルギーロスの少ない製品が求められる。しかし,高周波ス 回路と絶縁 DCDC コンバータの本システムにおいて 8kW の イッチングが主流となってきている現在ではスイッチング 実験を行った結果,放電時で最大 95.4%,充電時で最大 による損失が大きくなり,この問題を解決するためいくつ 95.5%の変換効率を達成した。 もの方法(1)(2)が検討されている。 本文では双方向チョッパ回路を適用したソフトスイッチ 2 回路構成 ング回路によって広電圧範囲,高効率の回路を実現してい 図 1 へ提案する回路構成図を示す。主回路は直流コンデ る。ソフトスイッチング方式は数多く提案されているが, ンサ(Clink)を接続して ARCP 型双方向チョッパ回路,電流 共振回路での損失が大きいため,効率改善が難しい。そこ 共振型絶縁 DC/DC コンバータを接続した 2 コンバータ構成 で本文では回路が簡単で高効率を実現できるソフトスイッ となっている。 チング方式としてトランスを利用した補助共振転流ポール ARCP 型双方向チョッパ回路は一般的な非絶縁の DC/DC コ 型(以下,ARCP 型)を適用した双方向チョッパ回路を提案す ンバータへ転流用スイッチ(Qr1,Qr2) ,補助共振用リアク る。ARCP 型ソフトスイッチングは主回路に直列接続され トル(Lr1),コンデンサ(Cr1,Cr2) ,電流を回生するトラ ず,スイッチの転流時にのみ動作するため共振回路での損 ンス(Tr1)で構成している。 失が少ない。さらにチョッパ回路に適用することで広い電 電流共振型絶縁 DC/DC コンバータは一次側に Ql1~Ql4, 圧範囲で使用することができる。また,ARCP 回路部分では 二次側に Ql5~Ql8 のスイッチを接続したフルブリッジ構成 トランスの中性点を使用しているため,従来の平滑用コン となっており,共振用リアクトル(Lr2) ,絶縁トランス デンサを必要とせず寿命による劣化が起きにくい。 (Tr2) ,共振用コンデンサ(Cr1,Cr2)が直列接続された回路 (3) ARCP型双方向チョッパ回路 電流共振型絶縁DC/DCコンバータ Ql1 Qs1 Ql5 Ql3 Ql7 Qr1 Cr1 Lr2 Lout1 Cr2 Lr1 Qs2 battery Clink Ql2 Ql4 Ql6 Tr2 Cr1 bus Ql8 Tr1 Cr2 Qr2 図 1 回路構成図 となる。 3 Qr2_gate 動作原理 Qs2_gate 〈3・1〉ARCP 型双方向チョッパ回路 Lout電流 図 2 に ARCP 型双方向チョッパ回路の主な動作原理波形を Lr電流 示す。ターンオン時,メインスイッチ(Qs1,Qs2)を ON する 直前に共振用スイッチ(Qr1,Qr2)を ON して転流させる。ス 0A Qs1_両端電圧 イッチ端子間に並列に接続されているコンデンサ Cr1,Cr2 トランス電圧 とリアクトル Lr で共振が生じるため,メインスイッチ端子 Qs1_電流 t 間の電圧が 0V になった時にゲートを ON する(ZVS)。ター Mode0 メインスイッチの両端電圧はゆっくり上昇する。電圧の立 Mode4 Turn on (ZVS&ZCS) ンオフ時はメインスイッチが切れる瞬間に電流がコンデン サ Cr1,Cr2 へ転流する。このコンデンサの充(放)電により Mode1 Mode2 Mode3 図 2 Qr1_gate め,スイッチング損失はほとんど発生しない。 Qs1_gate Lr電流 ッチングする。以下に図 2 波形の各モードにおける電流経 Mode0 Turn off (ZVS) ARCP 型双方向チョッパ回路の動作原理波形(放電時) ち上がりに対して電流は素早くコンデンサ側へ転移するた 放電時は下側(Qs2,Qr2),充電時は上側(Qs1,Qr1)をスイ Mode5 0A Lout電流 路と動作について図 4,図 5 に示す電流遷移図に従って詳 細に述べる。 Qs_両端電圧 トランス電圧 〈3・1・1〉ARCP 型双方向チョッパ回路放電モード Qs電流 <mode0:出力リアクトルの放電> t 転流動作以前の定常状態である。リアクトルがエネル Mode0 Turn on (ZVS&ZCS) ギーを放出(蓄積)し,bat-Lout-Qs2-link(Qs1-Lout-bat)のルー プを辿る。 Mode1 Mode2 Mode3 図 3 Mode4 Mode5 Mode0 Turn off (ZVS) ARCP 型双方向チョッパ回路の動作原理波形(充電時) <mode1:転流開始(Turn-on)> Qr1(Qr2)を Turn-on すると転流が開始する。mode0 で Qs2 を 流 れ て い た 電 流 が Qr1 へ 徐 々 に 転 流 し , かる電圧は- Vlink/2 となるため,Lr へ流れる電流は Vlink/2L の傾きで減少し,bat-Lout-Lr-Qr1(link-Qr2-Lout-bat)のループ bat-Lout-Qs2-link(Qs1-Lout-bat)のループで流れていた電流が で流れていた電流は bat-Lout-Qs1(link-Qs2-Lout-bat)へ遷移す bat-Lout-Lr-Qr1(link-Qr2-Lr-Lout-bat)へ遷移する。このとき, る。 トランス電圧を Vlink/2 とすると Lr の電流は,Vlink/2L の傾 きをもつ。 定常状態である。定常状態に戻ったとき,Qr1(Qr2)を <mode2:LC 共振> mode1 で Lr を流れる電流が Lout を流れる電流を超える と Cr1,Cr2 が 充 放 電 を 開 始 し , Cr1-Lr-Qr1 <mode4:定常状態> と Cr2-Lr-Qr1-link(Cr2-Lr-Qr2 と Cr1-link-Qr2-Lr)のループが形 成され共振動作を開始する。Cr1(Cr2)の両端電圧が 0 になっ た点でスイッチ Qs1(Qs2)を Turn-on にする。 <mode3:定常状態への遷移> スイッチ Qs1(Qs2)を Turn-on にした時点から Lr 両端へか Turn-off する(ZCS)。リアクトルがエネルギーを蓄積(放出) し,Qs1-Lout-bat (bat-Lout-Qs2-link)のループを辿る。 <mode5: 転流開始(Turn-off)> Qs1(Qs2)を Turn-off すると,スイッチが切れる瞬間に電 流がコンデンサ Cr1(Cr2)へ転流する。このコンデンサの充 (放)電によりメインスイッチの両端電圧はゆっくり上昇す る。この電圧の立ち上がりに対して電流は素早くコンデン Qr2 Qs2 Qr2 Qs2 OFF Lout Ql1_gate OFF Cr2 ON OFF Lout Lr Cr2 Ql2_gate Lr link Qs1 bus Qs1 battery battery OFF Cr1 OFF Qr1 Ql1電流 Ql1電圧 OFF Cr1 OFF Qr1 Ql2電圧 <mode0> <mode5> Ql2電流 t Qr2 Qs2 Qr2 Qs2 OFF link Qs1 battery ON Cr1 OFF Cr1 ON Qr1 Qr1 Ql1 Ql3 Ql5 Ql7 link Ql2 Ql4 OFF Qr2 Qs2 OFF Lout Ql1 link link Ql2 ON Ql7 Ql4 Cr1 OFF Tr2 OFF bus Ql8 Ql6 OFF OFF OFF OFF <mode3> battery ON Qr1 Ql5 Ql3 OFF Qs1 Ql7 Ql1 OFF OFF Ql5 Ql3 OFF Lr2 ON Ql7 OFF Lr2 OFF ON OFF Cr1 Qr1 link Ql2 Ql4 OFF <mode2> Cr1 Tr2 bus Ql8 Ql6 link Ql2 Ql4 OFF Cr1 Tr2 Ql6 OFF OFF ON ON <mode1> bus Ql8 OFF OFF <mode3> ARCP 型双方向チョッパ電流遷移図(放電時) 図 4 bus OFF <mode0> Cr2 bus ON Lr2 Ql8 Ql6 Ql5 OFF Lr Qs1 Cr1 Tr2 ON OFF Lr OFF Cr1 Ql3 OFF ON Lr2 Qr2 Qs2 OFF Cr2 OFF Ql1 OFF OFF ON <mode4> <mode1> battery Mode0 図 6 電流共振型絶縁 DC/DC コンバータの動作原理波形 Lr Qs1 OFF Lout Mode3 Cr2 OFF Lout Lr link battery Mode2 OFF Cr2 OFF Lout Mode0 Mode1 <mode2> 図 7 電共振型絶縁 DCDC コンバータ電流遷移図 Qr2 Qs2 Qr2 Qs2 OFF OFF Cr2 Lr Lout OFF Lr Lout link Qs1 battery Cr2 ON link Qs1 battery OFF Cr1 Cr1 OFF Qr1 <mode0> OFF Qr1 Vlink <mode5> ARCP型双方向チョッパ回路 Qr2 Qs2 OFF OFF Lout Lr Lout OFF OFF Lr bus Qs1 battery Cr1 OFF OFF Qr1 Qr2 Lout Cr1 ON OFF ON Lr battery Qr1 <mode2> 図 5 360V,リンク電圧を 420V とした。また,定格容量を 8kW, link スイッチング周波数を 40kHz とした。共振用リアクト Qs1 Qs1 battery 装置定格はバッテリ側電圧を 320V,bus 側電圧を Qr2 ON link 実験結果 〈4・1〉試験条件 Cr2 OFF Lr 4 Qr1 Qs2 OFF Cr2 Lout OFF <mode4> <mode1> Qs2 bus Qs1 battery Cr1 図 8 試験回路図(放電試験) ON Cr2 Cr2 電流共振型絶縁DC/DCコンバータ Qr2 Qs2 Cr1 OFF OFF Qr1 <mode3> ARCP 型双方向チョッパ電流遷移図(充電時) ル Lr1,共振用コンデンサ Cr1,Cr2 は転流期間がスイッ チング周期の 10%程度となるように設定した。放電時 は図 8 の様に ARCP 型双方向チョッパ回路から直流電圧 を入力し電流共振型 DCDC コンバータ側へ負荷を接続 サ側へ転移するため,スイッチング損失はほとんど発生し し,充電時は電流共振型 DCDC コンバータ側から DC 電 ない(ZCS)。 圧を入力し,ARCP 型双方向チョッパ回路へ負荷を接続 〈3・2〉電流共振型絶縁 DC/DC コンバータ 図 6 図 7 へ電流共振型絶縁 DC/DC コンバータの動作原 して試験を行った。 〈4・2〉主回路の構造 理波形,電流遷移図を示す。本コンバータはオープンルー 図 9 に主回路図の構造写真を示す。ARCP 型 DC/DC プにて駆動し,固定周波数の相補スイッチングを行う。共 コンバータ基板が一枚,電流共振型 DC/DC コンバータ 振周波数とスイッチング周波数を一致させることにより, 基板を 2 並列に接続した計 3 枚の基板で構成する。Tr2 零電流スイッチングを実現させる。 は 2 並列一組となっており,計 4 個の Tr2 をヒートシン クに直接固定している。また,ARCP 型双方向チョッパ 回路のメインスイッチ(Qs1,Qs2)はそれぞれ TO247 の 3 並列とし,それに対して ARCP 共振回路のスイッチ Load ON Tr2 ARCP型DC/DCコンバータ 変換効率(% 変換効率 %) 100 ARCP型DC/DCコンバータ ARCP型DC/DCコンバータ 98 絶縁型電流共振回路 絶縁型電流共振回路 96 94 全体の変換効率 全体の変換効率 92 Tr1 90 88 86 Lr2 84 82 充電方向 放電方向 80 Cr1 -8 -6 -4 -2 0 負荷容量(kW) 負荷容量 2 4 6 8 図 13 効率特性 電流共振型絶縁DC/DCコンバータ からである。図 10 の波形では共振部分の周期が負荷に依存 図 9 主回路構造 せず,負荷が大きくになるにつれて共振が起こるまでの時 間が増えていることが確認できる。以上のことからこれら 50 500 スイッチ端子電圧[100V/div] 8kW 400 の波形の妥当性が確認できる。 40 5kW 300 図 11,図 12 へそれぞれ ARCP 型双方向チョッパ回路, 30 2kW 電流共振型 DC/DC コンバータのスイッチング波形を示す。 200 20 100 10 これらの波形より,前者では Turn-on で ZVS,Turn-off で ZCS,後者では Turn-on,Turn-off の両方で ZCS なっている Lrの電流[10A/div] ことが確認できた。 〈4・4〉効率特性 0 0 time[1us/div] -10 -100 図 13 は変換効率の負荷依存性を示したグラフである。実 図 10 スイッチ端子電圧と Lark 電流(放電時) 験結果より,ARCP 型双方向チョッパ回路は 4kW~8kW 負荷 500 50 500 40 400 30 300 30 200 20 200 20 100 10 100 10 時では充放電共に 98%以上の変換効率を実現できた。また, 50 スイッチ両端電圧[100V/div] 400 40 スイッチ電流[10A/div] 300 スイッチ両端電圧[100V/div] 電流共振型絶縁 DCDC コンバータは 5kW~8kW 負荷試験に スイッチ電流[10A/div] 0 0 0 -100 -10 -100 -200 -20 -200 -30 -300 おいて充放電で 96%以上の変換効率となった。8kW のシス テム全体の変換効率としては充電方向で 95.5%,放電方向 0 -10 time[0.05us/div] で 95.4%の変換効率を達成できることが分かった。 -20 time[0.05us/div] -300 -30 (a)Turn on (b)Turn off 図 11 ARCP 型双方向チョッパ回路波形 まとめ 5 双方向チョッパ回路と絶縁 DCDC コンバータのシステム 500 15 500 400 12 400 300 9 300 15 6 200 6 100 3 0 0 12 スイッチ両端電圧[100V/div] 9 で 8kW の実験を行った結果,放電時で最大 95.4%,充電時 で最大 95.5%の変換効率を達成した。10kW のシステムであ トランス(Tr2)電流[3A/div] 200 3 100 0 0 0.4 0.9 1.4 スイッチ両端電圧[100V/div] 1.9 -3 -100 -200 -6 -200 -300 -9 -300 -12 -400 -15 -500 -100 -400 -500 time[0.5us/div] トランス(Tr2)電流[2A/div] -3 -6 -9 time[0.5us/div] -12 -15 るため,さらなる効率改善が期待できる。電圧範囲が 10 倍 を超える場合でも使用できる双方向コンバータであるため 今後様々なバッテリ電圧の EV に対応でき,V2H,HEMS な どのシステムにも有用な方式である。 (a)Turn on (b)Turn off 図 12 電流共振型 DC/DC コンバータのスイッチング波形 (Qr1,Qr2)はそれぞれ TO247 一つの SJ-MOSFET で構成 している。 〈4・3〉動作確認 文 (1) (2) (3) 図 10 は負荷を変化させたときのスイッチの両端電圧と Lr の電流の関係を示している。LC 共振周波数は LC 値に依 存し,負荷の大きさに依存しない。負荷を上げたときに Lr の電流のピーク値が上昇するのは負荷電流(Lout の電流)が 大きくなるとその電流が大きくなった分転流時間が増える (4) 献 長井,佐藤,伊東,森田: 「高効率・低ノイズ DC リンク共振三相イ ンバータと転流制御」,電気学会論文誌 D,Vol.120,No.3, pp.100 (2000) 長井,佐藤,伊東,森田:「高効率・低ノイズ共振型三相変換器」, 電気学会論文誌 D,Vol.122,No.3, pp.100 (2002) 山本,森井,舟曳: 「平滑キャパシタレス ARCP 方式ソフトスイッチ ングインバータ」,電気学会論文誌 D,Vol.130,No.2, (2010) 清水,鳥羽,木村: 「補助共振転流ポール型 PWM インバータの損失 最小化条件と実用上の問題点」,電気学会論文誌 D,Vol.118,No.3, (1998)
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