WO2024257394A1 - Control circuit, electric power converter, and control method - Google Patents
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- WO2024257394A1 WO2024257394A1 PCT/JP2024/003945 JP2024003945W WO2024257394A1 WO 2024257394 A1 WO2024257394 A1 WO 2024257394A1 JP 2024003945 W JP2024003945 W JP 2024003945W WO 2024257394 A1 WO2024257394 A1 WO 2024257394A1
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- H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
- H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
Definitions
- This disclosure relates to a control circuit for controlling a power converter.
- Patent document 1 discloses an LLC converter.
- ripple from the commercial power supply may be superimposed on the input current. If power conversion is performed with the ripple superimposed, the amount of heat generated may increase and the lifespan of the components may be shortened.
- the present disclosure provides a control circuit and the like that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component lifespan.
- the control circuit is a control circuit for controlling a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control circuit comprising a determination unit for determining a predetermined frequency, and a control unit having a first control mode for controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control mode for controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- the power converter according to the present disclosure includes the above-mentioned control circuit, the first set of switching devices, and the second set of switching devices.
- the control method is a control method executed by a control circuit that controls a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control method including a determination step of determining a predetermined frequency, a first control step of controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control step of controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- control circuit according to one embodiment of the present disclosure can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component lifespan.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing an application example of a power converter according to an embodiment.
- FIG. 2A is a circuit configuration diagram illustrating an example of a power converter according to an embodiment.
- FIG. 2B is a circuit configuration diagram illustrating another example of a power converter according to an embodiment.
- FIG. 3 is a diagram for explaining variable frequency control of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 4 is a diagram for explaining a combination of variable frequency control and phase shift control of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 5 is a diagram for explaining the control amount of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 6A is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of Condition 1 of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 6B is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of condition 2 of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 6C is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of Condition 3 of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 7 is a diagram for explaining a change in the upper limit frequency of the phase shift control of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 8 is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of Condition 3 when the upper limit frequency of the phase shift control of the power converter according to the embodiment is lowered.
- FIG. 9 is a diagram for explaining a method of estimating a control operation region of a power converter according to an embodiment.
- FIG. 10 is a diagram for explaining a method of estimating a control period threshold value of a power converter according to an embodiment.
- FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a table in which a predetermined frequency is associated with each output voltage of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 12 is a diagram for explaining an example of the operation of the control circuit according to the embodiment.
- FIG. 13 is a diagram for explaining another example of the operation of the control circuit according to the embodiment.
- FIG. 14 is a diagram for explaining a method of correcting a predetermined frequency of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 15 is a diagram for explaining that the actual ripple can be suppressed by correcting the predetermined frequency of the power converter according to the embodiment.
- FIG. 16 is a flowchart showing an example of a control method according to another embodiment.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing an application example of a power converter 100 according to an embodiment.
- FIG. 1 shows a system power supply 200, a PFC (Power Factor Correction) circuit 300, capacitors 110 and 120, and a load 400.
- PFC Power Factor Correction
- the power converter 100 is an isolated DC-DC converter that steps up or down the input voltage to a specified voltage and outputs it.
- the power converter 100 is an LLC converter.
- An LLC converter is a circuit that utilizes LLC resonance caused by the leakage inductance of a transformer, the excitation inductance, and a resonant capacitor.
- the input/output voltage ratio (Gain) changes by changing the switching frequency, making it possible to output the desired voltage.
- the PFC circuit 300 is, for example, an ACDC converter with a PFC (Power Factor Correction) function, and converts the AC current (AC current Iac) and voltage from the system power supply 200 into a DC current (bus current Ibus) and voltage (bus voltage Vbus).
- the load 400 is, for example, a battery.
- the power converter 100 converts the DC current and voltage from the PFC circuit 300 into DC current (battery current Ibat) and voltage (battery voltage Vbat) of different values.
- the load 400 can be charged at the battery voltage Vbat by the battery current Ibat.
- FIG. 2A is a circuit diagram showing an example of a power converter 100 according to an embodiment.
- FIG. 2A shows a PFC circuit 300, capacitors 110 and 120, and a load 400. Note that the capacitors 110 and 120 may be provided in the power converter 100.
- the power converter 100 has terminals t1, t2, t3, and t4.
- Terminal t1 is an input terminal.
- Terminal t2 is an example of a first ground terminal.
- Terminal t3 is an output terminal.
- Terminal t4 is an example of a second ground terminal. Note that since the power converter 100 is an isolated DC-DC converter, terminal t1 or terminal t2 is electrically insulated from terminal t3 or terminal t4, respectively.
- Capacitor 110 is an input capacitor connected between terminals t1 and t2, and capacitor 120 is an output capacitor (smoothing capacitor) connected between terminals t3 and t4.
- the power converter 100 includes switches Q1, Q2, Q3 and Q4, a capacitor Cr1, a rectifier circuit D10, a transformer T1 and a control circuit 10.
- Switch Q1 is an example of a first switch provided on path P1 connecting terminals t1 and t2.
- Path P1 is an example of a first path.
- Switch Q2 is an example of a second switch provided on path P1 and connected in series with switch Q1.
- Switches Q1 and Q2 are an example of a first set of switching devices consisting of switches Q1 and Q2 connected in series on path P1 connecting terminals t1 and t2.
- the switch Q1 is, for example, an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
- MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
- the parasitic capacitance of the switch Q1 is shown as a capacitor C1, which is connected in parallel with the switch Q1 in the equivalent circuit.
- the drain of the switch Q1 is connected to the terminal t1, and the source of the switch Q1 is connected to the drain of the switch Q2.
- the parasitic diode of the switch Q1 is shown as a diode D1, and the anode of the diode D1 is connected to the source of the switch Q1 and the cathode is connected to the drain of the switch Q1 in the equivalent circuit.
- Switch Q2 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q2 is shown as capacitor C2, and capacitor C2 is connected in parallel with switch Q2 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q2 is connected to the source of switch Q1, and the source of switch Q2 is connected to terminal t2.
- the parasitic diode of switch Q2 is shown as diode D2, and in the equivalent circuit, the anode of diode D2 is connected to the source of switch Q2, and the cathode is connected to the drain of switch Q2.
- Switch Q3 is an example of a third switch provided on path P2, which connects terminals t1 and t2 and is different from path P1.
- Path P2 is an example of a second path.
- Switch Q4 is an example of a fourth switch provided on path P2 and connected in series with switch Q3.
- Switches Q3 and Q4 are an example of a second set of switching devices consisting of switches Q3 and Q4 connected in series on path P2, which connects terminals t1 and t2 and is different from path P1.
- Switch Q3 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q3 is shown as capacitor C3, which is connected in parallel with switch Q3 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q3 is connected to terminal t1, and the source of switch Q3 is connected to the drain of switch Q4.
- the parasitic diode of switch Q3 is shown as diode D3, and in the equivalent circuit, the anode of diode D3 is connected to the source of switch Q3, and the cathode is connected to the drain of switch Q3.
- Switch Q4 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q4 is shown as capacitor C4, and capacitor C4 is connected in parallel with switch Q4 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q4 is connected to the source of switch Q3, and the source of switch Q4 is connected to terminal t2.
- the parasitic diode of switch Q4 is shown as diode D4, and in the equivalent circuit, the anode of diode D4 is connected to the source of switch Q4, and the cathode is connected to the drain of switch Q4.
- Capacitor Cr1 is connected to node N1 between switch Q1 and switch Q2 on path P1.
- Capacitor Cr1 is an example of a first resonant capacitor.
- Node N1 is an example of a first node.
- the transformer T1 has a primary winding and a secondary winding. One end of the primary winding is connected to the capacitor Cr1, and the other end of the primary winding is connected to a node N2 between the switch Q3 and the switch Q4 on the path P2.
- the node N2 is an example of a second node. Both ends of the secondary winding are connected to the rectifier circuit D10.
- FIG. 2A shows an equivalent circuit of the transformer T1, and the transformer T1 can be represented by an ideal transformer Tid, a primary leakage inductance Lr1, and a secondary leakage inductance Lr2. Note that the excitation inductance is not shown.
- the leakage inductance Lr1 is connected in series to the primary coil of the ideal transformer Tid, and the leakage inductance Lr2 is connected in series to the secondary coil of the ideal transformer Tid.
- the power converter 100 may include an inductor equivalent to the leakage inductance Lr1 and an inductor equivalent to the leakage inductance Lr2.
- the rectifier circuit D10 is connected to the secondary winding of the transformer T1.
- the rectifier circuit D10 has a full-bridge configuration consisting of four diodes, enabling full-wave rectification.
- the control circuit 10 is a circuit for controlling the switching (on and off) of the switches (e.g., switches Q1, Q2, Q3, and Q4) included in the power converter 100.
- the control circuit 10 controls the switching of the switches Q1, Q2, Q3, and Q4 by controlling the gate drive circuits connected to the gates of the switches Q1, Q2, Q3, and Q4 via a PWM generator or the like.
- the control circuit 10 includes a control unit 11 and a decision unit 12.
- the control circuit 10 is a computer including, for example, a processor (microprocessor) and a memory.
- the memory is, for example, a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory), and can store a program executed by the processor.
- the control unit 11 and the decision unit 12 are realized by, for example, a processor that executes a program stored in the memory.
- the determination unit 12 determines the predetermined frequency. Details of the determination unit 12 will be described later.
- the control unit 11 has a first control mode that controls the operating frequency of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the second set of switching devices (switches Q3 and Q4) with a predetermined frequency as the upper limit, and a second control mode that controls the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- the control unit 11 will be described in detail later.
- the power converter 100 does not have to be an LLC converter, but may be any isolated DC-DC converter as long as it has at least a first set of switching devices (switches Q1 and Q2), a second set of switching devices (switches Q3 and Q4), and a control circuit 10.
- the power converter 100 may be a CLLC converter.
- the power converter 100 is a CLLC converter will be described with reference to FIG. 2B.
- FIG. 2B is a circuit diagram showing another example of a power converter 100 according to an embodiment.
- the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2B differs from the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2A in that the components of the rectifier circuit D10 are different and that a capacitor Cr2 is further provided.
- the following will focus on the differences from the power converter 100 when it is an LLC converter (FIG. 2A).
- the power converter 100 shown in FIG. 2B includes switches Q5, Q6, Q7, and Q8, which together form a rectifier circuit D10.
- Switch Q5 is an example of a fifth switch provided on path P3 connecting terminals t3 and t4.
- Path P3 is an example of a third path.
- Switch Q6 is an example of a sixth switch provided on path P3 and connected in series with switch Q5.
- Switches Q5 and Q6 are an example of a third set of switching devices consisting of switches Q5 and Q6 connected in series on path P3 connecting terminals t3 and t4.
- Switch Q5 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q5 is shown as capacitor C5, and capacitor C5 is connected in parallel with switch Q5 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q5 is connected to terminal t3, and the source of switch Q5 is connected to the drain of switch Q6.
- the parasitic diode of switch Q5 is shown as diode D5, and in the equivalent circuit, the anode of diode D5 is connected to the source of switch Q5, and the cathode is connected to the drain of switch Q5.
- Switch Q6 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q6 is shown as capacitor C6, and capacitor C6 is connected in parallel with switch Q6 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q6 is connected to the source of switch Q5, and the source of switch Q6 is connected to terminal t4.
- the parasitic diode of switch Q6 is shown as diode D6, and in the equivalent circuit, the anode of diode D6 is connected to the source of switch Q6, and the cathode is connected to the drain of switch Q6.
- Switch Q7 is an example of a seventh switch provided on path P4, which is different from path P3, connecting terminals t3 and t4.
- Path P4 is an example of a fourth path.
- Switch Q8 is an example of an eighth switch provided on path P4 and connected in series with switch Q7.
- Switches Q7 and Q8 are an example of a fourth set of switching devices consisting of switches Q7 and Q8 connected in series on path P4, which is different from path P3, connecting terminals t3 and t4.
- Switch Q7 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q7 is shown as capacitor C7, and capacitor C7 is connected in parallel with switch Q7 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q7 is connected to terminal t3, and the source of switch Q7 is connected to the drain of switch Q8.
- the parasitic diode of switch Q7 is shown as diode D7, and in the equivalent circuit, the anode of diode D7 is connected to the source of switch Q7, and the cathode is connected to the drain of switch Q7.
- Switch Q8 is, for example, an N-channel MOSFET.
- the parasitic capacitance of switch Q8 is shown as capacitor C8, and capacitor C8 is connected in parallel with switch Q8 in the equivalent circuit.
- the drain of switch Q8 is connected to the source of switch Q7, and the source of switch Q8 is connected to terminal t4.
- the parasitic diode of switch Q8 is shown as diode D8, and in the equivalent circuit, the anode of diode D8 is connected to the source of switch Q8, and the cathode is connected to the drain of switch Q8.
- Capacitor Cr2 is connected to node N3 between switch Q5 and switch Q6 on path P3.
- Capacitor Cr2 is an example of a second resonant capacitor.
- Node N3 is an example of a third node.
- the node N4 is an example of a fourth node.
- rectifier circuit D10 of the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2B may be composed of four diodes, similar to the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2A.
- the power converter 100 also includes a voltage detection circuit that detects the output voltage (battery voltage Vbat) and a current detection circuit that detects the output current (battery current Ibat), and the control circuit 10 controls the switching of the switches Q1, Q2, Q3, and Q4 based on the results of these detections.
- the control circuit 10 may also control the switches Q5, Q6, Q7, and Q8.
- control unit 11 controls the switching of the switches Q1, Q2, Q3, and Q4 only in the first control mode (in other words, only variable frequency control) regardless of the specified frequency
- first control mode in other words, only variable frequency control
- FIG. 3 is a diagram for explaining variable frequency control.
- the horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 is the output voltage (Vbat) of the power converter 100, and the vertical axis is the control amount Ton.
- the control amount Ton is the on time of the switch, specifically, the time when the switches Q1 and Q4 are on and the switches Q2 and Q3 are off, or the time when the switches Q2 and Q3 are on and the switches Q1 and Q4 are off.
- Pmax is the maximum power that the power converter 100 can output
- Pmin is the minimum power that the power converter 100 can output.
- Vbat_max is the maximum voltage of the load 400 (battery)
- Vbat_min is the minimum voltage of the load 400.
- control unit 11 has a first control mode that controls the operating frequency of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the second set of switching devices (switches Q3 and Q4) with a predetermined frequency as the upper limit, and a second control mode that controls the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency. This will be explained using Figures 4 and 5.
- FIG. 4 is a diagram for explaining the combination of variable frequency control (control of the first control mode) and phase shift control (control of the second control mode).
- FIG. 5 is a diagram for explaining the control amount Ton.
- the control unit 11 controls the operating frequency of the switches Q1, Q2, Q3, and Q4 with the frequency Fth corresponding to the control period threshold Tth as the upper limit as the predetermined frequency, and controls the phase between the switching of the switches Q1 and Q2 and the switching of the switches Q3 and Q4 when the operating frequency is the predetermined frequency Fth. That is, in the second control mode, as shown in FIG. 5, the phase of the switching of the switches Q1 and Q4 is shifted from a state in which the on-time (control amount Ton) of each of the switches Q1 and Q4 is equal to the control period threshold Tth/2, thereby shortening the period in which the on-times of the switches Q1 and Q4 overlap (control amount Ton).
- the phase of the switching of the switches Q2 and Q3 is shifted from a state in which the on-time (control amount Ton) of each of the switches Q2 and Q3 is equal to the control period threshold Tth/2, thereby shortening the period in which the on-times of the switches Q2 and Q3 overlap (control amount Ton).
- control unit 11 When the output voltage is between Vbat_min and Vth, the control unit 11 performs phase shift control in the second control mode, and when the output voltage is between Vth and Vbat_max, it performs variable frequency control in the first control mode. This makes it possible to shorten the control amount Ton without raising the operating frequency above a predetermined frequency, thereby suppressing losses and enabling power conversion over a wide range.
- the bus voltage Vbus which is the input voltage of the power converter 100, has some voltage fluctuation (ripple) because it is the AC current (AC current Iac) and voltage converted from the system power source 200 by the PFC circuit 300 into a DC current (bus current Ibus) and voltage (bus voltage Vbus).
- This ripple can be superimposed on the output voltage Vbat via the power converter 100.
- the output voltage Vbat on which this ripple is superimposed is applied to the capacitor 120, so a charge and discharge operation of the ripple occurs, and loss and temperature rise occur due to the internal resistance of the capacitor. This temperature rise is a factor that reduces the life of the capacitor. Also, if the load 400 is a battery, for the same reason, the ripple can also be a factor that reduces the battery life.
- ripple is minimized.
- One way to minimize the ripple is to increase the capacitance value of the capacitor 120, but in that case, it leads to an increase in the size and cost of the power converter. Therefore, the ripple is generally minimized by control design.
- the bus voltage Vbus is not a constant value but has ripples, and to have a control design that minimizes the ripples superimposed on the output voltage Vbat.
- FIG. 6A is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of condition 1.
- FIG. 6B is a diagram to explain the control responsiveness in the case of condition 2.
- Figure 6C is a diagram to explain the control responsiveness in the case of condition 3.
- the horizontal axis of the graphs shown in Figs. 6A to 6C is the phase amount T ⁇ , and the vertical axis is the output current (Ibat) of the power converter 100.
- the phase amount T ⁇ is the amount of phase shift between the switching of the first group of switching devices and the switching of the second group of switching devices.
- the control amount Ton is the control period threshold value Tth/2, and as the phase amount T ⁇ increases, the control amount Ton becomes shorter than the control period threshold value Tth/2.
- Conditions 1 to 3 shown in Figs. 6A to 6C are conditions 1 to 3 shown in Fig. 4, and the output voltage is larger in the order of condition 1, condition 2, and condition 3.
- the output current is Ibat1 in condition 1, Ibat2 in condition 2, and Ibat3 in condition 3. For example, assume that ripples occur in conditions 1 to 3.
- control circuit 10 is provided with a determination unit 12 that determines the predetermined frequency.
- the control circuit 10 has a function of changing the upper limit frequency (predetermined frequency) of the phase shift control, in other words, the control cycle threshold, depending on the situation.
- predetermined frequency the upper limit frequency of the phase shift control
- Figure 7 is a diagram to explain how to change the upper limit frequency of phase shift control.
- Figure 8 is a diagram to explain the control responsiveness in the case of condition 3 when the upper frequency limit of phase shift control is lowered.
- the determination unit 12 determines the predetermined frequency to be a frequency corresponding to the control cycle threshold Tth'.
- the predetermined frequency corresponds to the control cycle threshold Tth'
- the output current obtained for the same phase amount T ⁇ is larger than when the predetermined frequency corresponds to the control cycle threshold Tth.
- the phase amount T ⁇ required to obtain the same output current is larger than when the predetermined frequency corresponds to the control cycle threshold Tth.
- the phase amount T ⁇ corresponding to the output current Ibat3 is increased, and since there is sufficient phase control responsiveness for the phase amount T ⁇ , the phase amount T ⁇ can be further reduced (i.e., the phase amount T ⁇ can be brought closer to 0). Therefore, the output current can be increased by the amount that has been reduced due to the influence of the ripple.
- the operating frequencies of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the second set of switching devices (switches Q3 and Q4) are controlled to control the on-time of the switching devices to perform power conversion, but when the output voltage is low, the operating frequency increases, increasing the switching loss of each switch and the AC loss of the magnetic components.
- a predetermined frequency is set as the upper limit of the operating frequency, and when conversion to a voltage lower than the voltage that can be converted by controlling the operating frequency with the predetermined frequency as the upper limit is performed, the on-time of the switching devices is controlled by controlling the phase between the switching of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the switching of the second set of switching devices (switches Q3 and Q4). This makes it possible to perform power conversion over a wide range while suppressing losses.
- control cycle threshold value Tth it is possible to control and respond to a wider range of ripple superposition, and to reduce the reduction in component lifespan.
- the determination unit 12 needs to determine an optimal specified frequency if the specified frequency is made too small, in other words, if the control period threshold is made too large, there is a risk of large losses, so the determination unit 12 needs to determine an optimal specified frequency.
- the determination unit 12 determines the predetermined frequency based on the output voltage of the power converter 100. Specifically, the control circuit 10 stores a table in which the optimum predetermined frequency value is associated with each of a number of output voltage values, and the determination unit 12 determines the predetermined frequency based on this table.
- FIG. 9 is a diagram for explaining a method for estimating the control operation region.
- the horizontal axis of the graph shown in FIG. 9 is the control amount Ton, and the vertical axis is the output current (Ibat) of the power converter 100.
- Figure 9 shows the above relationship when the output voltage is 250V, 360V, and 450V.
- the control operation region ⁇ Ton is estimated when an estimated ripple ( ⁇ R_est) is superimposed.
- the control operation region ⁇ Ton is the control width of the control amount Ton required to suppress the influence of the ripple when the estimated ripple is superimposed.
- FIG. 9 shows output voltages of 250V, 360V, and 450V, but the control operation region ⁇ Ton can be estimated for various output voltages other than 250V, 360V, and 450V.
- FIG. 10 is a diagram for explaining a method for estimating the control period threshold Tth.
- the horizontal axis represents the output voltage (Vbat), and the vertical axis represents the control amount Ton.
- the maximum control amount Ton_max can be calculated by adding 1/2 of the control operation range ⁇ Ton to the control amount for each output voltage at maximum power (Ton@Pmax).
- the control period threshold Tth can be estimated from this maximum control amount Ton_max. For example, when the output voltage is 250V, the control period threshold Tth is estimated to be 713ns, when the output voltage is 360V, the control period threshold Tth is estimated to be 825ns, and when the output voltage is 450V, the control period threshold Tth is estimated to be 1763ns.
- control period threshold Tth estimated for each output voltage is converted to a predetermined frequency, and a table is created in which the predetermined frequency is associated with each output voltage.
- FIG. 11 shows an example of a table in which a specific frequency is associated with each output voltage.
- the control period threshold value Tth (maximum control amount Ton_max) can be converted to a predetermined frequency, and a table can be created in which a predetermined frequency is associated with each output voltage.
- FIG. 11 shows the cases where the output voltage is 250V, 360V, and 450V, but the above table associates a predetermined frequency with various output voltages other than 250V, 360V, and 450V.
- a predetermined frequency may also be associated with each output voltage in a certain range. Specifically, a predetermined frequency A may be associated with 250V to 260V, a predetermined frequency B may be associated with 260V to 270V, and so on, and a predetermined frequency Z may be associated with 440V to 450V.
- the estimated ripple may vary depending on the environment in which the power converter 100 is applied or the user who uses the power converter 100, and therefore the contents of the table may also vary depending on the estimated ripple.
- a dedicated table may be created depending on the environment in which the power converter 100 is applied or the user who uses the power converter 100.
- FIG. 12 is a diagram for explaining an example of the operation of the control circuit 10 according to the embodiment.
- the control circuit 10 the PWM generator 20, and the power converter 100 are shown.
- the determination unit 12 determines a predetermined frequency based on the output voltage (Vbat_mes) and notifies the PWM generator 20 of the control period threshold Tth corresponding to the predetermined frequency. This makes it possible to perform phase shift control when the operating frequency is the predetermined frequency and a voltage smaller than the output voltage that can be output when the operating frequency is equal to or lower than the predetermined frequency is output.
- the control unit 11 is, for example, a PI controller, and notifies the PWM generator 20 of the phase amount T ⁇ such that the output current (Ibat_mes) of the power converter 100 becomes the target current (Ibat_trg), i.e., such that the error Ibat_err becomes zero.
- This allows the phase to be controlled to suppress the effects of ripples even when ripples are superimposed.
- a predetermined frequency (control period threshold Tth) that can suppress the effects of ripples by phase control is determined in advance, the output current is prevented from being unable to be fully adjusted by phase control, and the effects of ripples can be suppressed by phase control.
- the determination unit 12 may correct the determined predetermined frequency based on the ripple superimposed on the output current of the power converter 100. This will be explained using Figures 13 to 15.
- FIG. 13 is a diagram for explaining another example of the operation of the control circuit 10 according to the embodiment.
- FIG. 14 is a diagram for explaining a method for correcting a specified frequency.
- Figure 15 is a diagram to explain how actual ripples can be suppressed by correcting a specific frequency.
- the determination unit 12 corrects the control period threshold value Tth to the control period threshold value Tth' based on the ripple ( ⁇ R_mes) actually superimposed on the output current of the power converter 100. Specifically, the determination unit 12 estimates the control operation region ⁇ Ton' required for the actual ripple from the difference ( ⁇ R_err) between the estimated ripple ( ⁇ R_est) and the actual ripple ( ⁇ R_mes), and further estimates the maximum control amount Ton_max', and determines the control period threshold value Tth' from the estimated maximum control amount Ton_max'.
- the present disclosure can be realized not only as a control circuit 10 or a power converter 100, but also as a control method including steps (processing) performed by components that make up the control circuit 10.
- FIG. 16 is a flowchart showing an example of a control method according to another embodiment.
- the control method is executed by a control circuit 10 that controls a power converter 100.
- the power converter 100 includes a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting a first input/output terminal and a second input/output terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the first input/output terminal and the second input/output terminal. As shown in FIG.
- the control method includes a determination step (step S11) of determining a predetermined frequency, a first control step (step S12) of controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control step (step S13) of controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- the present disclosure can be realized as a program for causing a computer (processor) to execute the steps included in the control method.
- the present disclosure can be realized as a non-transitory computer-readable recording medium, such as a CD-ROM, on which the program is recorded.
- each step is performed by running the program using hardware resources such as a computer's CPU, memory, and input/output circuits.
- hardware resources such as a computer's CPU, memory, and input/output circuits.
- each step is performed by the CPU obtaining data from memory or input/output circuits, etc., performing calculations, and outputting the results of the calculations to memory or input/output circuits, etc.
- each component included in the control circuit 10 or the power converter 100 may be configured with dedicated hardware, or may be realized by executing a software program suitable for each component.
- Each component may be realized by a program execution unit such as a CPU or processor reading and executing a software program recorded on a recording medium such as a hard disk or semiconductor memory.
- LSI is an integrated circuit. These may be individually integrated into one chip, or may be integrated into one chip that includes some or all of the functions. Furthermore, the integrated circuit is not limited to an LSI, and may be realized by a dedicated circuit or a general-purpose processor.
- An FPGA Field Programmable Gate Array
- reconfigurable processor that can reconfigure the connections and settings of circuit cells inside the LSI may also be used.
- control circuit 10 or power converter 100 may be integrated using that technology.
- this disclosure also includes forms obtained by applying various modifications to the embodiments that a person skilled in the art may conceive, and forms realized by arbitrarily combining the components and functions of each embodiment within the scope that does not deviate from the spirit of this disclosure.
- a control circuit for controlling a power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control circuit comprising a determination unit for determining a predetermined frequency, and a control unit having a first control mode for controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control mode for controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- the operating frequencies of the first and second sets of switching devices are controlled to control the on-time of the switching devices and perform power conversion, but when the output voltage is low, the operating frequency increases, increasing the switching loss of each switch and the AC loss of the magnetic components. Therefore, when controlling the operating frequency, a predetermined frequency is set as the upper limit of the operating frequency, and when conversion to a voltage lower than the voltage that can be converted by controlling the operating frequency with the predetermined frequency as the upper limit is performed, the on-time of the switching devices is controlled by controlling the phase between the switching of the first and second sets of switching devices. This makes it possible to perform power conversion over a wide range while suppressing losses.
- ripple from a commercial power source may be superimposed on the input current, and if power conversion is performed with the ripple superimposed, the ripple will also be superimposed on the output voltage.
- This ripple is applied to the output capacitor and the load battery, causing charging and discharging of the ripple, resulting in loss and temperature rise due to the internal resistance of the capacitor. This temperature rise is a factor that shortens the life of the capacitor and battery.
- the output current is large due to the ripple, it is possible to control the phase so that the output current is reduced accordingly, and if the output current is small due to the ripple, it is possible to control the phase so that the output current is increased accordingly.
- the control circuit have the function of determining the specified frequency (in other words, the function of changing the specified frequency), the specified frequency can be determined in advance to a frequency that can suppress the effects of the ripple by controlling the phase. Therefore, the effects of the ripple can be suppressed, and the shortening of the life of the parts can be reduced.
- the specified frequency can be determined from the output voltage.
- the power converter described in Technology 6 further includes a resonant capacitor connected to a first node between the first switch and the second switch on the first path, and a transformer having a primary winding and a secondary winding, one end of the primary winding connected to the resonant capacitor and the other end of the primary winding connected to a second node between the third switch and the fourth switch on the second path.
- the power converter according to Technology 7 further includes a third set of switching devices consisting of a fifth switch and a sixth switch connected in series on a third path connecting the output terminal and the second ground terminal, a fourth set of switching devices consisting of a seventh switch and an eighth switch connected in series on a fourth path different from the third path connecting the output terminal and the second ground terminal, and a second resonant capacitor connected to a third node between the fifth switch and the sixth switch on the third path, and the transformer has one end of the secondary winding connected to the second resonant capacitor and the other end of the secondary winding connected to a fourth node between the seventh switch and the eighth switch on the fourth path.
- a control method executed by a control circuit that controls a power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control method including a determination step of determining a predetermined frequency, a first control step of controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control step of controlling a phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
- This provides a control method that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component life.
- This disclosure can be applied to power converters such as LLC converters.
- Control circuit 11 Control unit 12 Determination unit 20 PWM generator 100 Power converter 110, 120, C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, Cr1, Cr2 Capacitor 200 System power supply 300 PFC circuit 400 Load D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 Diode D10 Rectifier circuit Lr1, Lr2 Leakage inductance N1, N2, N3, N4 Node P1, P2, P3, P4 Path Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8 Switch T1 Transformer Tid Ideal transformer t1, t2, t3, t4 Terminal
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
Description
本開示は、電力変換器を制御する制御回路などに関する。 This disclosure relates to a control circuit for controlling a power converter.
特許文献1には、LLCコンバータが開示されている。 Patent document 1 discloses an LLC converter.
特許文献1に開示されたLLCコンバータでは、入力電流に商用電源からのリップルが重畳する場合があり、リップルが重畳された状態で電力変換が行われると、発熱量が増大し、部品寿命が低下するおそれがある。 In the LLC converter disclosed in Patent Document 1, ripple from the commercial power supply may be superimposed on the input current. If power conversion is performed with the ripple superimposed, the amount of heat generated may increase and the lifespan of the components may be shortened.
そこで、本開示は、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができる制御回路などを提供する。 The present disclosure provides a control circuit and the like that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component lifespan.
本開示に係る制御回路は、電力変換器を制御する制御回路であって、前記電力変換器は、入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、を備え、前記制御回路は、所定の周波数を決定する決定部と、前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御モードと、前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御モードと、を有する制御部と、を備える。 The control circuit according to the present disclosure is a control circuit for controlling a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control circuit comprising a determination unit for determining a predetermined frequency, and a control unit having a first control mode for controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control mode for controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
本開示に係る電力変換器は、上記の制御回路と、前記第1組のスイッチングデバイスと、前記第2組のスイッチングデバイスと、を備える。 The power converter according to the present disclosure includes the above-mentioned control circuit, the first set of switching devices, and the second set of switching devices.
本開示に係る制御方法は、電力変換器を制御する制御回路により実行される制御方法であって、前記電力変換器は、入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、を備え、前記制御方法は、所定の周波数を決定する決定ステップと、前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御ステップと、前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御ステップと、を含む。 The control method according to the present disclosure is a control method executed by a control circuit that controls a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control method including a determination step of determining a predetermined frequency, a first control step of controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control step of controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能なCD-ROMなどの記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 These comprehensive or specific aspects may be realized as a system, method, integrated circuit, computer program, or computer-readable recording medium such as a CD-ROM, or may be realized as any combination of a system, method, integrated circuit, computer program, and recording medium.
本開示の一態様に係る制御回路などによれば、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができる。 The control circuit according to one embodiment of the present disclosure can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component lifespan.
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 The following describes the embodiment in detail with reference to the drawings.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。 The embodiments described below are all comprehensive or specific examples. The numerical values, shapes, materials, components, component placement and connection forms, steps, and order of steps shown in the following embodiments are merely examples and are not intended to limit the present disclosure.
(実施の形態)
以下、実施の形態に係る制御回路および電力変換器について説明する。
(Embodiment)
A control circuit and a power converter according to an embodiment will be described below.
図1は、実施の形態に係る電力変換器100の適用例を示す構成図である。図1には、電力変換器100の他に、系統電源200、PFC(Power Factor Correction)回路300、コンデンサ110および120ならびに負荷400が示されている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an application example of a
電力変換器100は、入力電圧を所定の電圧に昇圧または降圧して出力する絶縁型のDCDCコンバータである。例えば、電力変換器100は、LLCコンバータである。LLCコンバータは、トランスの漏れインダクタンス、励磁インダクタンスおよび共振コンデンサによるLLCの共振を利用する回路である。LLCコンバータでは、スイッチング周波数を変化させることにより、入出力電圧比(Gain)が変わるため、所望の電圧を出力することが可能となっている。
The
PFC回路300は、例えばPFC(Power Factor Correction)機能を有するACDCコンバータであり、系統電源200からの交流の電流(AC電流Iac)および電圧を、直流の電流(バス電流Ibus)および電圧(バス電圧Vbus)に変換する。負荷400は、例えばバッテリである。
The
電力変換器100は、PFC回路300からの直流の電流および電圧を、異なる値の直流の電流(バッテリ電流Ibat)および電圧(バッテリ電圧Vbat)に変換する。バッテリ電流Ibatによって、負荷400をバッテリ電圧Vbatにて充電することができる。
The
図2Aは、実施の形態に係る電力変換器100の一例を示す回路構成図である。図2Aには、電力変換器100の他に、PFC回路300、コンデンサ110および120ならびに負荷400が示されている。なお、コンデンサ110および120は、電力変換器100に備えられていてもよい。
FIG. 2A is a circuit diagram showing an example of a
電力変換器100は、端子t1、t2、t3およびt4を備える。端子t1は、入力端子である。端子t2は第1のグランド端子の一例である。端子t3は出力端子である。端子t4は、第2のグランド端子の一例である。なお、電力変換器100は、絶縁型のDCDCコンバータであるため、端子t1または端子t2と、端子t3または端子t4との間は、それぞれ電気的に絶縁されている。
The
コンデンサ110は、端子t1と端子t2との間に接続される入力コンデンサであり、コンデンサ120は端子t3と端子t4との間に接続される出力コンデンサ(平滑コンデンサ)である。
Capacitor 110 is an input capacitor connected between terminals t1 and t2, and
電力変換器100は、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4、コンデンサCr1、整流回路D10、トランスT1ならびに制御回路10を備える。
The
スイッチQ1は、端子t1と端子t2とを結ぶ経路P1上に設けられた第1のスイッチの一例である。経路P1は、第1の経路の一例である。スイッチQ2は、経路P1上に設けられ、スイッチQ1と直列に接続された第2のスイッチの一例である。スイッチQ1およびQ2は、端子t1と端子t2とを結ぶ経路P1上で直列に接続されたスイッチQ1およびQ2からなる第1組のスイッチングデバイスの一例である。 Switch Q1 is an example of a first switch provided on path P1 connecting terminals t1 and t2. Path P1 is an example of a first path. Switch Q2 is an example of a second switch provided on path P1 and connected in series with switch Q1. Switches Q1 and Q2 are an example of a first set of switching devices consisting of switches Q1 and Q2 connected in series on path P1 connecting terminals t1 and t2.
スイッチQ1は、例えば、NチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。図2Aには、スイッチQ1の寄生容量をコンデンサC1で示しており、コンデンサC1は、等価回路上ではスイッチQ1と並列に接続される。スイッチQ1のドレインは端子t1に接続され、スイッチQ1のソースはスイッチQ2のドレインに接続される。また、図2Aには、スイッチQ1の寄生ダイオードをダイオードD1で示しており、ダイオードD1は、等価回路上ではアノードがスイッチQ1のソースに接続され、カソードがスイッチQ1のドレインに接続される。 The switch Q1 is, for example, an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). In FIG. 2A, the parasitic capacitance of the switch Q1 is shown as a capacitor C1, which is connected in parallel with the switch Q1 in the equivalent circuit. The drain of the switch Q1 is connected to the terminal t1, and the source of the switch Q1 is connected to the drain of the switch Q2. Also, in FIG. 2A, the parasitic diode of the switch Q1 is shown as a diode D1, and the anode of the diode D1 is connected to the source of the switch Q1 and the cathode is connected to the drain of the switch Q1 in the equivalent circuit.
スイッチQ2は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Aには、スイッチQ2の寄生容量をコンデンサC2で示しており、コンデンサC2は、等価回路上ではスイッチQ2と並列に接続される。スイッチQ2のドレインはスイッチQ1のソースに接続され、スイッチQ2のソースは端子t2に接続される。また、図2Aには、スイッチQ2の寄生ダイオードをダイオードD2で示しており、ダイオードD2は、等価回路上ではアノードがスイッチQ2のソースに接続され、カソードがスイッチQ2のドレインに接続される。 Switch Q2 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2A, the parasitic capacitance of switch Q2 is shown as capacitor C2, and capacitor C2 is connected in parallel with switch Q2 in the equivalent circuit. The drain of switch Q2 is connected to the source of switch Q1, and the source of switch Q2 is connected to terminal t2. Also, in FIG. 2A, the parasitic diode of switch Q2 is shown as diode D2, and in the equivalent circuit, the anode of diode D2 is connected to the source of switch Q2, and the cathode is connected to the drain of switch Q2.
スイッチQ3は、端子t1と端子t2とを結ぶ、経路P1とは異なる経路P2上に設けられた第3のスイッチの一例である。経路P2は、第2の経路の一例である。スイッチQ4は、経路P2上に設けられ、スイッチQ3と直列に接続された第4のスイッチの一例である。スイッチQ3およびQ4は、端子t1と端子t2とを結ぶ、経路P1とは異なる経路P2上で直列に接続されたスイッチQ3およびQ4からなる第2組のスイッチングデバイスの一例である。 Switch Q3 is an example of a third switch provided on path P2, which connects terminals t1 and t2 and is different from path P1. Path P2 is an example of a second path. Switch Q4 is an example of a fourth switch provided on path P2 and connected in series with switch Q3. Switches Q3 and Q4 are an example of a second set of switching devices consisting of switches Q3 and Q4 connected in series on path P2, which connects terminals t1 and t2 and is different from path P1.
スイッチQ3は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Aには、スイッチQ3の寄生容量をコンデンサC3で示しており、コンデンサC3は、等価回路上ではスイッチQ3と並列に接続される。スイッチQ3のドレインは端子t1に接続され、スイッチQ3のソースはスイッチQ4のドレインに接続される。また、図2Aには、スイッチQ3の寄生ダイオードをダイオードD3で示しており、ダイオードD3は、等価回路上ではアノードがスイッチQ3のソースに接続され、カソードがスイッチQ3のドレインに接続される。 Switch Q3 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2A, the parasitic capacitance of switch Q3 is shown as capacitor C3, which is connected in parallel with switch Q3 in the equivalent circuit. The drain of switch Q3 is connected to terminal t1, and the source of switch Q3 is connected to the drain of switch Q4. Also, in FIG. 2A, the parasitic diode of switch Q3 is shown as diode D3, and in the equivalent circuit, the anode of diode D3 is connected to the source of switch Q3, and the cathode is connected to the drain of switch Q3.
スイッチQ4は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Aには、スイッチQ4の寄生容量をコンデンサC4で示しており、コンデンサC4は、等価回路上ではスイッチQ4と並列に接続される。スイッチQ4のドレインはスイッチQ3のソースに接続され、スイッチQ4のソースは端子t2に接続される。また、図2Aには、スイッチQ4の寄生ダイオードをダイオードD4で示しており、ダイオードD4は、等価回路上ではアノードがスイッチQ4のソースに接続され、カソードがスイッチQ4のドレインに接続される。 Switch Q4 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2A, the parasitic capacitance of switch Q4 is shown as capacitor C4, and capacitor C4 is connected in parallel with switch Q4 in the equivalent circuit. The drain of switch Q4 is connected to the source of switch Q3, and the source of switch Q4 is connected to terminal t2. Also, in FIG. 2A, the parasitic diode of switch Q4 is shown as diode D4, and in the equivalent circuit, the anode of diode D4 is connected to the source of switch Q4, and the cathode is connected to the drain of switch Q4.
コンデンサCr1は、経路P1上におけるスイッチQ1とスイッチQ2との間のノードN1に接続される。コンデンサCr1は、第1の共振コンデンサの一例である。ノードN1は、第1のノードの一例である。 Capacitor Cr1 is connected to node N1 between switch Q1 and switch Q2 on path P1. Capacitor Cr1 is an example of a first resonant capacitor. Node N1 is an example of a first node.
トランスT1は、1次巻線と2次巻線とを有し、1次巻線の一端がコンデンサCr1に接続され、1次巻線の他端が経路P2上におけるスイッチQ3とスイッチQ4との間のノードN2と接続される。ノードN2は、第2のノードの一例である。2次巻線の両端はそれぞれ整流回路D10に接続される。図2Aには、トランスT1の等価回路が示されており、トランスT1を理想トランスTid、1次側の漏れインダクタンスLr1および2次側の漏れインダクタンスLr2で表すことができる。なお、励磁インダクタンスについては図示を省略している。理想トランスTidの1次側コイルと直列に漏れインダクタンスLr1が接続され、理想トランスTidの2次側コイルと直列に漏れインダクタンスLr2が接続される。なお、電力変換器100は、漏れインダクタンスLr1に相当するインダクタおよび漏れインダクタンスLr2に相当するインダクタを備えていてもよい。
The transformer T1 has a primary winding and a secondary winding. One end of the primary winding is connected to the capacitor Cr1, and the other end of the primary winding is connected to a node N2 between the switch Q3 and the switch Q4 on the path P2. The node N2 is an example of a second node. Both ends of the secondary winding are connected to the rectifier circuit D10. FIG. 2A shows an equivalent circuit of the transformer T1, and the transformer T1 can be represented by an ideal transformer Tid, a primary leakage inductance Lr1, and a secondary leakage inductance Lr2. Note that the excitation inductance is not shown. The leakage inductance Lr1 is connected in series to the primary coil of the ideal transformer Tid, and the leakage inductance Lr2 is connected in series to the secondary coil of the ideal transformer Tid. Note that the
整流回路D10は、トランスT1の2次巻線に接続される。例えば、整流回路D10は、4つのダイオードからなるフルブリッジ構成となっており、全波整流が可能となっている。 The rectifier circuit D10 is connected to the secondary winding of the transformer T1. For example, the rectifier circuit D10 has a full-bridge configuration consisting of four diodes, enabling full-wave rectification.
制御回路10は、電力変換器100が備えるスイッチ(例えば、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4)のスイッチング(オンおよびオフ)を制御するための回路である。例えば、制御回路10は、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4のゲートに接続されたゲート駆動回路を、PWM生成器などを介して制御することで、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4のスイッチングを制御する。
The
制御回路10は、制御部11および決定部12を備える。制御回路10は、例えばプロセッサ(マイクロプロセッサ)およびメモリなどを含むコンピュータである。メモリは、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)などであり、プロセッサにより実行されるプログラムを記憶することができる。制御部11および決定部12は、メモリに格納されたプログラムを実行するプロセッサなどによって実現される。
The
決定部12は、所定の周波数を決定する。決定部12の詳細については後述する。
The
制御部11は、所定の周波数を上限として、第1組のスイッチングデバイス(スイッチQ1およびQ2)および第2組のスイッチングデバイス(スイッチQ3およびQ4)の動作周波数を制御する第1の制御モードと、動作周波数が所定の周波数となっている状態で、第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御モードと、を有する。制御部11の詳細については後述する。
The
なお、電力変換器100は、LLCコンバータでなくてもよく、少なくとも第1組のスイッチングデバイス(スイッチQ1およびQ2)と、第2組のスイッチングデバイス(スイッチQ3およびQ4)と、制御回路10とを備えていれば、任意の絶縁型のDCDCコンバータであってもよい。
The
例えば、電力変換器100は、CLLCコンバータであってもよい。ここで、電力変換器100がCLLCコンバータである例を、図2Bを用いて説明する。
For example, the
図2Bは、実施の形態に係る電力変換器100の他の一例を示す回路構成図である。
FIG. 2B is a circuit diagram showing another example of a
図2Bに示される電力変換器100(CLLCコンバータ)は、図2Aに示される電力変換器100(LLCコンバータ)が備える構成要素と比べて、整流回路D10の構成要素が異なり、さらにコンデンサCr2を備える点が異なる。以下では、電力変換器100がLLCコンバータである場合(図2Aの場合)と異なる点を中心に説明する。
The power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2B differs from the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2A in that the components of the rectifier circuit D10 are different and that a capacitor Cr2 is further provided. The following will focus on the differences from the
図2Bに示される電力変換器100(CLLCコンバータ)は、スイッチQ5、Q6、Q7およびQ8を備え、スイッチQ5、Q6、Q7およびQ8は整流回路D10を構成している。 The power converter 100 (CLLC converter) shown in FIG. 2B includes switches Q5, Q6, Q7, and Q8, which together form a rectifier circuit D10.
スイッチQ5は、端子t3と端子t4とを結ぶ経路P3上に設けられた第5のスイッチの一例である。経路P3は、第3の経路の一例である。スイッチQ6は、経路P3上に設けられ、スイッチQ5と直列に接続された第6のスイッチの一例である。スイッチQ5およびQ6は、端子t3と端子t4とを結ぶ経路P3上で直列に接続されたスイッチQ5およびQ6からなる第3組のスイッチングデバイスの一例である。 Switch Q5 is an example of a fifth switch provided on path P3 connecting terminals t3 and t4. Path P3 is an example of a third path. Switch Q6 is an example of a sixth switch provided on path P3 and connected in series with switch Q5. Switches Q5 and Q6 are an example of a third set of switching devices consisting of switches Q5 and Q6 connected in series on path P3 connecting terminals t3 and t4.
スイッチQ5は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Bには、スイッチQ5の寄生容量をコンデンサC5で示しており、コンデンサC5は、等価回路上ではスイッチQ5と並列に接続される。スイッチQ5のドレインは端子t3に接続され、スイッチQ5のソースはスイッチQ6のドレインに接続される。また、図2Bには、スイッチQ5の寄生ダイオードをダイオードD5で示しており、ダイオードD5は、等価回路上ではアノードがスイッチQ5のソースに接続され、カソードがスイッチQ5のドレインに接続される。 Switch Q5 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2B, the parasitic capacitance of switch Q5 is shown as capacitor C5, and capacitor C5 is connected in parallel with switch Q5 in the equivalent circuit. The drain of switch Q5 is connected to terminal t3, and the source of switch Q5 is connected to the drain of switch Q6. Also, in FIG. 2B, the parasitic diode of switch Q5 is shown as diode D5, and in the equivalent circuit, the anode of diode D5 is connected to the source of switch Q5, and the cathode is connected to the drain of switch Q5.
スイッチQ6は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Bには、スイッチQ6の寄生容量をコンデンサC6で示しており、コンデンサC6は、等価回路上ではスイッチQ6と並列に接続される。スイッチQ6のドレインはスイッチQ5のソースに接続され、スイッチQ6のソースは端子t4に接続される。また、図2Bには、スイッチQ6の寄生ダイオードをダイオードD6で示しており、ダイオードD6は、等価回路上ではアノードがスイッチQ6のソースに接続され、カソードがスイッチQ6のドレインに接続される。 Switch Q6 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2B, the parasitic capacitance of switch Q6 is shown as capacitor C6, and capacitor C6 is connected in parallel with switch Q6 in the equivalent circuit. The drain of switch Q6 is connected to the source of switch Q5, and the source of switch Q6 is connected to terminal t4. Also, in FIG. 2B, the parasitic diode of switch Q6 is shown as diode D6, and in the equivalent circuit, the anode of diode D6 is connected to the source of switch Q6, and the cathode is connected to the drain of switch Q6.
スイッチQ7は、端子t3と端子t4とを結ぶ、経路P3とは異なる経路P4上に設けられた第7のスイッチの一例である。経路P4は、第4の経路の一例である。スイッチQ8は、経路P4上に設けられ、スイッチQ7と直列に接続された第8のスイッチの一例である。スイッチQ7およびQ8は、端子t3と端子t4とを結ぶ、経路P3とは異なる経路P4上で直列に接続されたスイッチQ7およびQ8からなる第4組のスイッチングデバイスの一例である。 Switch Q7 is an example of a seventh switch provided on path P4, which is different from path P3, connecting terminals t3 and t4. Path P4 is an example of a fourth path. Switch Q8 is an example of an eighth switch provided on path P4 and connected in series with switch Q7. Switches Q7 and Q8 are an example of a fourth set of switching devices consisting of switches Q7 and Q8 connected in series on path P4, which is different from path P3, connecting terminals t3 and t4.
スイッチQ7は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Bには、スイッチQ7の寄生容量をコンデンサC7で示しており、コンデンサC7は、等価回路上ではスイッチQ7と並列に接続される。スイッチQ7のドレインは端子t3に接続され、スイッチQ7のソースはスイッチQ8のドレインに接続される。また、図2Bには、スイッチQ7の寄生ダイオードをダイオードD7で示しており、ダイオードD7は、等価回路上ではアノードがスイッチQ7のソースに接続され、カソードがスイッチQ7のドレインに接続される。 Switch Q7 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2B, the parasitic capacitance of switch Q7 is shown as capacitor C7, and capacitor C7 is connected in parallel with switch Q7 in the equivalent circuit. The drain of switch Q7 is connected to terminal t3, and the source of switch Q7 is connected to the drain of switch Q8. Also, in FIG. 2B, the parasitic diode of switch Q7 is shown as diode D7, and in the equivalent circuit, the anode of diode D7 is connected to the source of switch Q7, and the cathode is connected to the drain of switch Q7.
スイッチQ8は、例えば、NチャネルMOSFETである。図2Bには、スイッチQ8の寄生容量をコンデンサC8で示しており、コンデンサC8は、等価回路上ではスイッチQ8と並列に接続される。スイッチQ8のドレインはスイッチQ7のソースに接続され、スイッチQ8のソースは端子t4に接続される。また、図2Bには、スイッチQ8の寄生ダイオードをダイオードD8で示しており、ダイオードD8は、等価回路上ではアノードがスイッチQ8のソースに接続され、カソードがスイッチQ8のドレインに接続される。 Switch Q8 is, for example, an N-channel MOSFET. In FIG. 2B, the parasitic capacitance of switch Q8 is shown as capacitor C8, and capacitor C8 is connected in parallel with switch Q8 in the equivalent circuit. The drain of switch Q8 is connected to the source of switch Q7, and the source of switch Q8 is connected to terminal t4. Also, in FIG. 2B, the parasitic diode of switch Q8 is shown as diode D8, and in the equivalent circuit, the anode of diode D8 is connected to the source of switch Q8, and the cathode is connected to the drain of switch Q8.
コンデンサCr2は、経路P3上におけるスイッチQ5とスイッチQ6との間のノードN3に接続される。コンデンサCr2は、第2の共振コンデンサの一例である。ノードN3は、第3のノードの一例である。 Capacitor Cr2 is connected to node N3 between switch Q5 and switch Q6 on path P3. Capacitor Cr2 is an example of a second resonant capacitor. Node N3 is an example of a third node.
トランスT1は、2次巻線の一端がコンデンサCr2と接続され、2次巻線の他端が経路P4上におけるスイッチQ7とスイッチQ8との間のノードN4と接続される。ノードN4は、第4のノードの一例である。 One end of the secondary winding of the transformer T1 is connected to the capacitor Cr2, and the other end of the secondary winding is connected to a node N4 between the switches Q7 and Q8 on the path P4. The node N4 is an example of a fourth node.
なお、図2Bに示される電力変換器100(CLLCコンバータ)の整流回路D10は、図2Aに示される電力変換器100(LLCコンバータ)と同じように、4つのダイオードから構成されてもよい。 Note that the rectifier circuit D10 of the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2B may be composed of four diodes, similar to the power converter 100 (LLC converter) shown in FIG. 2A.
また、電力変換器100は、出力電圧(バッテリ電圧Vbat)を検知する電圧検知回路および出力電流(バッテリ電流Ibat)を検知する電流検知回路を備えており、制御回路10は、これらの検知結果に基づいて、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4のスイッチングを制御する。また、電力変換器100が図2Bに示される回路構成を有する場合には、制御回路10は、スイッチQ5、Q6、Q7およびQ8を制御してもよい。
The
次に、制御部11が第1の制御モードのみ(言い換えると、周波数可変制御のみ)で、所定の周波数に関係なく、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4のスイッチングを制御する場合について、図3を用いて説明する。
Next, a case where the
図3は、周波数可変制御を説明するための図である。図3に示されるグラフの横軸は電力変換器100の出力電圧(Vbat)であり、縦軸は制御量Tonである。制御量Tonは、スイッチのオン時間であり、具体的には、スイッチQ1およびQ4がオンとなっており、かつ、スイッチQ2およびQ3がオフとなっている時間、または、スイッチQ2およびQ3がオンとなっており、かつ、スイッチQ1およびQ4がオフとなっている時間である。各スイッチの動作周波数が低いほど制御量Tonが長くなり、各スイッチの動作周波数が高いほど制御量Tonが短くなる。また、Pmaxは電力変換器100が出力できる最大電力であり、Pminは電力変換器100が出力できる最小電力である。Vbat_maxは負荷400(バッテリ)の最大電圧であり、Vbat_minは負荷400の最小電圧である。
FIG. 3 is a diagram for explaining variable frequency control. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 3 is the output voltage (Vbat) of the
図3に示されるように、負荷400の動作範囲の電圧(Vbat_min~Vbat_max)を出力する必要がある。高い電圧を出力するためには、制御量Tonを長くする必要があり、すなわち、各スイッチの動作周波数を低くする必要がある。一方で、低い電圧を出力するためには、制御量Tonを短くする必要があり、すなわち、各スイッチの動作周波数を高くする必要がある。しかし、各スイッチの動作周波数が高くなると、各スイッチのスイッチング損失やトランスT1などの磁性部品の交流損失が増大する。
As shown in Figure 3, it is necessary to output a voltage (Vbat_min to Vbat_max) within the operating range of the
このため、制御部11は、所定の周波数を上限として、第1組のスイッチングデバイス(スイッチQ1およびQ2)および第2組のスイッチングデバイス(スイッチQ3およびQ4)の動作周波数を制御する第1の制御モードと、動作周波数が所定の周波数となっている状態で、第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御モードと、を有する。これについて、図4および図5を用いて説明する。
For this reason, the
図4は、周波数可変制御(第1の制御モードの制御)および位相シフト制御(第2の制御モードの制御)の組み合わせを説明するための図である。 FIG. 4 is a diagram for explaining the combination of variable frequency control (control of the first control mode) and phase shift control (control of the second control mode).
図5は、制御量Tonを説明するための図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the control amount Ton.
例えば、制御部11は、所定の周波数として、制御周期閾値Tthに対応する周波数Fthを上限としてスイッチQ1、Q2、Q3およびQ4の動作周波数を制御し、動作周波数が所定の周波数Fthとなっている状態で、スイッチQ1およびQ2のスイッチングと、スイッチQ3およびQ4のスイッチングとの間の位相を制御する。つまり、第2の制御モードでは、図5に示されるように、スイッチQ1およびQ4のそれぞれのオン時間(制御量Ton)が制御周期閾値Tth/2となっている状態から、スイッチQ1およびQ4のスイッチングの位相をシフトしていき、スイッチQ1およびQ4のそれぞれのオン時間が重複する期間(制御量Ton)を短くする。また、第2の制御モードでは、スイッチQ2およびQ3のそれぞれのオン時間(制御量Ton)が制御周期閾値Tth/2となっている状態から、スイッチQ2およびQ3のスイッチングの位相をシフトしていき、スイッチQ2およびQ3のそれぞれのオン時間が重複する期間(制御量Ton)を短くする。
For example, the
制御部11は、出力電圧がVbat_min~Vthの場合、第2の制御モードで位相シフト制御を行い、出力電圧がVth~Vbat_maxの場合、第1の制御モードで周波数可変制御を行う。これにより、動作周波数を所定の周波数よりも高くすることなく、制御量Tonを短くすることができるため、損失を抑制しつつ、広い範囲で電力変換を行うことができる。
When the output voltage is between Vbat_min and Vth, the
ところで、電力変換器100の入力電圧であるバス電圧Vbusは系統電源200からPFC回路300で交流の電流(AC電流Iac)および電圧を、直流の電流(バス電流Ibus)および電圧(バス電圧Vbus)に変換されたものであるため若干の電圧変動(リップル)を持つ。このリップルは、電力変換器100を介して、出力電圧Vbatに重畳されうる。コンデンサ120にはこのリップルが重畳された出力電圧Vbatが印加されるためリップル分の充放電動作が発生しコンデンサに内在する内部抵抗分起因の損失、温度上昇が発生する。この温度上昇はコンデンサの寿命を低下させる要因である。また、負荷400がバッテリの場合、同様の理由でリップルがバッテリ寿命を低下させる要因にもなる。そのためリップルは最小となるように設計することが望ましい。リップルを最小化するには、コンデンサ120の容量値を大きくする手段もあるが、その場合、電力変換器の大型化やコスト増加につながる。そのため一般的には制御設計でリップルを最小化する。
The bus voltage Vbus, which is the input voltage of the
よって、電力変換器100の設計ではバス電圧Vbusは一定値ではなくリップルが存在することを前提として、出力電圧Vbatに重畳するリップルを最小化する制御設計が必要である。
Therefore, in designing the
以下リップルが存在する場合の制御応答性への影響を、図6A~図6Cを用いて説明する。 The effect on control responsiveness when ripples are present is explained below using Figures 6A to 6C.
図6Aは、条件1の場合の制御応答性を説明するための図である。 FIG. 6A is a diagram for explaining the control responsiveness in the case of condition 1.
図6Bは、条件2の場合の制御応答性を説明するための図である。
FIG. 6B is a diagram to explain the control responsiveness in the case of
図6Cは、条件3の場合の制御応答性を説明するための図である。
Figure 6C is a diagram to explain the control responsiveness in the case of
図6A~図6Cに示されるグラフの横軸は位相量Tθであり、縦軸は電力変換器100の出力電流(Ibat)である。位相量Tθは、第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相のシフト量であり、位相量Tθが0の状態では、制御量Tonが制御周期閾値Tth/2となっており、位相量Tθが大きくなるにつれて、制御量Tonが制御周期閾値Tth/2から短くなっていく。また、図6A~図6Cに示される条件1~条件3は、図4に示される条件1~条件3であり、条件1、条件2、条件3の順序で出力電圧が大きい。また、図4に示されるように、電力変換器100は、最大電力を出力する場合、出力電流は、条件1においてIbat1となり、条件2においてIbat2となり、条件3においてIbat3となる。例えば、条件1~条件3においてリップルが発生したとする。
The horizontal axis of the graphs shown in Figs. 6A to 6C is the phase amount Tθ, and the vertical axis is the output current (Ibat) of the
図6Aに示されるように、条件1では、電力変換器100が最大電力を出力する場合に、リップルの影響を受けて出力電流が例えば小さくなったときには、出力電流Ibat1に対応する位相量Tθに対して位相の制御応答性が十分あるため、位相量Tθをさらに小さくする(つまり位相量Tθを0に近づける)ことで、リップルの影響を受けて小さくなった分、出力電流を大きくすることができる。
As shown in FIG. 6A, under condition 1, when the
図6Bに示されるように、条件2では、電力変換器100が最大電力を出力する場合に、リップルの影響を受けて出力電流が例えば小さくなったときには、出力電流Ibat2に対応する位相量Tθに対して位相の制御応答性が十分あるため、位相量Tθをさらに小さくする(つまり位相量Tθを0に近づける)ことで、リップルの影響を受けて小さくなった分、出力電流を大きくすることができる。
As shown in FIG. 6B, under
図6Cに示されるように、条件3では、電力変換器100が最大電力を出力する場合に、リップルの影響を受けて出力電流が例えば小さくなったときには、出力電流Ibat3に対応する位相量Tθに対して位相の制御応答性が十分にない。具体的には、位相量Tθ(位相のシフト量)を0以下に小さくすることはできないため、リップルの影響を受けて小さくなった分、出力電流を大きくする制御ができない場合がある。このように制御できない領域を含んだ場合、リップルを抑制する制御ができなくなる。つまり、この状態で電力変換が行われると、リップルが抑制できないため、コンデンサ120や負荷400(バッテリ)の発熱量が増大し、部品寿命が低下するおそれがある。
As shown in FIG. 6C, under
これに対して、制御回路10は、所定の周波数を決定する決定部12を備える。つまり、制御回路10は、状況に応じて位相シフト制御の上限周波数(所定の周波数)言い換えると制御周期閾値を変更する機能を有している。制御回路10が決定部12を備えていることで奏される効果について、図7および図8を用いて説明する。
In response to this, the
図7は、位相シフト制御の上限周波数の変更を説明するための図である。 Figure 7 is a diagram to explain how to change the upper limit frequency of phase shift control.
図8は、位相シフト制御の上限周波数を下げた際の条件3の場合の制御応答性を説明するための図である。
Figure 8 is a diagram to explain the control responsiveness in the case of
図7に示されるように、例えば、決定部12は、所定の周波数を制御周期閾値Tth’に対応する周波数に決定する。これにより、図8に示されるように、所定の周波数が制御周期閾値Tth’に対応する周波数の場合には、所定の周波数が制御周期閾値Tthに対応する周波数の場合と比べて、同じ位相量Tθに対して得られる出力電流が大きくなる。言い換えると、所定の周波数が制御周期閾値Tth’に対応する周波数の場合には、所定の周波数が制御周期閾値Tthに対応する周波数の場合と比べて、同じ出力電流を得るのに必要な位相量Tθが大きくなる。したがって、所定の周波数が制御周期閾値Tth’に対応する周波数の場合には、出力電流Ibat3に対応する位相量Tθが大きくなった分、位相量Tθに対して位相の制御応答性が十分あるため、位相量Tθをさらに小さくする(つまり位相量Tθを0に近づける)ことができる。よって、リップルの影響を受けて小さくなった分、出力電流を大きくすることができる。
7, for example, the
以上説明した通り、一般的には、第1組のスイッチングデバイス(スイッチQ1およびQ2)および第2組のスイッチングデバイス(スイッチQ3およびQ4)の動作周波数が制御されることで、スイッチングデバイスのオン時間が制御されて電力変換が行われるが、出力電圧が低い場合、動作周波数が高くなり各スイッチのスイッチング損失や磁性部品の交流損失が増大する。そこで、動作周波数の制御では所定の周波数を動作周波数の上限とし、所定の周波数を上限とした動作周波数の制御により変換可能な電圧よりも低い電圧への変換が行われる場合には、第1組のスイッチングデバイス(スイッチQ1およびQ2)のスイッチングと第2組のスイッチングデバイス(スイッチQ3およびQ4)のスイッチングとの間の位相が制御されることで、スイッチングデバイスのオン時間が制御される。これにより、損失を抑制しつつ、広い範囲で電力変換を行うことができる。 As explained above, generally, the operating frequencies of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the second set of switching devices (switches Q3 and Q4) are controlled to control the on-time of the switching devices to perform power conversion, but when the output voltage is low, the operating frequency increases, increasing the switching loss of each switch and the AC loss of the magnetic components. Therefore, in controlling the operating frequency, a predetermined frequency is set as the upper limit of the operating frequency, and when conversion to a voltage lower than the voltage that can be converted by controlling the operating frequency with the predetermined frequency as the upper limit is performed, the on-time of the switching devices is controlled by controlling the phase between the switching of the first set of switching devices (switches Q1 and Q2) and the switching of the second set of switching devices (switches Q3 and Q4). This makes it possible to perform power conversion over a wide range while suppressing losses.
以上のように制御周期閾値Tthだけではなく制御周期閾値Tth’を持つことにより、より広い範囲でのリップル重畳分まで制御応答することができ部品寿命の低下を軽減することができる。 As described above, by having not only the control cycle threshold value Tth but also the control cycle threshold value Tth', it is possible to control and respond to a wider range of ripple superposition, and to reduce the reduction in component lifespan.
なお、所定の周波数を小さくし過ぎる、言い換えると、制御周期閾値を大きくし過ぎると、損失が大きくなるおそれがあるため、決定部12は、最適な所定の周波数を決定する必要がある。
Note that if the specified frequency is made too small, in other words, if the control period threshold is made too large, there is a risk of large losses, so the
例えば、決定部12は、電力変換器100の出力電圧に基づいて、所定の周波数を決定する。具体的には、制御回路10には、出力電圧の複数の値ごとに最適な所定の周波数の値が対応付けられたテーブルが記憶されており、決定部12は、このテーブルに基づいて、所定の周波数を決定する。
For example, the
ここで、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルの作成方法について図9から図11を用いて説明する。 Here, we will explain how to create a table that associates a specific frequency with each output voltage, using Figures 9 to 11.
まず、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルを作成するために必要な、制御動作領域の推定方法について図9を用いて説明する。 First, we will use Figure 9 to explain how to estimate the control operating region, which is necessary to create a table in which a specific frequency is associated with each output voltage.
図9は、制御動作領域の推定方法を説明するための図である。図9に示されるグラフにおける横軸は制御量Tonであり、縦軸は電力変換器100の出力電流(Ibat)である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a method for estimating the control operation region. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 9 is the control amount Ton, and the vertical axis is the output current (Ibat) of the
例えば、基本波近似法を用いて定格動作時(例えばVbat=250V~450V、Pmax=3700W)の制御量Tonと出力電流Ibatとの関係が算出される。図9には、出力電圧が250V、360Vおよび450Vの場合の上記関係が示されている。そして、推定リップル(ΔR_est)が重畳したときの、制御動作領域ΔTonが推定される。制御動作領域ΔTonは、推定リップルが重畳した場合に、リップルの影響を抑制するのに必要となる制御量Tonの制御幅である。図9に示されるように、出力電圧が250Vの場合、制御動作領域ΔTon1が推定され、出力電圧が360Vの場合、制御動作領域ΔTon2が推定され、出力電圧が450Vの場合、制御動作領域ΔTon3が推定される。なお、図9には、出力電圧が250V、360Vおよび450Vの場合が示されているが、250V、360Vおよび450V以外にも、様々な出力電圧について、制御動作領域ΔTonが推定される。 For example, the relationship between the control amount Ton and the output current Ibat during rated operation (e.g., Vbat = 250V to 450V, Pmax = 3700W) is calculated using the fundamental wave approximation method. Figure 9 shows the above relationship when the output voltage is 250V, 360V, and 450V. Then, the control operation region ΔTon is estimated when an estimated ripple (ΔR_est) is superimposed. The control operation region ΔTon is the control width of the control amount Ton required to suppress the influence of the ripple when the estimated ripple is superimposed. As shown in Figure 9, when the output voltage is 250V, the control operation region ΔTon1 is estimated, when the output voltage is 360V, the control operation region ΔTon2 is estimated, and when the output voltage is 450V, the control operation region ΔTon3 is estimated. Note that FIG. 9 shows output voltages of 250V, 360V, and 450V, but the control operation region ΔTon can be estimated for various output voltages other than 250V, 360V, and 450V.
次に、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルを作成するために必要な、制御周期閾値Tthの推定方法について図10を用いて説明する。 Next, we will use Figure 10 to explain how to estimate the control period threshold Tth, which is necessary to create a table in which a specific frequency is associated with each output voltage.
図10は、制御周期閾値Tthの推定方法を説明するための図である。図10に示されるグラフにおける横軸は出力電圧(Vbat)であり、縦軸は制御量Tonである。 FIG. 10 is a diagram for explaining a method for estimating the control period threshold Tth. In the graph shown in FIG. 10, the horizontal axis represents the output voltage (Vbat), and the vertical axis represents the control amount Ton.
図10に示されるように、最大電力時の出力電圧ごとの制御量(Ton@Pmax)に、制御動作領域ΔTonの1/2を加算することで、最大制御量Ton_maxを算出することができる。この最大制御量Ton_maxから制御周期閾値Tthを推定することができる。例えば、出力電圧が250Vの場合、制御周期閾値Tthが713nsと推定され、出力電圧が360Vの場合、制御周期閾値Tthが825nsと推定され、出力電圧が450Vの場合、制御周期閾値Tthが1763nsと推定される。 As shown in FIG. 10, the maximum control amount Ton_max can be calculated by adding 1/2 of the control operation range ΔTon to the control amount for each output voltage at maximum power (Ton@Pmax). The control period threshold Tth can be estimated from this maximum control amount Ton_max. For example, when the output voltage is 250V, the control period threshold Tth is estimated to be 713ns, when the output voltage is 360V, the control period threshold Tth is estimated to be 825ns, and when the output voltage is 450V, the control period threshold Tth is estimated to be 1763ns.
そして、出力電圧ごとに推定された制御周期閾値Tthが所定の周波数に換算されて、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルが作成される。 Then, the control period threshold Tth estimated for each output voltage is converted to a predetermined frequency, and a table is created in which the predetermined frequency is associated with each output voltage.
図11は、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルの一例を示す図である。 FIG. 11 shows an example of a table in which a specific frequency is associated with each output voltage.
スイッチの動作周波数と制御量Tonとは対応しているため、制御周期閾値Tth(最大制御量Ton_max)を所定の周波数に換算することができ、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルを作成することができる。なお、図11には、出力電圧が250V、360Vおよび450Vの場合が示されているが、上記テーブルには、250V、360Vおよび450V以外にも、様々な出力電圧に所定の周波数が対応付けられている。ただし、一定区間の出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられていてもよい。具体的には、250V~260Vに所定の周波数Aが対応付けられ、260V~270Vに所定の周波数Bが対応付けられ、・・・、440V~450Vに所定の周波数Zが対応付けられていてもよい。 Since the operating frequency of the switch corresponds to the control amount Ton, the control period threshold value Tth (maximum control amount Ton_max) can be converted to a predetermined frequency, and a table can be created in which a predetermined frequency is associated with each output voltage. Note that FIG. 11 shows the cases where the output voltage is 250V, 360V, and 450V, but the above table associates a predetermined frequency with various output voltages other than 250V, 360V, and 450V. However, a predetermined frequency may also be associated with each output voltage in a certain range. Specifically, a predetermined frequency A may be associated with 250V to 260V, a predetermined frequency B may be associated with 260V to 270V, and so on, and a predetermined frequency Z may be associated with 440V to 450V.
なお、推定リップルは、電力変換器100が適用される環境や電力変換器100を使用するユーザなどによって変わり得るため、推定リップルに応じてテーブルの内容も変わり得る。つまり、電力変換器100が適用される環境や電力変換器100を使用するユーザに応じて、専用のテーブルが作成されてもよい。
Note that the estimated ripple may vary depending on the environment in which the
次に、制御回路10の動作の一例について、図12を用いて説明する。
Next, an example of the operation of the
図12は、実施の形態に係る制御回路10の動作の一例を説明するための図である。図12には、制御回路10、PWM生成器20および電力変換器100が示されている。
FIG. 12 is a diagram for explaining an example of the operation of the
決定部12は、出力電圧(Vbat_mes)に基づいて、所定の周波数を決定し、所定の周波数に対応する制御周期閾値TthをPWM生成器20に通知する。これにより、動作周波数が所定の周波数以下の場合に出力可能な出力電圧よりも小さな電圧を出力する場合に、動作周波数が所定の周波数となっている状態で位相シフト制御を行うことができる。
The
制御部11は、例えばPI制御器であり、電力変換器100の出力電流(Ibat_mes)が目標電流(Ibat_trg)となる、すなわち、これらの誤差Ibat_errが0となるような位相量Tθを、PWM生成器20に通知する。これにより、リップルが重畳している場合であっても、リップルの影響を抑制するように位相が制御される。また、位相の制御でリップルの影響を抑制できるような所定の周波数(制御周期閾値Tth)が予め決定されているため、位相の制御では出力電流を調整しきれないということが抑制され、位相の制御によってリップルの影響を抑制することができる。
The
ただし、実際に発生しているリップルが推定リップルよりも大きく、位相の制御では出力電流を調整しきれない場合もある。そこで、決定部12は、電力変換器100の出力電流に重畳したリップルに基づいて、決定した所定の周波数を補正してもよい。これについて、図13から図15を用いて説明する。
However, there may be cases where the actually occurring ripple is larger than the estimated ripple, and the output current cannot be adjusted by phase control. In this case, the
図13は、実施の形態に係る制御回路10の動作の他の一例を説明するための図である。
FIG. 13 is a diagram for explaining another example of the operation of the
図14は、所定の周波数の補正方法を説明するための図である。 FIG. 14 is a diagram for explaining a method for correcting a specified frequency.
図15は、所定の周波数を補正することで、実際のリップルを抑制できることを説明するための図である。 Figure 15 is a diagram to explain how actual ripples can be suppressed by correcting a specific frequency.
図13および図14に示されるように、決定部12は、電力変換器100の出力電流に実際に重畳したリップル(ΔR_mes)に基づいて、制御周期閾値Tthを制御周期閾値Tth’に補正する。具体的には、決定部12は、推定リップル(ΔR_est)と実際のリップル(ΔR_mes)との差分(ΔR_err)から、実際のリップルに対して必要な制御動作領域ΔTon’、ひいては、最大制御量Ton_max’を推定し、推定した最大制御量Ton_max’から制御周期閾値Tth’を決定する。
13 and 14, the
図15に示されるように、制御周期閾値Tthが制御周期閾値Tth’に補正されることで、実際のリップル(ΔR_mes)の影響を抑制できることがわかる。このように、実際のリップルが想定していたリップルよりも大きい場合であっても、実際に重畳したリップルから所定の周波数を補正することができ、リップルの影響を抑制することができる。 As shown in FIG. 15, by correcting the control cycle threshold Tth to the control cycle threshold Tth', it can be seen that the effect of the actual ripple (ΔR_mes) can be suppressed. In this way, even if the actual ripple is larger than the expected ripple, a predetermined frequency can be corrected from the actually superimposed ripple, and the effect of the ripple can be suppressed.
(その他の実施の形態)
以上のように、本開示に係る技術の例示として実施の形態を説明した。しかしながら、本開示に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。例えば、以下のような変形例も本開示の一実施の形態に含まれる。
Other Embodiments
As described above, the embodiment has been described as an example of the technology according to the present disclosure. However, the technology according to the present disclosure is not limited to this, and can be applied to an embodiment in which appropriate changes, substitutions, additions, omissions, etc. are made. For example, the following modified examples are also included in one embodiment of the present disclosure.
例えば、本開示は、制御回路10または電力変換器100として実現できるだけでなく、制御回路10を構成する構成要素が行うステップ(処理)を含む制御方法として実現できる。
For example, the present disclosure can be realized not only as a
図16は、その他の実施の形態に係る制御方法の一例を示すフローチャートである。 FIG. 16 is a flowchart showing an example of a control method according to another embodiment.
制御方法は、電力変換器100を制御する制御回路10により実行される制御方法であって、電力変換器100は、第1の入出力端子と第2の入出力端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、第1の入出力端子と第2の入出力端子とを結ぶ、第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、を備え、制御方法は、図16に示されるように、所定の周波数を決定する決定ステップ(ステップS11)と、所定の周波数を上限として、第1組のスイッチングデバイスおよび第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御ステップ(ステップS12)と、動作周波数が所定の周波数となっている状態で、第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御ステップ(ステップS13)と、を含む。
The control method is executed by a
例えば、本開示は、制御方法に含まれるステップを、コンピュータ(プロセッサ)に実行させるためのプログラムとして実現できる。さらに、本開示は、そのプログラムを記録したCD-ROM等である非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体として実現できる。 For example, the present disclosure can be realized as a program for causing a computer (processor) to execute the steps included in the control method. Furthermore, the present disclosure can be realized as a non-transitory computer-readable recording medium, such as a CD-ROM, on which the program is recorded.
例えば、本開示が、プログラム(ソフトウェア)で実現される場合には、コンピュータのCPU、メモリおよび入出力回路などのハードウェア資源を利用してプログラムが実行されることによって、各ステップが実行される。つまり、CPUがデータをメモリまたは入出力回路などから取得して演算したり、演算結果をメモリまたは入出力回路などに出力したりすることによって、各ステップが実行される。 For example, when the present disclosure is realized as a program (software), each step is performed by running the program using hardware resources such as a computer's CPU, memory, and input/output circuits. In other words, each step is performed by the CPU obtaining data from memory or input/output circuits, etc., performing calculations, and outputting the results of the calculations to memory or input/output circuits, etc.
なお、上記実施の形態において、制御回路10または電力変換器100に含まれる各構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、CPUまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
In the above embodiment, each component included in the
上記実施の形態に係る制御回路10または電力変換器100の機能の一部または全ては典型的には集積回路であるLSIとして実現される。これらは個別に1チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように1チップ化されてもよい。また、集積回路化はLSIに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)、またはLSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
Some or all of the functions of the
さらに、半導体技術の進歩または派生する別技術によりLSIに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて、制御回路10または電力変換器100に含まれる各構成要素の集積回路化が行われてもよい。
Furthermore, if an integrated circuit technology that can replace LSI emerges due to advances in semiconductor technology or other derived technologies, it is natural that each component included in the
その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素および機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。 In addition, this disclosure also includes forms obtained by applying various modifications to the embodiments that a person skilled in the art may conceive, and forms realized by arbitrarily combining the components and functions of each embodiment within the scope that does not deviate from the spirit of this disclosure.
(付記)
以上の実施の形態の記載により、下記の技術が開示される。
(Additional Note)
The above description of the embodiments discloses the following techniques.
(技術1)電力変換器を制御する制御回路であって、前記電力変換器は、入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、を備え、前記制御回路は、所定の周波数を決定する決定部と、前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御モードと、前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御モードと、を有する制御部と、を備える。 (Technology 1) A control circuit for controlling a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control circuit comprising a determination unit for determining a predetermined frequency, and a control unit having a first control mode for controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control mode for controlling the phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
一般的には、第1組のスイッチングデバイスおよび第2組のスイッチングデバイスの動作周波数が制御されることで、スイッチングデバイスのオン時間が制御されて電力変換が行われるが、出力電圧が低い場合、動作周波数が高くなり各スイッチのスイッチング損失や磁性部品の交流損失が増大する。そこで、動作周波数の制御では所定の周波数を動作周波数の上限とし、所定の周波数を上限とした動作周波数の制御により変換可能な電圧よりも低い電圧への変換が行われる場合には、第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相が制御されることで、スイッチングデバイスのオン時間が制御される。これにより、損失を抑制しつつ、広い範囲で電力変換を行うことができる。 Generally, the operating frequencies of the first and second sets of switching devices are controlled to control the on-time of the switching devices and perform power conversion, but when the output voltage is low, the operating frequency increases, increasing the switching loss of each switch and the AC loss of the magnetic components. Therefore, when controlling the operating frequency, a predetermined frequency is set as the upper limit of the operating frequency, and when conversion to a voltage lower than the voltage that can be converted by controlling the operating frequency with the predetermined frequency as the upper limit is performed, the on-time of the switching devices is controlled by controlling the phase between the switching of the first and second sets of switching devices. This makes it possible to perform power conversion over a wide range while suppressing losses.
しかし、入力電流に商用電源からのリップルが重畳する場合があり、リップルが重畳された状態で電力変換が行われると、出力電圧にもリップルが重畳される。そのため出力コンデンサや負荷のバッテリにこのリップルが印加されるため、リップル分の充放電動作が発生しコンデンサに内在する内部抵抗分起因の損失、温度上昇が発生する。この温度上昇はコンデンサやバッテリの寿命を低下させる要因である。これに対して、リップルによって出力電流が大きくなっている場合には、出力電流がその分小さくなるように位相を制御し、リップルによって出力電流が小さくなっている場合には、出力電流がその分大きくなるように位相を制御することが考えられるが、位相の制御では出力電流を調整しきれず、リップルの影響を抑制できない場合がある。そこで、制御回路が所定の周波数を決定する機能(言い換えると、所定の周波数を変更する機能)を有していることで、所定の周波数を、位相の制御でリップルの影響を抑制できるような周波数に予め決定しておくことができる。したがって、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができる。 However, ripple from a commercial power source may be superimposed on the input current, and if power conversion is performed with the ripple superimposed, the ripple will also be superimposed on the output voltage. This ripple is applied to the output capacitor and the load battery, causing charging and discharging of the ripple, resulting in loss and temperature rise due to the internal resistance of the capacitor. This temperature rise is a factor that shortens the life of the capacitor and battery. In response to this, if the output current is large due to the ripple, it is possible to control the phase so that the output current is reduced accordingly, and if the output current is small due to the ripple, it is possible to control the phase so that the output current is increased accordingly. However, there are cases where the output current cannot be adjusted completely by phase control, and the effects of the ripple cannot be suppressed. Therefore, by having the control circuit have the function of determining the specified frequency (in other words, the function of changing the specified frequency), the specified frequency can be determined in advance to a frequency that can suppress the effects of the ripple by controlling the phase. Therefore, the effects of the ripple can be suppressed, and the shortening of the life of the parts can be reduced.
(技術2)前記決定部は、前記電力変換器の出力電圧に基づいて、前記所定の周波数を決定する、技術1に記載の制御回路。 (Technology 2) The control circuit described in Technology 1, in which the determination unit determines the predetermined frequency based on the output voltage of the power converter.
これによれば、出力電圧によって所定の周波数が異なるため、出力電圧から所定の周波数を決定することができる。 In this way, since the specified frequency varies depending on the output voltage, the specified frequency can be determined from the output voltage.
(技術3)前記決定部は、前記出力電圧が大きいほど、前記所定の周波数を小さい値に決定する、技術2に記載の制御回路。
(Technology 3) The control circuit described in
これによれば、出力電圧が大きいほど所定の周波数が小さくなるため、出力電圧が大きいほど小さい所定の周波数を決定することができる。 In this way, the higher the output voltage, the smaller the specified frequency becomes, so it is possible to determine a specified frequency that is smaller the higher the output voltage.
(技術4)前記決定部は、前記出力電圧ごとに前記所定の周波数が対応付けられたテーブルに基づいて、前記所定の周波数を決定する、技術2または3に記載の制御回路。
(Technology 4) The control circuit described in
これによれば、出力電圧ごとに所定の周波数が対応付けられたテーブルを予め準備しておくことで、当該テーブルを用いて容易に所定の周波数を決定することができる。 By doing this, by preparing a table in advance in which a specific frequency is associated with each output voltage, the specific frequency can be easily determined using the table.
(技術5)前記決定部は、さらに、前記電力変換器の出力電流に重畳したリップルに基づいて、決定した前記所定の周波数を補正する、技術1~4のいずれかに記載の制御回路。 (Technology 5) A control circuit according to any one of techniques 1 to 4, in which the determination unit further corrects the determined predetermined frequency based on a ripple superimposed on the output current of the power converter.
これによれば、実際のリップルが想定していたリップルよりも大きい場合であっても、実際に重畳したリップルから所定の周波数を補正することができ、リップルの影響を抑制することができる。 As a result, even if the actual ripple is larger than the expected ripple, a certain frequency can be corrected from the actual superimposed ripple, and the effects of the ripple can be suppressed.
(技術6)技術1~5のいずれかに記載の制御回路と、前記第1組のスイッチングデバイスと、前記第2組のスイッチングデバイスと、を備える、電力変換器。 (Technology 6) A power converter comprising a control circuit according to any one of techniques 1 to 5, the first set of switching devices, and the second set of switching devices.
これによれば、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができる電力変換器を提供することができる。 This makes it possible to provide a power converter that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component life.
(技術7)さらに、前記第1の経路上における前記第1のスイッチと前記第2のスイッチとの間の第1のノードに接続された共振コンデンサと、1次巻線および2次巻線を有し、前記1次巻線の一端が前記共振コンデンサと接続され、前記1次巻線の他端が前記第2の経路上における前記第3のスイッチと前記第4のスイッチとの間の第2のノードと接続されたトランスと、を備える、技術6に記載の電力変換器。 (Technology 7) The power converter described in Technology 6 further includes a resonant capacitor connected to a first node between the first switch and the second switch on the first path, and a transformer having a primary winding and a secondary winding, one end of the primary winding connected to the resonant capacitor and the other end of the primary winding connected to a second node between the third switch and the fourth switch on the second path.
これによれば、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができるLLCコンバータを提供することができる。 This makes it possible to provide an LLC converter that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component life.
(技術8)さらに、出力端子と第2のグランド端子とを結ぶ第3の経路上で直列に接続された第5のスイッチおよび第6のスイッチからなる第3組のスイッチングデバイスと、前記出力端子と前記第2のグランド端子とを結ぶ、前記第3の経路とは異なる第4の経路上で直列に接続された第7のスイッチおよび第8のスイッチからなる第4組のスイッチングデバイスと、前記第3の経路上における前記第5のスイッチと前記第6のスイッチとの間の第3のノードに接続された第2の共振コンデンサと、を備え、前記トランスは、前記2次巻線の一端が前記第2の共振コンデンサと接続され、前記2次巻線の他端が前記第4の経路上における前記第7のスイッチと前記第8のスイッチとの間の第4のノードと接続される、技術7に記載の電力変換器。 (Technology 8) The power converter according to Technology 7 further includes a third set of switching devices consisting of a fifth switch and a sixth switch connected in series on a third path connecting the output terminal and the second ground terminal, a fourth set of switching devices consisting of a seventh switch and an eighth switch connected in series on a fourth path different from the third path connecting the output terminal and the second ground terminal, and a second resonant capacitor connected to a third node between the fifth switch and the sixth switch on the third path, and the transformer has one end of the secondary winding connected to the second resonant capacitor and the other end of the secondary winding connected to a fourth node between the seventh switch and the eighth switch on the fourth path.
これによれば、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができるCLLCコンバータを提供することができる。 This makes it possible to provide a CLLC converter that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component life.
(技術9)電力変換器を制御する制御回路により実行される制御方法であって、前記電力変換器は、入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、を備え、前記制御方法は、所定の周波数を決定する決定ステップと、前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御ステップと、前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御ステップと、を含む、制御方法。 (Technology 9) A control method executed by a control circuit that controls a power converter, the power converter comprising a first set of switching devices consisting of a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting an input terminal and a first ground terminal, and a second set of switching devices consisting of a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal, the control method including a determination step of determining a predetermined frequency, a first control step of controlling the operating frequencies of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control step of controlling a phase between the switching of the first set of switching devices and the switching of the second set of switching devices when the operating frequency is the predetermined frequency.
これによれば、リップルの影響を抑制することができ、部品寿命の低下を軽減することができる制御方法を提供することができる。 This provides a control method that can suppress the effects of ripples and reduce the reduction in component life.
本開示は、LLCコンバータなどの電力変換器などに適用できる。 This disclosure can be applied to power converters such as LLC converters.
10 制御回路
11 制御部
12 決定部
20 PWM生成器
100 電力変換器
110,120,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,Cr1,Cr2 コンデンサ
200 系統電源
300 PFC回路
400 負荷
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8 ダイオード
D10 整流回路
Lr1,Lr2 漏れインダクタンス
N1,N2,N3,N4 ノード
P1,P2,P3,P4 経路
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8 スイッチ
T1 トランス
Tid 理想トランス
t1,t2,t3,t4 端子
10
Claims (9)
前記電力変換器は、
入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、
前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、
を備え、
前記制御回路は、
所定の周波数を決定する決定部と、
前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御する第1の制御モードと、前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御する第2の制御モードと、を有する制御部と、
を備える、
制御回路。 A control circuit for controlling a power converter,
The power converter includes:
a first set of switching devices including a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting the input terminal and a first ground terminal;
a second set of switching devices including a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal;
Equipped with
The control circuit includes:
A determination unit that determines a predetermined frequency;
a control unit having a first control mode for controlling an operating frequency of the first set of switching devices and the second set of switching devices with the predetermined frequency as an upper limit, and a second control mode for controlling a phase between switching of the first set of switching devices and switching of the second set of switching devices in a state in which the operating frequency is the predetermined frequency;
Equipped with
Control circuit.
請求項1に記載の制御回路。 The determination unit determines the predetermined frequency based on an output voltage of the power converter.
2. The control circuit of claim 1.
請求項2に記載の制御回路。 The determination unit determines the predetermined frequency to be a smaller value as the output voltage increases.
3. The control circuit of claim 2.
請求項2に記載の制御回路。 the determination unit determines the predetermined frequency based on a table in which a value of the predetermined frequency is associated with each of a plurality of values of the output voltage.
3. The control circuit of claim 2.
請求項1に記載の制御回路。 The determination unit further corrects the determined predetermined frequency based on a ripple superimposed on the output current of the power converter.
2. The control circuit of claim 1.
前記第1組のスイッチングデバイスと、
前記第2組のスイッチングデバイスと、を備える、
電力変換器。 A control circuit according to any one of claims 1 to 5;
the first set of switching devices;
the second set of switching devices.
Power converter.
1次巻線および2次巻線を有し、前記1次巻線の一端が前記第1の共振コンデンサと接続され、前記1次巻線の他端が前記第2の経路上における前記第3のスイッチと前記第4のスイッチとの間の第2のノードと接続されたトランスと、
をさらに備える、
請求項6に記載の電力変換器。 a first resonant capacitor connected to a first node on the first path between the first switch and the second switch;
a transformer having a primary winding and a secondary winding, one end of the primary winding being connected to the first resonant capacitor and the other end of the primary winding being connected to a second node between the third switch and the fourth switch on the second path;
Further comprising:
7. The power converter of claim 6.
前記出力端子と前記第2のグランド端子とを結ぶ、前記第3の経路とは異なる第4の経路上で直列に接続された第7のスイッチおよび第8のスイッチからなる第4組のスイッチングデバイスと、
前記第3の経路上における前記第5のスイッチと前記第6のスイッチとの間の第3のノードに接続された第2の共振コンデンサと、
をさらに備え、
前記トランスは、前記2次巻線の一端が前記第2の共振コンデンサと接続され、前記2次巻線の他端が前記第4の経路上における前記第7のスイッチと前記第8のスイッチとの間の第4のノードと接続される、
請求項7に記載の電力変換器。 a third set of switching devices including a fifth switch and a sixth switch connected in series on a third path connecting the output terminal and the second ground terminal;
a fourth set of switching devices including a seventh switch and an eighth switch connected in series on a fourth path connecting the output terminal and the second ground terminal, the fourth path being different from the third path;
a second resonant capacitor connected to a third node on the third path between the fifth switch and the sixth switch;
Further equipped with
the transformer has one end of the secondary winding connected to the second resonant capacitor and the other end of the secondary winding connected to a fourth node between the seventh switch and the eighth switch on the fourth path;
8. The power converter of claim 7.
前記電力変換器は、
入力端子と第1のグランド端子とを結ぶ第1の経路上で直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチからなる第1組のスイッチングデバイスと、
前記入力端子と前記第1のグランド端子とを結ぶ、前記第1の経路とは異なる第2の経路上で直列に接続された第3のスイッチおよび第4のスイッチからなる第2組のスイッチングデバイスと、
を備え、
前記制御方法は、
所定の周波数を決定するステップと、
前記所定の周波数を上限として、前記第1組のスイッチングデバイスおよび前記第2組のスイッチングデバイスの動作周波数を制御するステップと、
前記動作周波数が前記所定の周波数となっている状態で、前記第1組のスイッチングデバイスのスイッチングと前記第2組のスイッチングデバイスのスイッチングとの間の位相を制御するステップと、
を含む、
制御方法。 A control method executed by a control circuit for controlling a power converter, comprising:
The power converter includes:
a first set of switching devices including a first switch and a second switch connected in series on a first path connecting the input terminal and a first ground terminal;
a second set of switching devices including a third switch and a fourth switch connected in series on a second path different from the first path connecting the input terminal and the first ground terminal;
Equipped with
The control method includes:
determining a predetermined frequency;
controlling an operating frequency of the first set of switching devices and the second set of switching devices up to the predetermined frequency;
controlling a phase between switching of the first set of switching devices and switching of the second set of switching devices while the operating frequency is at the predetermined frequency;
Including,
Control methods.
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