4-118

平成 31 年電気学会全国大会

カレントダブラを用いた絶縁形マルチポート DC/DC コンバータ
松下由憲＊ (静岡大学, 矢崎総業), 野口季彦 (静岡大学)
田口範高, 石居 真 (矢崎総業)
Galvanically Isolated Multiport DC/DC Converter Using Current-Doubler
Yoshinori Matsushita (Shizuoka University, Yazaki Corporation), Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
Noritaka Taguchi, Makoto Ishii (Yazaki Corporation)

S1

1.はじめに

S2

L1
Vtx2

バッテリーを電源とする小規模な直流給電システムで,更なる低損失化のために出力を高電圧化する手法が用いら

L2Vinる。しかし, 低電圧電源を要求する負荷の需要も依然としてS5

C1 Vout1

S6L3残っているため, ひとつのシステムで複数の異なる電圧をS3出力させる構成が望まれる。その場合, DC/DC コンバータ

S4D1を複数搭載するとシステムの大形化や高コスト化につながるため, 1 台で複数の異なる電圧を出力できる小形 DC/DCL4D2C2 Vout2Fig. 1. Proposed dual port DC/DC converter.

コンバータが求められる。そこで筆者らは, カレントダブラを用いた絶縁形マルチポート DC/DC コンバータを提案してきた。これまでの報告では, 提案するコンバータの動作をVout1* +シミュレーションにより確かめてきたが, 本稿では実機試験を行い, 想定通りの動作を確認できたので報告する。

+-PI+-Vout1S1S3S2S42.回路構成と動作原理
S1S4Fig. 1 に提案回路を示す。
入力電圧を Vin, 出力電圧を Vout1,Vout2 とするマルチポート DC/DC コンバータである。一次側は S1～S4 から成る H ブリッジインバータで構成され, 高周

Vout2* + -波トランスと接続されている。トランスの二次側は L1, L2,PI

S5+-S6S2S3

Vout2

D1, D2, C1 から成るカレントダブラと, S5, S6, D1, D2, L3,Fig. 2. Block diagram of proposed circuit controller.

L4, C2 から成る降圧チョッパとで構成されている。D1, D2が両回路を兼ねており, 部品点数削減に寄与している。
提案回路の制御ブロック線図を Fig. 2 に示す。カレントダブラ出力である Vout1 は一次側インバータのパルス幅制御（PWC）により調節され, 降圧チョッパ出力である Vout2 はOperationmodes

123456Vtx2

二次側回路の S5, S6 を用いたパルス幅変調（PWM）によりIL1制御されている。
提案回路の定常動作時における 6 つの動作モードを Fig. 3に示す。トランスの一次側に 3 レベルの電圧が印加される

IL2場合を考える。このとき, 一次側電圧に対応した二次側電圧

S5

Vtx2 が 3 レベルで出力される。カレントダブラのインダクタ

S6

は, Vtx2 が正のとき L1 が充電され（mode1, 2）, 負のとき L2が充電される（mode4, 5）。一方, 降圧チョッパのインダク
タは, Vtx2 が正かつ S5 が ON のときに L3 が充電され（mode2）,Vtx2 が負かつ S6 が ON のときに L4 が充電される（mode5）。

2019/3/12～14

北海道-197-

IL3
IL4Fig. 3. Operation modes of proposed dual port DC/DC converter.

©2019 IEE Japan

4-118Vtx2 がゼロのときは, すべてのインダクタは放電される（mode3, 6）。
二次側回路は Vout1 出力に対して L1, L2 の電流経路をもつので, 負荷電流の経路がひとつのときと比べて導通損が半減される。また, それらの電流の位相は 180°ずれてインターリーブ動作をするため, C1 におけるリプル周波数はイOutput Voltage (V)平成 31 年電気学会全国大会

3228242016128400Vout1
Vout2204060ンバータ周波数の 2 倍になる。これは C1 の容量, つまり体積を低減できることを意味する。L3, L4 についても同様の動作となるため, C2 の体積も小形化することができる。

Fig. 4. Dual port output voltage waveforms.

C2 に 47 F のキャパシタを用いた。
入力電圧 Vin は 150 V, ス4

イッチング周波数は 400 kHz, トランス巻数比は 2:1, 出力3（Vts2, IL1, IL2, Vgs5, Vgs6, IL3, IL4）の波形をそれぞれ示す。なお,

電圧指令値 Vout1*, Vout2*はそれぞれ 24 V, 12 V, 負荷抵抗は両IL1 (A)Fig. 4 に提案回路の電源投入から定常状態に至るまでの出力電圧 Vout1, Vout2 を示し, Fig. 5 に Fig. 3 に対応する各部

Vtx2 (V)L1, L2 に 15 H, L3, L4 に 3 H のインダクタを, C1 に 22 F,

150
100
500-50-100-15053.実験条件と実験結果

80 100 120 140 160 180 200
Time (ms)

出力とも 4 とした。

2105のの, 電源立ち上げから 100 ms 以内には指令値に達し定常4動作することが確認できる。よって, 提案した 2 種類の異なる電圧を出力するマルチポートDC/DC コンバータが正常にIL2 (A)

Fig. 4 より, Vout1, Vout2 共にオーバーシュートしてはいるも32機能することが実験的に確認できた。定常状態でのリプル

1電圧は約±1.5 V であった。定常動作の各部波形は, Vtx2 が正020のときに L1 に充電電流が, 負のときに L2 に充電電流が流
Vtx2 が負かつ Vgs6 が ON のときに L4 に充電電流が流れていることを確認できる。その結果, IL1, IL2 と IL3, IL4 はそれぞれ15Vgs5 (V)れており, Vtx2 が正かつ Vgs5 が ON のときに L3 に充電電流が,0Vgs6 (V)した通りに実現されている。Vtx2 の波形にはノイズが見られが判明しており, 今後改善していく。

5-520インターリーブ動作をしており, 所期の動作が Fig. 3 に示るが, これは S5, S6, D1, D2 のスイッチングに起因すること

101510504.まとめ-53

本稿では 1 台のインバータで異なる 2 つの電圧を出力す150 V, 出力電圧 24 V, 12 V の条件で実機により想定通りの動作を確認した。今後は出力電力を増加するとともに, 負荷IL3 (A)るマルチポート DC/DC コンバータを提案し, 入力電圧21変動試験, 負荷率－効率特性試験などを行い, 種々の運転
03文IL4 (A)

特性について総合的な評価を行っていく所存である。

献(1) 松下由憲, 詹 耀綸, 野口季彦, 木村 修, 砂山竜男:「昇流形マルチポートDC/DCコンバータ」, 平成 28 年電気学会全国大会, 4-109(2) 山本 勇・松井景樹・森 秀樹・八尾祐吾: 「負荷多分割形チョッパの提案」，IEE Trans on IA，Vol. 124，No. 2，pp. 230- 237 (2004)

2019/3/12～14北海道210012345Time (s)Fig. 5. Waveforms in proposed circuit.

-198-©2019 IEE Japan