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平成 28 年電気学会産業応用部門大会

スイッチングパルスの高調波を利用した
DC/DC コンバータのマルチポート出力制御
清水木村一樹修

松下由憲

野口季彦（静岡大学）

砂山竜男（矢崎総業）

Multi-Port Output Control of DC/DC Converter Using Harmonic Component of Switching Pulse
Kazuki Shimizu, Yoshinori Matsushita, Toshihiko Noguchi (Shizuoka University)
Osamu Kimura, Tatsuo Sunayama (Yazaki Corporation)

１．まえがきSwitchingPower Convereter

CLoad

V12V/aD0Time (s)図 2 高周波変圧器の二次側パルス波形
Fig. 2. Secondary pulse waveform of high-frequency transformer.

振幅 (V)
基本波

第二次高調波0.0領域①領域②0.2領域③0.4領域④0.60.8

1.0Duty Cycle

図 3 基本波と第２次高調波の振幅特性
Fig. 3. Amplitudes of fundamental and second-order harmoniccomponent.

+V48

V12*(1)+-Switching Power Converter

V48*

Quad – state of D selectorV D1  sinnDcosnt a  2 n n1
V48

Voltage (V)

提案する２ポート絶縁形 DC/DC コンバータの回路構成を図１に示す。高周波変圧器の巻数比を利用してデューティーサイクル D の一次側パルスを降圧して二次側に出力する。降圧された二次側パルスにはスイッチング周波数に相当する基本波のほか第２次高調波も含まれているので，これら成分の周波数差を利用して 48 V と 12 V の２ポートに弁別する。48 V 出力ポート側には基本波周波数と，12 V 出力ポート側には第２次高調波と共振する直列共振回路をそれぞれ設けている。二次側パルスの基本波と第２次高調波は独立ではないが D によって制御することができるので，D を調整することにより最終的な２ポートの直流電圧を所望の値に制御することができる。２つのポートから出力される直流電圧は一次側パルスの D を調整するためにフィードバックされており，48 V 出力ポートと 12 V 出力ポートの各指令値に対する状態の組み合わせに応じて適切な D を決めることにより両出力ポートの電圧を制御する。本稿で提案するマルチポート出力制御は唯一の操作量 D を調整することにより２つの直流電圧を独立して制御できる点に特長があり，このため独立に動作する複数の一次側パルス発生回路や複数の高周波変圧器も不要である。
図 2 は高周波変圧器の二次側パルスを示したもので，これをフーリエ級数展開すると次式のように表される。ただし，V は一次側パルス発生回路のパルス電圧発生波高値，aは高周波変圧器の巻数比，f はパルス発生回路のスイッチング角周波数である。

v

C

図 1 ２ポート絶縁形 DC/DC コンバータ
Fig. 1. Two-port insulated DC/DC converter.

2．提案する２ポート絶縁形 DC/DC コンバータの回路構成と動作原理

Itr2
Vtr1

Load

車両補機の消費電力増大に伴って補機用電源電圧を 12 Vから 48 V とする動きが活発化している。しかし，当面は両電圧の併用が見込まれるため，車載用絶縁形 DC/DC コンバータをマルチポート化して複数の電圧出力を独立に制御することが求められる。降圧チョッパを用いれば 48 V 出力ポートから容易に 12 V 出力も得られるが，電力変換が多段化するため総合効率の悪化が懸念される。そこで，本稿では絶縁形 DC/DC コンバータの一次側パルスの基本波と第２次高調波に着目し，２ポートの出力電圧を独立に制御する手法を検討したので報告する。

V12提案する手法では二次側パルスの基本波と第２次高調波のみを使用するため，それらを抜き出すと次のようになる。

図 4 デューティーサイクルの 4 値リレー制御系
Fig. 4. Quad-output-state relay controller of duty cycle.
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平成 28 年電気学会産業応用部門大会

表 1 シミュレーションパラメータ
Table 1. Simulation parameters.
Parameters
ValuesDC bus voltage
280 V
Switching frequency
100 kHz
48-V port output power
1 kW
12-V port output power
1 kW
Turn ratio
2:1
Smoothing capacitor
47FV
(2)
sinDcostaV(3)v2 sin2Dcos2t2a
したがって，基本波と第２次高調波の振幅は D の関数となり，両者は図 3 に示されたように D に対して正弦波状に変化する。基本波は第２次高調波に対して２倍の振幅をもつ
ため 48 V 出力ポートの制御に利用することとし，12 V 出力ポートは第２次高調波で制御を行う。基本波振幅は0  D  0.5 の範囲で D に対して単調性をもっているので，基本波の最大振幅に対してある振幅のときに 48 V 出力ポートの電圧がその指令値と一致して平衡状態になったときのD が 48V 出力ポートの電圧上昇，降下の切り換わり点となる。同様に 12V 出力ポートも 0  D  0.25 の範囲で電圧上昇，降下の切り換わり点となる D が存在する。48V 出力ポート，12V 出力ポートそれぞれの電圧切り換わり点であるD を境に 0  D  0.5 の範囲を 4 つの領域に分類する。これ
ら 4 つの領域には出力ポートの電圧増減の組み合わせが全て存在している。4 つの領域の D を用いて 4 値リレー制御することにより，2 ポートの直流電圧を独立に制御する。図4 は本回路の制御ブロック図である。フィードバックした 2つの直流電圧と指令値の大小だけを比較し，一次側パルス発生回路の 4 値 D のうち 1 つを決定している。
v1 

Itr2 (A)V12 (V)

V48 (V)

50403020100141210864202001000-100

Vtr1 (V)3002001000Time 200 (s/div)

図 5 ２ポート絶縁形 DC/DC コンバータの動作波形
Fig. 5. Operation waveforms of two-port insulated DC/DC converter.

3．シミュレーションによる動作検証

V12 (V)

V48 (V)

提案する２ポート絶縁形 DC/DC コンバータの動作をシミュレーションにより検証した。各種回路パラメータは表 1に示したとおりである。一次側パルス発生回路のスイッチ
ング周波数に合わせて 48 V 出力ポート側の共振周波数は100 kHz とし，12 V 出力ポート側の共振周波数を 200 kHzとした。両ポートとも 1 kW の出力を想定しているので，48V 出力ポートと 12 V 出力ポートの電流はそれぞれ 20.8 A と83.3 A である。
以上の運転条件におけるシミュレーション結果を図 5 と図 6 に示す。両図とも上から 48 V 出力ポートの電圧，12 V出力ポートの電圧，高周波変圧器二次側電流，高周波変圧器一次側電圧である。まず，図 5 の動作波形から 48 V 出力ポート，12 V 出力ポートとも長周期的に指令値に追従し，所定の電圧に制御されていることがわかる。これらの動作波形を拡大したものが図 6 であるが，48 V 出力ポートについては 200 kHz の電圧リプルのほか，5 kHz 程度の長周期的な揺らぎが加わっている。一方，12 V 出力ポートは 400 kHzの電圧リプルに 16 kHz ほどの揺らぎが加わっている。高周波変圧器の二次側電流は２つの共振回路により，100 kHzと 200 kHz の正弦波が重畳した波形になっており，これらが全波整流されるため各出力ポートの電流リプルならびに電圧リプルの周波数は 200 kHz と 400 kHz になる。両ポートの出力電圧に重畳する長周期的揺らぎは D の 4 値リレー制御に起因すると考えられるが，詳しいメカニズムの検討は今後の課題とする。また，過渡的な負荷変動（外乱）に対する安定性と応答性についても精査が必要である。

48.448.2
48.0
47.8
47.6
12.5
12.0
11.5

Itr2 (A)

200
1000Vtr1 (V)

-100
300
200
1000Time 10 (s/div)

図 6 動作波形の拡大図
Fig. 6. Expanded operation waveforms.

し，２つの出力ポートの直流電圧を独立に制御する DC/DCコンバータについて検討した。シミュレーションを通じて２ポートの出力電圧制御が精度良く実現できることを検証し，提案手法の妥当性を確認できた。
文献(1) 詹・松下・野口・木村・砂山：「多相インバータを用いた昇流型 DC/DC コンバータ」平成 27 年電気学会産業応用部門大会，pp.
I-353-I-356 (2015)(2) 寺谷：「自動車電源 DC48V のインパクト ―DC42V との比較と DC60V 以 下 の 将 来 展 望 ― 」 IEEJ Transaction on Industry
Applications, vol. 135, no.9, pp.892-897

4．まとめ
本稿では，高周波パルスの基本波と第２次高調波に着目
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