バッテリー充電アプリケーション向けの2段階DC-DC絶縁コンバータ

     本稿では、広範囲のバッテリー電圧において高効率が求められる電気自動車充電アプリケーション向けの二段階DC-DC絶縁コンバータを提案し分析する。提案された変換回路は、CLLC共振構造を持つ第一の二出力絶縁段階と、第二の二入力バックレギュレータから構成される。第一段階のトランスフォーマーは、その二つの出力電圧が理想的にはバッテリーに供給される予想される最小および最大電圧に対応するように設計されている。その後、第二段階では、前の絶縁段階によって提供された電圧を組み合わせて、全体のコンバータの出力電圧を制御する。第一段階は常に共振状態で動作し、最小損失での絶縁と固定変換比を提供する唯一の機能を持ち、一方、第二段階では広範囲のバッテリー電圧での出力電圧制御が可能である。全体として、この解決策は広範囲の出力電圧で高い変換効率を特徴とする。

1.序論

    地球温暖化ガス排出量の増加や化石燃料の供給と枯渇に関する懸念が高まる中、多くの国々で電気輸送が普及しつつある。これらの懸念は最近、電気自動車（EV）に対する需要の指数関数的な増加を促進している。このような高い需要と長距離走行と短時間充電への追求は、より大容量のバッテリーや充電率を実現する新しい世代のEVを推進している。したがって、これまで以上に速くより多くの電力を供給できる新しいEV充電ステーションが必要となっている。

2.構造と動作原理

    図に示すように、提案された二段階コンバータは、LLC共振コンバータに基づく第一の絶縁段階と、バックコンバータに基づく第二の後段レギュレータ段階から構成される。この後段レギュレータは出力電圧の制御を担当し、高効率の二出力DCXコンバータにより供給される。二次電圧V1とV2からなる。図から明らかに、後段レギュレータの電圧ストレス、つまりV1−V2は、出力電圧Voよりも低いため、オン抵抗が小さくスイッチング損失も少ないスイッチングデバイスを使用することが可能となる。

3.DCXとして動作するLLC段階の設計

     LLC共振タンクが共振周波数で動作するとき、電圧変換比は理想的には実際の負荷から独立する。つまり、LLCコンバータは一定の電圧変換比を維持し、負荷条件に応じて自動的に電流を調整し、DCXとして動作する。この動作条件下では、LLCは反応電力の流れが最小でゼロ電圧スイッチング（ZVS）とゼロ電流スイッチング（ZCS）の条件が常に満たされる最大効率を示す。特に、LLCのDCX動作では外部の共振インダクタは必要ない。なぜなら、変換ゲインは固定されているからである。同じ広範囲の出力電圧で動作するように設計された共鳴FB-LLCに基づく同等の解決策は、永久的なDCX条件下ではLLCよりも高い損失を示すことが期待される。

4.結論

     全電力範囲および電圧範囲における変換性能が実験的に報告され、広範な動作条件下で高い効率を示し、500Vの出力電圧と7kWの転送電力でピーク効率98.63%を記録した。最終的なアプリケーションでは、絶縁出力のおかげで、複数のモジュールの直列または並列接続により、最終的な実装の電圧または電流定格をスケーリングすることが考慮される。今後の研究には、最適なコンバータ変調のためのオンラインコントローラーや、コンバータのコンポーネント、例えば出力TBBインダクタの最適設計手順などが含まれる可能性がある。

Source: IEEE Xplore

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