JP2008017591A - チョッパ回路の制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧の立ち上がり時間を短くし、所望電圧を短時間で得る。
【解決手段】昇圧チョッパ回路の直流リアクトルＬと並列に補助電源Ｅ₁とスイッチＳ₁の直列回路を接続し、チョッパ回路の動作開始前にスイッチＳ₁を閉じて直流リアクトルＬに電流を流して電磁エネルギを蓄え、この電磁エネルギを利用して、出力電圧の立ち上がり時間を短くし、所望電圧を短時間で得る。
【選択図】図１

Description

この発明は、無停電電源装置（ＵＰＳ）などに使用されるチョッパ回路に関し、特にその直流電源電圧を所望の直流電圧に変換するための制御方式に関するものである。

無停電電源装置などで使用されているチョッパ回路は、直流電源電圧を所望の直流電圧に変換するためのものであり、変換後の電圧を変換前の電圧より高くする回路を昇圧チョッパ回路といい、変換後の電圧を変換前の電圧より低くする回路を降圧チョッパ回路という。

図３は従来の昇圧チョッパ回路の回路図を示し、Ｅは直流電源（電圧もＥ）、Ｌは直流リアクトル、ＳはＩＧＢＴ等のスイッチング素子であり、これらは閉回路を形成するように接続される。又、Ｄは放電防止用ダイオード、Ｃは平滑コンデンサ、Ｒは負荷である抵抗であり、スイッチング素子Ｓと並列に放電防止用ダイオードＤと平滑コンデンサＣ及び抵抗Ｒの並列回路との直列回路が接続される。抵抗Ｒの両端電圧であるＶｏｕｔは出力電圧である。

次に、上記構成の動作について説明する。スイッチング素子Ｓがオンの時には、直流リアクトルＬに電源電圧Ｅが印加され、電源電圧Ｅから直流リアクトルＬ及びスイッチング素子Ｓの経路で電流Ｉ_L1が流れ、直流リアクトルＬに電磁エネルギが蓄積される。放電防止用ダイオードＤは、このときコンデンサＣの電荷がスイッチング素子Ｓを通じて放電するのを防ぐ。一方、スイッチング素子Ｓがオフのときには、直流リアクトルＬに逆起電力が発生し、直流リアクトルＬに蓄えられたエネルギは放出され、電源電圧Ｅ、直流リアクトルＬ、放電防止用ダイオードＤ及び抵抗Ｒの経路で電流Ｉ_Lが流れる。このとき、出力電圧Ｖ_OUTは電源電圧Ｅに直流リアクトルＬの放電電圧が加算されて印加されるので、出力電圧Ｖ_OUT＞電源電圧Ｅとなり、昇圧される。ただし、スイッチング素子Ｓをオンした瞬間は、平滑コンデンサＣに電荷が蓄えられていないため、出力電圧Ｖ_OUTは零から上昇していく。図４のイはこの時の出力電圧Ｖ_OUTの特性図を示し、所望の電圧Ｖ_Eはスイッチング素子Ｓのデューティ率をｄとすると、Ｖ_E＝Ｅ/（１−ｄ）となる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。
特開平２−８４０５６号公報

図３に示した従来の昇圧チョッパ回路においては、電源電圧Ｅを変換して出力電圧Ｖ_OUT（＞Ｅ）を得る場合には、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｓを高速スイッチングさせるが、出力電圧Ｖ_OUTは零から過渡的に上昇していくため、所望の電圧Ｖ_Eを得るまでには立ち上がり時間が必要となり、ロス時間が発生してしまう。

この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、出力電圧の立ち上がり時間を短くし、すばやく所望の電圧を得ることができるチョッパ回路の制御方式を得ることを目的とする。

この発明の請求項１に係るチョッパ回路の制御方式は、直流電源と出力との間に直流リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを備え、スイッチング素子のオンオフ制御により直流電源電圧とは別の直流出力電圧を得る昇圧又は降圧のチョッパ回路において、直流リアクトルと並列に補助直流電源とスイッチの直列回路を接続し、チョッパ回路の動作開始前に該スイッチを閉じて直流リアクトルに電流を流して電磁エネルギを蓄えるようにしたものである。

請求項２に係るチョッパ回路の制御方式は、前記スイッチの投入時間の制御により出力電圧の立ち上がり時間を制御するようにしたものである。

以上のようにこの発明の請求項１によれば、チョッパ動作の開始前にスイッチを介して補助直流電源から直流リアクトルに電流を流して電磁エネルギを蓄えるようにしており、チョッパ動作開始時に直流リアクトルに大きな電流が流れ、スイッチング素子をオフした時に直流リアクトルに発生する逆起電力も大きくなり、出力電圧の立ち上がり時間が従来より短くなり、所望電圧を短時間で得ることができる。

又、請求項２によれば、スイッチを閉じた時に直流リアクトルに蓄えられる電磁エネルギは時間と共に増加するので、スイッチの投入時間を制御することにより、出力電圧の立ち上がり時間を制御することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面とともに説明する。図１はこの発明の実施最良形態による昇圧チョッパ回路の回路図を示し、直流リアクトルＬと並列に補助電源Ｅ₁（電圧もＥ₁＜Ｅ）とスイッチＳ₁との直列回路を接続する。その他の構成は図３と同様である。

次に、上記構成の動作について説明する。チョッパ回路の動作開始前に、スイッチＳ₁を閉じ、補助電源Ｅ₁から直流リアクトルＬに電流Ｉ_L2を流し、直流リアクトルＬに予め電磁エネルギを蓄えておく。これにより、チョッパ動作を開始してスイッチング素子Ｓをオンした時に、電源電圧Ｅから直流リアクトルＬ及びスイッチング素子Ｓに流れる電流Ｉ_L1の立ち上がりが速くなり、一瞬にして大電流が流れ、スイッチング素子Ｓをオフした時の電流変化ｄｉ／ｄｔ（この時の傾きは負である。）が大きくなる。その結果、スイッチング動作を開始した初期段階からスイッチング素子Ｓをオフした時に直流リアクトルＬに発生する逆起電力も大きくなり、図２のロに示すように出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間が従来より短くなり（イは従来回路図３の出力電圧Ｖ_OUTの特性）、所望電圧Ｖ_Eを短時間で得ることができる。昇圧チョッパ回路としての基本動作は従来と同様である。

又、スイッチＳ₁を閉じた時に直流リアクトルＬに蓄えられる電磁エネルギは、−Ｌｄｉ／ｄｔにより時間の経過と共に増加する。従って、スイッチＳ₁の投入時間が長くなれば、出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間が短くなり、スイッチＳ₁の投入時間を制御することにより、出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間を制御することができる。

なお、補助電源電圧Ｅ₁とスイッチＳ₁とからなる出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間を短くするための回路は、チョッパ動作開始と同時にスイッチＳ₁を開放して切り離してよい。又、補助電源電圧Ｅ₁を電源電圧Ｅより小さくしたのは、仮に補助電源電圧Ｅ₁を電源電圧Ｅより大きくすると、スイッチＳ₁がオンからオフへの瞬間に直流リアクトルＬに加わる電圧はＥ₁（Ｖ）からＥ（Ｖ）へと小さくなるため、スイッチング素子Ｓがオフした時の逆起電力が逆方向となり、出力電圧Ｖ_OUTがマイナスになってしまうからである。

以上のように、上記実施最良形態においては、チョッパ動作開始前に予め直流リアクトルＬに電流を流しておくことにより電磁エネルギを蓄えておき、チョッパ動作開始時にはそのエネルギを利用して、出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間を短くすることができ、所望電圧Ｖ_Eを短時間で得ることができる。又、チョッパ動作開始前に直流リアクトルＬに電流を流している時間を調整することにより、出力電圧Ｖ_OUTの立ち上がり時間を制御することができる。さらに、従来の昇圧チョッパ回路に簡単な回路を追加するだけでよく、供給する電源もチョッパ動作開始直前の短時間だけでよいので、コストアップは軽微なものであり、チョッパ回路としての汎用性を維持することができる。又、追加する部品は構造的に大きなものではなく、既存のチョッパ回路の構造設計への障害とはならない。

なお、上記した実施最良形態においては、この発明を昇圧チョッパ回路に適用した例を示したが、降圧チョッパ回路に適用することもできる。

この発明の実施最良形態による昇圧チョッパ回路の回路図である。 この発明の実施最良形態による昇圧チョッパ回路の出力電圧特性図である。 従来の昇圧チョッパ回路の回路図である。 従来の昇圧チョッパ回路の出力電圧特性図である。

符号の説明

Ｅ…直流電源
Ｌ…直流リアクトル
Ｓ…スイッチング素子
Ｄ…ダイオード
Ｃ…平滑コンデンサ
Ｒ…抵抗
Ｅ₁…補助電源
Ｓ₁…スイッチ

Claims (2)

1. 直流電源と出力との間に直流リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを備え、スイッチング素子のオンオフ制御により直流電源電圧とは別の直流出力電圧を得る昇圧又は降圧のチョッパ回路において、直流リアクトルと並列に補助直流電源とスイッチの直列回路を接続し、チョッパ回路の動作開始前に該スイッチを閉じて直流リアクトルに電流を流して電磁エネルギを蓄えるようにしたことを特徴とするチョッパ回路の制御方式。
2. 前記スイッチの投入時間の制御により出力電圧の立ち上がり時間を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載のチョッパ回路の制御方式。

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