JP2009195048A - Dc/dc電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のコンデンサ間の電圧差を利用して各コンデンサを充放電させてエネルギ移行させるDC/DC電力変換装置において、装置の起動時に過電流を流すことなく各コンデンサを初期充電する。
【解決手段】2直列のMOSFETを平滑コンデンサCsの両端子間に接続した回路を直列接続し、回路間にコンデンサCrとインダクタの直列体LC4を等しい共振周期にて配設した電力変換回路CONV1の入力側に電源装置2を接続し、起動時には、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成することで、各平滑コンデンサCs、コンデンサCrを徐々に初期充電する。
【選択図】図1
【解決手段】2直列のMOSFETを平滑コンデンサCsの両端子間に接続した回路を直列接続し、回路間にコンデンサCrとインダクタの直列体LC4を等しい共振周期にて配設した電力変換回路CONV1の入力側に電源装置2を接続し、起動時には、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成することで、各平滑コンデンサCs、コンデンサCrを徐々に初期充電する。
【選択図】図1
Description
この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、DC/DC電力変換装置に関するものである。
従来のDC/DC電力変換装置としてのDC/DCコンバータは、正の電位に接続する半導体スイッチと負の電位に接続する半導体スイッチとを備えた少なくとも2個以上の半導体スイッチを具備するインバータ回路と、直列に接続される複数の整流器と直列に接続される複数のコンデンサとを備えた多倍圧整流回路で構成され、インバータ回路で交流電圧を作り、更に、多倍圧整流回路で高圧直流電圧を作り負荷に供給する(例えば、特許文献1参照)。
また、直流電圧を生成する従来の電源装置は、主電源入力路を開閉するスイッチと、該スイッチと直列に設けられ電源投入時の突入電流を制限するための電流制限抵抗とを備えて、電源投入時に大きな突入電流を流すことなく電源供給する(例えば、特許文献2参照)。
また、直流電圧を生成する従来の電源装置は、主電源入力路を開閉するスイッチと、該スイッチと直列に設けられ電源投入時の突入電流を制限するための電流制限抵抗とを備えて、電源投入時に大きな突入電流を流すことなく電源供給する(例えば、特許文献2参照)。
上記特許文献1による従来のDC/DC電力変換装置では、複数のコンデンサ間の電圧差を利用して各コンデンサを充放電させてエネルギ移行させるために、電圧差が大きいと大きな電流が流れてしまう。このようなDC/DC電力変換装置に、仮に特許文献2に示す電源装置を用いて電源投入すると、入力直流電圧が充電されるコンデンサには大きな突入電流を流すことなく初期充電できても、該コンデンサと他のコンデンサとの電圧差により該他のコンデンサへの大きな電流が流れる。このため、DC/DC電力変換装置内の各部や入力電源が劣化する等の問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解消するために成されたものであって、複数のコンデンサ間の電圧差を利用して各コンデンサを充放電させてエネルギ移行させるDC/DC電力変換装置において、装置の起動時に過電流を流すことなく各コンデンサを初期充電することを目的とする。
この発明によるDC/DC電力変換装置は、直列接続された複数の半導体スイッチング素子と複数のコンデンサとを備え、上記複数のコンデンサ間の電圧差を利用して各コンデンサを充放電させてエネルギ移行するDC/DC電力変換回路と、コンダクタと突入電流防止用抵抗とを直列接続した直列体を該DC/DC電力変換回路と入力電圧源との間に接続して成る電源装置と、上記DC/DC電力変換回路と上記電源装置とを制御する制御回路とを備える。そして、上記制御回路は、上記コンタクタをオンして上記電源装置を起動させ上記DC/DC電力変換回路へ上記直列体を介した入力電圧を供給開始すると同時あるいは以前に、上記各半導体スイッチング素子を駆動して上記DC/DC電力変換回路を起動させるものである。
この発明によるDC/DC電力変換装置は、起動時に、電源装置を起動させてDC/DC電力変換回路へ入力電圧を供給開始した時点には、DC/DC電力変換回路内の各半導体スイッチング素子が駆動制御されているため、突入電流防止用抵抗により制限された電流により各コンデンサは徐々に電圧が上昇するように初期充電できる。このため、起動時の過電流が防止された信頼性の高いDC/DC電力変換装置が得られる。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の構成を図1に基づいて説明する。
図1に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10とを備える。
以下、この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の構成を図1に基づいて説明する。
図1に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10とを備える。
DC/DC電力変換回路CONV1は、コンデンサの充放電を利用した電力変換回路であり、直流電圧を3倍に昇圧あるいは1/3倍に降圧した直流電圧に変換する機能を有する。このDC/DC電力変換回路CONV1は、入出力電圧V1、V2を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能する平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3と、複数の半導体スイッチング素子であるMOSFETとを備え、低圧側素子、高圧側素子としての2つのMOSFET(Mos1L、Mos1H)(Mos2L、Mos2H)(Mos3L、Mos3H)を直列接続して各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の両端子間に接続した回路A1、A2、A3を直列接続して構成される。そして、各回路A1、A2、A3内の2つのMOSFETの接続点を中間端子として、回路A1と他の各回路A2、A3との中間端子間に、コンデンサCr12、Cr13およびインダクタLr12、Lr13の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するLC直列体LC12、LC13を接続する。
なお各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。
なお各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。
DC/DC電力変換回路CONV1の接続の詳細について説明する。平滑コンデンサCs1の両端子は、それぞれ電圧端子VLとVcomに接続され、電圧端子Vcomは接地されている。平滑コンデンサCs1のVL側電圧端子は、平滑コンデンサCs2の一方の端子に接続され、平滑コンデンサCs2の他方の端子は平滑コンデンサCs3の一方の端子に、平滑コンデンサCs3の他方の端子は電圧端子VHに接続されている。
Mos1Lのソース端子は電圧端子Vcomに、ドレイン端子はMos1Hのソース端子に、Mos1Hのドレイン端子は電圧端子VLに接続されている。Mos2Lのソース端子は平滑コンデンサCs2の低電圧側の端子に、Mos2Lのドレイン端子はMos2Hのソース端子に、Mos2Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs2の高電圧側の端子に接続されている。Mos3Lのソース端子は平滑コンデンサCs3の低電圧側の端子に、Mos3Lのドレイン端子はMos3Hのソース端子に、Mos3Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs3の高電圧側の端子に接続されている。
Mos1Lのソース端子は電圧端子Vcomに、ドレイン端子はMos1Hのソース端子に、Mos1Hのドレイン端子は電圧端子VLに接続されている。Mos2Lのソース端子は平滑コンデンサCs2の低電圧側の端子に、Mos2Lのドレイン端子はMos2Hのソース端子に、Mos2Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs2の高電圧側の端子に接続されている。Mos3Lのソース端子は平滑コンデンサCs3の低電圧側の端子に、Mos3Lのドレイン端子はMos3Hのソース端子に、Mos3Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs3の高電圧側の端子に接続されている。
LC直列体LC12の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に接続され、他端はMos2LとMos2Hの接続点に接続されている。LC直列体LC13の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に接続され、他端はMos3LとMos3Hの接続点に接続されている。各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。
Mos1L、Mos1Hのゲート端子はゲート駆動回路111の出力端子に接続され、ゲート駆動回路111の入力端子には、Mos1Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。ゲート駆動回路は、一般的なブートストラップ方式の駆動回路であり、ハーフブリッジインバータ回路駆動用のドライバICや高電圧側のMOSFETを駆動するためのコンデンサ等で構成されている。Mos2L、Mos2Hのゲート端子はゲート駆動回路112の出力端子に接続され、ゲート駆動回路112の入力端子には、Mos2Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。Mos3L、Mos3Hのゲート端子はゲート駆動回路113の出力端子に接続され、ゲート駆動回路113の入力端子には、Mos3Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。
Mos1L、Mos1Hのゲート端子はゲート駆動回路111の出力端子に接続され、ゲート駆動回路111の入力端子には、Mos1Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。ゲート駆動回路は、一般的なブートストラップ方式の駆動回路であり、ハーフブリッジインバータ回路駆動用のドライバICや高電圧側のMOSFETを駆動するためのコンデンサ等で構成されている。Mos2L、Mos2Hのゲート端子はゲート駆動回路112の出力端子に接続され、ゲート駆動回路112の入力端子には、Mos2Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。Mos3L、Mos3Hのゲート端子はゲート駆動回路113の出力端子に接続され、ゲート駆動回路113の入力端子には、Mos3Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。
Mos1L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ121Lから、Mos1H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ121Hから出力される。Mos2L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ122Lから、Mos2H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ122Hから出力される。Mos3L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ123Lから、Mos3H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ123Hから出力される。フォトカプラ121L、122L、123Lには、ゲート信号GateLが入力される。フォトカプラ121H、122H、123Hには、ゲート信号GateHが入力される。
電源Vs1、Vs2、Vs3は、それぞれMos1L、Mos2L、Mos3Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラを駆動するために備えられた電源である。
電源Vs1、Vs2、Vs3は、それぞれMos1L、Mos2L、Mos3Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラを駆動するために備えられた電源である。
DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2は、直流電圧源であるバッテリVbattと、コンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1との直列体と、突入電流防止用抵抗R1に並列接続されて突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせるバイパス用コンタクタMC2とを備える。そして、バッテリVbattとコンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1とは直列に接続される。バッテリVbattの正極側端子はコンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1とを介してDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子VLに接続され、負極側端子はDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子Vcomに接続される。
制御回路10は、マイクロコンピュータ等の信号処理回路10aと時間を計測するタイマ10bとを備え、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動するためのゲート信号GateL、GateHを生成して出力すると共に、電源装置2内のコンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2のオンオフを制御するオンオフ信号を出力する。
次に、DC/DC電力変換装置の動作について、起動時と通常時とのそれぞれの場合について説明する。
なお、通常時の動作とは、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電されてDC/DC電力変換回路CONV1が動作すると共に、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンして電源装置2からDC/DC電力変換回路CONV1へ入力電圧が供給されている状態である。この時、電源装置2では、突入電流防止用抵抗R1はバイパスされ、バッテリVbattは、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2を介してDC/DC電力変換回路CONV1内の平滑コンデンサCs1に入力電圧を供給する。
なお、通常時の動作とは、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電されてDC/DC電力変換回路CONV1が動作すると共に、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンして電源装置2からDC/DC電力変換回路CONV1へ入力電圧が供給されている状態である。この時、電源装置2では、突入電流防止用抵抗R1はバイパスされ、バッテリVbattは、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2を介してDC/DC電力変換回路CONV1内の平滑コンデンサCs1に入力電圧を供給する。
通常時のDC/DC電力変換回路CONV1の動作について説明する。
低電圧側の電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして高圧側の電圧端子VH−Vcom間に出力する昇圧回路として動作する場合について説明する。
回路A1は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路として動作する。また、回路A2、A3は、駆動用インバータ回路A1で駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する整流回路として動作する。制御回路10からゲート信号GateL、GateHが出力され、これらゲート信号により各回路が駆動される。
低電圧側の電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして高圧側の電圧端子VH−Vcom間に出力する昇圧回路として動作する場合について説明する。
回路A1は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路として動作する。また、回路A2、A3は、駆動用インバータ回路A1で駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する整流回路として動作する。制御回路10からゲート信号GateL、GateHが出力され、これらゲート信号により各回路が駆動される。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の容量値は、LC直列体のコンデンサCr12、Cr13の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間からエネルギを出力している状態となり、電圧V2は3×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3には平均的に(V2−V1)/2の電圧が充電されている。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間からエネルギを出力している状態となり、電圧V2は3×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3には平均的に(V2−V1)/2の電圧が充電されている。
制御回路10にて生成されるゲート信号GateH、GateLは、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期と同等の周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号であり、GateHとGateLとはオンとオフとが相反する信号である。なお、MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオンする。
低圧側MOSFETへのゲート信号GateLにより各回路A1〜A3の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs1、Cs2に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13に移行する。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より大きな電圧まで充電される。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より大きな電圧まで充電される。
次いで、高圧側MOSFETへのゲート信号GateHにより各回路A1〜A3の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr12、Cr13に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCs2、Cs3に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より小さな電圧まで放電される。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より小さな電圧まで放電される。
このように、コンデンサCr12、Cr13の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3にエネルギを移行する。そして、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力する。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され、DC/DC電力変換回路CONV1は主として昇圧回路として動作して負荷に電力が供給される。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され、DC/DC電力変換回路CONV1は主として昇圧回路として動作して負荷に電力が供給される。
出力側に接続される負荷によって回生動作を伴う場合があり、電圧V2が3×V1よりも高くなることがある。その場合、DC/DC電力変換回路CONV1は、電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/3倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力する降圧回路として動作し、この降圧動作について以下に説明する。
降圧回路として動作するときは、回路A2、A3は電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3H)のオンオフ動作により低電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路A1は、駆動用インバータ回路A2、A3で駆動された電流を整流し、エネルギを低電圧側へ移行する整流回路として用いられる。
制御回路10からゲート信号GateL、GateHが出力され、これらゲート信号により各回路が駆動される。このゲート信号GateL、GateHは、昇圧動作の場合と同様に、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期Tを周期とし、デューティ約50%のオンオフ信号で、GateHとGateLとはオンとオフとが相反する信号である。
降圧回路として動作するときは、回路A2、A3は電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3H)のオンオフ動作により低電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路A1は、駆動用インバータ回路A2、A3で駆動された電流を整流し、エネルギを低電圧側へ移行する整流回路として用いられる。
制御回路10からゲート信号GateL、GateHが出力され、これらゲート信号により各回路が駆動される。このゲート信号GateL、GateHは、昇圧動作の場合と同様に、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期Tを周期とし、デューティ約50%のオンオフ信号で、GateHとGateLとはオンとオフとが相反する信号である。
高圧側MOSFETへのゲート信号GateHにより各回路A1〜A3の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13に移行する。
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より大きな電圧まで充電される。
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より大きな電圧まで充電される。
次いで、低圧側MOSFETへのゲート信号GateLにより各回路A1〜A3の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12、Cr13に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCs1、Cs2に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より小さな電圧まで放電される。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より小さな電圧まで放電される。
このように、コンデンサCr12、Cr13の充放電により、平滑コンデンサCs2、Cs3から平滑コンデンサCs1にエネルギを移行する。そして、電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/3倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力する。
上記昇圧、降圧の動作において、各コンデンサCr12、Cr13には、インダクタLr12、Lr13が直列に接続されてLC直列体LC12、LC13を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなる。このため、コンデンサCr12、Cr13は平滑コンデンサCsの電圧以上の電圧まで充電され、平滑コンデンサCsの電圧以下の電圧まで放電されて、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
また、整流回路にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、高い電力変換効率が得られる。
また、整流回路にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、高い電力変換効率が得られる。
次に、DC/DC電力変換装置の起動時の動作について説明する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10からの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10からの信号により、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のまま、コンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10にてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10からの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10からの信号により、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のまま、コンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10にてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。
バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を充電するため、平滑コンデンサCs1への突入電流が制限され、平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなる。また、この時、ゲート信号GateH、GateLが生成されてDC/DC電力変換回路CONV1が動作し、平滑コンデンサCs1の電圧に応じてコンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3が充電される。平滑コンデンサCs1の電圧が徐々に高くなるため、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなり、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3への突入電流も制限される。コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の充電経路内のMOSFET(Mos1L、Mos1H、Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3H)、インダクタLr12、Lr13への突入電流も抑制される。
このように、コンタクタMC1のオンと同時に、ゲート信号GateH、GateLの生成を開始してDC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御するため、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子、即ちコンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3、MOSFET(Mos1L、Mos1H、Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3H)、インダクタLr12、Lr13への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
制御回路10は、初期充電完了検知手段となるタイマ10bを有し、コンタクタMC1がオンして電源装置2が起動してからの時間を計測し、所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、バッテリVbattから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
なお、コンタクタMC1がオンしてから、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3が初期充電されるのに要する時間は、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の静電容量と、突入電流防止用抵抗R1の抵抗値によって決まり、所定時間T1は、若干、余裕を見て長い時間に設定しておく。
なお、コンタクタMC1がオンしてから、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3が初期充電されるのに要する時間は、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の静電容量と、突入電流防止用抵抗R1の抵抗値によって決まり、所定時間T1は、若干、余裕を見て長い時間に設定しておく。
このように、この実施の形態では、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、コンタクタMC1がオンして電源装置2が起動してからの時間をタイマ10bで計測し、予め設定された所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせたため、容易で確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、コンタクタMC1がオンして電源装置2が起動してからの時間をタイマ10bで計測し、予め設定された所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせたため、容易で確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
なお、この実施の形態では、バイパス用コンタクタMC2を突入電流防止用抵抗R1に並列に接続したが、図2に示すように、突入電流防止用抵抗R1とコンタクタMC1の直列体に、バイパス用コンタクタMC2を並列に接続した構成であっても良く、同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態では、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態でコンタクタMC1のオンと同時に、ゲート信号GateH、GateLの生成を開始してDC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御した。しかしながら、ゲート信号GateH、GateLの生成はコンタクタMC1をオンする以前に開始されていても良い。その場合、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETは駆動制御されてDC/DC電力変換回路CONV1は動作しているが、コンタクタMC1をオンするまでは、実際のエネルギ移行は無く、コンタクタMC1のオンと同時にエネルギ移行による電力変換動作が行われる。
さらにまた、上記実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間に電源装置2が接続され、DC/DC電力変換回路CONV1は主として昇圧回路として動作したが、図3に示すように、電圧端子VH−Vcom間に電源装置2を接続して、DC/DC電力変換回路CONV1を主として降圧回路として動作させても良い。その場合、電圧端子VL−Vcom間に接続される負荷に電力が供給される。
実施の形態2.
以下、この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置を図4に基づいて説明する。
図4に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10cと、電圧端子VH−Vcom間の電圧V2を検出する電圧センサ11とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2とは、上記実施の形態1と同様である。
以下、この発明の実施の形態2によるDC/DC電力変換装置を図4に基づいて説明する。
図4に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10cと、電圧端子VH−Vcom間の電圧V2を検出する電圧センサ11とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2とは、上記実施の形態1と同様である。
制御回路10cは、マイクロコンピュータ等の信号処理回路にて構成され、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動するためのゲート信号GateL、GateHを生成して出力すると共に、電源装置2内のコンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2のオンオフを制御するオンオフ信号を出力する。電圧センサ11は、DC/DC電力変換装置CONV1の電圧端子VH−Vcom間に接続されて電圧V2を検出し、検出電圧V2は制御回路10cに入力される。また、制御回路10cは、各コンデンサ、即ち、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3が初期充電を完了したことを入力された検出電圧V2に基づいて検知する。
次にDC/DC電力変換装置の動作について説明する。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、上記実施の形態1と同様である。
起動時の動作について、以下に説明する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10cからの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10cからの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10cにてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。これにより、上記実施の形態1と同様に、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を充電して平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなり、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。このため、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、上記実施の形態1と同様である。
起動時の動作について、以下に説明する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10cからの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10cからの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10cにてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。これにより、上記実施の形態1と同様に、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を充電して平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなり、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。このため、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
制御回路10cには、電圧端子VH−Vcom間の検出電圧V2が入力され、この電圧V2は、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の電圧の和である。電圧V2は、充電開始時は0で、充電が進むにつれて電圧が高くなり、定常状態である充電完了時にはバッテリVbattの3倍の電圧となる。逆に、電圧端子VH−Vcom間の電圧V2が、バッテリVbattの3倍の電圧となるとき、各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで充電されており、同時にコンデンサCr12もバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電されている。また、検出電圧V2の単位時間に対する変化量は充電が進むにつれて小さくなり、充電完了時には0となる。
制御回路10cは、検出電圧V2が、所定の電圧以上で、なおかつ検出電圧V2の単位時間に対する変化量が所定値以下であるときに、初期充電完了を検知する。所定の電圧は、例えばバッテリVbattの3倍の電圧、あるいは該電圧より若干低く設定する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、バッテリVbattから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
制御回路10cは、検出電圧V2が、所定の電圧以上で、なおかつ検出電圧V2の単位時間に対する変化量が所定値以下であるときに、初期充電完了を検知する。所定の電圧は、例えばバッテリVbattの3倍の電圧、あるいは該電圧より若干低く設定する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、バッテリVbattから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
このように、この実施の形態においても、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、電圧端子VH−Vcom間の電圧V2を検出して、検出電圧V2が、所定の電圧以上で、なおかつ検出電圧V2の単位時間に対する変化量が所定値以下であるときに初期充電完了を検知するようにしたため、信頼性よく確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、電圧端子VH−Vcom間の電圧V2を検出して、検出電圧V2が、所定の電圧以上で、なおかつ検出電圧V2の単位時間に対する変化量が所定値以下であるときに初期充電完了を検知するようにしたため、信頼性よく確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
なお、初期充電完了を検知するのは、検出電圧V2が所定の電圧以上という条件のみで検知しても良く、また、検出電圧V2の単位時間に対する変化量が所定値以下という条件のみで検知しても良く、どちらも初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
実施の形態3.
以下、この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置を図5に基づいて説明する。
図5に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10dと、電源装置2からDC/DC電力変換回路CONV1へ流れる充電電流を検出する電流センサ12とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2とは、上記実施の形態1と同様である。
以下、この発明の実施の形態3によるDC/DC電力変換装置を図5に基づいて説明する。
図5に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2と、制御回路10dと、電源装置2からDC/DC電力変換回路CONV1へ流れる充電電流を検出する電流センサ12とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2とは、上記実施の形態1と同様である。
制御回路10dは、マイクロコンピュータ等の信号処理回路にて構成され、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動するためのゲート信号GateL、GateHを生成して出力すると共に、電源装置2内のコンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2のオンオフを制御するオンオフ信号を出力する。電流センサ12は、バッテリVbattからDC/DC電力変換装置CONV1内部の平滑コンデンサCs1への充電経路内に直列に接続されており、バッテリVbattからDC/DC電力変換装置CONV1に流れる電流ILを計測する。電流センサ12により計測された検出電流ILは、制御回路10dに入力される。また、制御回路10dは、各コンデンサ、即ち、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3が初期充電を完了したことを入力された検出電流ILに基づいて検知する。
次にDC/DC電力変換装置の動作について説明する。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、上記実施の形態1と同様である。
起動時の動作について、以下に説明する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10dからの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10dからの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10dにてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。これにより、上記実施の形態1と同様に、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を充電して平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなり、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。このため、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、上記実施の形態1と同様である。
起動時の動作について、以下に説明する。
電源装置2では、起動前は、制御回路10dからの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10dからの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10dにてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。これにより、上記実施の形態1と同様に、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を充電して平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなり、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。このため、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3はバッテリVbattの電圧まで、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電される。
制御回路10dには、電流センサ12により計測された検出電流ILが入力される。この検出電流ILは、充電時には大きく、充電が進むにつれ小さくなり、充電完了時には0となる。逆に、検出電流ILが減少して0となるとき、各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3およびコンデンサCr12はバッテリVbattの電圧まで充電され、コンデンサCr13はバッテリVbattの2倍の電圧まで充電されている。
制御回路10dは、検出電流ILが設定された所定値以下であるときに、初期充電完了を検知する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、バッテリVbattから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
制御回路10dは、検出電流ILが設定された所定値以下であるときに、初期充電完了を検知する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、バッテリVbattから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
このように、この実施の形態においても、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、バッテリVbattからの充電電流ILを検出して、検出電流ILが所定値以下であるときに初期充電完了を検知するようにしたため、信頼性よく確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、バッテリVbattからの充電電流ILを検出して、検出電流ILが所定値以下であるときに初期充電完了を検知するようにしたため、信頼性よく確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
実施の形態4.
以下、この発明の実施の形態4によるDC/DC電力変換装置の構成を図6に基づいて説明する。
図6に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2aと、制御回路10とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
以下、この発明の実施の形態4によるDC/DC電力変換装置の構成を図6に基づいて説明する。
図6に示すように、DC/DC電力変換装置は、主回路であるDC/DC電力変換回路CONV1と、該DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2aと、制御回路10とを備える。なお、DC/DC電力変換回路CONV1と、制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
DC/DC電力変換回路CONV1への入力電圧を供給する電源装置2aは、入力電圧源としての交流電圧源Vacと、コンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1との直列体と、突入電流防止用抵抗R1に並列接続されて突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせるバイパス用コンタクタMC2と、整流器RECTとを備える。
整流器RECTは、ダイオードDr1、Dr2、Dr3、Dr4で構成される。ダイオードDr1のアノード端子はダイオードDr2のカソード端子と、ダイオードDr3のアノード端子はダイオードDr4のカソード端子と接続される。ダイオードDr1、Dr3の各カソード端子は互いに接続されてDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子VLに接続される。ダイオードDr2、Dr4の各アノード端子は互いに接続されてDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子Vcomに接続される。交流電圧源VacとコンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1とは直列に接続され、該直列体の一方の端子はダイオードDr1、Dr2の接続点に接続され、他方の端子はダイオードDr3、Dr4の接続点に接続される。
整流器RECTは、ダイオードDr1、Dr2、Dr3、Dr4で構成される。ダイオードDr1のアノード端子はダイオードDr2のカソード端子と、ダイオードDr3のアノード端子はダイオードDr4のカソード端子と接続される。ダイオードDr1、Dr3の各カソード端子は互いに接続されてDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子VLに接続される。ダイオードDr2、Dr4の各アノード端子は互いに接続されてDC/DC電力変換回路CONV1の電圧端子Vcomに接続される。交流電圧源VacとコンタクタMC1と突入電流防止用抵抗R1とは直列に接続され、該直列体の一方の端子はダイオードDr1、Dr2の接続点に接続され、他方の端子はダイオードDr3、Dr4の接続点に接続される。
次にDC/DC電力変換装置の動作について説明する。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、以下のようになる。交流電圧源Vacからの出力はコンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2を介して整流器RECTに入力され、整流器RECTにて整流されてDC/DC電力変換回路CONV1内の平滑コンデンサCs1に入力電圧V1を供給する。この時、電源装置2aでは、突入電流防止用抵抗R1はバイパスされている。
通常時、即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13がそれぞれ充電され、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2がそれぞれオンの状態での動作は、以下のようになる。交流電圧源Vacからの出力はコンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2を介して整流器RECTに入力され、整流器RECTにて整流されてDC/DC電力変換回路CONV1内の平滑コンデンサCs1に入力電圧V1を供給する。この時、電源装置2aでは、突入電流防止用抵抗R1はバイパスされている。
起動時の動作について、以下に説明する。
電源装置2aでは、起動前は、制御回路10からの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10からの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10にてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。
これにより、交流電圧源Vacから整流器RECTと突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を充電するため、平滑コンデンサCs1への突入電流が制限され、平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなる。このため、上記実施の形態1と同様に、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。これにより、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3は、交流電圧源Vacのピーク電圧まで、コンデンサCr13はピーク電圧の2倍の電圧まで充電される。
電源装置2aでは、起動前は、制御回路10からの信号により、コンタクタMC1およびバイパス用コンタクタMC2はオフ状態であり、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、コンデンサCr12、Cr13はそれぞれ放電されている。起動時に、制御回路10からの信号により、上記実施の形態1と同様に、バイパス用コンタクタMC2はオフ状態のままコンタクタMC1をオンにする。このコンタクタMC1のオンと同時に、制御回路10にてゲート信号GateH、GateLの生成を開始し、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETを駆動制御する。
これにより、交流電圧源Vacから整流器RECTと突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を充電するため、平滑コンデンサCs1への突入電流が制限され、平滑コンデンサCs1の電圧は徐々に高くなる。このため、上記実施の形態1と同様に、コンデンサCr12、Cr13、平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧も徐々に高くなる。これにより、入力電圧を充電する平滑コンデンサCs1への突入電流だけでなく、DC/DC電力変換装置CONV1内の各素子への突入電流を抑制することができ、過電流を防ぐことができる。
そして、コンデンサCr12と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3は、交流電圧源Vacのピーク電圧まで、コンデンサCr13はピーク電圧の2倍の電圧まで充電される。
制御回路10は、コンタクタMC1がオンして電源装置2aが起動してからの時間をタイマ10bにて計測し、所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知する。そして、初期充電完了を検知するとバイパス用コンタクタMC2をオンさせる。これにより、交流電圧源Vacから平滑コンデンサCs1への充電経路内の突入電流防止用抵抗R1がバイパスされる。この後、DC/DC電力変換装置は、上述した通常時の動作に移行する。
このように、この実施の形態では、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、交流電圧源Vacから整流器RECTと突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、交流電圧源VacからDC/DC電力変換装置CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、コンタクタMC1がオンして電源装置2aが起動してからの時間をタイマ10bで計測し、予め設定された所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせたため、容易で確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
また、各コンデンサの初期充電完了後には、突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、交流電圧源VacからDC/DC電力変換装置CONV1へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、コンタクタMC1がオンして電源装置2aが起動してからの時間をタイマ10bで計測し、予め設定された所定時間T1が経過すると初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスさせたため、容易で確実に初期充電完了を検知して通常時の動作に移行できる。
なお、上記実施の形態2〜4についても、上記実施の形態1の図2で示したように、突入電流防止用抵抗R1とコンタクタMC1の直列体に、バイパス用コンタクタMC2を並列に接続した構成であっても良く、同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態2〜4についても、上記実施の形態1で示したように、ゲート信号GateH、GateLの生成はコンタクタMC1をオンする以前に開始されていても良い。その場合、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETは駆動制御されてDC/DC電力変換回路CONV1は動作しているが、コンタクタMC1をオンするまでは、実際のエネルギ移行は無く、コンタクタMC1のオンと同時にエネルギ移行による電力変換動作が行われる。
さらにまた、上記実施の形態2〜4についても、上記実施の形態1の図3で示したように、電圧端子VH−Vcom間に電源装置2aを接続して、DC/DC電力変換回路CONV1を主として降圧回路として動作させても良い。その場合、電圧端子VL−Vcom間に接続される負荷に電力が供給される。
また、上記実施の形態2〜4についても、上記実施の形態1で示したように、ゲート信号GateH、GateLの生成はコンタクタMC1をオンする以前に開始されていても良い。その場合、DC/DC電力変換回路CONV1内の各MOSFETは駆動制御されてDC/DC電力変換回路CONV1は動作しているが、コンタクタMC1をオンするまでは、実際のエネルギ移行は無く、コンタクタMC1のオンと同時にエネルギ移行による電力変換動作が行われる。
さらにまた、上記実施の形態2〜4についても、上記実施の形態1の図3で示したように、電圧端子VH−Vcom間に電源装置2aを接続して、DC/DC電力変換回路CONV1を主として降圧回路として動作させても良い。その場合、電圧端子VL−Vcom間に接続される負荷に電力が供給される。
実施の形態5.
以下、この発明の実施の形態5によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態5によるDC/DC電力変換装置は、図1で示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換装置内の主回路を、図7に示すDC/DC電力変換回路CONV2に置き換えたものである。なお、電源装置2と制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
このDC/DC電力変換回路CONV2は、低電圧側の電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして高圧側の電圧端子VH−Vcom間に出力する昇圧回路として動作する電力変換回路で、この場合降圧機能を備えていない。
以下、この発明の実施の形態5によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態5によるDC/DC電力変換装置は、図1で示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換装置内の主回路を、図7に示すDC/DC電力変換回路CONV2に置き換えたものである。なお、電源装置2と制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
このDC/DC電力変換回路CONV2は、低電圧側の電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして高圧側の電圧端子VH−Vcom間に出力する昇圧回路として動作する電力変換回路で、この場合降圧機能を備えていない。
図7に示すように、図1で示したDC/DC電力変換回路CONV1における回路A1〜A3の替わりに、回路A1a〜A3aを用い、回路A1aは回路A1と同様の構成、回路A2a、A3aは、回路A2、A3内の2つのMOSFETをそれぞれダイオードに置き換えている。即ち、駆動用インバータ回路A1aは、低圧側素子、高圧側素子としての2つのMOSFET(Mos1L、Mos1H)を直列接続して平滑コンデンサCs1の両端子間に接続して構成される。また整流回路A2a、A3aは、低圧側素子、高圧側素子としてのそれぞれ2つのダイオード(Di2L、Di2H)(Di3L、Di3H)を直列接続して各平滑コンデンサCs2、Cs3の両端子間に接続して構成される。このように、DC/DC電力変換回路CONV2は、回路A1a、A2a、A3aを直列接続して構成されると共に、各回路A1a〜A3a内の2つのMOSFET(あるいはダイオード)の接続点を中間端子として、回路A1aと他の各回路A2a、A3aとの中間端子間に、コンデンサCr12、Cr13およびインダクタLr12、Lr13の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するLC直列体LC12、LC13を接続する。各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。
なお、MOSFETを駆動するためのゲート駆動回路111、フォトカプラ121H、121L、電源Vs1は、駆動用インバータ回路A1aのMOSFET(Mos1L、Mos1H)に対するもののみ備える。
なお、MOSFETを駆動するためのゲート駆動回路111、フォトカプラ121H、121L、電源Vs1は、駆動用インバータ回路A1aのMOSFET(Mos1L、Mos1H)に対するもののみ備える。
通常時のDC/DC電力変換回路CONV2の動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の容量値は、LC直列体のコンデンサCr12、Cr13の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間からエネルギを出力している状態となり、電圧V2は3×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3には平均的に(V2−V1)/2の電圧が充電されている。
駆動用インバータ回路A1aは、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギをMOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送り、整流回路A2a、A3aは、駆動用インバータ回路A1aで駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の容量値は、LC直列体のコンデンサCr12、Cr13の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間からエネルギを出力している状態となり、電圧V2は3×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3には平均的に(V2−V1)/2の電圧が充電されている。
駆動用インバータ回路A1aは、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギをMOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送り、整流回路A2a、A3aは、駆動用インバータ回路A1aで駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する。
制御回路10からゲート信号GateL、GateHが出力され、これらゲート信号により駆動用インバータ回路A1aが駆動される。ゲート信号GateH、GateLは、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期と同等の周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号であり、GateHとGateLとはオンとオフとが相反する信号である。なお、MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオンする。
低圧側MOSFETへのゲート信号GateLにより駆動用インバータ回路A1aのMos1Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs1、Cs2に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13に移行する。
Cs1⇒Di2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Di3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より大きな電圧まで充電される。
Cs1⇒Di2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Di3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs1の電圧より大きな電圧まで充電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧より大きな電圧まで充電される。
次いで、高圧側MOSFETへのゲート信号GateHにより駆動用インバータ回路A1aのMos1Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr12、Cr13に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCs2、Cs3に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Di2H⇒Cs2⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Di3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より小さな電圧まで放電される。
Cr12⇒Lr12⇒Di2H⇒Cs2⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Di3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
LC直列体LC12、LC13による共振現象を利用しているため、コンデンサCr12は平滑コンデンサCs2の電圧より小さな電圧まで放電され、コンデンサCr13は平滑コンデンサCs2、Cs3の電圧より小さな電圧まで放電される。
このように、コンデンサCr12、Cr13の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3にエネルギを移行する。そして、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約3倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力する。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され負荷に電力が供給される。
また、各コンデンサCr12、Cr13には、インダクタLr12、Lr13が直列に接続されてLC直列体LC12、LC13を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなる。このため、コンデンサCr12、Cr13は平滑コンデンサCsの電圧以上の電圧まで充電され、平滑コンデンサCsの電圧以下の電圧まで放電されて、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され負荷に電力が供給される。
また、各コンデンサCr12、Cr13には、インダクタLr12、Lr13が直列に接続されてLC直列体LC12、LC13を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなる。このため、コンデンサCr12、Cr13は平滑コンデンサCsの電圧以上の電圧まで充電され、平滑コンデンサCsの電圧以下の電圧まで放電されて、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
また上記実施の形態1と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbattから突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV2へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbattからDC/DC電力変換回路CONV2へ有効に電力を送ることが可能となる。
なお、上記実施の形態2〜4によるDC/DC電力変換装置の主回路に、この実施の形態で用いたDC/DC電力変換回路CONV2を適用しても良く、昇圧回路としてのみ動作するが、上述した同様の効果が得られる。
実施の形態6.
上記各実施の形態1〜5では、各回路A1〜A3(A1a〜A3a)内の2つのMOSFET(ダイオード)の接続点を中間端子として、回路A1(A1a)と他の各回路A2、A3(A2a、A3a)との中間端子間に、コンデンサCr12、Cr13およびインダクタLr12、Lr13の直列体であるLC直列体LC12、LC13を接続した。各回路間に接続されるLC直列体の配置は、これに限るものではなく、図8に示すDC/DC電力変換回路CONV3のように、隣接回路間である回路A1、A2間、回路A2、A3間となる中間端子間に、コンデンサCr12、Cr23およびインダクタLr12、Lr23の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するLC直列体LC12、LC23を接続しても良い。
なお、各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。
上記各実施の形態1〜5では、各回路A1〜A3(A1a〜A3a)内の2つのMOSFET(ダイオード)の接続点を中間端子として、回路A1(A1a)と他の各回路A2、A3(A2a、A3a)との中間端子間に、コンデンサCr12、Cr13およびインダクタLr12、Lr13の直列体であるLC直列体LC12、LC13を接続した。各回路間に接続されるLC直列体の配置は、これに限るものではなく、図8に示すDC/DC電力変換回路CONV3のように、隣接回路間である回路A1、A2間、回路A2、A3間となる中間端子間に、コンデンサCr12、Cr23およびインダクタLr12、Lr23の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するLC直列体LC12、LC23を接続しても良い。
なお、各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。
この場合、コンデンサCr12、Cr23の充放電動作は上記実施の形態1と異なるものであるが、LC直列体LC12、LC23の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いDC/DC電力変換回路CONV3が実現できる。
また上記各実施の形態と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr23および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路CONV3へ有効に電力を送ることが可能となる。
このように、上記各実施の形態によるDC/DC電力変換装置の主回路のDC/DC電力変換回路において、隣接回路間となる中間端子間に、LC直列体LC12、LC23を接続しても良く、各実施の形態で示した同様の効果が得られる。
また上記各実施の形態と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1を介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr23および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路CONV3へ有効に電力を送ることが可能となる。
このように、上記各実施の形態によるDC/DC電力変換装置の主回路のDC/DC電力変換回路において、隣接回路間となる中間端子間に、LC直列体LC12、LC23を接続しても良く、各実施の形態で示した同様の効果が得られる。
実施の形態7.
次に、この発明の実施の形態7によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態7によるDC/DC電力変換装置は、図1で示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図9に示すDC/DC電力変換回路CONV4に置き換えたものである。なお、電源装置2と制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
図9に示すように、DC/DC電力変換回路CONV4は、図1にて示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換回路CONV1と、回路A1〜A4の個数が増えて4段回路となると共に、インダクタLrの配置が異なる。即ち、エネルギ移行用のコンデンサCr12、Cr13、Cr14は、回路A1と他の回路との間で中間端子間に接続されているが、該コンデンサCr12、Cr13、Cr14を充放電する経路に接続されるインダクタLr0、Lr1、Lr2、Lr3、Lr4は、各回路A1〜A4の高圧側端子あるいは低圧側端子と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の端子との間に接続される。
次に、この発明の実施の形態7によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態7によるDC/DC電力変換装置は、図1で示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図9に示すDC/DC電力変換回路CONV4に置き換えたものである。なお、電源装置2と制御回路10とは、上記実施の形態1と同様である。
図9に示すように、DC/DC電力変換回路CONV4は、図1にて示した上記実施の形態1によるDC/DC電力変換回路CONV1と、回路A1〜A4の個数が増えて4段回路となると共に、インダクタLrの配置が異なる。即ち、エネルギ移行用のコンデンサCr12、Cr13、Cr14は、回路A1と他の回路との間で中間端子間に接続されているが、該コンデンサCr12、Cr13、Cr14を充放電する経路に接続されるインダクタLr0、Lr1、Lr2、Lr3、Lr4は、各回路A1〜A4の高圧側端子あるいは低圧側端子と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の端子との間に接続される。
接続の詳細を説明する。平滑コンデンサCs4の高圧側端子とMos4Hのドレイン端子の間にインダクタLr4が、平滑コンデンサCs3の高圧側端子とMos3Hのドレイン端子の間にインダクタLr3が、平滑コンデンサCs2の高圧側端子とMos2Hのドレイン端子の間にインダクタLr2が、平滑コンデンサCs1の高圧側端子とMos1Hのドレイン端子の間にインダクタLr1が、平滑コンデンサCs1の低圧側端子とMos1Lのソース端子の間にインダクタLr0が、それぞれ挿入されている。
各コンデンサCrの容量値は略等しく、各インダクタLrのインダクタンス値も略等しくなっており、各コンデンサCrの充放電経路において、インダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。この実施の形態では、各コンデンサCrの充放電経路内には、当該コンデンサCrと2個のインダクタLrとが含まれるため、インダクタLrのインダクタンス値をLr、コンデンサCrの容量値をCrとすると、共振周期は、2π(2Lr・Cr)0.5で計算される。
各コンデンサCrの容量値は略等しく、各インダクタLrのインダクタンス値も略等しくなっており、各コンデンサCrの充放電経路において、インダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。この実施の形態では、各コンデンサCrの充放電経路内には、当該コンデンサCrと2個のインダクタLrとが含まれるため、インダクタLrのインダクタンス値をLr、コンデンサCrの容量値をCrとすると、共振周期は、2π(2Lr・Cr)0.5で計算される。
次に、DC/DC電力変換回路CONV4の動作について説明する。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され、DC/DC電力変換回路CONV4は主として昇圧回路として動作して負荷に電力が供給される。この昇圧動作について以下に説明する。
上記実施の形態1と同様に、回路A1は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。回路A2、A3、A4は、駆動用インバータ回路で駆動された電流を整流し、エネルギを移行する整流回路として用いられる。
ゲート信号GateH、GateLは、上記実施の形態1と同様に、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期と同等の周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号であり、GateHとGateLはオンとオフとが相反する信号である。
この実施の形態では、電圧端子VL−Vcom間にバッテリVbattが接続されているため、通常、電圧端子VH−Vcom間には負荷が接続され、DC/DC電力変換回路CONV4は主として昇圧回路として動作して負荷に電力が供給される。この昇圧動作について以下に説明する。
上記実施の形態1と同様に、回路A1は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos1L、Mos1H)のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。回路A2、A3、A4は、駆動用インバータ回路で駆動された電流を整流し、エネルギを移行する整流回路として用いられる。
ゲート信号GateH、GateLは、上記実施の形態1と同様に、LrとCrによるLC直列体LC12、LC13にて定まる共振周期と同等の周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号であり、GateHとGateLはオンとオフとが相反する信号である。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力し、電圧端子VH−Vcom間に接続された負荷に電力供給するため、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2−V1)/3の電圧が充電されている。
電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力し、電圧端子VH−Vcom間に接続された負荷に電力供給するため、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2−V1)/3の電圧が充電されている。
低圧側MOSFETへのゲート信号GateLにより各回路A1〜A4の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13、Cr14に移行する。
Cs1⇒Lr1⇒Mos2L⇒Cr12⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Lr2⇒Mos3L⇒Cr13⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Lr3⇒Mos4L⇒Cr14⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Lr1⇒Mos2L⇒Cr12⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Lr2⇒Mos3L⇒Cr13⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Lr3⇒Mos4L⇒Cr14⇒Mos1L⇒Lr0
次いで、高圧側MOSFETへのゲート信号GateHにより各回路A1〜A4の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12、Cr13、Cr14に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に移行する。
Cr12⇒Mos2H⇒Lr2⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr13⇒Mos3H⇒Lr3⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr14⇒Mos4H⇒Lr4⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr12⇒Mos2H⇒Lr2⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr13⇒Mos3H⇒Lr3⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr14⇒Mos4H⇒Lr4⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
このように、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力する。また、各コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電経路には、2個のインダクタLr(Lr0〜Lr4)が直列に接続されているため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
なお、この場合、昇圧回路として説明したが、出力側に接続される負荷によって回生動作を伴う場合があり、電圧V2が4×V1よりも高くなることがある。その場合、DC/DC電力変換回路CONV1は、電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力する降圧回路として動作する。
この実施の形態7では、コンデンサCr12、Cr13、Cr14およびインダクタLr0〜Lr4の配置を上記各実施の形態と異なるものとしたが、このような配置を、上記実施の形態1〜5のDC/DC電力変換装置に適用しても良い。
また上記各実施の形態と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13、Cr14および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
また上記各実施の形態と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1とを介して平滑コンデンサCs1を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCr12、Cr13、Cr14および平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
なお、上記各実施の形態では、入出力電圧比(V2/V1)が3または4の場合について示したが、電圧比はこれらに限るものではなく、回路A1〜A4の直列数を増減することにより様々な電圧比の電力変換が可能となる。
また、上記各実施の形態では、駆動用インバータ回路、整流回路内の半導体スイッチング素子に、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETを用いたが、IGBT等、制御電極でオンオフ動作が制御できる他の半導体スイッチング素子でも良く、その場合ダイオードが逆並列接続されたものを用い、このダイオードがパワーMOSFETの寄生ダイオードの機能を果たす。これにより、上記各実施の形態と同様の制御により同様の効果が得られる。
実施の形態8.
上記各実施の形態1〜7では、DC/DC電力変換回路を構成する各回路内の2つのMOSFET(ダイオード)の接続点を中間端子として、回路間となる中間端子間にエネルギ移行用のコンデンサCrを配置し、該コンデンサCrの充放電経路内にインダクタLrを接続した。この実施の形態では、図10に示すDC/DC電力変換回路CONV5のように、エネルギ移行用のコンデンサCrの充放電経路内にインダクタLrが無いものを示す。この場合、LC共振を利用するものではないが、それ以外の作用、効果については上記各実施の形態と同様のものが得られる。
上記各実施の形態1〜7では、DC/DC電力変換回路を構成する各回路内の2つのMOSFET(ダイオード)の接続点を中間端子として、回路間となる中間端子間にエネルギ移行用のコンデンサCrを配置し、該コンデンサCrの充放電経路内にインダクタLrを接続した。この実施の形態では、図10に示すDC/DC電力変換回路CONV5のように、エネルギ移行用のコンデンサCrの充放電経路内にインダクタLrが無いものを示す。この場合、LC共振を利用するものではないが、それ以外の作用、効果については上記各実施の形態と同様のものが得られる。
実施の形態9.
次に、この発明の実施の形態9によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態9によるDC/DC電力変換装置は、上記実施の形態1〜4によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図11に示すDC/DC電力変換回路CONV6に置き換えたものである。
図11に示すように、DC/DC電力変換回路CONV6は、コンデンサの充放電を利用した電力変換回路であり、直流電圧を3倍に昇圧あるいは1/3倍に降圧した直流電圧に変換する機能を有する。また、上記実施の形態1と同様に、電圧V2は電圧V1の約3倍となっている。
次に、この発明の実施の形態9によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態9によるDC/DC電力変換装置は、上記実施の形態1〜4によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図11に示すDC/DC電力変換回路CONV6に置き換えたものである。
図11に示すように、DC/DC電力変換回路CONV6は、コンデンサの充放電を利用した電力変換回路であり、直流電圧を3倍に昇圧あるいは1/3倍に降圧した直流電圧に変換する機能を有する。また、上記実施の形態1と同様に、電圧V2は電圧V1の約3倍となっている。
DC/DC電力変換回路CONV6は、入出力電圧V1、V2を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能するコンデンサC11、C12、C13、C21、C22、C31、C41と、複数の半導体スイッチング素子であるMOSFETとを備える。回路A11、A12、A13、A21、A22、A31は、低圧側素子、高圧側素子としての2つのMOSFET(Mos11L、Mos11H)(Mos12L、Mos12H)(Mos13L、Mos13H)(Mos21L、Mos21H)(Mos22L、Mos22H)(Mos31L、Mos31H)を直列接続して各平滑コンデンサCs11、Cs12、Cs13、Cs21、Cs22、Cs31の両端子間に接続して構成される。
3つの回路A11、A12、A13は直列接続され、各回路の2つのMOSFETの接続点を中間端子とすると、回路A21は回路A11と回路A12との中間端子間に、回路A22は回路A12と回路A13との中間端子間に、回路A31は回路A21と回路A22との中間端子間に、それぞれ接続される。
なお、各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。
3つの回路A11、A12、A13は直列接続され、各回路の2つのMOSFETの接続点を中間端子とすると、回路A21は回路A11と回路A12との中間端子間に、回路A22は回路A12と回路A13との中間端子間に、回路A31は回路A21と回路A22との中間端子間に、それぞれ接続される。
なお、各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。
接続の詳細について説明する。コンデンサC11の一方の端子(低電圧側の端子)は、電圧端子Vcomに接続され、コンデンサC11の他方の端子(高電圧側の端子)はコンデンサC12の一方の端子(低電圧側の端子)に、コンデンサC12の他方の端子(高電圧側の端子)はコンデンサC13の一方の端子(低電圧側の端子)に、コンデンサC13の他方の端子(高電圧側の端子)は電圧端子VHに接続されている。
Mos11Lのソース端子は電圧端子Vcomに、Mos11Lのドレイン端子はMos11Hのソース端子に、Mos11Hのドレイン端子はコンデンサC11の高電圧側の端子に接続されている。Mos12Lのソース端子はコンデンサC12の低電圧側の端子に、Mos12Lのドレイン端子はMos12Hのソース端子に、Mos12Hのドレイン端子はコンデンサC12の高電圧側の端子に接続されている。Mos13Lのソース端子はコンデンサC13の低電圧側の端子に、Mos13Lのドレイン端子はMos13Hのソース端子に、Mos13Hのドレイン端子はコンデンサC13の高電圧側の端子に接続されている。
Mos11Lのソース端子は電圧端子Vcomに、Mos11Lのドレイン端子はMos11Hのソース端子に、Mos11Hのドレイン端子はコンデンサC11の高電圧側の端子に接続されている。Mos12Lのソース端子はコンデンサC12の低電圧側の端子に、Mos12Lのドレイン端子はMos12Hのソース端子に、Mos12Hのドレイン端子はコンデンサC12の高電圧側の端子に接続されている。Mos13Lのソース端子はコンデンサC13の低電圧側の端子に、Mos13Lのドレイン端子はMos13Hのソース端子に、Mos13Hのドレイン端子はコンデンサC13の高電圧側の端子に接続されている。
コンデンサC21の低電圧側の端子はMos11LとMos11Hの接続点に接続され、コンデンサC21の高電圧側の端子はMos12LとMos12Hの接続点に接続される。コンデンサC22の低電圧側の端子はMos12LとMos12Hの接続点に接続され、コンデンサC22の高電圧側の端子はMos13LとMos13Hの接続点に接続されている。
Mos21Lのソース端子はコンデンサC21の低電圧側の端子に、Mos21Lのドレイン端子はMos21Hのソース端子に、Mos21Hのドレイン端子はコンデンサC21の高電圧側の端子に接続されている。Mos22Lのソース端子はコンデンサC22の低電圧側の端子に、Mos22Lのドレイン端子はMos22Hのソース端子に、Mos22Hのドレイン端子はコンデンサC22の高電圧側の端子に接続されている。
Mos21Lのソース端子はコンデンサC21の低電圧側の端子に、Mos21Lのドレイン端子はMos21Hのソース端子に、Mos21Hのドレイン端子はコンデンサC21の高電圧側の端子に接続されている。Mos22Lのソース端子はコンデンサC22の低電圧側の端子に、Mos22Lのドレイン端子はMos22Hのソース端子に、Mos22Hのドレイン端子はコンデンサC22の高電圧側の端子に接続されている。
コンデンサC31の低電圧側の端子はMos21LとMos21Hの接続点に接続され、コンデンサC31の高電圧側の端子はMos22LとMos22Hの接続点に接続されている。Mos31Lのソース端子はコンデンサC31の低電圧側の端子に、Mos31Lのドレイン端子はMos31Hのソース端子に、Mos31Hのドレイン端子はコンデンサC31の高電圧側の端子に接続されている。
コンデンサC41の低圧側の端子は電圧端子Vcomに接続され、コンデンサC41の高電圧側の端子はMos31LとMos31Hの接続点に接続されている。コンデンサC41の高電圧側端子は、電圧端子VLに接続されている。
コンデンサC41の低圧側の端子は電圧端子Vcomに接続され、コンデンサC41の高電圧側の端子はMos31LとMos31Hの接続点に接続されている。コンデンサC41の高電圧側端子は、電圧端子VLに接続されている。
回路D11L、D11H、D12L、D12H、D13L、D13H、D21L、D21H、D22L、D22H、D31L、D31Hは、ゲート駆動回路とフォトカプラとにより構成されている。
Mos11L、Mos12L、Mos13Lのゲート端子は回路D11L、D12L、D13Lの出力端子にそれぞれ接続され、回路D11L、D12L、D13Lの入力端子にはゲート信号Gate1Lが入力される。Mos11H、Mos12H、Mos13Hのゲート端子は回路D11H、D12H、D13Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D11H、D12H、D13Hの入力端子にはゲート信号Gate1Hが入力される。Mos21L、Mos22Lのゲート端子は回路D21L、D22Lの出力端子にそれぞれ接続され、回路D21L、D22Lの入力端子にはゲート信号Gate2Lが入力される。Mos21H、Mos22Hのゲート端子は回路D21H、D22Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D21H、D22Hの入力端子にはゲート信号Gate2Hが入力される。Mos31Lのゲート端子は回路D31Lの出力端子に接続され、回路D31Lの入力端子にはゲート信号Gate3Lが入力される。Mos31Hのゲート端子は回路D31Hの出力端子に接続され、回路D31Hの入力端子にはゲート信号Gate3Hが入力される。
なお、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hは、制御回路10(10c,10d)により出力される。
Mos11L、Mos12L、Mos13Lのゲート端子は回路D11L、D12L、D13Lの出力端子にそれぞれ接続され、回路D11L、D12L、D13Lの入力端子にはゲート信号Gate1Lが入力される。Mos11H、Mos12H、Mos13Hのゲート端子は回路D11H、D12H、D13Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D11H、D12H、D13Hの入力端子にはゲート信号Gate1Hが入力される。Mos21L、Mos22Lのゲート端子は回路D21L、D22Lの出力端子にそれぞれ接続され、回路D21L、D22Lの入力端子にはゲート信号Gate2Lが入力される。Mos21H、Mos22Hのゲート端子は回路D21H、D22Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D21H、D22Hの入力端子にはゲート信号Gate2Hが入力される。Mos31Lのゲート端子は回路D31Lの出力端子に接続され、回路D31Lの入力端子にはゲート信号Gate3Lが入力される。Mos31Hのゲート端子は回路D31Hの出力端子に接続され、回路D31Hの入力端子にはゲート信号Gate3Hが入力される。
なお、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hは、制御回路10(10c,10d)により出力される。
次に、DC/DC電力変換回路CONV6の動作について説明する。
この実施の形態のDC/DC電力変換装置CONV6は、第1〜第3の3つのスイッチング状態を有し、各スイッチング状態について説明する。
第1のスイッチング状態は、Mos11L、Mos12L、Mos13L、Mos21L、Mos22L、Mos31Hがオンで、Mos11H、Mos12H、Mos13H、Mos21H、Mos22H、Mos31Lがオフの状態である。コンデンサC41、C31、C21、C11がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC41、C31、C21、C11間で充放電が行われる。コンデンサC22、C12がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC22、C12間で充放電が行われる。
この実施の形態のDC/DC電力変換装置CONV6は、第1〜第3の3つのスイッチング状態を有し、各スイッチング状態について説明する。
第1のスイッチング状態は、Mos11L、Mos12L、Mos13L、Mos21L、Mos22L、Mos31Hがオンで、Mos11H、Mos12H、Mos13H、Mos21H、Mos22H、Mos31Lがオフの状態である。コンデンサC41、C31、C21、C11がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC41、C31、C21、C11間で充放電が行われる。コンデンサC22、C12がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC22、C12間で充放電が行われる。
第2のスイッチング状態は、Mos11L、Mos12L、Mos13L、Mos21H、Mos22H、Mos31Lがオンで、Mos11H、Mos12H、Mos13H、Mos21L、Mos22L、Mos31Hがオフの状態である。コンデンサC41、C21、C11がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC41、C21、C11間で充放電が行われる。コンデンサC31、C22、C12がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC31、C22、C12間で充放電が行われる。
第3のスイッチング状態は、Mos11H、Mos12H、Mos13H、Mos21L、Mos22L、Mos31Lがオンで、Mos11L、Mos12L、Mos13L、Mos21H、Mos22H、Mos31Hがオフの状態である。コンデンサC41、C11がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC41、C11間で充放電が行われる。コンデンサC31、C21、C12がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC31、C21、C12間で充放電が行われる。コンデンサC22、C13がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC22、C13間で充放電が行われる。
このように、各コンデンサC11、C12、C13、C21、C22、C31、C41間で電圧差を利用した充放電が行われ、各コンデンサの電圧はほぼ等しくなる。
第3のスイッチング状態は、Mos11H、Mos12H、Mos13H、Mos21L、Mos22L、Mos31Lがオンで、Mos11L、Mos12L、Mos13L、Mos21H、Mos22H、Mos31Hがオフの状態である。コンデンサC41、C11がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC41、C11間で充放電が行われる。コンデンサC31、C21、C12がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC31、C21、C12間で充放電が行われる。コンデンサC22、C13がMOSFETを介して短絡され、コンデンサC22、C13間で充放電が行われる。
このように、各コンデンサC11、C12、C13、C21、C22、C31、C41間で電圧差を利用した充放電が行われ、各コンデンサの電圧はほぼ等しくなる。
この場合も、上記実施の形態1〜4と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1を介してコンデンサC41を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサC11、C12、C13、C21、C22、C31、C41を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
実施の形態10.
次に、この発明の実施の形態10によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態10によるDC/DC電力変換装置は、上記実施の形態1〜4によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図12に示すDC/DC電力変換回路CONV7に置き換えたものである。
図12に示すように、DC/DC電力変換回路CONV7は、コンデンサの充放電を利用した電力変換回路であり、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する機能を有する。また、電圧V2は電圧V1よりも大きな電圧となっている。
次に、この発明の実施の形態10によるDC/DC電力変換装置について説明する。この実施の形態10によるDC/DC電力変換装置は、上記実施の形態1〜4によるDC/DC電力変換装置内のDC/DC電力変換回路を、図12に示すDC/DC電力変換回路CONV7に置き換えたものである。
図12に示すように、DC/DC電力変換回路CONV7は、コンデンサの充放電を利用した電力変換回路であり、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する機能を有する。また、電圧V2は電圧V1よりも大きな電圧となっている。
DC/DC電力変換回路CONV7は、入出力電圧V1、V2を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能するコンデンサCs14、Cs41、Cs42、Cs43と、複数の半導体スイッチング素子であるMOSFETとを備える。
接続の詳細について説明する。
コンデンサCs43の低電圧側の端子は電圧端子Vcomに、高圧側の端子は電圧端子VHにそれぞれ接続されている。Mos43Lのソース端子はコンデンサCs43の低圧側の端子に接続され、Mos43Hのドレイン端子はコンデンサCs43の高電圧側の端子に接続されている。Mos43Hのソース端子とMos42Hのドレイン端子とが接続されると共に、Mos43Lのドレイン端子とMos42Lのソース端子とが接続され、これら2つの接続点間にコンデンサCs42が接続されている。また、Mos42Hのソース端子とMos41Hのドレイン端子とが接続されると共に、Mos42Lのドレイン端子とMos41Lのソース端子とが接続され、これら2つの接続点間にコンデンサCs41が接続されている。Mos41Lのドレイン端子とMos41Hのソース端子とが接続され、この接続点が、電流を平滑化するためのインダクタL11を介してコンデンサCs14の高電圧側の端子に接続されている。コンデンサCs14の高電圧側の端子は電圧端子VLに、低電圧側の端子は電圧端子Vcomに接続されている。
コンデンサCs43の低電圧側の端子は電圧端子Vcomに、高圧側の端子は電圧端子VHにそれぞれ接続されている。Mos43Lのソース端子はコンデンサCs43の低圧側の端子に接続され、Mos43Hのドレイン端子はコンデンサCs43の高電圧側の端子に接続されている。Mos43Hのソース端子とMos42Hのドレイン端子とが接続されると共に、Mos43Lのドレイン端子とMos42Lのソース端子とが接続され、これら2つの接続点間にコンデンサCs42が接続されている。また、Mos42Hのソース端子とMos41Hのドレイン端子とが接続されると共に、Mos42Lのドレイン端子とMos41Lのソース端子とが接続され、これら2つの接続点間にコンデンサCs41が接続されている。Mos41Lのドレイン端子とMos41Hのソース端子とが接続され、この接続点が、電流を平滑化するためのインダクタL11を介してコンデンサCs14の高電圧側の端子に接続されている。コンデンサCs14の高電圧側の端子は電圧端子VLに、低電圧側の端子は電圧端子Vcomに接続されている。
回路D41L、D41H、D42L、D42H、D43L、D43Hは、ゲート駆動回路とフォトカプラにより構成されている。
Mos41L、Mos41Hのゲート端子は回路D41L、D41Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D41L、D41Hの入力端子にはゲート信号Gate41L、Gate41Hが入力される。Mos42L、Mos42Hのゲート端子は回路D42L、D42Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D42L、D42Hの入力端子にはゲート信号Gate42L、Gate42Hが入力される。Mos43L、Mos43Hのゲート端子は回路D43L、D43Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D43L、D43Hの入力端子にはゲート信号Gate43L、Gate43Hが入力される。
ゲート信号Gate41L、Gate42L、Gate43L、Gate41H、Gate42H、Gate43Hは、制御回路10(10c,10d)により出力される。
Mos41L、Mos41Hのゲート端子は回路D41L、D41Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D41L、D41Hの入力端子にはゲート信号Gate41L、Gate41Hが入力される。Mos42L、Mos42Hのゲート端子は回路D42L、D42Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D42L、D42Hの入力端子にはゲート信号Gate42L、Gate42Hが入力される。Mos43L、Mos43Hのゲート端子は回路D43L、D43Hの出力端子にそれぞれ接続され、回路D43L、D43Hの入力端子にはゲート信号Gate43L、Gate43Hが入力される。
ゲート信号Gate41L、Gate42L、Gate43L、Gate41H、Gate42H、Gate43Hは、制御回路10(10c,10d)により出力される。
次に、DC/DC電力変換回路CONV7の動作について説明する。
この実施の形態のDC/DC電力変換装置CONV7では、MOSFETがスイッチングにより、コンデンサCs41、Cs42の充放電を行い、電圧端子VL−Vcomと電圧端子VH−Vcom間で電力を移行する。
ゲート信号Gate41LとGate41Hは背反した信号であり、Mos41LがオンのときにはMos41Hがオフであり、Mos41LがオフのときにはMos41Hがオンである。ゲート信号Gate42LとGate42Hは背反した信号であり、Mos42LがオンのときにはMos42Hがオフであり、Mos42LがオフのときにはMos42Hがオンである。ゲート信号Gate43LとGate43Hは背反した信号であり、Mos43LがオンのときにはMos43Hがオフであり、Mos43LがオフのときにはMos43Hがオンである。ゲート信号Gate41L、Gate41H、Gate42L、Gate42H、Gate43L、Gate43Hは、等しい制御周期を有し、ゲート信号(Gate42L、Gate42H)のオンオフ動作はゲート信号(Gate41L、Gate41H)に対して制御周期の1/3の時間遅延し、ゲート信号(Gate43L、Gate43H)のオンオフ動作はゲート信号(Gate42L、Gate42H)に対して制御周期の1/3の時間遅延している。
この実施の形態のDC/DC電力変換装置CONV7では、MOSFETがスイッチングにより、コンデンサCs41、Cs42の充放電を行い、電圧端子VL−Vcomと電圧端子VH−Vcom間で電力を移行する。
ゲート信号Gate41LとGate41Hは背反した信号であり、Mos41LがオンのときにはMos41Hがオフであり、Mos41LがオフのときにはMos41Hがオンである。ゲート信号Gate42LとGate42Hは背反した信号であり、Mos42LがオンのときにはMos42Hがオフであり、Mos42LがオフのときにはMos42Hがオンである。ゲート信号Gate43LとGate43Hは背反した信号であり、Mos43LがオンのときにはMos43Hがオフであり、Mos43LがオフのときにはMos43Hがオンである。ゲート信号Gate41L、Gate41H、Gate42L、Gate42H、Gate43L、Gate43Hは、等しい制御周期を有し、ゲート信号(Gate42L、Gate42H)のオンオフ動作はゲート信号(Gate41L、Gate41H)に対して制御周期の1/3の時間遅延し、ゲート信号(Gate43L、Gate43H)のオンオフ動作はゲート信号(Gate42L、Gate42H)に対して制御周期の1/3の時間遅延している。
このDC/DC電力変換装置CONV7は、昇圧回路、降圧回路としての動作することが可能である。昇圧回路としての動作と降圧回路としての動作では、インダクタL11を流れる電流の向きが異なる。コンデンサCs41、Cs42はMOSFETのスイッチングにより充放電を行い、通常の状態においてはコンデンサCs41の電圧はV2の1/3となり、コンデンサCs42の電圧はV2の2/3となる。電圧V2がV1×1.5以上でV1×3以下の条件におけるスイッチング状態について、以下に説明する。
Mos41H、Mos42L、Mos43Lがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs41がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14、Cs41間で充放電が行われる。Mos41H、Mos42H、Mos43Lがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs42がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14、Cs42間で充放電が行われる。Mos41L、Mos42H、Mos43Lがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs41、Cs42がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14とCs41間、Cs41とCs42間で充放電が行われる。Mos41L、Mos42H、Mos43Hがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs41、Cs43がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14とCs43間、Cs41とCs43間で充放電が行われる。Mos41L、Mos42L、Mos43Hがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs42、Cs43がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14とCs41間、Cs41とCs42間で充放電が行われる。Mos41H、Mos42L、Mos43Hがオンのときには、コンデンサCs14とコンデンサCs41、Cs42、Cs43がインダクタL11とMOSFETを介して短絡され、コンデンサCs14、Cs42とCs41、Cs43間で充放電が行われる。
このように、コンデンサCs14、Cs41、Cs42、Cs43の充放電により、電圧端子VL−Vcomと電圧端子VH−Vcom間で電力を移行する。
なお、電圧V2が上記電圧条件以外では、MOSFETの上記スイッチングタイミングとは異なるが、同様にコンデンサCs14、Cs41、Cs42、Cs43の充放電により、電圧端子VL−Vcomと電圧端子VH−Vcom間の電力を移行する。
なお、電圧V2が上記電圧条件以外では、MOSFETの上記スイッチングタイミングとは異なるが、同様にコンデンサCs14、Cs41、Cs42、Cs43の充放電により、電圧端子VL−Vcomと電圧端子VH−Vcom間の電力を移行する。
この場合も、上記実施の形態1〜4と同様に、DC/DC電力変換装置の起動時には、バイパス用コンタクタMC2をオフ状態でコンタクタMC1をオンとし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)から突入電流防止用抵抗R1を介してコンデンサCs14を初期充電しながら、DC/DC電力変換回路内の各MOSFETへのゲート信号を生成する。このため起動時に、各部の突入電流を抑制しつつ、コンデンサCs14、Cs41、Cs42、Cs43を徐々に初期充電することができ、信頼性の高いDC/DC電力変換装置を実現できる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
また、各コンデンサの初期充電完了を検知して突入電流防止用抵抗R1をバイパスし、バッテリVbatt(交流電圧源Vac)からDC/DC電力変換回路へ有効に電力を送ることが可能となる。
2,2a 電源装置、10,10c,10d 制御回路、10b タイマ、
11 電圧センサ、12 電流センサ、
A1〜A4,A1a〜A3a,A11〜A13,A21,A22,A31 回路、
Cs1〜Cs4 平滑コンデンサ、Cr12,Cr13,Cr14,Cr23 コンデンサ、
C11〜C13,C21,C22,C31,C41,Cs14,Cs41〜Cs43 コンデンサ、
CONV1〜CONV7 DC/DC電力変換回路、Di2L,Di2H,Di3L,Di3H ダイオード、
GateL,GateH ゲート信号、
Gate1L〜Gate3L,Gate1H〜Gate3H,Gate41L〜Gate43L,Gate41H〜Gate43H ゲート信号、
Lr12,Lr13,Lr23,Lr0〜Lr4 インダクタ、MC1 コンタクタ、
MC2 バイパス用コンタクタ、
Mos1L〜Mos4L,Mos1H〜Mos4H,Mos11L〜Mos13L,Mos11H〜Mos13H,Mos21L,Mos22L,Mos21H,Mos22H,Mos31L,Mos31H,Mos41L〜Mos43L,Mos41H〜Mos43H MOSFET、
R1 突入電流防止用抵抗、Vbatt 入力電圧源(直流電圧源)としてのバッテリ、
Vac 入力電圧源としての交流電圧源、Vcom,VL,VH 電圧端子。
11 電圧センサ、12 電流センサ、
A1〜A4,A1a〜A3a,A11〜A13,A21,A22,A31 回路、
Cs1〜Cs4 平滑コンデンサ、Cr12,Cr13,Cr14,Cr23 コンデンサ、
C11〜C13,C21,C22,C31,C41,Cs14,Cs41〜Cs43 コンデンサ、
CONV1〜CONV7 DC/DC電力変換回路、Di2L,Di2H,Di3L,Di3H ダイオード、
GateL,GateH ゲート信号、
Gate1L〜Gate3L,Gate1H〜Gate3H,Gate41L〜Gate43L,Gate41H〜Gate43H ゲート信号、
Lr12,Lr13,Lr23,Lr0〜Lr4 インダクタ、MC1 コンタクタ、
MC2 バイパス用コンタクタ、
Mos1L〜Mos4L,Mos1H〜Mos4H,Mos11L〜Mos13L,Mos11H〜Mos13H,Mos21L,Mos22L,Mos21H,Mos22H,Mos31L,Mos31H,Mos41L〜Mos43L,Mos41H〜Mos43H MOSFET、
R1 突入電流防止用抵抗、Vbatt 入力電圧源(直流電圧源)としてのバッテリ、
Vac 入力電圧源としての交流電圧源、Vcom,VL,VH 電圧端子。
Claims (9)
- 直列接続された複数の半導体スイッチング素子と複数のコンデンサとを備え、上記複数のコンデンサ間の電圧差を利用して各コンデンサを充放電させてエネルギ移行するDC/DC電力変換回路と、
コンタクタと突入電流防止用抵抗とを直列接続した直列体を該DC/DC電力変換回路と入力電圧源との間に接続して成る電源装置と、
上記DC/DC電力変換回路と上記電源装置とを制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、上記コンタクタをオンして上記電源装置を起動させ上記DC/DC電力変換回路へ上記直列体を介した入力電圧を供給開始すると同時あるいは以前に、上記各半導体スイッチング素子を駆動して上記DC/DC電力変換回路を起動させることを特徴とするDC/DC電力変換装置。 - 上記突入電流防止用抵抗をバイパスさせるバイパス用コンタクタと、上記DC/DC電力変換回路内の上記コンデンサの初期充電完了検知手段とを備え、
上記制御回路は、上記DC/DC電力変換回路内の上記コンデンサの初期充電完了後に上記バイパス用コンタクタをオンさせて上記突入電流防止用抵抗をバイパスさせることを特徴とする請求項1記載のDC/DC電力変換装置。 - 上記初期充電完了検知手段は、上記コンタクタをオンして上記電源装置を起動させてからの時間を計測し、所定時間経過すると初期充電完了を検知することを特徴とする請求項2記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記初期充電完了検知手段は、上記複数のコンデンサの内、所定の1あるいは複数のコンデンサの電圧を検出し、該電圧が所定の値を超えるとき初期充電完了を検知することを特徴とする請求項2記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記初期充電完了検知手段は、上記複数のコンデンサの内、所定の1あるいは複数のコンデンサの電圧を検出し、該電圧の単位時間に対する変化量が、所定値以下であるときに初期充電完了を検知することを特徴とする請求項2記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記初期充電完了検知手段は、上記直列体を流れる電流を検出し、該電流が所定値以下であるときに初期充電完了を検知することを特徴とする請求項2記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記DC/DC電力変換回路は、
半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑用のコンデンサの正負端子間に接続して成る駆動用インバータ回路と、半導体スイッチング素子あるいはダイオード素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑用のコンデンサの正負端子間に接続して成る整流回路とによる複数の回路を直列に接続して複数段回路を構成すると共に、上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記回路間となる該中間端子間にエネルギ移行用のコンデンサを配したことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。 - 上記DC/DC電力変換回路において、上記エネルギ移行用のコンデンサを充放電する経路にインダクタを配したことを特徴とする請求項7記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記入力電圧源は直流電圧源であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。
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- 2008-02-15 JP JP2008034229A patent/JP2009195048A/ja active Pending
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