JP2010148302A - Dc/dc power converter - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a DC / DC power conversion device that converts a DC voltage into a DC voltage that is stepped up or stepped down.
図２は、例えば、特許文献１に示される従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の一例を示すもので、従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子から成る高圧側素子Mos1H〜Mos4Hおよび低圧側素子Mos1L〜Mos4Lを直列接続して、平滑コンデンサCs１〜Cs4の正負端子間に接続して成る複数の回路A1〜A4を直列に接続すると共に、複数回路A1〜A4の高圧側素子と低圧側素子との接続点を中間端子として、複数の回路A1〜A4の内、所定の１回路A１の中間端子と他の回路A2、A3、A4の中間端子との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサとインダクタの直列体LC12、LC13、LC14を接続した構成であり、上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、ＬＣ共振現象を利用してコンデンサへの充放電電流を増大させ、大きな電力を移行しても効率の低下が少ない電力変換装置を実現している。
FIG. 2 shows an example of a conventional DC / DC power conversion apparatus disclosed in
特許文献１に示される従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、複数の回路を駆動用インバータ回路と整流回路に用い、コンデンサの充放電を利用して直流／直流電力変換を行うものであり、また、エネルギ移行用コンデンサと直列にインダクタを接続してＬＣ共振現象を利用することで高効率で大きな電力が移行できる。
しかしながら、従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、低電圧側直流電圧に応じた耐圧の半導体スイッチング素子が必要であった。
また、エネルギ移行用コンデンサとインダクタの直列体は、所定の１回路の中間端子と他の回路の中間端子との間にそれぞれ接続されるため、エネルギ移行用コンデンサとインダクタの直列体は上記回路の個数に対して１個少ない数が常に必要となる。
In the conventional DC / DC power converter shown in
However, in the conventional DC / DC power converter, a semiconductor switching element having a withstand voltage corresponding to the low-voltage DC voltage is required.
In addition, since the series body of the energy transfer capacitor and the inductor is connected between the intermediate terminal of one predetermined circuit and the intermediate terminal of the other circuit, the series body of the energy transfer capacitor and the inductor One less than the number is always required.
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って、低電圧側電圧に対して低い耐電圧の半導体素子を用いることができ、また、エネルギ移行用コンデンサとインダクタの直列体の個数を少なくすることができ、且つ、ＬＣ共振現象を利用して大きなエネルギ量を効率よく移行することのできるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can use a semiconductor device having a low withstand voltage with respect to a low-voltage side voltage. It is an object of the present invention to provide a DC / DC power conversion device that can reduce the number of series bodies and can efficiently transfer a large amount of energy using an LC resonance phenomenon.
この発明に係るＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子あるいはダイオード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コンデンサの正負端子間に接続して成る４以上の回路を直列に接続すると共に、上記直列接続された回路の内の複数個に低電圧側直流電圧を印加し、該低電圧側直流電圧が印加された回路とその他の回路間にエネルギ移行用のコンデンサを接続し、且つ、上記低電圧側直流電圧が印加された複数の回路同士がエネルギ移行用のコンデンサを介して接続されていないように構成され、上記直列接続された複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記エネルギ移行用コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うものである。 The DC / DC power converter according to the present invention connects in series four or more circuits in which a high-voltage side element and a low-voltage side element made of a semiconductor switching element or diode are connected in series and connected between the positive and negative terminals of a smoothing capacitor. And applying a low voltage side DC voltage to a plurality of the circuits connected in series, connecting a capacitor for energy transfer between the circuit to which the low voltage side DC voltage is applied and the other circuit, In addition, a plurality of circuits to which the low-voltage side DC voltage is applied are not connected to each other via an energy transfer capacitor, and a predetermined circuit is driven among the plurality of circuits connected in series. DC / DC conversion is performed by charging / discharging the energy transfer capacitor using the inverter circuit for power supply and another circuit for the rectifier circuit.
この発明のＤＣ／ＤＣ電力変換装置によれば、低電圧のコンデンサと半導体スイッチング素子を用いることができ、またエネルギ移行用コンデンサとインダクタの直列体の個数を少なくすることができ、且つ、ＬＣ共振現象を利用して大きなエネルギ量を効率よく移行することのできるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を得ることができる。 According to the DC / DC power conversion device of the present invention, a low voltage capacitor and a semiconductor switching element can be used, the number of energy transfer capacitors and inductors in series can be reduced, and LC resonance can be achieved. A DC / DC power converter capable of efficiently transferring a large amount of energy using the phenomenon can be obtained.
上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。 The above-described and other objects, features, and effects of the present invention will become more apparent from the detailed description and the drawings in the following embodiments.
以下、この発明の実施の形態のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。
実施の形態１．
図１は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示す図である。この実施の形態１では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約２倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する機能と、電圧端子VHとVcom間に入力された電圧V2を、約1/２倍に降圧された電圧V１にして電圧端子VLとVcom間に出力する機能を有する双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
Hereinafter, a DC / DC power converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol shall show the same or an equivalent part.
1 is a diagram showing a configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to
図1において、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路部は、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、Cs4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）（Mos4L、Mos4H）を直列接続して、各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の両端子間に接続した回路A1、A2、A3、A4を直列接続して構成されている。そして、各回路A1、A2、A3、A4内の２つのMOSFETの接続点を中間端子として、回路A1と回路A3の中間端子間と、回路A2と回路A4の中間端子間に、コンデンサCr13、Cr24およびインダクタLr13、Lr24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LC13、LC24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。
In FIG. 1, the main circuit unit of the DC / DC power conversion device includes smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4 that smooth the input / output voltages V1, V2 and also function as voltage sources for energy transfer, 2 MOSFETs (Mos1L, Mos1H) (Mos2L, Mos2H) (Mos3L, Mos3H) (Mos4L, Mos4H) as low-voltage side elements and high-voltage side elements Circuits A1, A2, A3, and A4 connected between both terminals of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 are connected in series. Then, using the connection point of the two MOSFETs in each circuit A1, A2, A3, A4 as an intermediate terminal, capacitors Cr13, Cr24 are connected between the intermediate terminals of the circuit A1 and the circuit A3 and between the intermediate terminals of the circuit A2 and the circuit A4. The LC series bodies LC13 and LC24, which are configured by a series body of inductors Lr13 and Lr24 and function as energy transfer elements, are connected.
Each MOSFET is a power MOSFET in which a parasitic diode is formed between the source and drain.
ＤＣ／ＤＣ電力変換装置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VM1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の電圧端子VM1側は、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の他方の端子は電圧端子VLと平滑コンデンサ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VM2と平滑コンデンサCs4の一方の端子に、平滑コンデンサCs4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VM1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。Mos4Lのソース端子は平滑コンデンサCs4の低電圧側の端子に、Mos4Lのドレイン端子はMos4Hのソース端子に、Mos4Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs4の高電圧側の端子に接続されている。
バランス抵抗Rs1は平滑コンデンサCs1に並列に接続され、バランス抵抗Rs2は平滑コンデンサCs2に並列に接続されている。
Details of the connection of the DC / DC power converter will be described.
Both terminals of the smoothing capacitor Cs1 are connected to voltage terminals VM1 and Vcom, respectively, and the voltage terminal Vcom is grounded. The voltage terminal VM1 side of the smoothing capacitor Cs1 is connected to one terminal of the smoothing capacitor Cs2, the other terminal of the smoothing capacitor Cs2 is one terminal of the voltage terminal VL and the smoothing capacitor Cs3, and the other terminal of the smoothing capacitor Cs3 is The voltage terminal VM2 and one terminal of the smoothing capacitor Cs4 are connected to the other terminal of the smoothing capacitor Cs4 to the voltage terminal VH.
The source terminal of Mos1L is connected to the voltage terminal Vcom, the drain terminal is connected to the source terminal of Mos1H, and the drain terminal of Mos1H is connected to the voltage terminal VM1. The source terminal of Mos2L is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs2, the drain terminal of Mos2L is connected to the source terminal of Mos2H, and the drain terminal of Mos2H is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs2. The source terminal of Mos3L is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs3, the drain terminal of Mos3L is connected to the source terminal of Mos3H, and the drain terminal of Mos3H is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs3. The source terminal of Mos4L is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs4, the drain terminal of Mos4L is connected to the source terminal of Mos4H, and the drain terminal of Mos4H is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs4.
The balance resistor Rs1 is connected in parallel to the smoothing capacitor Cs1, and the balance resistor Rs2 is connected in parallel to the smoothing capacitor Cs2.
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。ＬＣ直列体LC24の一端は、Mos2LとMos2Hの接続点に接続され、他端はMos4LとMos4H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。
One end of the LC series LC13 is connected to a connection point between Mos1L and Mos1H, and the other end is connected to a connection point between Mos3L and Mos3H. One end of the LC series LC24 is connected to a connection point between Mos2L and Mos2H, and the other end is connected to a connection point between Mos4L and Mos4H.
The resonance period values determined from the inductance value and the capacitance value of the inductor Lr and the capacitor Cr at each stage are set to be equal to each other.
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、それぞれのゲート駆動信号Gate1L、Gate1H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、それぞれのゲート駆動信号Gate2L、Gate2H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、それぞれのゲート駆動信号Gate3L、Gate3Hが入力される。Mos4L、Mos4Hのゲート端子はゲート駆動回路１１４の出力端子に接続され、ゲート駆動回路１１４の入力端子には、それぞれのゲート駆動信号Gate4L、Gate4Hが入力される。
各回路A1、A2、A3、A4内の高圧側MOSFET（Mos1H〜Mos4H）、低圧側MOSFET（Mos1L〜Mos4L）を駆動するためのゲート信号Gate1H〜Gate4H、Gate1L〜Gate4Lは、マイクロコンピュータ等の信号処理回路から成る制御回路より出力される。
電源Vs1、Vs2、Vs3、Vs4は、それぞれMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路を駆動するために備えられた電源である。
The gate terminals of Mos1L and Mos1H are connected to the output terminal of the
Gate signals Gate1H to Gate4H and Gate1L to Gate4L for driving the high-voltage side MOSFETs (Mos1H to Mos4H) and the low-voltage side MOSFETs (Mos1L to Mos4L) in each circuit A1, A2, A3, A4 are signal processing such as a microcomputer. It is output from a control circuit comprising a circuit.
The power supplies Vs1, Vs2, Vs3, and Vs4 are power supplies provided for driving the MOSFET and the gate drive circuit with reference to the source terminals of Mos1L, Mos2L, Mos3L, and Mos4L, respectively.
直流電圧を２倍に昇圧あるいは1/２倍に降圧した直流電圧に変換する動作（直流電圧V2を直流電圧V1の２倍と同等とする動作）について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr13、Cr24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VH−Vcom間の電圧V2は、電圧端子VL−Vcom間の電圧V1の約2倍となる。
電圧V2が２×V1よりも少し低い値のときは、電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧する昇圧回路として動作する。
昇圧回路として動作するときは、回路A1、A2は電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）（Mos2L、Mos2H）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用いられる。また、回路Ａ3、Ａ4は、駆動用インバータ回路A1、A2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用いられる。
The operation of converting the DC voltage to a DC voltage that has been boosted twice or reduced to 1/2 times (an operation that makes the DC voltage V2 equal to twice the DC voltage V1) will be described.
The capacitance values of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 are set to a sufficiently large value as compared with the capacitance values of the LC series capacitors Cr13 and Cr24. As described above, the voltage V2 between the voltage terminals VH and Vcom is approximately twice the voltage V1 between the voltage terminals VL and Vcom.
When the voltage V2 is slightly lower than 2 × V1, it operates as a booster circuit that boosts the voltage V1 to the voltage V2.
When operating as a booster circuit, circuits A1 and A2 drive the drive inverter circuit that sends the energy input between the voltage terminals VL and Vcom to the high voltage side by the on / off operation of MOSFETs (Mos1L, Mos1H) (Mos2L, Mos2H) Used as The circuits A3 and A4 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A1 and A2 and shift the energy to the high voltage side.
また、電圧V2が２×V1よりも少し大きい値のときは、電圧V2を電圧V1に降圧する降圧回路として動作する。
降圧回路として動作するときは、回路A3、A4は電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos3L、Mos3H）(Mos4L、Mos4H)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として用いられる。また、回路A1、A2は、駆動用インバータ回路A3、A4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。
When the voltage V2 is slightly larger than 2 × V1, it operates as a step-down circuit that steps down the voltage V2 to the voltage V1.
When operating as a step-down circuit, the circuits A3 and A4 drive the inverter circuit that sends the energy input between the voltage terminals VH and Vcom to the low voltage side by turning on and off the MOSFETs (Mos3L and Mos3H) (Mos4L and Mos4H) Used as The circuits A1 and A2 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A3 and A4 and shift the energy to the low voltage side.
ゲート信号は、Gate1L〜Gate4Lは同等の信号であり、Gate1H〜Gate4Hも同等の信号である。また、インダクタLrとコンデンサCrによるＬＣ直列体LC13、LC24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、Gate1H〜Gate4HとGate1L〜Gate4Lはオンとオフとが相反する信号である。 As for gate signals, Gate1L to Gate4L are equivalent signals, and Gate1H to Gate4H are also equivalent signals. Moreover, it is an on / off signal with a period T equivalent to the resonance period determined by the LC series bodies LC13 and LC24 by the inductor Lr and the capacitor Cr, and a duty of about 50%. Gate1H to Gate4H and Gate1L to Gate4L are in conflict with each other. Signal.
定常状態では、平滑コンデンサCs1、Cs2にはV1/2の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs3、Cs4には平均的に(V2-V1)/2の電圧が充電されている。電圧V2は電圧V1のほぼ２倍となるので、各平滑コンデンサ、各半導体スイッチング素子の印加電圧はほぼV1/2となる。 In the steady state, the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 are charged with a voltage V1 / 2, and the smoothing capacitors Cs3 and Cs4 are charged with an average voltage of (V2−V1) / 2. Since the voltage V2 is almost twice the voltage V1, the applied voltage to each smoothing capacitor and each semiconductor switching element is approximately V1 / 2.
昇圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1L、Gate3LによりMos1L、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Cr13に移行する。
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
次いで、ゲート信号Gate1H、Gate3HによりMos1H、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。
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
コンデンサ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Cs3へエネルギが移行する。
The operation as a booster circuit will be described below.
When Mos1L and Mos3L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate3L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is transferred to the capacitor Cr13 through the following path.
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
Next, when Mos1H and Mos3H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate3H, since there is a voltage difference, part of the energy stored in the smoothing capacitor Cr13 is transferred to the capacitors Cs2 and Cs3 through the following path.
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the smoothing capacitor Cs3 by charging and discharging of the capacitor Cr13.
また、ゲート信号Gate2L、Gate4LによりMos2L、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Cr24に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2L
次いで、ゲート信号Gate2H、Gate4HによりMos2H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr24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Cs3、Cs4に移行する。
Cr24⇒Lr24⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
コンデンサCr24の充放電により、平滑コンデンサCs2から平滑コンデンサCs4へエネルギが移行する。
電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2に分割され、分割された平滑コンデンサCs1、Cs2のエネルギの一部が平滑コンデンサCs3、Cs4へ移行し、電圧端子VH-Vcom間にエネルギが送られる。
Further, when Mos2L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate2L and Gate4L, there is a voltage difference, so that a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 is transferred to the capacitor Cr24 through the following path.
Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2L
Next, when Mos2H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate2H and Gate4H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cr24 is transferred to the capacitors Cs3 and Cs4 through the following path.
Cr24⇒Lr24⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs2 to the smoothing capacitor Cs4 by charging and discharging the capacitor Cr24.
The energy input between the voltage terminals VL and Vcom is divided into the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, and part of the energy of the divided smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is transferred to the smoothing capacitors Cs3 and Cs4. Energy is sent between them.
降圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1H、Gate3HによりMos1H、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Cr13に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
次いで、ゲート信号Gate1L、Gate3LによりMos1L、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。
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
コンデンサCr13の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs1へエネルギが移行する。
The operation as a step-down circuit will be described below.
When Mos1H and Mos3H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate3H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 is transferred to the capacitor Cr13 through the following path.
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
Next, when Mos1L and Mos3L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate3L, since there is a voltage difference, part of the energy stored in the smoothing capacitor Cr13 is transferred to the capacitors Cs1 and Cs2 through the following path.
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs3 to the smoothing capacitor Cs1 by charging and discharging of the capacitor Cr13.
また、ゲート信号Gate2H、Gate4HによりMos2H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3、Cs4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Cr24に移行する。
Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2H
次いで、ゲート信号Gate2L、Gate4LによりMos2L、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Cr24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。
Cr24⇒Lr24⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
コンデンサCr24の充放電により、平滑コンデンサCs4から平滑コンデンサCs2へエネルギが移行する。
電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4に分割され、分割された平滑コンデンサCs3、Cs4のエネルギが平滑コンデンサCs1、Cs2へ移行し、電圧端子VL-Vcom間にエネルギが送られる。
Further, when Mos2H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate2H and Gate4H, there is a voltage difference, so that part of the energy stored in the smoothing capacitors Cs3 and Cs4 is transferred to the capacitor Cr24 through the following path.
Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2H
Next, when Mos2L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate2L and Gate4L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cr24 is transferred to the capacitors Cs2 and Cs3 through the following path.
Cr24⇒Lr24⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs4 to the smoothing capacitor Cs2 by charging and discharging of the capacitor Cr24.
The energy input between the voltage terminals VH and Vcom is divided into smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4. The energy of the divided smoothing capacitors Cs3 and Cs4 is transferred to the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, and the voltage terminal VL- Energy is sent between Vcoms.
このように、実施の形態1のＤＣ／ＤＣ電力変換装置によれば、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs4と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2となる。回路A1〜A４を４直列接続しているが、回路A1、A3間にＬＣ直列体LC13を接続し、回路A2、A4間にＬＣ直列体LC24を接続しているため、ＬＣ直列体は２個であり、特許文献１の従来装置（図２参照）に比して個数が少なくなっている。
また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr13の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs3の間でエネルギを移行し、コンデンサCr24の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs4の間でエネルギを移行する。
また、コンデンサCr13、Cr24の平均電圧はV1と等しくなる。
各エネルギ移行用コンデンサCr13、Cr24には、インダクタLr13、Lr24が直列に接続されてＬＣ直列体LC13、LC24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り、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
As described above, according to the DC / DC power conversion apparatus of the first embodiment, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs4 and the semiconductor switching elements are V1 / 2 Although four circuits A1 to A4 are connected in series, the LC series body LC13 is connected between the circuits A1 and A3, and the LC series body LC24 is connected between the circuits A2 and A4. Thus, the number is smaller than that of the conventional device of Patent Document 1 (see FIG. 2).
In step-up and step-down operations, energy is transferred between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs3 by charging / discharging of the capacitor Cr13, and energy is transferred between the smoothing capacitor Cs2 and the smoothing capacitor Cs4 by charging / discharging of the capacitor Cr24. .
The average voltage of the capacitors Cr13 and Cr24 is equal to V1.
Inductors Lr13 and Lr24 are connected in series to each energy transfer capacitor Cr13 and Cr24 to form an LC series LC13 and LC24. Therefore, the above energy transfer uses a resonance phenomenon, and a large amount of energy is efficiently used. Can migrate well.
なお、本実施の形態１では、平滑コンデンサCs1、Cs2間、Cs3、Cs4間でエネルギを移行する必要がなく、平滑コンデンサCs1、Cs2間、Cs3、Cs4間の電圧バランスを自然に取れる。しかし、実際には、部品のバラツキがあり、バランス抵抗Rs1、Rs2が無い場合には、平滑コンデンサCs1、Cs2間、Cs3、Cs4間の電圧バランスが崩れる可能性がある。そこで、バランス抵抗Rs1、Rs2により、平滑コンデンサCs1、Cs2間の電圧バランスをとることができる。コンデンサCr13の充放電により、平滑コンデンサCs1とCs3はほぼ電圧が等しくなる。また、コンデンサCr34の充放電により、平滑コンデンサCs2とCs4は電圧がほぼ等しくなる。そのため各平滑コンデンサCs1〜Cs4の電圧を等しくすることが出来る。なお、平滑コンデンサCs1、Cs2にバランス抵抗を接続したが、バランス抵抗を平滑コンデンサCs3、Cs4に接続しても、同様の効果を得られる。また、平滑コンデンサCs1〜Cs4のすべてに、バランス抵抗を接続してもよい。 In the first embodiment, it is not necessary to transfer energy between the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4, and the voltage balance between the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4 can be naturally taken. However, in reality, there is a variation in parts, and when there is no balance resistance Rs1, Rs2, there is a possibility that the voltage balance between the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4 may be lost. Therefore, the voltage balance between the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 can be achieved by the balance resistors Rs1 and Rs2. Due to charging / discharging of the capacitor Cr13, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 and Cs3 become substantially equal. Further, due to charging / discharging of the capacitor Cr34, the voltages of the smoothing capacitors Cs2 and Cs4 become substantially equal. Therefore, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 to Cs4 can be made equal. Although the balance resistors are connected to the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, the same effect can be obtained by connecting the balance resistors to the smoothing capacitors Cs3 and Cs4. Further, a balance resistor may be connected to all of the smoothing capacitors Cs1 to Cs4.
また、実施の形態１の変形例として、図３に示すように、LC直列体LC13、LC24の代わりに、LC直列体LC14、LC23を用いた構成であってもよく、この場合も図１による実施の形態と同様に、直流電圧を２倍に昇圧あるいは1/２倍に降圧した直流電圧に変換する機能(直流電圧V2を直流電圧V1の２倍と同等とする機能)を持たせることができる。
図１による実施の形態１ではＬＣ直列体LC13の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に、他端はMos3LとMos3Hの接続点に接続され、LC直列体LC24の一端は、Mos2LとMos2Hの接続点に、他端はMos4LとMos4Hの接続点に接続されていたが、図３による実施の形態では、LC直列体LC14の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に、他端はMos4LとMos4Hの接続点に接続され、LC直列体LC23の一端は、Mos2LとMos2Hの接続点に、他端はMos3LとMos3Hの接続点に接続されている。
As a modification of the first embodiment, as shown in FIG. 3, a configuration using LC series bodies LC14 and LC23 instead of the LC series bodies LC13 and LC24 may be used. As with the embodiment, it is possible to provide a function of converting a DC voltage to a DC voltage that is boosted twice or reduced by a factor of 1/2 (function to make DC voltage V2 equal to twice DC voltage V1). it can.
In the first embodiment shown in FIG. 1, one end of the LC series body LC13 is connected to the connection point between Mos1L and Mos1H, the other end is connected to the connection point between Mos3L and Mos3H, and one end of the LC series body LC24 is connected to Mos2L and Mos2H. The other end is connected to the connection point between Mos4L and Mos4H. However, in the embodiment according to FIG. 3, one end of the LC series LC14 is connected to the connection point between Mos1L and Mos1H, and the other end is connected to Mos4L and Mos4H. One end of the LC series LC23 is connected to a connection point between Mos2L and Mos2H, and the other end is connected to a connection point between Mos3L and Mos3H.
図３の実施の形態においても、図１による上記実施の形態と同様に、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs4と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2となる。また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr14の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs4の間でエネルギを移行し、コンデンサCr23の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs3の間でエネルギを移行する。
各エネルギ移行用コンデンサCr14、Cr23には、インダクタLr14、Lr23が直列に接続されてＬＣ直列体LC14、LC23を構成するため、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。
また、回路A1〜A４を４直列接続しているが、回路A1、A4間にＬＣ直列体LC1４を接続し、回路A2、A3間にＬＣ直列体LC23を接続しているため、ＬＣ直列体は２個であり、特許文献１の従来装置に比し個数が少なくなっている。
In the embodiment of FIG. 3 as well, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 in the same manner as in the above embodiment of FIG. 1, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs4 and the semiconductor switching elements are V1. / 2. In step-up and step-down operations, energy is transferred between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs4 by charging / discharging of the capacitor Cr14, and energy is transferred between the smoothing capacitor Cs2 and the smoothing capacitor Cs3 by charging / discharging of the capacitor Cr23. .
Inductors Lr14 and Lr23 are connected in series to each energy transfer capacitor Cr14 and Cr23 to form an LC series body LC14 and LC23. Therefore, energy transfer uses a resonance phenomenon, and a large amount of energy is efficiently used. Can be migrated.
Although the circuits A1 to A4 are connected in series, the LC series body LC14 is connected between the circuits A1 and A4, and the LC series body LC23 is connected between the circuits A2 and A3. The number is two, and the number is smaller than that of the conventional device of
更に、実施の形態１の変形例として、図４に示すように、回路A3、A4の代わりに、低圧側素子、高圧側素子としての２つのダイオード（Di3L、Di3H）（Di4L、Di4H）を直列接続して各平滑コンデンサCs3、Cs4の両端子間に接続した回路Ａ3b、Ａ4bを用いた構成
としてもよく、この場合には、直流電圧を２倍に昇圧した直流電圧に変換する機能のみを有することになる。
図１による実施の形態では回路A3、A4を用いていたが、図４による実施の形態では、回路A3、A4の代わりに、低圧側素子、高圧側素子としての２つのダイオード（Di3L、Di3H）（Di4L、Di4H）を直列接続して各平滑コンデンサCs3、Cs4の両端子間に接続した回路Ａ3b、Ａ4bを用い、LC直列体LC13の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に、他端はDi3LとDi3Hの接続点に接続され、LC直列体LC24の一端は、Mos2LとMos2Hの接続点に、他端はDi4LとDi4Hの接続点に接続されている。
Further, as a modification of the first embodiment, as shown in FIG. 4, two diodes (Di3L, Di3H) (Di4L, Di4H) as low voltage side elements and high voltage side elements are connected in series instead of the circuits A3, A4. The circuit A3b and A4b connected between both terminals of the smoothing capacitors Cs3 and Cs4 may be used. In this case, only the function of converting the DC voltage into a DC voltage boosted twice is provided. It will be.
In the embodiment according to FIG. 1, the circuits A3 and A4 are used. However, in the embodiment according to FIG. 4, two diodes (Di3L and Di3H) as a low-voltage side element and a high-voltage side element are used instead of the circuits A3 and A4. (Di4L, Di4H) are connected in series and connected between both terminals of the smoothing capacitors Cs3 and Cs4. The LC series body LC13 has one end at the connection point between Mos1L and Mos1H and the other end at Di3L. One end of the LC series body LC24 is connected to the connection point between Mos2L and Mos2H, and the other end is connected to the connection point between Di4L and Di4H.
図４の実施の形態においても、図１による上記実施の形態と同様に、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs4と各半導体スイッチング素子、ダイオードに印加される電圧はV1/2となる。回路A1〜A４を４直列接続しているが、回路A1、A3b間にＬＣ直列体LC13を接続し、回路A2、A4b間にＬＣ直列体LC24を接続しているため、ＬＣ直列体は２個であり、特許文献１の従来装置に比し個数が少なくなっている。
In the embodiment of FIG. 4 as well, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 in the same manner as the above-described embodiment of FIG. 1, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs4, the semiconductor switching elements and the diode Becomes V1 / 2. Although four circuits A1 to A4 are connected in series, the LC series body LC13 is connected between the circuits A1 and A3b, and the LC series body LC24 is connected between the circuits A2 and A4b. Therefore, the number is smaller than that of the conventional device of
更にまた、実施の形態１の変形例として、図５に示すように、LC直列体LC13、LC24の代わりに、コンデンサCr13、Cr24のみを用いた構成とすることもできる。
この場合も、図１による上記実施の形態と同様に、各コンデンサCs1〜Cs4と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2であり、エネルギ移行用のコンデンサCr13、Cr24は２個となる。ただし、図５による実施の形態では、共振現象を利用しないため、変換効率は共振現象を利用した上述の各実施の形態に比して悪化するが、部品点数が少なくなる。
Furthermore, as a modification of the first embodiment, as shown in FIG. 5, a configuration using only capacitors Cr13 and Cr24 instead of the LC series bodies LC13 and LC24 may be employed.
In this case as well, the voltage applied to each of the capacitors Cs1 to Cs4 and each of the semiconductor switching elements is V1 / 2 and the energy transfer capacitors Cr13 and Cr24 are two, as in the above-described embodiment shown in FIG. . However, in the embodiment according to FIG. 5, since the resonance phenomenon is not used, the conversion efficiency is deteriorated as compared with the above-described embodiments using the resonance phenomenon, but the number of parts is reduced.
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成を示す図である。この実施の形態２では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約２倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する機能と、電圧端子VHhとVHl間に入力された電圧V2を、約1/２倍に降圧された電圧V１にして電圧端子VＬとVcom間に出力する機能を有する双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to
図６に示すように、実施の形態２においては、図１にて示した実施の形態１における回路Ａ１〜Ａ４とMOSFETおよび平滑コンデンサの構成が同じ回路Ａ１〜Ａ４を用い、回路間に配設されるＬＣ直列体および電圧端子の接続構成を異なるものとしている。
即ち、低電圧側の正極電圧端子ＶＬは平滑コンデンサCs3とCs4の接続点に接続され、低電圧側の負極端子Vcomは平滑コンデンサCs1とCs2の接続点に接続されている。
また、高電圧側の正極電圧端子VHhは平滑コンデンサCs4の高電圧側端子に接続され、高電圧側の負極電圧端子VHlは平滑コンデンサCs1の低電圧側端子に接続されている。
回路Ａ１と回路Ａ２との中間端子間に、回路Ａ3と回路Ａ4との中間端子間に、コンデンサCr12、Cr34およびインダクタLr12、Lr34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、LC34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。
As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the circuits A1 to A4 in the first embodiment shown in FIG. 1 and the circuits A1 to A4 having the same configuration of the MOSFET and the smoothing capacitor are used and arranged between the circuits. The connection configuration of the LC series body and the voltage terminal is different.
That is, the positive voltage terminal VL on the low voltage side is connected to the connection point between the smoothing capacitors Cs3 and Cs4, and the negative electrode terminal Vcom on the low voltage side is connected to the connection point between the smoothing capacitors Cs1 and Cs2.
The positive voltage terminal VHh on the high voltage side is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs4, and the negative voltage terminal VHl on the high voltage side is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs1.
An LC series body LC12 composed of a series body of capacitors Cr12 and Cr34 and inductors Lr12 and Lr34 between the intermediate terminals of the circuit A1 and the circuit A2 and between the intermediate terminals of the circuit A3 and the circuit A4. Connect LC34. The resonance period values determined from the inductance value and the capacitance value of the inductor Lr and the capacitor Cr at each stage are set to be equal to each other.
まず、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr12、Cr34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VHh-VHl間の電圧V2は、電圧端子VL−Vcom間の電圧V1の約2倍となる。
電圧V2が２×V1よりも少し小さい値のときは、電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧する昇圧回路として動作する。昇圧回路として動作するときは、回路Ａ2、Ａ3は電圧端子VL−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高電圧側に送る駆動用インバータ回路として用いられる。また、回路Ａ1、Ａ4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、エネルギを高電圧側へ移行する整流回路として用いられる。
First, the operation of the DC / DC power converter will be described.
The capacitance values of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 are set to a sufficiently large value as compared with the capacitance values of the LC series capacitors Cr12 and Cr34. As described above, the voltage V2 between the voltage terminals VHh and VHl is approximately twice the voltage V1 between the voltage terminals VL and Vcom.
When the voltage V2 is a little smaller than 2 × V1, it operates as a booster circuit that boosts the voltage V1 to the voltage V2. When operating as a booster circuit, the circuit A2 and A3 drive inverter circuit that sends the energy input between the voltage terminals VL and Vcom to the high voltage side by the on / off operation of the MOSFETs (Mos2L, Mos2H) (Mos3L, Mos3H) Used as The circuits A1 and A4 are used as a rectifier circuit that rectifies the current driven by the driving inverter circuits A2 and A3 and shifts the energy to the high voltage side.
また、電圧Ｖ２が２×Ｖ１よりも少し大きい値のときは、電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に降圧する降圧回路として動作する。降圧回路として動作するときは、回路Ａ1、Ａ4は電圧端子
ＶHh−VHl間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）(Mos4L、Mos4H)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として用いられる。また、回路Ａ2、Ａ3は、駆動用インバータ回路Ａ1、Ａ4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。
When the voltage V2 is slightly larger than 2 × V1, it operates as a step-down circuit that steps down the voltage V2 to the voltage V1. When operating as a step-down circuit, the circuits A1 and A4 drive the inverter circuit that sends the energy input between the voltage terminals VHh and VHl to the low voltage side by turning on and off the MOSFETs (Mos1L and Mos1H) (Mos4L and Mos4H). Used as The circuits A2 and A3 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A1 and A4 and shift the energy to the low voltage side.
ゲート信号は、実施の形態１と同様に、Gate1L〜Gate4Lは同等の信号であり、Gate1H〜Gate4Hも同等の信号である。また、インダクタLrとコンデンサCrによるＬＣ直列体LC12、LC34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、Gate1H〜Gate4HとGate1L〜Gate4Lはオンとオフとが相反する信号である。
定常状態では、平滑コンデンサCs2、Cs3にはV1/2の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs1、Cs4には平均的に(V2-V1)/2の電圧が充電されている。電圧V2は電圧V1のほぼ２倍となるので、各平滑コンデンサ、各半導体スイッチング素子の印加電圧はほぼV1/2となる。
As in the first embodiment, gate signals Gate1L to Gate4L are equivalent signals, and Gate1H to Gate4H are equivalent signals. Further, it is an on / off signal having a duty cycle of about 50% with a period T equivalent to the resonance period determined by the LC series bodies LC12 and LC34 by the inductor Lr and the capacitor Cr, and Gate1H to Gate4H and Gate1L to Gate4L are in conflict with each other. Signal.
In the steady state, the smoothing capacitors Cs2 and Cs3 are charged with a voltage V1 / 2, and the smoothing capacitors Cs1 and Cs4 are charged with an average voltage of (V2−V1) / 2. Since the voltage V2 is almost twice the voltage V1, the applied voltage to each smoothing capacitor and each semiconductor switching element is approximately V1 / 2.
昇圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1H、Gate2HによりMos1H、Mos2H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に移行する。
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
次いで、ゲート信号Gate1L、Gate2LによりMos1L、Mos2L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に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L
即ち、コンデンサCr12の充放電により、平滑コンデンサCs2から平滑コンデンサCs1へエネルギが移行する。
The operation as a booster circuit will be described below.
When Mos1H and Mos2H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate2H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs2 is transferred to the capacitor Cr12 through the following path.
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Next, when Mos1L and Mos2L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate2L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cr12 is transferred to the capacitor Cs1 through the following path.
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs2 to the smoothing capacitor Cs1 by charging and discharging of the capacitor Cr12.
また、ゲート信号Gate3L、Gate4Lにより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Cr34に移行する。
Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3L
次いで、ゲート信号Gate3H、Gate4HによりMos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr34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Cs4に移行する。
Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Mos3H
即ち、コンデンサCr34の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs4へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs2、Cs3に分割され、分割された平滑コンデンサCs2、Cs3のエネルギの一部が平滑コンデンサCs1、Cs4へ移行し、電圧端子VHh-VHl間にエネルギが送られる。
In addition, when Mos3L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate3L and Gate4L, there is a voltage difference, so that part of the energy stored in the smoothing capacitor Cs3 is transferred to the capacitor Cr34 through the following path.
Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3L
Next, when Mos3H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate3H and Gate4H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cr34 is transferred to the capacitor Cs4 through the following path.
Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Mos3H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs3 to the smoothing capacitor Cs4 by charging and discharging the capacitor Cr34.
That is, the energy input between the voltage terminals VL and Vcom is divided into the smoothing capacitors Cs2 and Cs3, and part of the energy of the divided smoothing capacitors Cs2 and Cs3 is transferred to the smoothing capacitors Cs1 and Cs4, and the voltage terminal VHh. Energy is sent between -VHl.
つづいて、降圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1L、Gate2LによりMos1L、Mos2L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に移行する。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
次いで、ゲート信号Gate1H、Gate2HによりMos1H、Mos2Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12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に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H
即ち、コンデンサCr12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へエネルギが移行する。
Next, the operation as a step-down circuit will be described below.
When Mos1L and Mos2L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate2L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs1 is transferred to the capacitor Cr12 through the following path.
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Next, when Mos1H and Mos2H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate2H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the capacitor Cr12 is transferred to the capacitor Cs2 through the following path.
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the smoothing capacitor Cs2 by charging and discharging of the capacitor Cr12.
また、ゲート信号Gate3H、Gate4HによりMos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs4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Cr34に移行する。
Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3H
次いで、ゲート信号Gate3L、Gate4LによりMos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr34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Cs3に移行する。
Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Mos3L
即ち、コンデンサCr34の充放電により、平滑コンデンサCs4から平滑コンデンサCs3へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VHh−VHl間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4に分割され、分割された平滑コンデンサCs1、Cs4のエネルギが平滑コンデンサCs2、Cs3へ移行し、電圧端子VL-Vcom間にエネルギが送られる。
Further, when Mos3H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate3H and Gate4H, there is a voltage difference, so that a part of energy stored in the smoothing capacitor Cs4 is transferred to the capacitor Cr34 through the following path.
Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3H
Next, when Mos3L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate3L and Gate4L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the capacitor Cr34 is transferred to the capacitor Cs3 through the following path.
Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Mos3L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs4 to the smoothing capacitor Cs3 by charging and discharging the capacitor Cr34.
That is, the energy input between the voltage terminals VHh and VHl is divided into smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4, and the energy of the divided smoothing capacitors Cs1 and Cs4 is transferred to the smoothing capacitors Cs2 and Cs3. Energy is sent between VL-Vcom.
このように、この発明の実施の形態２によれば、電圧V1を平滑コンデンサCs2、Cs3により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs4と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2となる。回路A1〜A４を４直列接続しているが、回路A1、A2間にＬＣ直列体LC12を接続し、回路A3、A4間にＬＣ直列体LC34を接続しているため、ＬＣ直列体は２個であり、特許文献１の従来装置に比して個数が少なくなっている。
また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr12の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs2の間でエネルギを移行し、コンデンサCr34の充放電により平滑コンデンサCs3と平滑コンデンサCs4の間でエネルギを移行する。
また、コンデンサCr12、Cr34の平均電圧はV1/2にほぼ等しくなり、実施の形態１のコンデンサCr13、Cr24の平均電圧の約半分となる。
各エネルギ移行用コンデンサCr12、Cr34には、インダクタLr12、Lr34が直列に接続されてＬＣ直列体LC12、LC34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り、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs2 and Cs3, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs4 and the semiconductor switching elements are V1 / 2. Although four circuits A1 to A4 are connected in series, the LC series body LC12 is connected between the circuits A1 and A2, and the LC series body LC34 is connected between the circuits A3 and A4. Therefore, the number is smaller than that of the conventional device of
In step-up and step-down operations, energy is transferred between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs2 by charging / discharging of the capacitor Cr12, and energy is transferred between the smoothing capacitor Cs3 and the smoothing capacitor Cs4 by charging / discharging of the capacitor Cr34. .
Further, the average voltage of the capacitors Cr12 and Cr34 is substantially equal to V1 / 2, which is about half of the average voltage of the capacitors Cr13 and Cr24 of the first embodiment.
Inductors Lr12 and Lr34 are connected in series to each energy transfer capacitor Cr12 and Cr34 to form an LC series LC12 and LC34. Therefore, the above energy transfer uses a resonance phenomenon, and a large amount of energy is efficiently used. Can migrate well.
本実施の形態２では、平滑コンデンサCs2、Cs3間の電圧バランスを取るために、バランス抵抗Rs2、Rs3を平滑コンデンサCs2、Cs3に並列に接続している。コンデンサCr12の充放電により、平滑コンデンサCs1とCs2はほぼ電圧が等しくなる。また、コンデンサCr34の充放電により、平滑コンデンサCs3とCs4は電圧がほぼ等しくなる。そのため、各平滑コンデンサCs1〜Cs4の電圧を等しくすることが出来る。
なお、平滑コンデンサCs2、Cs3にバランス抵抗を接続したが、バランス抵抗を平滑コンデンサCs1、Cs4に接続しても、同様の効果を得られる。また、平滑コンデンサCs1〜Cs4のすべてに、バランス抵抗を接続してもよい。
In the second embodiment, in order to balance the voltage between the smoothing capacitors Cs2 and Cs3, the balance resistors Rs2 and Rs3 are connected in parallel to the smoothing capacitors Cs2 and Cs3. Due to charging / discharging of the capacitor Cr12, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 become substantially equal. Further, due to charging / discharging of the capacitor Cr34, the voltages of the smoothing capacitors Cs3 and Cs4 become substantially equal. Therefore, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 to Cs4 can be made equal.
Although the balance resistors are connected to the smoothing capacitors Cs2 and Cs3, the same effect can be obtained by connecting the balance resistors to the smoothing capacitors Cs1 and Cs4. Further, a balance resistor may be connected to all of the smoothing capacitors Cs1 to Cs4.
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成を示す図である。実施の形態１とは異なり、この実施の形態３では、電圧端子VLと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とVcom間に出力する機能と、電圧端子VHと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とVcom間に出力する機能を有する双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to
図７に示すように、実施の形態３においては、図１にて示した実施の形態１におけるＤＣ／ＤＣ電力変換装置に対して、MOSFET（Mos5L、Mos5H）（Mos6L、Mos6H）および平滑コンデンサCs5、Cs6で構成された回路Ａ5、Ａ6と、ＬＣ直列体LC１５、ＬＣ２６を追加し、電圧端子の接続構成を異なるものとしている。
即ち、低圧側素子、高圧側素子としての２つのMOSFET（Mos5L、Mos5H）（Mos6L、Mos6H）を直列接続して各平滑コンデンサCs5、Cs6の両端子間に接続した回路A5、Ａ6が、実施の形態１のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路A1〜A4に対して直列に接続されている。また、回路A1と回路A5との中間端子間に、回路A2と回路Ａ6との中間端子間に、コンデンサCr15、Cr26およびインダクタLr15、Lr26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LC15、LC26が追加接続されている。
実施の形態１と同様に、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。
As shown in FIG. 7, in the third embodiment, MOSFETs (Mos5L, Mos5H) (Mos6L, Mos6H) and smoothing capacitors Cs5 are different from the DC / DC power converter in the first embodiment shown in FIG. , Cs6 and circuits A5 and A6 and LC series LC15 and LC26 are added, and the connection configuration of the voltage terminals is different.
That is, circuits A5 and A6 in which two MOSFETs (Mos5L and Mos5H) (Mos6L and Mos6H) as low-voltage side elements and high-voltage side elements are connected in series and connected between both terminals of the respective smoothing capacitors Cs5 and Cs6 are implemented. It is connected in series with the circuits A1 to A4 of the DC / DC power conversion device according to the first embodiment. An LC series body composed of capacitors Cr15 and Cr26 and inductors Lr15 and Lr26 in series between the intermediate terminals of the circuit A1 and the circuit A5 and between the intermediate terminals of the circuit A2 and the circuit A6 and functioning as an energy transfer element. LC15 and LC26 are additionally connected.
As in the first embodiment, the resonance period values determined from the inductance value and the capacitance value of the inductor Lr and the capacitor Cr at each stage are set to be equal to each other.
実施の形態３のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の接続の詳細について更に説明する。
平滑コンデンサCs5の一方の端子は、平滑コンデンサCs4の高電圧側端子に接続され、平滑コンデンサCs5の他方の端子は、平滑コンデンサCs6の一方の端子に接続されている。また、低電圧側の正極電圧端子VLは、平滑コンデンサCs2とCs3の接続点に接続され、低電圧側の負極端子Vcomは、平滑コンデンサCs1の低圧側端子に接続され、高電圧側の正極電圧端子VHは平滑コンデンサCs6の高電圧側端子に接続されている。
Mos5Lのソース端子は平滑コンデンサCs5の低電圧側の端子に、Mos5Lのドレイン端子はMos5Hのソース端子に、Mos5Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs5の高電圧側の端子に接続されている。
Mos6Lのソース端子は平滑コンデンサCs6の低電圧側の端子に、Mos6Lのドレイン端子はMos6Hのソース端子に、Mos6Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs6の高電圧側の端子に接続されている。
Details of connection of the DC / DC power conversion apparatus according to the third embodiment will be further described.
One terminal of the smoothing capacitor Cs5 is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs4, and the other terminal of the smoothing capacitor Cs5 is connected to one terminal of the smoothing capacitor Cs6. Also, the positive voltage terminal VL on the low voltage side is connected to the connection point between the smoothing capacitors Cs2 and Cs3, the negative terminal Vcom on the low voltage side is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs1, and the positive voltage on the high voltage side The terminal VH is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs6.
The source terminal of Mos5L is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs5, the drain terminal of Mos5L is connected to the source terminal of Mos5H, and the drain terminal of Mos5H is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs5.
The source terminal of Mos6L is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs6, the drain terminal of Mos6L is connected to the source terminal of Mos6H, and the drain terminal of Mos6H is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs6.
Mos1L〜Mos4L、Mos1H〜Mos4Hのゲート端子およびゲート駆動回路１１１〜１１４は、実施の形態１におけるMos1L〜Mos4L、Mos1H〜Mos4Hのゲート端子およびゲート駆動回路１１１〜１１４と同様に接続される。Mos5L、Mos5Hのゲート端子はゲート駆動回路１１５の出力端子に接続され、ゲート駆動回路１１５の入力端子には、それぞれのゲート駆動信号Gate5L、Gate5Hが入力される。Mos6L、Mos6Hのゲート端子はゲート駆動回路１１６の出力端子に接続され、ゲート駆動回路１１６の入力端子には、それぞれのゲート駆動信号Gate6L、Gate6Hが入力される。
各回路A１〜A6内の高圧側MOSFET（Mos1H〜Mos6H）、低圧側MOSFET（Mos1L〜Mos6L）を駆動するためのゲート信号Gate1H〜Gate6H、Gate1L〜Gate6Lは、マイクロコンピュータ等の信号処理回路から成る制御回路より出力される。
電源Vs1、Vs2、Vs3、Vs4、Vs5、Vs6は、それぞれMos１L、Mos2L、Mos3L、Mos4L、Mos5L、Mos6Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路を駆動するために備えられた電源である。
The gate terminals and
The gate signals Gate1H to Gate6H and Gate1L to Gate6L for driving the high voltage side MOSFETs (Mos1H to Mos6H) and the low voltage side MOSFETs (Mos1L to Mos6L) in each circuit A1 to A6 are controlled by signal processing circuits such as microcomputers. Output from the circuit.
The power sources Vs1, Vs2, Vs3, Vs4, Vs5, and Vs6 are power sources provided to drive MOSFETs and gate drive circuits based on the source terminals of Mos1L, Mos2L, Mos3L, Mos4L, Mos5L, and Mos6L, respectively. .
次に、実施の形態３のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr13、Cr15、Cr24、Cr26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VH-Vcom間の電圧V2は、電圧端子VL−Vcom間の電圧V1の約３倍となる。
電圧V2が３×V1よりも少し低い値のときは、電圧V１を電圧V2に昇圧する昇圧回路として動作する。昇圧回路として動作するときは、回路A1、A2は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）（Mos2L、Mos2H）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用いられる。また、回路Ａ3、Ａ4、A5、A6は、駆動用インバータ回路A1、A2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用いられる。
Next, the operation of the DC / DC power conversion apparatus according to the third embodiment will be described.
The capacitance values of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6 are set to a sufficiently large value as compared with the capacitance values of the LC series capacitors Cr13, Cr15, Cr24, and Cr26.
As described above, the voltage V2 between the voltage terminals VH and Vcom is about three times the voltage V1 between the voltage terminals VL and Vcom.
When the voltage V2 is slightly lower than 3 × V1, it operates as a booster circuit that boosts the voltage V1 to the voltage V2. When operating as a booster circuit, the circuits A1 and A2 drive inverters that send the energy input between the voltage terminals VL and Vcom to the high voltage side by turning on and off the MOSFETs (Mos1L and Mos1H) (Mos2L and Mos2H) Used as a circuit. The circuits A3, A4, A5, and A6 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A1 and A2 and shift the energy to the high voltage side.
また、電圧V2が３×V1よりも少し大きい値のときは、電圧V２を電圧V１に降圧する降圧回路として動作する。降圧回路として動作するときは、回路Ａ3、A4、A5、A6は電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos3L、Mos3H）(Mos4L、Mos4H) (Mos5L、Mos5H) (Mos6L、Mos6H)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として用いられる。また、回路A1、A2は、駆動用インバータ回路Ａ3、A4、A5、A6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。 When the voltage V2 is slightly larger than 3 × V1, it operates as a step-down circuit that steps down the voltage V2 to the voltage V1. When operating as a step-down circuit, the circuits A3, A4, A5, and A6 convert the energy input between the voltage terminals VH and Vcom into MOSFETs (Mos3L, Mos3H) (Mos4L, Mos4H) (Mos5L, Mos5H) (Mos6L, Mos6H ) Is used as a drive inverter circuit for sending to the low voltage side by on / off operation. The circuits A1 and A2 are used as a rectifier circuit that rectifies the current driven by the drive inverter circuits A3, A4, A5, and A6 and shifts the energy to the low voltage side.
ゲート信号は、Gate1L〜Gate6Lは同等の信号であり、Gate1H〜Gate6Hも同等の信号である。また、インダクタLrとコンデンサCrによるＬＣ直列体LC13、LC15、LC24、LC26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、Gate1H〜Gate6HとGate1L〜Gate6Lはオンとオフとが相反する信号である。
定常状態では、平滑コンデンサCs1、Cs2にはV1/2の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5、Cs6には平均的に(V2-V1)/4の電圧が充電されている。
電圧V2は電圧V1のほぼ３倍となるので、各平滑コンデンサ、各半導体スイッチング素子の印加電圧はほぼV1/2となる。
As for the gate signals, Gate1L to Gate6L are equivalent signals, and Gate1H to Gate6H are also equivalent signals. Also, it is an ON / OFF signal with a duty equal to about 50% with a period T equivalent to the resonance period determined by the LC series LC13, LC15, LC24, LC26 by the inductor Lr and capacitor Cr, and Gate1H to Gate6H and Gate1L to Gate6L are on and off Are contradictory signals.
In the steady state, the smoothing capacitors Cs1, Cs2 are charged with a voltage V1 / 2, and the smoothing capacitors Cs3, Cs4, Cs5, Cs6 are charged with an average voltage of (V2-V1) / 4. .
Since the voltage V2 is approximately three times the voltage V1, the applied voltage of each smoothing capacitor and each semiconductor switching element is approximately V1 / 2.
昇圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1L、Gate3L、Gate5LによりMos1L、Mos3L、Mos5L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、Cs4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Cr13、Cr15に移行する。
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos5L⇒Lr15⇒Cr15⇒Mos1L
次いで、ゲート信号Gate1H、Gate3H、Gate5HによりMos1H、Mos3H、Gate5Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr13、Cr15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、Cs4、Cs5に移行する。
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cr15⇒Lr15⇒Mos5H⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
即ち、コンデンサ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Cs3へエネルギが移行する。コンデンサCr15の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs5へエネルギが移行する。
The operation as a booster circuit will be described below.
When Mos1L, Mos3L, and Mos5L are turned on by the gate signals Gate1L, Gate3L, and Gate5L, there is a voltage difference, so that some energy stored in the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, and Cs4 is transferred to the capacitor through the path shown below. Transition to Cr13, Cr15.
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos5L⇒Lr15⇒Cr15⇒Mos1L
Next, when Mos1H, Mos3H, Gate5H is turned on by the gate signals Gate1H, Gate3H, Gate5H, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitors Cr13, Cr15, the capacitor Cs2, Move to Cs3, Cs4, Cs5.
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cr15⇒Lr15⇒Mos5H⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the smoothing capacitor Cs3 by charging and discharging the capacitor Cr13. Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the smoothing capacitor Cs5 by charging and discharging the capacitor Cr15.
また、ゲート信号Gate2L、Gate4L、Gate6LによりMos2L、Mos4L、Mos6L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、Cs4、Cs5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Cr24、Cr26に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2L
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos6L⇒Lr26⇒Cr26⇒Mos2L
次いで、ゲート信号Gate2H、Gate4H、Gate6HによりMos2H、Mos4H、Mos6Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr24、Cr26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Cs3、Cs4、Cs5、Cs6に移行する。
Cr24⇒Lr24⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
Cr26⇒Lr26⇒Mos6H⇒Cs6⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
即ち、コンデンサCr24の充放電により、平滑コンデンサCs2から平滑コンデンサCs4へエネルギが移行する。コンデンサCr26の充放電により、平滑コンデンサCs2から平滑コンデンサCs6へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2に分割され、分割された平滑コンデンサCs1、Cs2のエネルギの一部が平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5、Cs6へ移行し、電圧端子VH-Vcom間にエネルギが送られる。
In addition, when Mos2L, Mos4L, and Mos6L are turned on by the gate signals Gate2L, Gate4L, and Gate6L, there is a voltage difference, so that some energy stored in the smoothing capacitors Cs2, Cs3, Cs4, and Cs5 is the path shown below To move to capacitors Cr24 and Cr26.
Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2L
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos6L⇒Lr26⇒Cr26⇒Mos2L
Next, when Mos2H, Mos4H, Mos6H are turned on by the gate signals Gate2H, Gate4H, Gate6H, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitors Cr24, Cr26, the capacitors Cs3, Move to Cs4, Cs5, Cs6.
Cr24⇒Lr24⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
Cr26⇒Lr26⇒Mos6H⇒Cs6⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs2 to the smoothing capacitor Cs4 by charging and discharging the capacitor Cr24. Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs2 to the smoothing capacitor Cs6 by charging and discharging of the capacitor Cr26.
That is, the energy input between the voltage terminals VL and Vcom is divided into the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, and a part of the energy of the divided smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is transferred to the smoothing capacitors Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6. Energy is sent between the voltage terminals VH and Vcom.
つづいて、降圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1H、Gate3H、Gat5HによりMos1H、Mos3H、Mos5H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、Cs4、Cs5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Cr13、Cr15に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos5H⇒Lr15⇒Cr15⇒Mos1H
次いで、ゲート信号Gate1L、Gate3L、Gate5LによりMos1L、Mos3L、Mos5Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr13、Cr15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、Cs3、Cs4に移行する。
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr15⇒Lr15⇒Mos5L⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
即ち、コンデンサCr13の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs1へエネルギが移行する。コンデンサCr15の充放電により、平滑コンデンサCs5から平滑コンデンサCs1へエネルギが移行する。
Next, the operation as a step-down circuit will be described below.
When Mos1H, Mos3H, and Mos5H are turned on by the gate signals Gate1H, Gate3H, and Gat5H, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitors Cs2, Cs3, Cs4, and Cs5 is stored in the capacitor through the path shown below. Transition to Cr13, Cr15.
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos5H⇒Lr15⇒Cr15⇒Mos1H
Next, when Mos1L, Mos3L, Mos5L are turned on by the gate signals Gate1L, Gate3L, Gate5L, there is a voltage difference, so that some energy stored in the smoothing capacitors Cr13, Cr15 is stored in the capacitors Cs1, Move to Cs2, Cs3, Cs4.
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr15⇒Lr15⇒Mos5L⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs3 to the smoothing capacitor Cs1 by charging and discharging of the capacitor Cr13. Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs5 to the smoothing capacitor Cs1 by charging and discharging of the capacitor Cr15.
また、ゲート信号Gate2H、Gate4H、Gate6HによりMos2H、Mos4H、Mos6Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5、Cs6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Cr24、Cr26に移行する。
Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2H
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Cs6⇒Mos6H⇒Lr26⇒Cr26⇒Mos2H
次いで、ゲート信号Gate2L、Gate4L、Gate6LによりMos2L、Mos4L、Mos6Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr24、Cr26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、Cs4、Cs5に移行する。
Cr24⇒Lr24⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
Cr26⇒Lr26⇒Mos6L⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
即ち、コンデンサCr24の充放電により、平滑コンデンサCs4から平滑コンデンサCs2へエネルギが移行する。コンデンサCr26の充放電により、平滑コンデンサCs6から平滑コンデンサCs2へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6に分割され、分割された平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5、Cs6のエネルギが平滑コンデンサCs1、Cs2へ移行し、電圧端子VL-Vcom間にエネルギが送られる。
In addition, when Mos2H, Mos4H, and Mos6H are turned on by the gate signals Gate2H, Gate4H, and Gate6H, there is a voltage difference, so that some energy stored in the smoothing capacitors Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6 is the path shown below To move to capacitors Cr24 and Cr26.
Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr24⇒Cr24⇒Mos2H
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Cs6⇒Mos6H⇒Lr26⇒Cr26⇒Mos2H
Next, when Mos2L, Mos4L, Mos6L are turned on by the gate signals Gate2L, Gate4L, Gate6L, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitors Cr24, Cr26, the capacitor Cs2, Move to Cs3, Cs4, Cs5.
Cr24⇒Lr24⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
Cr26⇒Lr26⇒Mos6L⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs4 to the smoothing capacitor Cs2 by charging and discharging of the capacitor Cr24. Energy is transferred from the smoothing capacitor Cs6 to the smoothing capacitor Cs2 by charging and discharging of the capacitor Cr26.
That is, the energy input between the voltage terminals VH and Vcom is divided into smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6, and the energy of the divided smoothing capacitors Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6 is the smoothing capacitor Cs1. , Cs2 and energy is sent between the voltage terminals VL-Vcom.
このように、この発明の実施の形態３によれば、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs6と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2となる。
また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr13の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs3の間でエネルギを移行し、コンデンサCr15の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs5の間でエネルギを移行し、コンデンサCr24の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs4の間でエネルギを移行し、コンデンサCr26の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs6の間で、エネルギを移行する。各コンデンサCr13、Cr15、Cr24、Cr26には、インダクタLr13、Lr15、Lr24、Lr26が直列に接続されてＬＣ直列体LC13、LC15、LC24、LC26を構成するため、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。
更に、回路A1〜A6を６直列接続しているが、回路A1、A3間、回路A1、A5間にＬＣ直列体LC13、LC15を接続し、回路A2、A4間、回路A2、A6間にＬＣ直列体LC24、LC26を接続しているため、ＬＣ直列体は４個であり、特許文献１の従来装置に比して個数が少なくなっている。
As described above, according to the third embodiment of the present invention, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1 and Cs2, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs6 and the semiconductor switching elements are V1 / 2.
In step-up and step-down operations, energy is transferred between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs3 by charging and discharging the capacitor Cr13, and energy is transferred between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs5 by charging and discharging the capacitor Cr15. The energy is transferred between the smoothing capacitor Cs2 and the smoothing capacitor Cs4 by charging and discharging of the capacitor Cr24, and the energy is transferred between the smoothing capacitor Cs2 and the smoothing capacitor Cs6 by charging and discharging of the capacitor Cr26. Inductors Lr13, Lr15, Lr24, and Lr26 are connected in series to each capacitor Cr13, Cr15, Cr24, and Cr26 to form an LC series body LC13, LC15, LC24, and LC26. Therefore, energy transfer uses a resonance phenomenon. And can transfer a large amount of energy efficiently.
Furthermore, 6 circuits A1 to A6 are connected in series. LC series bodies LC13 and LC15 are connected between circuits A1 and A3, between circuits A1 and A5, and between circuits A2 and A4 and between circuits A2 and A6. Since the serial bodies LC24 and LC26 are connected, the number of LC serial bodies is four, and the number is smaller than that of the conventional device of
なお、実施の形態３の変形例として、図８に示すように、LC直列体LC15、LC26の代わりに、LC直列体LC35、LC46を用いた構成であっても、図７の実施の形態と同様に、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(直流電圧V2を直流電圧V1の3倍と同等とする機能)を持たせることができる。
図７による上記実施の形態ではＬＣ直列体LC15の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に、他端はMos5LとMos5Hの接続点に接続され、LC直列体LC26の一端は、Mos2LとMos2Hの接続点に、他端はMos6LとMos6Hの接続点に接続されていたが、
図８による実施の形態では、LC直列体LC35の一端は、Mos3LとMos3Hの接続点に、他端はMos5LとMos5Hの接続点に接続され、LC直列体LC46の一端は、Mos4LとMos4Hの接続点に、他端はMos6LとMos6Hの接続点に接続されている。
As a modification of the third embodiment, as shown in FIG. 8, even if the LC serial bodies LC35 and LC46 are used instead of the LC serial bodies LC15 and LC26, as shown in FIG. Similarly, it is possible to provide a function of converting the DC voltage into a DC voltage that is boosted by a factor of 3 or reduced to a factor of 1/3 (a function that makes the DC voltage V2 equal to 3 times the DC voltage V1).
In the above embodiment according to FIG. 7, one end of the LC series body LC15 is connected to a connection point between Mos1L and Mos1H, the other end is connected to a connection point between Mos5L and Mos5H, and one end of the LC series body LC26 is connected to Mos2L and Mos2H. On the other hand, the other end was connected to the connection point of Mos6L and Mos6H.
In the embodiment according to FIG. 8, one end of the LC series body LC35 is connected to a connection point between Mos3L and Mos3H, the other end is connected to a connection point between Mos5L and Mos5H, and one end of the LC series body LC46 is connected to Mos4L and Mos4H. The other end is connected to the connection point of Mos6L and Mos6H.
図８の実施の形態においても、図７による上記実施の形態と同様に、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs6と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/2となる。
回路A1〜A6を６直列接続しているが、回路A1、A3、A5をＬＣ直列体LC13、LC35で数珠繋ぎに接続し、回路A2、A4、A6をＬＣ直列体LC24、LC46で数珠繋ぎに接続しているため、ＬＣ直列体は4個であり、特許文献１の従来装置に比して個数が少なくなっている。
また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr13の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs3の間で、コンデンサCr35の充放電により平滑コンデンサCs3と平滑コンデンサCs5の間で、コンデンサCr24の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs4の間で、コンデンサCr46の充放電により平滑コンデンサCs4と平滑コンデンサCs6の間で、エネルギを移行する。各コンデンサCr13、Cr35、Cr24、Cr46には、インダクタLr13、Lr35、Lr24、Lr46が直列に接続されてＬＣ直列体LC13、LC35、LC24、LC46を構成するため、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。
In the embodiment of FIG. 8 as well, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 in the same manner as in the above embodiment of FIG. 7, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs6 and the semiconductor switching elements are V1. / 2.
Circuits A1 to A6 are connected in series, but circuits A1, A3, and A5 are connected in tandem with LC series LC13 and LC35, and circuits A2, A4, and A6 are connected in daisy chain with LC series LC24 and LC46. Therefore, the number of LC serial bodies is four, and the number is smaller than that of the conventional device of
In step-up and step-down operation, the capacitor Cr13 is charged / discharged between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs3, the capacitor Cr35 is charged / discharged between the smoothing capacitor Cs3 and the smoothing capacitor Cs5, and the capacitor Cr24 is charged / discharged. Energy is transferred between the smoothing capacitor Cs4 and the smoothing capacitor Cs6 by charging and discharging the capacitor Cr46 between the smoothing capacitor Cs4 and the smoothing capacitor Cs4. Inductors Lr13, Lr35, Lr24, and Lr46 are connected in series to each capacitor Cr13, Cr35, Cr24, and Cr46 to form an LC series body LC13, LC35, LC24, and LC46. Therefore, energy transfer uses a resonance phenomenon. And can transfer a large amount of energy efficiently.
実施の形態４．
図９は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示す図である。この実施の形態４では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約２倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する機能と、電圧端子VHとVcom間に入力された電圧V2を、約1/２倍に降圧された電圧V１にして電圧端子VＬとVcom間に出力する機能を有する双方向のDC/DC電力変換装置について示す。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to
図９に示すように、実施の形態４においては、図７にて示した実施の形態３における回路A１〜A6とMOSFETおよび平滑コンデンサの構成が同じ回路A１〜A6を用い、回路間に配設されるＬＣ直列体および電圧端子の接続構成を異なるものとしている。
即ち、低電圧側の正極電圧端子VLは平滑コンデンサCs3とCs4の接続点に接続され、低電圧側の負極端子Vcomは平滑コンデンサCs1の低電圧側端子に接続され、高電圧側の正極電圧端子VHは平滑コンデンサCs6の高電圧側端子に接続されている。
回路Ａ１と回路Ａ４との中間端子間に、回路Ａ２と回路Ａ５との中間端子間に、回路Ａ３と回路Ａ６との中間端子間に、コンデンサCr14、Cr25、Cr36およびインダクタLr14、Lr25、Lr36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LC14、LC25、LC36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。
As shown in FIG. 9, in the fourth embodiment, the circuits A1 to A6 in the third embodiment shown in FIG. 7 and the circuits A1 to A6 having the same MOSFET and smoothing capacitor configuration are used and arranged between the circuits. The connection configuration of the LC series body and the voltage terminal is different.
That is, the positive voltage terminal VL on the low voltage side is connected to the connection point between the smoothing capacitors Cs3 and Cs4, the negative terminal Vcom on the low voltage side is connected to the low voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs1, and the positive voltage terminal on the high voltage side VH is connected to the high voltage side terminal of the smoothing capacitor Cs6.
Between the intermediate terminals of the circuit A1 and the circuit A4, between the intermediate terminals of the circuit A2 and the circuit A5, between the intermediate terminals of the circuit A3 and the circuit A6, capacitors Cr14, Cr25, Cr36 and inductors Lr14, Lr25, Lr36 LC series bodies LC14, LC25, and LC36 that are configured in series and function as energy transfer elements are connected. The resonance period values determined from the inductance value and the capacitance value of the inductor Lr and the capacitor Cr at each stage are set to be equal to each other.
まず、実施の形態４のＤＣ／ＤＣ電力変換装置の動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr14、Cr25、Cr36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VH-Vcom間の電圧V2は、電圧端子VL−Vcom間の電圧V1の約2倍となる。
電圧V2が２×V1よりも少し低い値のときは、電圧V1を電圧V2に昇圧する昇圧回路として動作する。昇圧回路として動作するときは、回路A1、A2、A3は電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）（Mos2L、Mos2H）（Mos3L、Mos3H）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用いられる。また、回路A4、A5、A6は、駆動用インバータ回路A1、A2、A3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用いられる。
First, the operation of the DC / DC power conversion apparatus according to the fourth embodiment will be described.
The capacitance values of the smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6 are set to a sufficiently large value as compared with the capacitance values of the LC series capacitors Cr14, Cr25, and Cr36. As described above, the voltage V2 between the voltage terminals VH and Vcom is approximately twice the voltage V1 between the voltage terminals VL and Vcom.
When the voltage V2 is slightly lower than 2 × V1, it operates as a booster circuit that boosts the voltage V1 to the voltage V2. When operating as a booster circuit, the circuits A1, A2, and A3 use the voltage input between the voltage terminals VL and Vcom to increase the voltage of the MOSFETs (Mos1L, Mos1H) (Mos2L, Mos2H) (Mos3L, Mos3H). Used as a drive inverter circuit to send to the side. The circuits A4, A5, and A6 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A1, A2, and A3 and shift the energy to the high voltage side.
また、電圧V2が２×V1よりも少し大きい値のときは、電圧V2を電圧V1に降圧する降圧回路として動作する。降圧回路として動作するときは、回路A4、A5、A6は、電圧端子
VH−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET(Mos4L、Mos4H) (Mos5L、Mos5H) (Mos6L、Mos6H)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として用いられる。また、回路A1、A2、A3は、駆動用インバータ回路Ａ4、Ａ５、Ａ６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。
When the voltage V2 is slightly larger than 2 × V1, it operates as a step-down circuit that steps down the voltage V2 to the voltage V1. When operating as a step-down circuit, circuits A4, A5, and A6 are voltage terminals
It is used as a drive inverter circuit that sends energy input between VH and Vcom to the low voltage side by the on / off operation of MOSFETs (Mos4L, Mos4H) (Mos5L, Mos5H) (Mos6L, Mos6H). The circuits A1, A2, and A3 are used as rectifier circuits that rectify the current driven by the driving inverter circuits A4, A5, and A6 and shift the energy to the low voltage side.
ゲート信号は、Gate1L〜Gate6Lは同等の信号であり、Gate1H〜Gate6Hも同等の信号である。また、インダクタLrとコンデンサCrによるＬＣ直列体LC14、LC25、LC36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、Gate1H〜Gate6HとGate1L〜Gate6Lはオンとオフとが相反する信号である。
定常状態では、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3にはV1/3の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs4、Cs5、Cs6には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。
電圧V2は電圧V1のほぼ２倍となるので、各平滑コンデンサ、各半導体スイッチング素子の印加電圧はほぼV1/３となる。
As for the gate signals, Gate1L to Gate6L are equivalent signals, and Gate1H to Gate6H are also equivalent signals. Moreover, it is an ON / OFF signal with a duty equal to about 50% at a period T equivalent to the resonance period determined by the LC series bodies LC14, LC25, and LC36 by the inductor Lr and the capacitor Cr. Gate1H to Gate6H and Gate1L to Gate6L are turned on and off. It is a contradictory signal.
In the steady state, the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 are charged with a voltage of V1 / 3, and the smoothing capacitors Cs4, Cs5, and Cs6 are charged with an average voltage of (V2-V1) / 3. .
Since the voltage V2 is almost twice the voltage V1, the voltage applied to each smoothing capacitor and each semiconductor switching element is approximately V1 / 3.
昇圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1L、Gate4LによりMos1L、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Cr14に移行する。
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1L
次いで、ゲート信号Gate1H、Gate4HによりMos1H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr14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、Cs4に移行する。
Cr14⇒Lr14⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
即ち、コンデンサ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Cs4へエネルギが移行する。
The operation as a booster circuit will be described below.
When Mos1L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate4L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 is transferred to the capacitor Cr14 through the following path.
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1L
Next, when Mos1H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate4H, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitor Cr14 is transferred to the capacitors Cs2, Cs3, and Cs4 through the following path .
Cr14⇒Lr14⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs1 to the smoothing capacitor Cs4 by charging and discharging the capacitor Cr14.
また、ゲート信号Gate2L、Gate5LによりMos2L、Mos5L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、Cs4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Cr25に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos5L⇒Lr25⇒Cr25⇒Mos2L
次いで、ゲート信号Gate2H、Gate5HによりMos2H、Mos5Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr25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Cs3、Cs4、Cs5に移行する。
Cr25⇒Lr25⇒Mos5H⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
即ち、コンデンサCr25の充放電により、平滑コンデンサCs2から平滑コンデンサCs5へエネルギが移行する。
Also, when Mos2L and Mos5L are turned on by the gate signals Gate2L and Gate5L, there is a voltage difference, so some energy stored in the smoothing capacitors Cs2, Cs3, and Cs4 is transferred to the capacitor Cr25 through the following path .
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos5L⇒Lr25⇒Cr25⇒Mos2L
Next, when Mos2H and Mos5H are turned on by the gate signals Gate2H and Gate5H, because there is a voltage difference, some energy stored in the smoothing capacitor Cr25 is transferred to the capacitors Cs3, Cs4, and Cs5 through the following path .
Cr25⇒Lr25⇒Mos5H⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos2H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs2 to the smoothing capacitor Cs5 by charging and discharging of the capacitor Cr25.
また、ゲート信号Gate3L、Gate6LによりMos3L、Mos6Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5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Cr36に移行する。
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos6L⇒Lr36⇒Cr36⇒Mos3L
次いで、ゲート信号Gate3H、Gate6HによりMos3H、Mos6Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCr36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Cs4、Cs5、Cs6に移行する。
Cr36⇒Lr36⇒Mos6H⇒Cs6⇒Cs5⇒Cs4⇒Mos3H
即ち、コンデンサCr36の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs6へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に分割され、分割された平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3のエネルギの一部が平滑コンデンサCs4、Cs5、Cs6へ移行し、電圧端子VH−Vcom間にエネルギが送られる。
In addition, when Mos3L and Mos6L are turned on by the gate signals Gate3L and Gate6L, there is a voltage difference, so some energy stored in the smoothing capacitors Cs3, Cs4, and Cs5 is transferred to the capacitor Cr36 through the path shown below. .
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos6L⇒Lr36⇒Cr36⇒Mos3L
Next, when Mos3H and Mos6H are turned on by the gate signals Gate3H and Gate6H, since there is a voltage difference, a part of the energy stored in the smoothing capacitor Cr36 is transferred to the capacitors Cs4, Cs5 and Cs6 through the following path .
Cr36⇒Lr36⇒Mos6H⇒Cs6⇒Cs5⇒Cs4⇒Mos3H
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs3 to the smoothing capacitor Cs6 by charging and discharging the capacitor Cr36.
That is, the energy input between the voltage terminals VL and Vcom is divided into smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3, and a part of the energy of the divided smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 is supplied to the smoothing capacitors Cs4, Cs5, and Cs6. The energy is transferred between the voltage terminals VH and Vcom.
つづいて、降圧回路としての動作を以下に説明する。
ゲート信号Gate1H、Gate4HによりMos1H、Mos4H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、Cs4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Cr14に移行する。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1H
次いで、ゲート信号Gate1L、Gate4LによりMos1L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr14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、Cs3に移行する。
Cr14⇒Lr14⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
即ち、コンデンサCr14の充放電により、平滑コンデンサCs4から平滑コンデンサCs1へエネルギが移行する。
Next, the operation as a step-down circuit will be described below.
When Mos1H and Mos4H are turned on by the gate signals Gate1H and Gate4H, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the smoothing capacitors Cs2, Cs3, and Cs4 is transferred to the capacitor Cr14 through the following path.
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1H
Next, when Mos1L and Mos4L are turned on by the gate signals Gate1L and Gate4L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the capacitor Cr14 is transferred to the capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 through the following paths.
Cr14⇒Lr14⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs4 to the smoothing capacitor Cs1 by charging and discharging of the capacitor Cr14.
また、ゲート信号Gate2H、Gate5HによりMos2H、Mos5Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3、Cs4、Cs5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Cr25に移行する。
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos5H⇒Lr25⇒Cr25⇒Mos2H
次いで、ゲート信号Gate2L、Gate5LによりMos2L、Mos5Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr25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、Cs4に移行する。
Cr25⇒Lr25⇒Mos5L⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
即ち、コンデンサCr25の充放電により、平滑コンデンサCs5から平滑コンデンサCs2へエネルギが移行する。
Also, when Mos2H and Mos5H are turned on by the gate signals Gate2H and Gate5H, there is a voltage difference, so some energy stored in the smoothing capacitors Cs3, Cs4, and Cs5 is transferred to the capacitor Cr25 through the following path .
Cs3⇒Cs4⇒Cs5⇒Mos5H⇒Lr25⇒Cr25⇒Mos2H
Next, when Mos2L and Mos5L are turned on by the gate signals Gate2L and Gate5L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the capacitor Cr25 is transferred to the capacitors Cs2, Cs3, and Cs4 through the following paths.
Cr25⇒Lr25⇒Mos5L⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs5 to the smoothing capacitor Cs2 by charging and discharging of the capacitor Cr25.
また、ゲート信号Gate3H、Gate6HによりMos3H、Mos6Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs4、Cs5、Cs6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Cr36に移行する。
Cs4⇒Cs5⇒Cs6⇒Mos6H⇒Lr36⇒Cr36⇒Mos3H
次いで、ゲート信号Gate3L、Gate6LによりMos3L、Mos6Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr36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Cs3、Cs4、Cs5に移行する。
Cr36⇒Lr36⇒Mos6L⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos3L
即ち、コンデンサCr36の充放電により、平滑コンデンサCs6から平滑コンデンサCs3へエネルギが移行する。
即ち、電圧端子VH−Vcom間に入力されるエネルギが、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4、Cs5、Cs6に分割され、分割された平滑コンデンサCs4、Cs5、Cs6のエネルギが平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3へ移行し、電圧端子VL-Vcom間にエネルギが送られる。
Also, when Mos3H and Mos6H are turned on by the gate signals Gate3H and Gate6H, there is a voltage difference, so some energy stored in the smoothing capacitors Cs4, Cs5, and Cs6 is transferred to the capacitor Cr36 through the following path .
Cs4⇒Cs5⇒Cs6⇒Mos6H⇒Lr36⇒Cr36⇒Mos3H
Next, when Mos3L and Mos6L are turned on by the gate signals Gate3L and Gate6L, since there is a voltage difference, a part of energy stored in the capacitor Cr36 is transferred to the capacitors Cs3, Cs4, and Cs5 through the following paths.
Cr36⇒Lr36⇒Mos6L⇒Cs5⇒Cs4⇒Cs3⇒Mos3L
That is, energy is transferred from the smoothing capacitor Cs6 to the smoothing capacitor Cs3 by charging and discharging the capacitor Cr36.
That is, the energy input between the voltage terminals VH and Vcom is divided into smoothing capacitors Cs1, Cs2, Cs3, Cs4, Cs5, and Cs6, and the energy of the divided smoothing capacitors Cs4, Cs5, and Cs6 is smoothed capacitors Cs1, Cs2 , Cs3, and energy is sent between the voltage terminals VL-Vcom.
このように、この発明の実施の形態４によれば、電圧V1を平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3により分圧するため、各コンデンサCs1〜Cs6と各半導体スイッチング素子に印加される電圧はV1/3となる。回路A1〜A6を6直列接続しているが、回路A1、A4間にＬＣ直列体LC14を接続し、回路A2、A5間にＬＣ直列体LC25を接続し、回路A3、A6間にＬＣ直列体LC36を接続しているため、ＬＣ直列体は３個であり、特許文献１の従来装置に比し個数が少なくなっている。
また、昇圧動作および降圧動作において、コンデンサCr14の充放電により平滑コンデンサCs1と平滑コンデンサCs4の間で、コンデンサCr25の充放電により平滑コンデンサCs2と平滑コンデンサCs5の間で、コンデンサCr36の充放電により平滑コンデンサCs3と平滑コンデンサCs6の間でエネルギを移行する。
各コンデンサCr14、Cr25、Cr36には、インダクタLr14、Lr25、Lr36が直列に接続されてＬＣ直列体LC14、LC25、LC36を構成するため、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。
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, the voltage V1 is divided by the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3, so that the voltages applied to the capacitors Cs1 to Cs6 and the semiconductor switching elements are V1 / 3. Become. 6 circuits A1 to A6 are connected in series, LC series body LC14 is connected between circuits A1 and A4, LC series body LC25 is connected between circuits A2 and A5, and LC series body is connected between circuits A3 and A6. Since LC36 is connected, the number of LC serial bodies is three, and the number is smaller than that of the conventional device disclosed in
In step-up and step-down operation, the capacitor Cr14 is charged / discharged between the smoothing capacitor Cs1 and the smoothing capacitor Cs4, the capacitor Cr25 is charged / discharged between the smoothing capacitor Cs2 and the smoothing capacitor Cs5, and the capacitor Cr36 is charged / discharged. Energy is transferred between the capacitor Cs3 and the smoothing capacitor Cs6.
Inductors Lr14, Lr25, and Lr36 are connected in series with each capacitor Cr14, Cr25, and Cr36 to form an LC series body LC14, LC25, and LC36. Therefore, the energy transfer uses a resonance phenomenon, and a large amount of energy is consumed. Can be migrated efficiently.
この実施の形態４では、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3間の電圧バランスを取るために、バランス抵抗Rs1、Rs2、Rs3を平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に並列に接続している。コンデンサCr14の充放電により、平滑コンデンサCs1とCs4はほぼ電圧が等しくなる。また、コンデンサCr25の充放電により、平滑コンデンサCs2とCs5は電圧がほぼ等しくなる。また、コンデンサCr36の充放電により、平滑コンデンサCs3とCs6は電圧がほぼ等しくなる。そのため、各平滑コンデンサCs1〜Cs6の電圧を等しくすることが出来る。なお、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3にバランス抵抗を接続したが、バランス抵抗を平滑コンデンサCs4、Cs5、Cs6に接続しても、同様の効果を得られる。また、平滑コンデンサCs1〜Cs6のすべてに、バランス抵抗を接続してもよい。 In the fourth embodiment, balance resistors Rs1, Rs2, and Rs3 are connected in parallel to the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3 in order to balance the voltage between the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3. Due to the charging / discharging of the capacitor Cr14, the smoothing capacitors Cs1 and Cs4 have substantially the same voltage. Further, due to charging / discharging of the capacitor Cr25, the voltages of the smoothing capacitors Cs2 and Cs5 become substantially equal. In addition, due to charging / discharging of the capacitor Cr36, the voltages of the smoothing capacitors Cs3 and Cs6 become substantially equal. Therefore, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 to Cs6 can be made equal. Although the balance resistors are connected to the smoothing capacitors Cs1, Cs2, and Cs3, the same effect can be obtained by connecting the balance resistors to the smoothing capacitors Cs4, Cs5, and Cs6. Further, a balance resistor may be connected to all of the smoothing capacitors Cs1 to Cs6.
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の構成を示す図である。図１０の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、図１にて示した実施の形態１と同等の機能を有し、バランス回路以外の回路構成はすべて同じである。
図１０に示すように、実施の形態５においては、バランス回路は半導体素子Ss1とバランス抵抗Rs1の直列体が平滑コンデンサCs1に並列に接続され、半導体素子Ss2とバランス抵抗Rs2の直列体が平滑コンデンサCs2に並列に接続されている。
半導体素子Ss1、Ss2はマイコンなどに接続されており、オン、オフを制御することが出来る。また、平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧を検出する回路を備えている。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a DC / DC power conversion apparatus according to
As shown in FIG. 10, in the fifth embodiment, the balance circuit includes a series body of the semiconductor element Ss1 and the balance resistor Rs1 connected in parallel to the smoothing capacitor Cs1, and a series body of the semiconductor element Ss2 and the balance resistor Rs2 is the smoothing capacitor. Connected in parallel to Cs2.
The semiconductor elements Ss1 and Ss2 are connected to a microcomputer or the like, and can be controlled on and off. A circuit for detecting the voltages of the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 is also provided.
次に、実施の形態５におけるバランス回路の動作について説明する。
平滑コンデンサCs1の電圧が平滑コンデンサCs2の電圧よりも、ある所定量以上に大きい時には、半導体素子Ss1をオンとし、平滑コンデンサCs1の電荷を放電し、平滑コンデンサCs1の電圧を下げる。
また、平滑コンデンサCs2の電圧が平滑コンデンサCs1の電圧よりも、ある所定量以上に大きい時には、半導体素子Ss2をオンとし、平滑コンデンサCs2の電荷を放電し、平滑コンデンサCs2の電圧を下げる。
即ち、平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧を検出し、半導体素子Ss1、Ss2をオン、オフ動作させることにより、平滑コンデンサCs1、Cs2の電圧を等しく保つことができる。
Next, the operation of the balance circuit in the fifth embodiment will be described.
When the voltage of the smoothing capacitor Cs1 is larger than the voltage of the smoothing capacitor Cs2, the semiconductor element Ss1 is turned on, the electric charge of the smoothing capacitor Cs1 is discharged, and the voltage of the smoothing capacitor Cs1 is lowered.
Further, when the voltage of the smoothing capacitor Cs2 is larger than the voltage of the smoothing capacitor Cs1, the semiconductor element Ss2 is turned on, the electric charge of the smoothing capacitor Cs2 is discharged, and the voltage of the smoothing capacitor Cs2 is lowered.
That is, by detecting the voltages of the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 and turning on and off the semiconductor elements Ss1 and Ss2, the voltages of the smoothing capacitors Cs1 and Cs2 can be kept equal.
以上各実施の形態を用いて説明したように、この発明のＤＣ／ＤＣ電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子あるいはダイオード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コンデンサの正負端子間に接続して成る複数の回路を直列に接続すると共に、上記直列接続された回路の内の複数個に低電圧側直流電圧を印加し、上記低電圧側直流電圧が印加された回路とその他の回路間にエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配して複数段電力変換回路を構成することにより、低電圧の平滑コンデンサと半導体スイッチング素子を適用でき、エネルギ移行用のコンデンサとインダクタの個数を少なくすることができる。 As described above with reference to the embodiments, according to the DC / DC power conversion apparatus of the present invention, the high-voltage side element and the low-voltage side element formed of a semiconductor switching element or a diode are connected in series, and the positive and negative terminals of the smoothing capacitor A plurality of circuits connected in series are connected in series, a low-voltage side DC voltage is applied to a plurality of the series-connected circuits, the circuit to which the low-voltage side DC voltage is applied, and others A low voltage smoothing capacitor and a semiconductor switching element are applied by connecting a capacitor for energy transfer between the circuits and arranging an inductor in the path for charging and discharging the capacitor to form a multistage power conversion circuit. In addition, the number of energy transfer capacitors and inductors can be reduced.
A1〜A6、A3b、A4b：回路、Cs1〜Cs6：平滑コンデンサ、
Mos1L〜Mos6L、Mos1H〜Mos6H：MOSFET、
Di3L、Di4L、Di3H、Di4H：ダイオード、
LC13、LC24、LC14、LC23、LC12、LC34、LC15、LC26、LC35、LC46、
LC25、LC36：LC直列体、
Cr13、Cr24、Cr14、Cr23、Cr12、Cr34、Cr15、Cr26、Cr35、Cr46、Cr25、
Cr36：コンデンサ、
Lr13、Lr24、Lr14、Lr23、Lr12、Lr34、Lr15、Lr26、Lr35、Lr46、Lr25、
Lr36：インダクタ、
Gate1L〜Gate6L、Gate1H〜Gate6H：ゲート信号、
VH、VM、VL、Vcom：電圧端子、
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６：ゲート駆動回路、
Vs1、Vs2、Vs3、Vs4、Vs5、Vs6：電源、
Ss1、Ss2：半導体素子。
A1 to A6, A3b, A4b: Circuit, Cs1 to Cs6: Smoothing capacitor,
Mos1L to Mos6L, Mos1H to Mos6H: MOSFET,
Di3L, Di4L, Di3H, Di4H: Diode,
LC13, LC24, LC14, LC23, LC12, LC34, LC15, LC26, LC35, LC46,
LC25, LC36: LC series body,
Cr13, Cr24, Cr14, Cr23, Cr12, Cr34, Cr15, Cr26, Cr35, Cr46, Cr25,
Cr36: Capacitor,
Lr13, Lr24, Lr14, Lr23, Lr12, Lr34, Lr15, Lr26, Lr35, Lr46, Lr25,
Lr36: Inductor,
Gate1L to Gate6L, Gate1H to Gate6H: Gate signal,
VH, VM, VL, Vcom: Voltage terminals,
111, 112, 113, 114, 115, 116: gate drive circuit,
Vs1, Vs2, Vs3, Vs4, Vs5, Vs6: Power supply,
Ss1, Ss2: Semiconductor elements.
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