JP2017034916A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置において、入力端子と出力端子との間に直列接続された非絶縁型変換回路及び絶縁型変換回路と、スイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、を備え、軽負荷領域において、非絶縁型変換回路のリアクトル電流の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなる。
【選択図】図11
Description
る共振電流が0A付近でオフされることになるので、サージ電圧が抑制されるという特徴を有する。
実施の形態1に係る電力変換装置50について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る電力変換装置50の構成図である。
電力変換装置50は、入力端子51と出力端子52との間で直流電圧を変換するDC−DC変換装置である。すなわち、電力変換装置50は、入力端子51に入力された直流電圧(入力電圧Vi)を任意の直流電圧(出力電圧Vo)に変換して出力端子52に出力する。
本実施の形態では、制御部12は、出力端子52の出力電圧Voが、予め設定された目標電圧Votに近づくように、昇圧変換回路13のスイッチング素子3をオンオフする矩形パルス波信号のオンデューティ比D1を変化させるように構成されている。また、制御部12は、共振変換回路14の第一スイッチング素子5と第二スイッチング素子6とを、双方をオフさせる予め設定されたデッドタイムTdを間に設けて、予め設定された周期Tsw2で交互にオンさせるように構成されている。
次に、昇圧変換回路13の動作原理について説明する。図2は、制御部12が昇圧変換回路13のスイッチング素子3をオンオフさせたときの電流経路を示す説明図である。実線は、スイッチング素子3をオンさせたときの電流経路を示し、破線はスイッチング素子3をオフさせたときの電流経路を示している。
共振変換回路14の動作原理について説明する。
図3のタイムチャートには、共振変換回路14のオンオフ制御時の各電圧電流波形を示している。図4には、第一及び第二スイッチング素子5、6をオンオフ制御しているときの電流経路を示している。なお、図3には、第一スイッチング素子5の制御信号をVgs5で示し、第二スイッチング素子6の制御信号をVgs6で示している。
電力変換装置50の課題について説明する。上記で説明したように、共振変換回路14をソフトスイッチング可能となる最適状態で動作させ、共振変換回路14(出力端子52)の出力電圧Voは、昇圧変換回路13の出力電圧Vcを変化させることにより制御されている。このときの昇圧変換回路13に流れる各素子の電流及び電圧波形について説明する。
図5のタイムチャートに、平滑用リアクトル1に流れる電流であるリアクトル電流iL1が、電流連続モードで動作した場合における、各素子に流れる電流波形を示す。なお、電流連続モードは、スイッチング素子3のスイッチング周期Tswにおいて、リアクトル電流iL1が常にゼロよりも大きくなる動作モードである。
IL1pp/(1−D1)/Tswは、リアクトル電流iL1が減少中の傾きである。
図8のタイムチャートに、リアクトル電流iL1が、電流不連続モードで動作した場合における、各素子に流れる電流波形を示す。なお、電流不連続モードは、スイッチング素子3のスイッチング周期Tswにおいてリアクトル電流iL1がゼロになる期間がある動作モードである。
そこで、本実施の形態に係る電力変換装置50は、電力変換装置50が変換する変換電力が低い軽負荷領域において、リアクトル電流iL1の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなるように構成されている。上記のように、電流臨界モードは、リアクトル電流iL1がゼロまで減少したときにスイッチング素子3がオンされる動作モードであり、電流不連続モードは、スイッチング素子3のスイッチング周期Tswにおいてリアクトル電流iL1がゼロになる期間がある動作モードである。
図10に、リアクトル電流iL1が電流臨界モードで動作するときの電流波形を示す。
図10に示すリアクトル電流iL1の波形より、出力端子52の出力電流Ioが境界電流Io_max以下になる軽負荷領域において、リアクトル電流iL1を電流臨界モード又は電流不連続モードで動作させるためには、出力端子52の出力電流Ioが境界電流Io_maxである場合に、電流臨界モードで動作する条件を基準に設計すればよい。以下で、電流臨界モードで動作する条件について説明する。
平滑用リアクトル1のインダクタンスL1は、入力端子51の入力電圧Vi、出力端子52の出力電圧Vo、出力端子52の出力電流Io、スイッチング周波数fsw、昇圧変換回路13の出力電圧Vcを用いて、式(27)で求められる。
すなわち、臨界インダクタンスL1_thは、式(29)を用い、入力端子51の入力電圧Vi、出力端子52の出力電圧Vo、固定のスイッチング周波数fsw、及び出力端子52の出力電流Ioに基づいて求められるインダクタンスである。
次に、実施の形態2に係る電力変換装置50について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。
図13に本実施の形態2に係る電力変換装置50の変換回路部分を示す。
本実施の形態に係る電力変換装置50は、上記の実施の形態1の昇圧変換回路13及び共振変換回路14と同様の回路構成を有している。ただし、本実施の形態に係る電力変換装置50は、入力端子51の入力電流(リアクトル平均電流IL1)を検出するための入力電流検出回路24、出力端子52の出力電流Ioを検出するための出力電流検出回路25を備えている。入力電流検出回路24は、正極側の入力端子51と平滑用リアクトル1とを接続する電線に設けられている。出力電流検出回路25は、正極側の出力端子52とダイオード10、11のカソード端子とを接続する電線に設けられている。入力電流検出回路24及び出力電流検出回路25は、それぞれ、信号線により制御部12に接続されており(不図示)、制御部12は、入力電流検出回路24及び出力電流検出回路25の出力信号に基づいて、それぞれ、入力端子51の入力電流(リアクトル平均電流IL1)及び出力端子52の出力電流Ioを検出する。
を向上させることができる。
すなわち、臨界周波数fsw_thは、式(32)を用い、出力端子52の出力電流Io、入力端子51の入力電圧Vi、出力端子52の出力電圧Vo、及び平滑用リアクトル1のインダクタンスL1に基づいて求まるスイッチング周波数である。
よって、制御部12は、図14の破線に示すように、軽負荷領域において、出力端子52の出力電流Ioの増加に従って、スイッチング素子3のスイッチング周波数fswを低下させるように構成されている。
出力端子52の目標電圧Votが可変値とされる場合は、出力電圧Voとして、目標電圧Votの可変範囲の最大値を用いて、式(32)により算出した臨界周波数fsw_th以下になるように、周期数設定マップを予め設定する。また、入力端子51の入力電圧Viが可変である場合は、入力電圧Viとして、入力電圧Viの可変範囲の最小値を用いて、式(32)により算出した臨界周波数fsw_th以下になるように、周期数設定マップを予め設定する。
の出力電流Ioに応じてスイッチング周波数fswを設定するように構成されているので、臨界周波数fsw_thに近いスイッチング周波数fswを精度よく設定することができ、リアクトル電流iL1の電流振幅IL1ppの増加を抑制できる。
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
ィンの小型化や,水冷部の空冷化が可能であるので,半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。また、ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチング素子は、高周波スイッチング動作に適しており、高周波化の要求が大きい変換回路に適用すると、スイッチング周波数の高周波化によって,変換回路に接続されるリアクトルやコンデンサなどを小型化することもできる。よって、上記各実施の形態におけるスイッチング素子は、炭化珪素などのワイドギャップ半導体から成るスイッチング素子となる場合にも同様な効果が得られる。
電力変換装置、51 入力端子、52 出力端子、53 一次巻線、54 二次巻線、55 直流電源、56 負荷、D1 オンデューティ比、Io 出力端子の出力電流、Io_max 境界電流、L1 平滑用リアクトルのインダクタンス、L1_th 臨界インダクタンス、Td デッドタイム、V1 オン時リアクトル印加電圧、V2 オフ時リアクトル印加電圧、Vc 昇圧変換回路の出力電圧、Vi 入力端子の入力電圧、Vo 出力端子の出力電圧、Vot 出力端子の目標電圧、IL1 リアクトル平均電流、Tsw スイッチング周期、fsw スイッチング周波数、fsw_th 臨界周波数、iL1 リアクトル電流
Claims (14)
- 入力端子と出力端子との間で直流電圧を変換する電力変換装置であって、
前記入力端子と前記出力端子との間に直列接続された非絶縁型変換回路及び絶縁型変換回路と、
前記非絶縁型変換回路及び前記絶縁型変換回路に備えられたスイッチング素子をオンオフ制御する制御部と、を備え、
変換電力が低い軽負荷領域において、前記非絶縁型変換回路に備えられたリアクトルに流れる電流であるリアクトル電流の動作モードが、電流臨界モード又は電流不連続モードとなり、
前記電流臨界モードは、前記リアクトル電流がゼロまで減少したときに前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子がオンされる動作モードであり、
前記電流不連続モードは、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期において前記リアクトル電流がゼロになる期間がある動作モードである電力変換装置。 - 前記絶縁型変換回路は、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線側に設けられた共振用コンデンサ、共振用リアクトル、第一スイッチング素子、及び第二スイッチング素子と、前記二次巻線側に設けられた整流回路と、を備えるLLC直列共振変換回路とされ、
前記非絶縁型変換回路は、平滑用の前記リアクトルと、平滑用コンデンサと、少なくとも一つのスイッチング素子と、少なくとも一つの整流回路と、を備える昇圧変換回路、降圧変換回路、又は昇降圧変換回路とされる請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とを、双方をオフさせる予め設定されたデッドタイムを間に設けて、予め設定された周期で交互にオンさせ、
前記出力端子の出力電圧が、予め設定された目標電圧に近づくように、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子をオンオフする矩形パルス波信号のオンデューティ比を変化させる請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子を、予め設定された固定のスイッチング周波数でオンオフ制御し、
前記リアクトルは、前記出力端子に流れる出力電流が予め定められた境界電流以下になる前記軽負荷領域において、インダクタンスが、前記電流臨界モードとなる予め定まるインダクタンスである臨界インダクタンス以下になる特性を有する請求項1から3のいずれか一項に記載の電力変換装置。 - 前記臨界インダクタンスは、前記入力端子の入力電圧、前記出力端子の出力電圧、前記固定のスイッチング周波数、及び前記出力電流に基づいて求められる前記リアクトルのインダクタンスである請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記リアクトルは、前記リアクトル電流が増加するに従って、インダクタンスが減少する予め定まる直流重畳特性を有し、
前記リアクトルは、前記軽負荷領域において、インダクタンスが、前記臨界インダクタンス以下になる前記直流重畳特性を有する請求項4又は5に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記軽負荷領域において、前記リアクトル電流の動作モードが前記電流臨界モード又は前記電流不連続モードとなるように、前記出力端子に流れる出力電流に応じて、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を変化させる請求項1から3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記出力電流の増加に従って、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を低下させる請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記制御部は、前記軽負荷領域において、前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数を、前記出力電流に応じて定まる臨界周波数以下に設定し、
前記臨界周波数は、前記出力電流の条件下で前記電流臨界モードとなる前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数である請求項7又は8に記載の電力変換装置。 - 前記臨界周波数は、前記出力端子の出力電流、前記入力端子の入力電圧、前記出力端子の出力電圧、及び前記リアクトルのインダクタンスにより求まる前記非絶縁型変換回路のスイッチング素子のスイッチング周期数である請求項9に記載の電力変換装置。
- 前記入力端子、前記非絶縁型変換回路、前記絶縁型変換回路、前記出力端子の順に直列接続されている、又は前記入力端子、前記絶縁型変換回路、前記非絶縁型変換回路、前記出力端子の順に直列接続されている請求項1から10までのいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記共振用リアクトルは、前記二次巻線に結合していない前記一次巻線の部分である漏れインダクタンスからなる請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング素子は、シリコンよりもバンドギャップが広い非Si半導体材料を用いている請求項1から12のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記非Si半導体材料は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いている請求項13に記載の電力変換装置。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019033654A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-02-28 | 新電元工業株式会社 | 電源回路及び電源回路の制御方法 |
JP2019054571A (ja) * | 2017-09-13 | 2019-04-04 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004173381A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-06-17 | Foster Electric Co Ltd | スイッチング電源装置 |
US20090091957A1 (en) * | 2007-01-22 | 2009-04-09 | Raymond Kenneth Orr | Cascaded pfc and resonant mode power converters |
WO2010106701A1 (ja) * | 2009-03-18 | 2010-09-23 | 株式会社村田製作所 | Pfcコンバータ |
JP2010233439A (ja) * | 2009-03-03 | 2010-10-14 | Toshiba Corp | 電源制御装置、及びそれを用いた電源装置 |
JP2011188625A (ja) * | 2010-03-09 | 2011-09-22 | Konica Minolta Business Technologies Inc | 電源装置、それを用いた画像形成装置、電源装置の制御方法、及び電源装置の制御プログラム |
JP2013258860A (ja) * | 2012-06-14 | 2013-12-26 | Murata Mfg Co Ltd | スイッチング電源装置 |
-
2015
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004173381A (ja) * | 2002-11-19 | 2004-06-17 | Foster Electric Co Ltd | スイッチング電源装置 |
US20090091957A1 (en) * | 2007-01-22 | 2009-04-09 | Raymond Kenneth Orr | Cascaded pfc and resonant mode power converters |
JP2010233439A (ja) * | 2009-03-03 | 2010-10-14 | Toshiba Corp | 電源制御装置、及びそれを用いた電源装置 |
WO2010106701A1 (ja) * | 2009-03-18 | 2010-09-23 | 株式会社村田製作所 | Pfcコンバータ |
JP2011188625A (ja) * | 2010-03-09 | 2011-09-22 | Konica Minolta Business Technologies Inc | 電源装置、それを用いた画像形成装置、電源装置の制御方法、及び電源装置の制御プログラム |
JP2013258860A (ja) * | 2012-06-14 | 2013-12-26 | Murata Mfg Co Ltd | スイッチング電源装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019033654A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-02-28 | 新電元工業株式会社 | 電源回路及び電源回路の制御方法 |
JP2019054571A (ja) * | 2017-09-13 | 2019-04-04 | 三菱電機株式会社 | 電力変換装置 |
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