JP2021132477A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング損失を抑制することができる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置1において、1次巻線TR1は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4のドレイン−ソース端子において当該ドレイン−ソース端子の電位が調整される側の端子であるソース端子s3及びドレイン端子d4に接続されている。制御部60は、電流検出部50により検出された電流値が予め定められた基準電流値以下の場合、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCの共振により逆流する電流を整流回路30を介して2次巻線TR2に流し、2次巻線TR2に流れた電流により1次巻線TR1に電流を流すことでソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4におけるドレイン−ソース端子の電位差を設定電位差以下にして当該ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をオフからオンに切り替える。【選択図】図1
Description
本発明は、電源装置に関する。
従来、電源装置として、例えば、特許文献1には、直流電源から供給される電力の電圧を変圧して負荷部に電力を供給するDC/DCコンバータが記載されている。このDC/DCコンバータは、ソフトスイッチングにより制御され直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路により変換された交流電力を変圧するトランスと、トランスにより変圧された交流電力を直流電力に整流する整流回路と、整流回路により整流された直流電力を平滑する平滑リアクトルと、インバータ回路及びトランスの間に設けられる共振リアクトルとを備えている。DC/DCコンバータは、ソフトスイッチングにおいて上記共振リアクトルに蓄積されるエネルギーによりゼロ電圧スイッチング(ZVS;Zero Voltage Switching)を行っている。
ところで、上述の特許文献1に記載のDC/DCコンバータは、例えば、直流電源から負荷部に供給される電力が少ない場合、共振リアクトルに十分なエネルギーが蓄積されず、このためゼロ電圧スイッチングを行うことができず、スイッチング損失を招くおそれがある。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スイッチング損失を抑制することができる電源装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、直流電力を供給する直流電源と、前記直流電源により供給された前記直流電力を交流電力に変換する複数の半導体スイッチング素子を有するスイッチング回路と、前記スイッチング回路により変換された前記交流電力を変圧する1次巻線及び2次巻線を有し前記1次巻線が前記スイッチング回路に接続される変圧器と、前記2次巻線に接続され前記変圧器により変圧された交流電力を直流電力に整流する整流回路と、前記整流回路により整流された前記直流電力を平滑するコイル及びコンデンサを有する平滑回路と、前記平滑回路により平滑された直流電力の電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング回路及び前記整流回路を制御し前記半導体スイッチング素子の入出力端子の電位差を予め定められた設定電位差以下に調整して当該半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えるソフトスイッチング制御を行う制御部と、を備え、前記1次巻線は、前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子の前記入出力端子において当該入出力端子の電位が調整される側の端子に接続され、前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流値が予め定められた基準電流値以下の場合、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子における入出力端子の電位差を前記設定電位差以下にして当該ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えることを特徴とする。
上記電源装置において、前記1次巻線に接続されるインダクタをさらに備え、前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値を超える場合、前記インダクタの作用により前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子における入出力端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して当該ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えることが好ましい。
上記電源装置において、前記スイッチング回路は、前記複数の半導体スイッチング素子として、第1半導体スイッチング素子、第2半導体スイッチング素子、第3半導体スイッチング素子、及び、第4半導体スイッチング素子を有し、前記第1半導体スイッチング素子の第1ソース端子と前記第2半導体スイッチング素子の第2ドレイン端子とが接続され、前記第3半導体スイッチング素子の第3ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ドレイン端子とが接続され、前記第1半導体スイッチング素子の第1ドレイン端子と前記第3半導体スイッチング素子の第3ドレイン端子とが接続され、前記第2半導体スイッチング素子の第2ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ソース端子とが接続され、前記第1ドレイン端子及び前記第3ドレイン端子を接続する接続線と前記直流電源の正極とが接続され、前記第2ソース端子及び前記第4ソース端子を接続する接続線と前記直流電源の負極とが接続され、前記第1ソース端子及び前記第2ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の一端とが接続され、前記第3ソース端子及び前記第4ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の他端とが接続され、前記制御部は、前記第1半導体スイッチング素子及び前記第3半導体スイッチング素子をオンし且つ前記第2半導体スイッチング素子及び前記第4半導体スイッチング素子をオフした状態から前記第3半導体スイッチング素子をオフし且つ前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子をオンする際に、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値以下の場合、前記第3半導体スイッチング素子をオフし、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子の前記第4ドレイン端子の電圧を下げ、前記第4ドレイン端子及び前記第4ソース端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えることが好ましい。
上記電源装置において、前記スイッチング回路は、前記複数の半導体スイッチング素子として、第1半導体スイッチング素子、第2半導体スイッチング素子、第3半導体スイッチング素子、及び、第4半導体スイッチング素子を有し、前記第1半導体スイッチング素子の第1ソース端子と前記第2半導体スイッチング素子の第2ドレイン端子とが接続され、前記第3半導体スイッチング素子の第3ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ドレイン端子とが接続され、前記第1半導体スイッチング素子の第1ドレイン端子と前記第3半導体スイッチング素子の第3ドレイン端子とが接続され、前記第2半導体スイッチング素子の第2ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ソース端子とが接続され、前記第1ドレイン端子及び前記第3ドレイン端子を接続する接続線と前記直流電源の正極とが接続され、前記第2ソース端子及び前記第4ソース端子を接続する接続線と前記直流電源の負極とが接続され、前記第1ソース端子及び前記第2ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の一端とが接続され、前記第3ソース端子及び前記第4ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の他端とが接続され、前記制御部は、前記第2半導体スイッチング素子及び前記第4半導体スイッチング素子をオンし且つ前記第1半導体スイッチング素子及び前記第3半導体スイッチング素子をオフした状態から前記第4半導体スイッチング素子をオフし且つ前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子をオンする際に、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値以下の場合、前記第4半導体スイッチング素子をオフし、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子の前記第3ソース端子の電圧を上げ、前記第3ドレイン端子及び前記第3ソース端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えることが好ましい。
本発明に係る電源装置は、負荷部に流れる電流が相対的に小さい場合でも、半導体スイッチング素子の入出力端子の電位差を0Vに調整して半導体スイッチング素子を切り替えることができる。これにより、電源装置は、ゼロ電圧スイッチングを適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。
本発明を実施するための形態(実施形態)につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。更に、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
〔実施形態〕
図面を参照しながら第1実施形態に係る電源装置1について説明する。図1は、第1実施形態に係る電源装置1の構成例を示す回路図である。電源装置1は、直流電源10から供給される電力の電圧を変圧して負荷部(図示省略)に出力電圧Voの電力を供給するDC/DCコンバータである。電源装置1は、例えば、フェーズシフト・フルブリッジ方式の絶縁型DC/DCコンバータである。電源装置1は、図1に示すように、直流電源10と、スイッチング回路20と、変圧器TRと、整流回路30と、平滑回路40と、電流検出部50と、制御部60とを備える。
図面を参照しながら第1実施形態に係る電源装置1について説明する。図1は、第1実施形態に係る電源装置1の構成例を示す回路図である。電源装置1は、直流電源10から供給される電力の電圧を変圧して負荷部(図示省略)に出力電圧Voの電力を供給するDC/DCコンバータである。電源装置1は、例えば、フェーズシフト・フルブリッジ方式の絶縁型DC/DCコンバータである。電源装置1は、図1に示すように、直流電源10と、スイッチング回路20と、変圧器TRと、整流回路30と、平滑回路40と、電流検出部50と、制御部60とを備える。
直流電源10は、直流電力を供給するものである。直流電源10は、複数の電池セルを含んで構成される。複数の電池セルは、互いに直列に接続されている。直流電源10は、スイッチング回路20に接続され、当該スイッチング回路20に直流電力を供給する。
スイッチング回路20は、直流電力を交流電力に変換するものである。スイッチング回路20は、4つのスイッチング素子を含んで構成されている。スイッチング回路20は、例えば、FET(Field-effect transistor;電界効果トランジスタ)Q1と、FETQ2と、FETQ3と、FETQ4とを含んで構成され、フルブリッジ回路を構成している。FETQ1〜Q4は、例えば、Nチャネル型のMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)FETである。
スイッチング回路20は、FETQ1のソース端子s1とFETQ2のドレイン端子d2とが接続され、FETQ3のソース端子s3とFETQ4のドレイン端子d4とが接続されている。また、スイッチング回路20は、FETQ1のドレイン端子d1とFETQ3のドレイン端子d3とが接続され、FETQ2のソース端子s2とFETQ4のソース端子s4とが接続されている。また、スイッチング回路20は、FETQ1のドレイン端子d1及びFETQ3のドレイン端子d3を接続する接続線と直流電源10の正極とが接続され、FETQ2のソース端子s2及びFETQ4のソース端子s4を接続する接続線と直流電源10の負極とが接続されている。また、スイッチング回路20は、FETQ1のソース端子s1及びFETQ2のドレイン端子d2を接続する接続線と後述する1次巻線TR1の一端とが接続され、FETQ3のソース端子s3及びFETQ4のドレイン端子d4を接続する接続線と1次巻線TR1の他端とが接続されている。ここで、FETQ3、Q4は、後述する電流不連続モード時におけるソフトスイッチング制御の対象のスイッチング素子であり、上述のようにFETQ3、Q4のドレイン−ソース端子(入出力端子)の電位が調整される側の端子(FETQ3のソース端子s3及びFETQ4のドレイン端子d4)に1次巻線TR1の他端が接続されている。ソフトスイッチング制御とは、FETQ3、Q4のドレイン−ソース端子の電位差を予め定められた設定電位差以下に調整して当該FETQ3、Q4をOFFからONに切り替える制御である。ここで、設定電位差は、典型的には、0Vである。ソフトスイッチング制御の詳細については、後述する。
上述のように構成されたスイッチング回路20は、制御部60から出力された切替信号に基づいてFETQ1〜Q4をON又はOFFすることで、直流電源10から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を1次巻線TR1に出力する。なお、スイッチング回路20と直流電源10との間には平滑用のコンデンサC1が設けられている。
変圧器TRは、交流電力の電圧を変圧するものである。変圧器TRは、1次巻線TR1と、2次巻線TR2とを含んで構成される。1次巻線TR1及び2次巻線TR2は、互いに絶縁された状態で磁気結合される。1次巻線TR1は、スイッチング回路20に接続されている。具体的には、1次巻線TR1は、一端がFETQ1のソース端子s1及びFETQ2のドレイン端子d2を接続する接続線に接続され、他端がFETQ3のソース端子s3及びFETQ4のドレイン端子d4を接続する接続線に接続されている。1次巻線TR1は、変圧に作用しない漏れインダクタLmを含んで構成されている。漏れインダクタLmは、当該漏れインダクタLmに流れる電流に応じて電気エネルギー(電力)を蓄積し、蓄積した電気エネルギーを放出する。
2次巻線TR2は、整流回路30に接続されている。2次巻線TR2は、例えば、一端が後述する整流回路30のFETQ7のソース端子s7及びFETQ8のドレイン端子d8を接続する接続線に接続され、他端がFETQ5のソース端子s5及びFETQ6のドレイン端子d6を接続する接続線に接続されている。
変圧器TRは、その極性が同極性であり、変圧の度合が1次巻線TR1と2次巻線TR2との巻数比(変圧比)に応じて定められる。変圧器TRは、スイッチング回路20により変換された交流電力を変圧して整流回路30に出力する。
整流回路30は、交流電力を直流電力に整流するものである。整流回路30は、4つのスイッチング素子を含んで構成され、フルブリッジ回路を構成している。整流回路30は、例えば、FETQ5と、FETQ6と、FETQ7と、FETQ8とを含んで構成され、これらのスイッチング素子により全波整流を行う。FETQ5〜Q8は、例えば、Nチャネル型のMOSFETである。
整流回路30は、FETQ5のソース端子s5とFETQ6のドレイン端子d6とが接続され、FETQ7のソース端子s7とFETQ8のドレイン端子d8とが接続されている。また、整流回路30は、FETQ5のドレイン端子d5とFETQ7のドレイン端子d7とが接続され、FETQ6のソース端子s6とFETQ8のソース端子s8とが接続されている。また、整流回路30は、FETQ5のドレイン端子d5及びFETQ7のドレイン端子d7を接続する接続線が平滑回路40のコイルLに接続され、FETQ6のソース端子s6及びFETQ8のソース端子s8を接続する接続線がグランドに接続されている。また、整流回路30は、FETQ5のソース端子s5及びFETQ6のドレイン端子d6を接続する接続線と2次巻線TR2の一端とが接続され、FETQ7のソース端子s7及びFETQ8のドレイン端子d8を接続する接続線と2次巻線TR2の他端とが接続されている。
上述のように構成された整流回路30は、制御部60から出力された切替信号に基づいてFETQ5〜Q8をON又はOFFすることで、変圧器TRにより変圧された交流電力を直流電力に整流し、整流した直流電力を平滑回路40に出力する。
平滑回路40は、整流された直流電力を平滑するものである。平滑回路40は、コイルLと、コンデンサCとを含んで構成される。コイルLは、整流回路30に直列に接続されている。具体的には、コイルLは、一端がFETQ5のドレイン端子d5及びFETQ7のドレイン端子d7を接続する接続線に接続され、他端が負荷部に接続されている。コンデンサCは、コイルLの後段(負荷部側)に設けられ、整流回路30に並列に接続されている。平滑回路40のコイルL及びコンデンサCは、整流回路30により整流された直流電力を平滑し、平滑した直流電力を負荷部に出力する。
電流検出部50は、電流を検出するものである。電流検出部50は、平滑回路40と負荷部との間に設けられ、平滑回路40から負荷部に出力される電流を検出する。電流検出部50は、制御部60に接続され、検出した電流値を制御部60に出力する。
制御部60は、切替信号を出力してスイッチング回路20及び整流回路30を制御するものである。制御部60は、電流検出部50、スイッチング回路20、及び、整流回路30に電気的に接続されている。制御部60は、電流検出部50の検出結果に基づいてスイッチング回路20及び整流回路30を制御する。
制御部60は、例えば、電流検出部50により検出された電流値が予め定められた基準電流値を超える場合、つまり負荷部に供給される電力が相対的に大きく、電流が連続して負荷部に流れる電流連続モードの場合、漏れインダクタLmの作用によりソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をOFFからONに切り替える。具体的には、制御部60は、当該電流連続モードの場合、漏れインダクタLmに蓄積された電気エネルギーによりソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4におけるドレイン−ソース端子の電位差を予め定められた設定電位差以下に調整して当該ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をOFFからONに切り替える。ここで、上記設定電位差は、典型的には0Vである。
一方で、制御部60は、電流検出部50により検出された電流値が予め定められた基準電流値以下の場合、つまり負荷部に供給される電力が相対的に小さく、電流が不連続で負荷部に流れる電流不連続モードの場合、漏れインダクタLmに蓄積された電気エネルギーが不足するので当該漏れインダクタLmによってFETQ3、Q4のソフトスイッチング制御を行うことが困難である。このため、制御部60は、2次側の平滑回路40に蓄積された電力を用いてFETQ3、Q4のソフトスイッチング制御を行う。具体的には、制御部60は、電流不連続モードの場合、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCの共振により逆流する電流を整流回路30を介して2次巻線TR2に流し、2次巻線TR2に流れた電流により1次巻線TR1に電流を流すことでソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4におけるドレイン−ソース端子の電位差を設定電位差以下にして当該ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をOFFからONに切り替える。
次に、電源装置1の動作について詳細に説明する。図2は、電源装置1の第1動作例を示す回路図である。図3は、電源装置1の第2動作例を示す回路図である。図4は、電源装置1の第3動作例を示す回路図である。図5は、電源装置1の第4動作例を示す回路図である。図6は、電源装置1の第1〜第4動作例を示すタイミングチャートである。図2〜図6に示す例では、負荷部に供給される電力が相対的に小さく、電流が不連続で負荷部に流れる電流不連続モードの場合について説明する。
電源装置1において、制御部60は、電流不連続モードの場合、例えば、図2、図6に示すように、FETQ1、Q3、Q5〜Q8をONし且つFETQ2、Q4をOFFすることで、1次巻線TR1及びスイッチング回路20を含む1次側回路と、2次巻線TR2及び整流回路30を含む2次側回路とにおいて、電流の経路を切り換える動作である転流動作を行う(図6に示す動作期間T1)。このとき、図6に示すように、動作期間T1では0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、正の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。
制御部60は、FETQ1〜Q8のON/OFFが上記動作期間T1と同じ状態で、動作期間T1に続く動作期間T2では、0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、動作期間T1よりも小さい負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、逆流した負の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる(図3参照)。ここで、動作期間T2では、負荷部に供給される電力が相対的に小さい電流不連続モードであるために、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCが共振してコイルLに流れる電流が逆流し、この結果、負の電流ILがコンデンサCからコイルLに流れる。
制御部60は、上記逆流により生じた負の電流ILによって1次側回路に電流を流すことで、電流不連続モードでエネルギーが不足した漏れインダクタLmと共にソフトスイッチング制御を行う。制御部60は、例えば、図4に示すように、FETQ3、Q6、Q7をOFFすることで、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する負の電流ILを整流回路30を介して2次巻線TR2に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた負の電流IL及び漏れインダクタLmのエネルギーにより1次巻線TR1に電流を流す(1次巻線TR1に電圧VTR1を印加する)。これにより、制御部60は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ4のドレイン端子d4の電圧を下げ、FETQ4のドレイン端子d4及びソース端子s4の電位差を設定電位差以下に調整する(動作期間T3)。つまり、制御部60は、FETQ4の寄生容量の電荷を放電し且つFETQ3の寄生容量の電荷を充電する。そして、制御部60は、図5に示すように、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ4をOFFからONに切り替え、直流電源10から負荷部に電力を供給する(動作期間T4)。動作期間T4では、正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、コイルLに流れる電流ILが負から正に切り替わり始める。これにより、制御部60は、電流不連続モードの場合、2次側の平滑回路40に蓄積された電力を用いてFETQ4のソフトスイッチング制御を行うことができる。
次に、電流不連続モード際にソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をOFFからONに切り替える例について説明する。図7は、電源装置1の第5動作例を示す回路図である。図8は、電源装置1の第6動作例を示す回路図である。図9は、電源装置1の第7動作例を示す回路図である。図10は、電源装置1の第8動作例を示す回路図である。図11は、電源装置1の第5〜第8動作例を示すタイミングチャートである。
電源装置1において、制御部60は、電流不連続モードの場合、例えば、図7、図11に示すように、FETQ2、Q4、Q5〜Q8をONし且つFETQ1、Q3をOFFすることで、1次巻線TR1及びスイッチング回路20を含む1次側回路と、2次巻線TR2及び整流回路30を含む2次側回路とにおいて、電流の経路を切り換える動作である転流動作を行う(図7に示す動作期間T1)。このとき、図11に示すように、動作期間T1では0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、正の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。
制御部60は、FETQ1〜Q8のON/OFFが図11の上記動作期間T1と同じ状態で、動作期間T1に続く動作期間T2では、0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、動作期間T1よりも小さい正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、逆流した負の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。ここで、動作期間T2では、負荷部に供給される電力が相対的に小さい電流不連続モードであるために、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCが共振してコイルLに流れる電流が逆流し、この結果、負の電流ILがコンデンサCからコイルLに流れる。
制御部60は、上記逆流により生じた負の電流ILによって1次側回路に電流を流すことで、電流不連続モードでエネルギーが不足した漏れインダクタLmと共にソフトスイッチング制御を行う。制御部60は、例えば、図9に示すように、FETQ4、Q5、Q8をOFFすることで、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する負の電流ILを整流回路30を介して2次巻線TR2に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた負の電流IL及び漏れインダクタLmのエネルギーにより1次巻線TR1に電流を流す(1次巻線TR1に電圧VTR1を印加する)。これにより、制御部60は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3のソース端子s3の電圧を上げ、FETQ3のドレイン端子d3及びソース端子s3の電位差を設定電位差以下に調整する(動作期間T3)。つまり、制御部60は、FETQ3の寄生容量の電荷を充電し且つFETQ4の寄生容量の電荷を放電する。そして、制御部60は、図10に示すように、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をOFFからONに切り替え、直流電源10から負荷部に電力を供給する(動作期間T4)。動作期間T4では、負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、コイルLに流れる電流ILが負から正に切り替わり始める。
以上のように、第1実施形態に係る電源装置1は、直流電源10と、スイッチング回路20と、整流回路30と、平滑回路40と、電流検出部50と、制御部60とを備える。直流電源10は、直流電力を供給する。スイッチング回路20は、直流電源10により供給された直流電力を交流電力に変換する複数のFETQ1〜Q4を有する。変圧器TRは、スイッチング回路20により変換された交流電力を変圧する1次巻線TR1及び2次巻線TR2を有し、1次巻線TR1がスイッチング回路20に接続される。整流回路30は、2次巻線TR2に接続され、変圧器TRにより変圧された交流電力を直流電力に整流する。平滑回路40は、整流回路30により整流された直流電力を平滑するコイルL及びコンデンサCを有する。電流検出部50は、平滑回路40により平滑された直流電力の電流を検出する。制御部60は、電流検出部50の検出結果に基づいてスイッチング回路20及び整流回路30を制御し、FETQ1〜Q4のドレイン−ソース端子の電位差を予め定められた設定電位差以下に調整して当該FETQ1〜Q4をOFFからONに切り替えるソフトスイッチング制御を行う。上記1次巻線TR1は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4のドレイン−ソース端子において当該ドレイン−ソース端子の電位が調整される側の端子であるソース端子s3及びドレイン端子d4に接続されている。制御部60は、電流検出部50により検出された電流値が予め定められた基準電流値以下の場合、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する電流を整流回路30を介して2次巻線TR2に流し、2次巻線TR2に流れた電流により1次巻線TR1に電流を流すことでソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4におけるドレイン−ソース端子の電位差を設定電位差以下にして当該ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をOFFからONに切り替える。
この構成により、電源装置1は、負荷部に流れる電流が相対的に小さい電流不連続モードの場合でも、FETQ3、Q4のドレイン−ソース端子の電位差が0Vの状態でFETQ3、Q4を切り替えることができる。これにより、電源装置1は、電流不連続モードの場合にゼロ電圧スイッチング(ZVS;Zero Voltage Switching)を適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。また、電源装置1は、新たな部品を追加することなく電流不連続モードにおけるソフトスイッチング制御を行うことができるので、部品による発熱の増加を抑制することができ、高周波化を容易に実現できる。そして、電源装置1は、高周波化により変圧器TR等の磁気部品を小型化することができ、この結果、装置を小型化することができる。電源装置1は、制御方式の変更により電流不連続モードにおけるソフトスイッチング制御を行うことができるので、製造コストの増加を抑制することができる。
上記電源装置1は、1次巻線TR1に接続される漏れインダクタLmをさらに備える。制御部60は、電流検出部50により検出された電流値が基準電流値を超える場合、漏れインダクタLmの作用によりソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4におけるドレイン−ソース端子の電位差を設定電位差以下に調整して当該ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3、Q4をOFFからONに切り替える。この構成により、電源装置1は、負荷部に流れる電流が相対的に大きい電流連続モードの場合に、FETQ3、Q4のドレイン−ソース端子の電位差が0Vの状態でFETQ3、Q4を切り替えることができる。これにより、電源装置1は、電流連続モードの場合にゼロ電圧スイッチング(ZVS)を適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。
上記電源装置1において、スイッチング回路20は、FETQ1、FETQ2、FETQ3、及び、FETQ4を有する。スイッチング回路20は、FETQ1のソース端子s1とFETQ2のドレイン端子d2とが接続され、FETQ3のソース端子s3とFETQ4のドレイン端子d4とが接続される。また、スイッチング回路20は、FETQ1のドレイン端子d1とFETQ3のドレイン端子d3とが接続され、FETQ2のソース端子s2とFETQ4のソース端子s4とが接続される。また、スイッチング回路20は、ドレイン端子d1及びドレイン端子d3を接続する接続線と直流電源10の正極とが接続され、ソース端子s2及びソース端子s4を接続する接続線と直流電源10の負極とが接続される。また、スイッチング回路20は、ソース端子s1及びドレイン端子d2を接続する接続線と1次巻線TR1の一端とが接続され、ソース端子s3及びドレイン端子d4を接続する接続線と1次巻線TR1の他端とが接続される。制御部60は、FETQ1及びFETQ3をONし且つFETQ2及びFETQ4をOFFした状態からFETQ3をOFFし且つソフトスイッチング制御の対象のFETQ4をONする際に、電流検出部50により検出された電流値が基準電流値以下の場合、FETQ3をOFFした後、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する電流を整流回路30を介して2次巻線TR2に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた電流により1次巻線TR1に電流を流すことでソフトスイッチング制御の対象のFETQ4のドレイン端子d4の電圧を下げ、FETQ4のドレイン端子d4及びソース端子s4の電位差を設定電位差以下に調整してソフトスイッチング制御の対象のFETQ4をOFFからONに切り替える。この構成により、電源装置1は、負荷部に流れる電流が相対的に小さい電流不連続モードの場合でも、FETQ4のドレイン−ソース端子の電位差が0Vの状態でFETQ4を切り替えることができる。これにより、電源装置1は、電流不連続モードの場合にFETQ4のゼロ電圧スイッチング(ZVS)を適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。
上記電源装置1において、制御部60は、FETQ2及びFETQ4をONし且つFETQ1及びFETQ3をOFFした状態からFETQ4をOFFし且つソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をONする際に、電流検出部50により検出された電流値が基準電流値以下の場合、FETQ4をOFFした後、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する電流を整流回路30を介して2次巻線TR2に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた電流により1次巻線TR1に電流を流すことでソフトスイッチング制御の対象のFETQ3のソース端子s3の電圧を上げ、FETQ3のドレイン端子d3及びソース端子s3の電位差を設定電位差以下に調整してソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をOFFからONに切り替える。この構成により、電源装置1は、負荷部に流れる電流が相対的に小さい電流不連続モードの場合でも、FETQ3のドレイン−ソース端子の電位差が0Vの状態でFETQ3を切り替えることができる。これにより、電源装置1は、電流不連続モードの場合にFETQ3のゼロ電圧スイッチング(ZVS)を適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。
〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態に係る電源装置1Aについて説明する。なお、第2実施形態では、第1実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第2実施形態に係る電源装置1Aは、変圧器TRのセンタタップCTを利用した整流回路30Aを備える点で第1実施形態に係る電源装置1とは異なる。
次に、第2実施形態に係る電源装置1Aについて説明する。なお、第2実施形態では、第1実施形態と同等の構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第2実施形態に係る電源装置1Aは、変圧器TRのセンタタップCTを利用した整流回路30Aを備える点で第1実施形態に係る電源装置1とは異なる。
変圧器TRは、図12に示すように、2次巻線TR2の中央にセンタタップCTが設けられている。センタタップCTは、平滑回路40のコイルLに接続されている。
整流回路30Aは、FETQ9と、FETQ10とを含んで構成され、これらのスイッチング素子により全波整流を行う。FETQ9、Q10は、例えば、Nチャネル型のMOSFETである。
整流回路30Aは、FETQ9のドレイン端子d9が2次巻線TR2の一端に接続され、FETQ9のソース端子s9がグランドに接続されている。また、整流回路30Aは、FETQ10のドレイン端子d10が2次巻線TR2の他端に接続され、FETQ10のソース端子s10がグランドに接続されている。整流回路30Aは、制御部60から出力された切替信号に基づいてFETQ9、Q10をON又はOFFすることで、変圧器TRにより変圧された交流電力を直流電力に整流し、整流した直流電力を平滑回路40に出力する。
次に、電源装置1Aの動作について詳細に説明する。図12は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第1動作例を示す回路図である。図13は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第2動作例を示す回路図である。図14は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第3動作例を示す回路図である。図15は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第4動作例を示す回路図である。図16は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第1〜第4動作例を示すタイミングチャートである。図12〜図16に示す例では、負荷部に供給される電力が相対的に小さく、電流が不連続で負荷部に流れる電流不連続モードの場合について説明する。
電源装置1Aにおいて、制御部60は、電流不連続モードの場合、例えば、図12、図16に示すように、FETQ1、Q3、Q9、Q10をONし且つFETQ2、Q4をOFFすることで、1次巻線TR1及びスイッチング回路20を含む1次側回路と、2次巻線TR2及び整流回路30Aを含む2次側回路とにおいて、電流の経路を切り換える動作である転流動作を行う(図16に示す動作期間T1)。このとき、図16に示すように、動作期間T1では0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、正の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。
制御部60は、FETQ1〜Q4、Q9、Q10のON/OFFが上記動作期間T1と同じ状態で、動作期間T1に続く動作期間T2では、0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、動作期間T1よりも小さい負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、逆流した負の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる(図13参照)。ここで、動作期間T2では、負荷部に供給される電力が相対的に小さい電流不連続モードであるために、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCが共振してコイルLに流れる電流が逆流し、この結果、負の電流ILがコンデンサCからコイルLに流れる。
制御部60は、上記逆流により生じた負の電流ILによって1次側回路に電流を流すことで、電流不連続モードでエネルギーが不足した漏れインダクタLmと共にソフトスイッチング制御を行う。制御部60は、例えば、図14に示すように、FETQ3、Q9をOFFすることで、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する負の電流ILを整流回路30Aを介して2次巻線TR2の一端とセンタタップCTとの間に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた負の電流IL及び漏れインダクタLmのエネルギーにより1次巻線TR1に電流を流す(1次巻線TR1に電圧VTR1を印加する)。これにより、制御部60は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ4のドレイン端子d4の電圧を下げ、FETQ4のドレイン端子d4及びソース端子s4の電位差を設定電位差以下に調整する(動作期間T3)。そして、制御部60は、図15に示すように、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ4をOFFからONに切り替え、直流電源10から負荷部に電力を供給する(動作期間T4)。動作期間T4では、正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、コイルLに流れる電流ILが負から正に切り替わり始める。これにより、制御部60は、電流不連続モードの場合、2次側の平滑回路40に蓄積された電力を用いてFETQ4のソフトスイッチング制御を行うことができる。
次に、電流不連続モード際にソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をOFFからONに切り替える例について説明する。図17は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第5動作例を示す回路図である。図18は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第6動作例を示す回路図である。図19は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第7動作例を示す回路図である。図20は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第8動作例を示す回路図である。図21は、第2実施形態に係る電源装置1Aの第5〜第8動作例を示すタイミングチャートである。
電源装置1Aにおいて、制御部60は、電流不連続モードの場合、例えば、図17、図21に示すように、FETQ2、Q4、Q9、Q10をONし且つFETQ1、Q3をOFFすることで、1次巻線TR1及びスイッチング回路20を含む1次側回路と、2次巻線TR2及び整流回路30Aを含む2次側回路とにおいて、電流の経路を切り換える動作である転流動作を行う(図17に示す動作期間T1)。このとき、図21に示すように、動作期間T1では0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、正の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。
制御部60は、FETQ1〜Q4、Q9、Q10のON/OFFが図21の上記動作期間T1と同じ状態で、動作期間T1に続く動作期間T2では、0Vの電圧VTR1が1次巻線TR1に印加され、動作期間T1よりも小さい正の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、逆流した負の電流ILが平滑回路40のコイルLに流れる。ここで、動作期間T2では、負荷部に供給される電力が相対的に小さい電流不連続モードであるために、平滑回路40のコイルL及びコンデンサCが共振してコイルLに流れる電流が逆流し、この結果、負の電流ILがコンデンサCからコイルLに流れる。
制御部60は、上記逆流により生じた負の電流ILによって1次側回路に電流を流すことで、電流不連続モードでエネルギーが不足した漏れインダクタLmと共にソフトスイッチング制御を行う。制御部60は、例えば、図19に示すように、FETQ4、Q10をOFFすることで、コイルL及びコンデンサCの共振により逆流する負の電流ILを整流回路30Aを介して2次巻線TR2の他端とセンタタップCTとの間に流す。そして、制御部60は、2次巻線TR2に流れた負の電流IL及び漏れインダクタLmのエネルギーにより1次巻線TR1に電流を流す(1次巻線TR1に電圧VTR1を印加する)。これにより、制御部60は、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3のソース端子s3の電圧を上げ、FETQ3のドレイン端子d3及びソース端子s3の電位差を設定電位差以下に調整する(動作期間T3)。そして、制御部60は、図20に示すように、ソフトスイッチング制御の対象のFETQ3をOFFからONに切り替え、直流電源10から負荷部に電力を供給する(動作期間T4)。動作期間T4では、負の電流ITR1が1次巻線TR1に流れ、コイルLに流れる電流ILが負から正に切り替わり始める。
以上のように、第2実施形態に係る電源装置1Aは、変圧器TRのセンタタップCTを利用した整流回路30Aを備える場合であっても、負荷部に流れる電流が相対的に小さい電流不連続モードの場合に、FETQ3、Q4のドレイン−ソース端子の電位差が0Vの状態でFETQ3、Q4を切り替えることができる。これにより、電源装置1Aは、電流不連続モードの場合にゼロ電圧スイッチング(ZVS;Zero Voltage Switching)を適正に行うことができ、この結果、スイッチング損失を抑制することができる。
なお、上記説明では、FETQ1〜Q8は、Nチャネル型のMOSFETである例について説明したが、これに限定されず、Pチャネル型のMOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のその他のスイッチング素子であってもよい。
スイッチング回路20は、4つのスイッチング素子を備えるフルブリッジ回路を構成する例について説明したが、これに限定されず、その他の構成であってもよい。
整流回路30は、4つのスイッチング素子を備えるフルブリッジ回路を構成する例について説明し、整流回路30Aは、変圧器TRのセンタタップCTを利用する構成について説明したが、これらに限定されず、その他の整流回路の構成であってもよい。
10 直流電源
20 スイッチング回路
Q1 FET(第1半導体スイッチング素子)
Q2 FET(第2半導体スイッチング素子)
Q3 FET(第3半導体スイッチング素子)
Q4 FET(第4半導体スイッチング素子)
d1、d2、d3、d4 ドレイン端子(第1ドレイン端子〜第4ドレイン端子)
s1、s2、s3、s4 ソース端子(第1ソース端子〜第4ソース端子)
TR 変圧器
TR1 1次巻線
TR2 2次巻線
Lm 漏れインダクタ(インダクタ)
30、30A 整流回路
40 平滑回路
L コイル
C コンデンサ
50 電流検出部
60 制御部
20 スイッチング回路
Q1 FET(第1半導体スイッチング素子)
Q2 FET(第2半導体スイッチング素子)
Q3 FET(第3半導体スイッチング素子)
Q4 FET(第4半導体スイッチング素子)
d1、d2、d3、d4 ドレイン端子(第1ドレイン端子〜第4ドレイン端子)
s1、s2、s3、s4 ソース端子(第1ソース端子〜第4ソース端子)
TR 変圧器
TR1 1次巻線
TR2 2次巻線
Lm 漏れインダクタ(インダクタ)
30、30A 整流回路
40 平滑回路
L コイル
C コンデンサ
50 電流検出部
60 制御部
Claims (4)
- 直流電力を供給する直流電源と、
前記直流電源により供給された前記直流電力を交流電力に変換する複数の半導体スイッチング素子を有するスイッチング回路と、
前記スイッチング回路により変換された前記交流電力を変圧する1次巻線及び2次巻線を有し前記1次巻線が前記スイッチング回路に接続される変圧器と、
前記2次巻線に接続され前記変圧器により変圧された交流電力を直流電力に整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された前記直流電力を平滑するコイル及びコンデンサを有する平滑回路と、
前記平滑回路により平滑された直流電力の電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部の検出結果に基づいて前記スイッチング回路及び前記整流回路を制御し前記半導体スイッチング素子の入出力端子の電位差を予め定められた設定電位差以下に調整して当該半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えるソフトスイッチング制御を行う制御部と、を備え、
前記1次巻線は、前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子の前記入出力端子において当該入出力端子の電位が調整される側の端子に接続され、
前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流値が予め定められた基準電流値以下の場合、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子における入出力端子の電位差を前記設定電位差以下にして当該ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替えることを特徴とする電源装置。 - 前記1次巻線に接続されるインダクタをさらに備え、
前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値を超える場合、前記インダクタの作用により前記ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子における入出力端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して当該ソフトスイッチング制御の対象の前記半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替える請求項1に記載の電源装置。 - 前記スイッチング回路は、前記複数の半導体スイッチング素子として、第1半導体スイッチング素子、第2半導体スイッチング素子、第3半導体スイッチング素子、及び、第4半導体スイッチング素子を有し、前記第1半導体スイッチング素子の第1ソース端子と前記第2半導体スイッチング素子の第2ドレイン端子とが接続され、前記第3半導体スイッチング素子の第3ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ドレイン端子とが接続され、前記第1半導体スイッチング素子の第1ドレイン端子と前記第3半導体スイッチング素子の第3ドレイン端子とが接続され、前記第2半導体スイッチング素子の第2ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ソース端子とが接続され、前記第1ドレイン端子及び前記第3ドレイン端子を接続する接続線と前記直流電源の正極とが接続され、前記第2ソース端子及び前記第4ソース端子を接続する接続線と前記直流電源の負極とが接続され、前記第1ソース端子及び前記第2ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の一端とが接続され、前記第3ソース端子及び前記第4ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の他端とが接続され、
前記制御部は、前記第1半導体スイッチング素子及び前記第3半導体スイッチング素子をオンし且つ前記第2半導体スイッチング素子及び前記第4半導体スイッチング素子をオフした状態から前記第3半導体スイッチング素子をオフし且つ前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子をオンする際に、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値以下の場合、前記第3半導体スイッチング素子をオフし、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子の前記第4ドレイン端子の電圧を下げ、前記第4ドレイン端子及び前記第4ソース端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第4半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替える請求項1又は2に記載の電源装置。 - 前記スイッチング回路は、前記複数の半導体スイッチング素子として、第1半導体スイッチング素子、第2半導体スイッチング素子、第3半導体スイッチング素子、及び、第4半導体スイッチング素子を有し、前記第1半導体スイッチング素子の第1ソース端子と前記第2半導体スイッチング素子の第2ドレイン端子とが接続され、前記第3半導体スイッチング素子の第3ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ドレイン端子とが接続され、前記第1半導体スイッチング素子の第1ドレイン端子と前記第3半導体スイッチング素子の第3ドレイン端子とが接続され、前記第2半導体スイッチング素子の第2ソース端子と前記第4半導体スイッチング素子の第4ソース端子とが接続され、前記第1ドレイン端子及び前記第3ドレイン端子を接続する接続線と前記直流電源の正極とが接続され、前記第2ソース端子及び前記第4ソース端子を接続する接続線と前記直流電源の負極とが接続され、前記第1ソース端子及び前記第2ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の一端とが接続され、前記第3ソース端子及び前記第4ドレイン端子を接続する接続線と前記1次巻線の他端とが接続され、
前記制御部は、前記第2半導体スイッチング素子及び前記第4半導体スイッチング素子をオンし且つ前記第1半導体スイッチング素子及び前記第3半導体スイッチング素子をオフした状態から前記第4半導体スイッチング素子をオフし且つ前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子をオンする際に、前記電流検出部により検出された電流値が前記基準電流値以下の場合、前記第4半導体スイッチング素子をオフし、前記コイル及び前記コンデンサの共振により逆流する電流を前記整流回路を介して前記2次巻線に流し、前記2次巻線に流れた電流により前記1次巻線に電流を流すことで前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子の前記第3ソース端子の電圧を上げ、前記第3ドレイン端子及び前記第3ソース端子の電位差を前記設定電位差以下に調整して前記ソフトスイッチング制御の対象の前記第3半導体スイッチング素子をオフからオンに切り替える請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源装置。
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