JP3714233B2 - 双方向直流−直流変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源等からの直流入力を変圧器を介して任意の直流出力に変換するようにした直流−直流変換装置に関し、特に、変圧器の一次側及び二次側の何れもが入力或いは出力となり得る双方向直流−直流変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
直流入力を直流出力に変換し且つ双方向に変換可能な直流−直流変換装置としては、例えば、図7に示すようなものがある。
この直流−直流変換装置10は、逆極性に接続された絶縁型変圧器2を備えて構成され、その一次巻線21と直列に、Nチャネル型MOSトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチSW31が接続されている。また、前記スイッチSW31には、逆並列にダイオードD31が接続されている。そして、これら直列に接続された一次巻線21及びスイッチSW31が正側端子P1 及び負側端子N1 に接続され、さらに、これら直列に接続された一次巻線21及びスイッチSW31と並列に正側端子P1 及び負側端子N1 間に、平滑コンデンサC1が接続されている。
【0003】
同様に、二次巻線22と直列にNチャネル型MOSトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチSW41が接続され、このスイッチSW41と逆並列にダイオードD41が接続されている。そして、これら直列に接続された二次巻線22及びスイッチSW41が正側端子P2 及び負側端子N2 に接続され、さらに、これら直列に接続された二次巻線22及びスイッチSW41と並列に正側端子P2 及び負側端子N2 間に、平滑コンデンサC2が接続されている。
【0004】
図8及び図9は、直流−直流変換装置10の各部の波形を示したものである。なお、図8は、正側端子P1 及び負側端子N1 側を入力側、正側端子P2 及び負側端子N2 側を出力側とした場合の波形図、図9は、正側端子P2 及び負側端子N2 側を入力側、正側端子P1 及び負側端子N1 側を出力側とした場合の波形図を表したものである。
また、(a)はスイッチSW31のゲート端子に入力される電圧Vg31又はスイッチSW41のゲート端子に入力される電圧Vg41を表し、(b)はスイッチSW31のドレイン・ソース間の電圧V31と、スイッチSW31及びダイオードD31を流れる電流I31とを表し、スイッチSW31のドレイン電流を正、ダイオードD31を流れる電流を負としている。(c)はスイッチSW41のドレイン・ソース間の電圧V41と、スイッチSW41及びダイオードD41を流れる電流I41とを表し、スイッチSW41のドレイン電流を正、ダイオードD41を流れる電流を負としている。
【0005】
また、(d)は変圧器2の一次巻線21の両端の電圧V21、(e)は変圧器2の二次巻線22の両端の電圧V22、(f)は平滑コンデンサC1及びC2の両端の電圧VC1及びVC2を表している。
図7において、図示しない直流電源を、正側端子P1 及び負側端子N1 に接続して直流電力を供給し、図8に示すように、時点t21でスイッチSW31をオン状態に制御すると(図8(a))、スイッチSW31が導通状態となり、一次巻線21に、正側端子P1 及び負側端子N1 間への入力電圧が印加される(図8(d))。これによって、一次巻線21に励磁電流が流れ、スイッチSW31を流れる電流I31は直線的に増加し(図8(b))、変圧器2にエネルギを蓄える。
【0006】
このとき、変圧器2は逆極性となっているから、二次巻線22の両端の電圧V22は逆極性(図8(e))となり、ダイオードD41に逆電圧がかかることになるから、ダイオードD41に電流は流れない(図8(c))。
また、スイッチSW31は導通状態であるからその両端の電圧V31は略零となり(図8(b))、また、スイッチSW41の両端の電圧V41は平滑コンデンサC2の両端の電圧VC2と同等となる(図8(c))。
【0007】
この状態から、時点t22でスイッチSW31をオフ状態に切り換えると(図8(a))、変圧器2に逆起電力が発生することから(図8(d)、(e))、ダイオードD41が導通し、ダイオードD41、二次巻線22、コンデンサC2の経路で電流が流れ、変圧器2に蓄えられたエネルギが二次巻線22により放出されて、平滑コンデンサC2及び正側端子P2 に供給される。また、ダイオードD41を流れる電流I41は直線的に変化する(図8(c))。
【0008】
そして、時点t23で、スイッチSW31をオン状態に切り換えると、上記の時点t21と同様に動作し、このとき、変圧器2に蓄えられたエネルギを二次側に放出しきれないうちに、スイッチSW31がオン状態に切り換わった場合には、図8(b)に示すように、残留エネルギが、スイッチSW31を流れる電流I31に、直流分として重畳される。続いて、時点t24で、スイッチSW31をオフ状態に切り換え、平滑コンデンサC2の両端の電圧VC2が一定となるように、スイッチSW31をオン・オフ制御することによって、上記と同様の動作が繰り返し行われて、正側端子P2 及び負側端子N2 に直流電力が供給される。
【0009】
逆に、図7において、図示しない直流電源を、正側端子P2 及び負側端子N2 に接続して直流電力を供給するようにした場合には、図9に示すように、時点t26でスイッチSW41をオン状態に制御すると(図9(a))、二次巻線22に、正側端子P2 及び負側端子N2 への入力電圧が印加されることから(図9(e))、スイッチSW41を流れる電流I41が直線的に増加する(図9(c))。このとき、変圧器2は逆極性となっているため、一次巻線21の両端の電圧V21は逆極性(図9(d))となり、ダイオードD31に逆電圧がかかることになり、ダイオードD31に電流I31は流れない(図9(b))。
【0010】
また、スイッチSW41は導通状態であるからその両端の電圧V41は略零となる(図9(c))。
この状態から、時点t27でスイッチSW41をオフ状態に切り換えると(図9(a))、変圧器2に逆起電力が発生することから(図9(d)、(e))、ダイオードD31が導通し、ダイオードD31、一次巻線21、平滑コンデンサC1の経路で電流が流れ、変圧器2に蓄えられたエネルギが一次巻線21により放出されて、平滑コンデンサC1及び正側端子P1 に供給され、ダイオードD31を流れる電流I31は直線的に変化する(図9(b))。
【0011】
そして、変圧器2に蓄えられたエネルギを一次側に放出し終わった後(図9(b))、時点t28でスイッチSW41をオン状態に切り換えると、上記の時点t26と同様に動作し、スイッチSW41を、平滑コンデンサC1の両端の電圧が一定となるように、オン・オフ制御することによって、上記と同様の動作が繰り返し行われて、正側端子P1 及び負側端子N1 に直流電力が供給される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図8(b)及び図9(c)に示すように、スイッチSW31又はSW41を流れる電流I31、I41は直線的に変化するため、図8の時点t22或いは時点t24でスイッチSW31をオフに切り換えるとき、或いは図9の時点t27或いは時点t29でスイッチSW41をオフに切り換えるときに、遮断電流が大きくなり、スイッチング損失が大きいという問題がある。
【0013】
また、スイッチSW31、SW41がオフ制御されている期間に、これらスイッチSW31、SW41のドレイン・ソース間には、場合によっては入力電圧の二倍程度の電圧が印加されるため、耐圧の高い素子が必要となる。このように耐圧の高い素子は、オン抵抗が大きく、導通損失が増加し、このような導通損失の増加は、半導体スイッチ素子の発熱につながり、また、電力変換効率が低下することになる。
【0014】
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、半導体スイッチング素子の遮断電流及び発熱を低減し、電力変換効率を向上させることの可能な双方向直流−直流変換装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る双方向直流−直流変換装置は、一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、前記一次巻線と直列に接続される第1のスイッチング手段と、前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、直列に接続された前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第2のスイッチング手段及び当該第2のスイッチング手段と直列に接続される第3のスイッチング手段とを備え、前記一次巻線及び第1のスイッチング手段の両端と、前記第2のスイッチング手段及び第3のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴としている。
【0016】
この請求項1に係る発明では、一次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第1及び第3のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第1のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第1及び第3のスイッチング手段を遮断し第2のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させる。このとき、第1のスイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、第1のスイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【0017】
逆に、二次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第1及び第3のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第3のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第1及び第3のスイッチング手段を遮断し第2のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させる。このとき、第3のスイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、第3のスイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【0018】
また、請求項2に係る双方向直流−直流変換装置は、一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、前記一次巻線と直列に接続される第1のスイッチング手段と、前記一次巻線及び第1のスイッチング手段の両端に接続される第2のスイッチング手段と、前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第3のスイッチング手段及び当該第3のスイッチング手段と直列に接続される第4のスイッチング手段とを備え、前記一次巻線の予め設定した中途取り出し点と前記第1のスイッチング手段の前記一次巻線側とは逆側の端部との間と、前記第3のスイッチング手段及び第4のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴としている。
【0019】
この請求項2に係る発明では、一次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第1及び第4のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させ、コンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第1のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第1及び第4のスイッチング手段を遮断させ、第2及び第3のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させると共に、第2のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。このとき、各スイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、各スイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【0020】
逆に、二次巻線側に直流電力を入力する場合には、例えば、第1及び第4のスイッチング手段を導通させ、コンデンサ及び変圧器インダクタンスを共振させコンデンサに電荷を蓄えると共に電力供給を行うことによって、第4のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。次に、第1及び第4のスイッチング手段を遮断し第2及び第3のスイッチング手段を導通させることによって、コンデンサの電荷を放出させると共に、第3のスイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させる。このとき、各スイッチング手段を流れる電流は正弦波状に変化するから、各スイッチング手段を的確なタイミングで遮断することによって遮断時の遮断電流を低減することが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態における直流−直流変換装置10の回路図である。図1に示すように、この直流−直流変換装置10は、一次側及び二次側が同極性となるように接続された絶縁型変圧器2を備えて構成され、変圧器2の一次巻線21と直列に、Nチャネル型MOSトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチSW31が接続されている。また、前記スイッチSW31には、逆並列にダイオードD31が接続されている。そして、これら直列に接続された一次巻線21及びスイッチSW31が正側端子P1 及び負側端子N1 に接続され、さらに、これら直列に接続された一次巻線21及びスイッチSW31と並列に、正側端子P1 及び負側端子N1 間に、平滑コンデンサC1が接続されている。
【0022】
一方、正側端子P2 及び負側端子N2 間には、Nチャネル型MOSトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチSW42及びこれと直列に接続されたスイッチSW41が接続されている。さらに、正側端子P2 及び負側端子N2 間に平滑コンデンサC2が接続されている。
前記スイッチSW41及びSW42には、それぞれ、逆並列にダイオードD41及びD42が接続されている。そして、スイッチSW42のドレイン及びソース間に、変圧器2の二次巻線22及びこれと直列に接続されたコンデンサC3が接続されている。
【0023】
次に、上記第1の実施の形態の動作を説明する。
図2及び図3は、直流−直流変換装置10の各部の波形を示したものであり、図2は、正側端子P1 及び負側端子N1 側を入力側、正側端子P2 及び負側端子N2 側を出力側とした場合の波形を表し、図3は、正側端子P2 及び負側端子N2 側を入力側、正側端子P1 及び負側端子N1 側を出力側とした場合の波形を表したものである。
【0024】
なお、図2及び図3において、(a)はスイッチSW31のゲート端子に入力される電圧Vg31、スイッチSW41のゲート端子に入力される電圧Vg41及びスイッチSW42のゲート端子に入力される電圧Vg42を表している。(b)はスイッチSW31のドレイン・ソース間の電圧V31と、スイッチSW31及びダイオードD31を流れる電流I31とを表したものであって、スイッチSW31のドレイン電流を正、ダイオードD31を流れる電流を負としている。(c)はスイッチSW41及びSW42のドレイン・ソース間の電圧V41、V42と、スイッチSW41及びダイオードD41を流れる電流I41と、スイッチSW42及びダイオードD42を流れる電流I42とを表したものであって、スイッチSW41、SW42のドレイン電流を正、ダイオードD41、D42を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチSW41又はダイオードD41に対応し、破線がスイッチSW42又はダイオードD42に対応している。
【0025】
また、(d)は変圧器2の一次巻線21の両端の電圧V21、(e)は変圧器2の二次巻線22の両端の電圧V22、(f)はコンデンサC3の両端の電圧VC3、(g)は平滑コンデンサC1及びC2の両端の電圧VC1、VC2を表している。
図1において、図示しない直流電源を、正側端子P1 及び負側端子N1 に接続して直流電力を供給し、図2に示すように、時点t1 でスイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW42をオフ状態に制御すると(図2(a))、スイッチSW31は導通状態となり、一次巻線21に正側端子P1 及び負側端子N1 間への入力電圧が印加される(図2(d))。これにより、一次巻線21に一次電流が流れて、二次巻線22にエネルギを伝達する。変圧器2は同極性であるから、ダイオード41、コンデンサC3、二次巻線22、平滑コンデンサC2の経路で電流が流れ、変圧器2のインダクタンス及びコンデンサ3の共振によって、ダイオードD41を流れる電流I41(図2(c))は正弦波状に増減し、これに伴って、スイッチSW31を流れる電流I31も正弦波状に増減する(図2(b))。
【0026】
前記二次巻線22のエネルギは、正側端子P2 を介して図示しない負荷に供給されると共に、コンデンサC3に電荷を蓄え、これに伴ってコンデンサC3の両端の電圧VC3(図2(f))が正弦波状に減少すると、二次巻線22の両端の電圧V22(図2(e))は、逆に、正弦波状に増加する。
このとき、スイッチSW31及びスイッチSW41は導通状態であるからその両端の電圧V31及びV41は略零となり(図2(c))、また、スイッチSW42の両端には、二次巻線22の両端の電圧V22とコンデンサC3の両端の電圧VC3との差電圧が印加されることになり(図2(c))、ほぼ一定値となりこれが出力電圧となる。
【0027】
この状態から、時点t2 でスイッチSW31及びSW41をオフ、スイッチSW42をオンに切り換えると(図2(a))、コンデンサC3に蓄えられていた電荷により、コンデンサC3、ダイオードD42、二次巻線22の経路で電流が流れ、ダイオードD42を流れる電流I42(図2(c))は、正弦波状に減少する。
これに伴って、コンデンサC3の両端の電圧VC3(図2(f))は正弦波状に増加し、二次巻線22の両端の電圧V22(図2(e))は逆極性となり正弦波状に増加する。また、ダイオードD42、二次巻線22を流れる電流が正弦波状に減少することに伴って、一次巻線21の両端の電圧V21(図2(d))は逆極性の正弦波状に増加する電圧となる。また、スイッチSW31の両端の電圧V31(図2(b))は、一次巻線21の両端の電圧V21とは逆極性となり、正弦波状に増加する。
【0028】
このとき、スイッチSW42は導通状態であるからその両端の電圧V42は略零となり、また、スイッチSW41の両端の電圧V41は、平滑コンデンサC2の両端の電圧VC2と同等となる(図2(c))。
そして、時点t3 で、再度、スイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW42をオフに制御し、平滑コンデンサC2 の両端の電圧が一定となるように、上記と同様に順次、各スイッチSW31〜SW42を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子P2 及び負側端子N2 に直流電力が供給される。
【0029】
逆に、図1において、図示しない直流電源を、正側端子P2 及び負側端子N2 に接続して直流電力を供給し、図3に示すように、時点t6 でスイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW42をオフ状態に制御すると(図3(a))、二次巻線22には、正側端子P2 及びN2 間への入力電圧と、コンデンサC3の電圧VC3との差電圧が印加される。これによって、変圧器2のインダクタンスとコンデンサC3とが共振し、二次巻線22、コンデンサC3、スイッチSW41の経路で電流が流れてコンデンサC3に電荷が蓄えられ、スイッチSW41を流れる電流I41は正弦波状に増減する(図3(c))。また、ダイオードD31、一次巻線21、平滑コンデンサC1の経路で電流が流れると共に、正側端子P1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給し、ダイオードD31を流れる電流I31は正弦波状に増減し(図3(b))、コンデンサC3に電荷が蓄えられ、これに伴ってその両端の電圧VC3(図3(f))が正弦波状に増加すると、二次巻線22の両端の電圧V22(図3(e))は逆に正弦波状に減少する。また、一次巻線21の両端の電圧V21(図3(d))は、コンデンサC1の両端の電圧VC1と同等となりこれが出力電圧となる。
【0030】
このとき、スイッチSW31及びスイッチSW41は導通状態であるから、その両端の電圧V31及びV41は略零となり、また、スイッチSW42の両端には、入力電圧が印加されることになる(図3(b)、(c))。
この状態から、時点t7 で、スイッチSW31及びSW41をオフ、スイッチSW42をオンに切り換えると(図3(a))、ダイオードD42に電流が流れコンデンサC3に電荷が蓄えられた後、コンデンサC3に蓄えられた電荷によってスイッチSW42を流れる電流I42(図3(c))が正弦波状に増加し、コンデンサC3の両端の電圧VC3が正弦波状に減少する(図3(f))。二次巻線22の両端の電圧V22(図3(e))は、逆極性となり、コンデンサC3の両端の電圧VC3の減少に伴って、逆に増加する。
【0031】
また、スイッチSW42、二次巻線22を流れる電流I42が正弦波状に増加することに伴って、一次巻線21の両端の電圧V21(図3(d))は、逆極性となり正弦波状に減少し、スイッチSW31の両端の電圧V31(図3(b))は、一次巻線21の両端の電圧V21とは逆極性となり、正弦波状に減少する。
このとき、スイッチSW42は導通状態であるからその両端の電圧V42は略零となり、また、スイッチSW41の両端の電圧V41は、入力電圧と同等となる(図3(c))。
【0032】
そして、時点t8 で、再度、スイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW42をオフに制御し、平滑コンデンサC1の両端の電圧が一定となるように、上記と同様にして順次、各スイッチSW31〜SW42を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子P1 及び負側端子N1 に直流電力が供給される。
ここで、図2及び図3に示すように、スイッチSW31及びSW41に流れる電流は、正弦波状の電流である。したがって、図8或いは図9に示す従来と比較して、スイッチSW31或いはSW41を遮断する際の、遮断電流を小さくできることがわかる。また、スイッチSW41及びSW42に印加される電圧は、入力電圧或いは出力電圧とほぼ同等となる。
【0033】
したがって、従来は入力電圧の二倍程度の電圧が印加されていたのに対し、大幅に印加電圧を低減することができる。よって、スイッチの遮断電流を小さくし、スイッチング損失を低減することができると共に、耐圧の低い素子を適用することができるから、スイッチの発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
なお、第1の実施の形態は請求項1に対応し、スイッチSW31及びダイオードD31が第1のスイッチング手段に対応し、スイッチSW42及びダイオードD42が第2のスイッチング手段に対応し、スイッチSW41及びダイオードD41が第3のスイッチング手段に対応している。
【0034】
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。
この第2の実施の形態は、図1に示す第1の実施の形態における直流−直流変換装置10において、変圧器2の一次側の構成が異なること以外は同一である。よって、同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
第2の実施の形態においては、図4に示すように、一次巻線21にさらに、一次巻線21rが巻き上げられている。つまり、一次巻線21rの一端は、一次巻線21と正側端子P1 との接続点に接続され、一次巻線21rの他端は、Nチャネル型MOSトランジスタからなる、常開スイッチとして作動するスイッチSW32を介して、スイッチSW31のソース側に接続されている。そして、スイッチSW32には、逆並列にダイオードD32が接続されている。なお、前記一次巻線21と一次巻線21rの巻線数は等しくなるように設定されている。
【0035】
次に、上記第2の実施の形態の動作を説明する。
図5及び図6は、直流−直流変換装置10の各部の波形を示したものであり、図5は、正側端子P1 及び負側端子N1 側を入力側、正側端子P2 及び負側端子N2 側を出力側とした場合の波形、図6は、正側端子P2 及び負側端子N2 側を入力側、正側端子P1 及び負側端子N1 側を出力側とした場合の波形を表したものである。
【0036】
なお、(a)はスイッチSW31のゲート端子に入力される電圧Vg31、スイッチSW32のゲート端子に入力される電圧Vg32、スイッチSW41のゲート端子に入力される電圧Vg41及びスイッチSW42のゲート端子に入力される電圧Vg42を表している。(b)はスイッチSW31及びSW32のドレイン・ソース間の電圧V31、V32と、スイッチSW31及びダイオードD31を流れる電流I31と、スイッチSW32及びダイオードD32を流れる電流I32と、を表したものであって、スイッチSW31、SW32のドレイン電流を正、ダイオードD31、D32を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチSW31又はダイオードD31に対応し、破線がスイッチSW32又はダイオードD32に対応している。(c)はスイッチSW41及びSW42のドレイン・ソース間の電圧V41、V42と、スイッチSW41又はダイオードD41を流れる電流I41と、スイッチSW42又はダイオードD42を流れる電流I42と、を表したものであって、スイッチSW41、SW42のドレイン電流を正、ダイオードD41、D42を流れる電流を負としている。また、実線がスイッチSW41又はダイオードD41に対応し、破線がスイッチSW42又はダイオードD42に対応している。
【0037】
また、(d)は変圧器2の一次巻線21の両端の電圧V21、(e)は変圧器2の二次巻線22の両端の電圧V22、(f)はコンデンサC3の両端の電圧VC3、(g)は平滑コンデンサC1及びC2の両端の電圧VC1、VC2を表している。
図4において、図示しない直流電源を、正側端子P1 及び負側端子N1 に接続して直流電力を供給し、図5に示すように、時点t11でスイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW32、SW42をオフ状態に制御すると(図5(a))、一次巻線21に正側端子P1 及び負側端子N1 間への入力電圧が印加され(図5(d))、一次巻線21に一次電流が流れて、二次巻線22にエネルギを伝達する。変圧器2は同極性であるから、ダイオード41、コンデンサC3、二次巻線22、平滑コンデンサC2の経路で、平滑コンデンサC2を充電する経路で電流が流れると共に、正側端子P2 を介して図示しない負荷にエネルギを供給し、このとき、変圧器2のインダクタンス及びコンデンサC3の共振によって、ダイオードD41を流れる電流I41は正弦波状に増減し(図5(c))、これに伴って、一次巻線21、スイッチSW31を流れる電流I31(図5(b))も正弦波状に増減する。
【0038】
前記二次巻線22は、正側端子P2 を介して図示しない負荷にエネルギを供給すると共に、コンデンサC3に電荷を蓄える。これに伴って、コンデンサC3の両端の電圧VC3(図5(f))が正弦波状に減少すると、二次巻線22の両端の電圧V22(図5(e))は、逆に、正弦波状に増加する。
このとき、スイッチSW31及びスイッチSW41は導通状態であるからその両端の電圧V31及びV41は略零となり、また、スイッチSW32の両端の電圧V32は入力電圧と一次巻線21rとの加算電圧、スイッチSW42の両端の電圧V42は、二次巻線22の両端の電圧V22とコンデンサC3の両端の電圧VC3との差電圧が印加されることになり、ほぼ一定値となり、これが出力電圧となる。
【0039】
この状態から、時点t12でスイッチSW31及びSW41をオフ、スイッチSW32、SW42をオンに切り換えると(図5(a))、コンデンサC3に蓄えられていた電荷により、コンデンサC3、ダイオードD42、二次巻線22の経路で電流が流れ、ダイオードD42を流れる電流I42は正弦波状に増減する(図5(c))。
これに伴って、コンデンサC3の両端の電圧VC3(図5(f))は正弦波状に増加し、二次巻線22の両端の電圧V22(図5(e))は、逆極性となり正弦波状に増加する。また、ダイオードD42、二次巻線22を流れる電流I42が正弦波状に増減することに伴って、一次巻線21r、スイッチSW32、平滑コンデンサC1の経路で電流が流れ、スイッチSW32を流れる電流I32は正弦波状に増減する(図5((b))。
【0040】
このとき、スイッチSW32、SW42は導通状態であるからその両端の電圧V32、V42は略零となり、また、スイッチSW31の両端の電圧V31は入力電圧と一次巻線21との加算電圧、スイッチSW41の両端の電圧は、平滑コンデンサC2の両端の電圧VC2と同等となる(図5(b)、(c))。また、一次巻線21rの両端の電圧は逆極性となり入力電圧にクランプされていることから、二次巻線21の両端の電圧V21は、入力電圧の逆極性と同等となる(図5(d))。
【0041】
そして、時点t13で、再度、スイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW32、SW42をオフに制御し、平滑コンデンサC2の両端の電圧VC2が一定となるように、上記と同様にして、順次、各スイッチSW31〜SW42を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子P2 及び負側端子N2 に直流電力が供給される。
逆に、図4において、図示しない直流電源を、正側端子P2 及び負側端子N2 に接続して直流電力を供給し、図6に示すように、時点t16でスイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW32、SW42をオフ状態に制御すると(図6(a))、二次巻線22には、正側端子P2 及び負側端子N2 間への入力電圧とコンデンサC3の電圧VC3との差電圧が印加される。これによって、変圧器2のインダクタンスとコンデンサC3とが共振し、二次巻線22、コンデンサC3、スイッチSW41の経路で電流が流れ、コンデンサC3に電荷が蓄えられる。このとき、二次巻線22、スイッチSW41を流れる電流I41は正弦波状に増減し(図6(c))、これに伴って、ダイオードD31、一次巻線21、平滑コンデンサC1の経路で流れる電流I31も正弦波状に増減し(図6(b))、一次巻線21の両端の電圧V21は平滑コンデンサC1の両端の電圧VC1と同等となり、これが出力電圧となる(図6(d))。また、この時、電流I31は、正側端子P1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給する。
【0042】
前記コンデンサC3に電荷が蓄えられ、これに伴ってその両端の電圧VC3が正弦波状に増加すると(図6(f))、二次巻線22の両端の電圧V22は、逆に正弦波状に減少する(図6(e))。
このとき、スイッチSW31及びスイッチSW41は導通状態であるから、その両端の電圧V31及びV41は略零となり、また、スイッチSW32の両端の電圧V32は、平滑コンデンサC1の両端の電圧VC1と同等となり、スイッチSW42の両端には、入力電圧が印加されることになる(図6(b)、(c))。
【0043】
この状態から、時点t17で、スイッチSW31及びSW41をオフ、スイッチSW32、SW42をオンに切り換えると(図6(a))、コンデンサC3に蓄えられていた電荷によって、コンデンサC3、二次巻線22、スイッチSW42の経路で電流が流れ、スイッチSW42を流れる電流I42は、正弦波状に増減し(図6(c))、これに伴って、コンデンサC3の両端の電圧VC3(図6(f))は正弦波状に減少する。また、二次巻線22の両端の電圧V22(図6(e))は、逆極性となり、コンデンサC3の電荷VC3の減少に伴って正弦波状に増加する。
【0044】
また、コンデンサC3、二次巻線22を流れる電流I42が正弦波状に変化することに伴って、ダイオードD32、一次巻線21r、コンデンサC1の経路で流れる電流I32(図6(b))が正弦波状に増減する。このとき、一次巻線21の両端の電圧V21(図6(d))は逆極性となり、スイッチSW31の両端の電圧V31(図6(b))は、一次巻線21の両端の電圧V21と逆極性の電圧となる。また、このとき、電流I32は、正側端子P1 を介して図示しない負荷にエネルギを供給する。
【0045】
このとき、スイッチSW32、SW42は導通状態であるからその両端の電圧V32、V42は略零となり、また、スイッチSW41の両端の電圧V41は、入力電圧と同等となる(図6(b)、(c))。
そして、時点t18で、再度、スイッチSW31、SW41をオン、スイッチSW32、SW42をオフに制御し、平滑コンデンサC1 の両端の電圧が一定となるように、上記と同様にして順次、各スイッチSW31〜SW42を切り換えることによって、上記と同様の動作が繰り返し行われ、正側端子P1 及び負側端子N1 に直流電力が供給される。
【0046】
ここで、図5及び図6に示すように、スイッチSW31及びSW41に流れる電流は、正弦波状に増減する電流である。したがって、スイッチSW31及びSW41に流れる電流量を考慮してスイッチSW31、SW41を切り換えることによって、この場合も、上記第1の実施の形態と同様に、遮断電流を小さくできる。また、スイッチSW41及びSW42に印加される電圧は、入力電圧或いは出力電圧とほぼ同等となることから、この場合も、スイッチング損失を低減することができると共に、スイッチの発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
【0047】
さらに、第2の実施の形態は、スイッチングのほぼ全周期で負荷にエネルギを供給することができ、変圧器の利用率を向上させることができる。
なお、上記各実施の形態においては、スイッチング手段としてMOSトランジスタを用いた場合について説明したが、これに限らず、他の半導体スイッチング素子であっても適用でき、上記と同等の作用効果を得ることができる。
なお、第2の実施の形態は請求項2に対応し、スイッチSW31及びダイオードD31が第1のスイッチング手段に対応し、スイッチSW32及びダイオードD32が第2のスイッチング手段に対応し、スイッチSW42及びダイオードD42が第3のスイッチング手段に対応し、スイッチSW41及びダイオードD41が第4のスイッチング手段に対応している。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る双方向直流−直流変換装置によれば、スイッチング手段を流れる電流を正弦波状に変化させるようにしたから、スイッチング手段の遮断電流を低減することができ、また、スイッチング手段に印加される電圧を低減することができるから、スイッチング損失を低減することができると共に、スイッチング手段の発熱を低減し、電力変換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図2】第1の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図3】第1の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態における直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図5】第2の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図6】第2の実施の形態の動作説明に供する波形図である。
【図7】従来の直流−直流変換装置の一例を示す回路図である。
【図8】従来の動作説明に供する波形図である。
【図9】従来の動作説明に供する波形図である。
【符号の説明】
2 変圧器
10 直流−直流変換装置
21、21a、21b 一次巻線
22 二次巻線
SW31、SW32、SW41、SW42 スイッチ
D31、D32、D41、D42 ダイオード
C1、C2 平滑コンデンサ
C3 コンデンサ
Claims (2)
- 一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、
前記一次巻線と直列に接続される第1のスイッチング手段と、
前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、
直列に接続された前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第2のスイッチング手段及び当該第2のスイッチング手段と直列に接続される第3のスイッチング手段とを備え、
前記一次巻線及び第1のスイッチング手段の両端と、前記第2のスイッチング手段及び第3のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴とする双方向直流−直流変換装置。 - 一次巻線及びこれと同極性に接続された二次巻線を有する変圧器と、
前記一次巻線と直列に接続される第1のスイッチング手段と、
前記一次巻線及び第1のスイッチング手段の両端に接続される第2のスイッチング手段と、
前記二次巻線と直列に接続されるコンデンサと、
前記二次巻線及びコンデンサの両端に接続される第3のスイッチング手段及び当該第3のスイッチング手段と直列に接続される第4のスイッチング手段とを備え、
前記一次巻線の予め設定した中途取り出し点と前記第1のスイッチング手段の前記一次巻線側とは逆側の端部との間と、前記第3のスイッチング手段及び第4のスイッチング手段の両端と、の何れか一方に直流電力を入力し、他方から直流電力を取り出すようになっていることを特徴とする双方向直流−直流変換装置。
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