JP4075884B2 - 電荷蓄積素子の電力制御回路 - Google Patents
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Description
この種の回路方式として、図22、図23、図24に示すような回路構成が考えられている。図22の回路構成として、直流電圧源101とスイッチ102とダイオード103とインダクタ104とコンデンサ105とインダクタ106とスイッチ107とダイオード108と圧電素子109よりなり、部材106,107,108にて昇圧チョッパ回路を構成するとともに部材102,103,104にて降圧チョッパ回路を構成し、昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路を中間コンデンサ105を介して直列接続している。図23の回路構成は、図22に対して昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路を逆に直列接続したものである。図24の回路構成は、インダクタ110が図22の降圧チョッパ回路のインダクタ104と昇圧チョッパ回路のインダクタ106の機能を兼用するため、図22において必要なインダクタ104、106のうち一方のインダクタと中間コンデンサ105を削減できる。
図22〜図24において、ダイオード103,108はスイッチに置き換えると、力行と回生が可能、即ち双方向に電力制御を可能とする。また、これら4個のスイッチとしてMOSFETを使用する場合、力行と回生ともに同期整流による導通損失低減を可能とする。
Bhaskar Krishnamachari and Dariusz Czarkowski, "Bidirectional Buck−boost Converter with Variable Output Voltage" ,1998 IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS‘98),June 1998
(i)第2のスイッチがオフ、第1のスイッチがオンにされた時に、直流電圧源と第1のスイッチとインダクタによる閉回路に電流が流れて直流電圧源とインダクタとの間で電力が転送される。
(ii)第1のスイッチがオフ、第2のスイッチがオンにされた時に、第2のスイッチとインダクタと電荷蓄積素子による閉回路に電流が流れてインダクタと電荷蓄積素子との間で電力が転送される。
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、電荷蓄積素子としての圧電素子2の電圧を制御する第1の実施形態における電荷蓄積素子の電力制御回路の構成を示す回路図である。
前提条件は、スイッチ3、スイッチ4のスイッチング周期Tでは、直流電圧源1の電圧値は一定とし、スイッチ3、スイッチ4での電圧降下はないと仮定する。そして、スイッチ3、スイッチ4のスイッチング動作により、圧電素子(電荷蓄積素子)2の両端電圧値を一定にして歪量を一定に保つようにしている。
E=(1/2)・L・(Imax)2
ただし、L:インダクタ5のインダクタンス値、
Imax:t1でのインダクタ5の電流値
このように、第1のスイッチ3がオンし、直流電圧源1、第1のスイッチ3、インダクタ5が直列接続された回路においてインダクタ5に電流が流れ、このとき、インダクタ5に電力が蓄積される。
なお、インダクタ電流i(5)を逆方向に流すことにより、圧電素子2の電力を直流電圧源1に戻す回生を行うようにしてもよい。詳しくは、図2でのスイッチ3,4のオン/オフのタイミングを図4に示すようにすることにより、インダクタ5に流す電流i(5)を逆方向にする。これにより、直流電圧源1への回生を行うようにする。より詳しくは、制御回路8により、スイッチング動作として、次のようにする。
また、図1でのスイッチ3、スイッチ4は、MOSFETやIGBT等を用いて構成する。図5は、MOSFETを用いた場合の電荷蓄積素子の電力制御回路の構成を示す。図5において、第1のスイッチ3は、MOSFET10にダイオード12を逆並列に接続した構成をなしている。また、第2のスイッチ4は、MOSFET11にダイオード13を逆並列に接続した構成をなしている。ここで、ダイオード12,13は、MOSFET10,11のボディダイオードであっても外付けのダイオードであってもよい。
以上説明してきたように第1の実施形態は下記の特徴を有する。
制御回路8により、スイッチ3とスイッチ4を共にオフにした状態を挟んで、スイッチ4をオフにするとともにスイッチ3をオンにして直流電圧源1とスイッチ3とインダクタ5による閉回路に電流を流して直流電圧源1とインダクタ5との間で電力を転送する状態と、スイッチ3をオフにするとともにスイッチ4をオンにしてスイッチ4とインダクタ5と電荷蓄積素子(2)による閉回路に電流を流してインダクタ5と電荷蓄積素子(2)との間で電力を転送する状態とを繰り返し、かつ、スイッチ3とスイッチ4を共にオフにした状態においてスイッチのターンオフにより当該状態にしてからキャパシタンス成分(6,7,9)とインダクタ5との共振回路による共振によってこれからオンにしようとするスイッチ3,4の両端電圧が低下した時に当該スイッチ3,4をオンする。よって、スイッチング損失が低減される。また、図27の回路構成に比べ部品点数を少なくでき、コスト・体格の面で優れている。その結果、電荷蓄積素子の電圧がゼロ以下となる昇降圧チョッパにおいて損失・コスト・体格で最適なソフトスイッチング回路構成とすることができる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
図11には、第1の単位回路におけるスイッチ3a,4aと、第2の単位回路におけるスイッチ3b,4bのオン/オフのタイミングを示す。図11において第1の単位回路(スイッチ3a,4a)と第2の単位回路(スイッチ3b,4b)との間でスイッチング位相として約180°ズラしている。つまり、図11においてスイッチ3aの駆動パルスにおける立ち上がりエッジとスイッチ3bの駆動パルスにおける立ち上がりエッジとは約180°位相がズレるとともに、スイッチ4aの駆動パルスにおける立ち上がりエッジとスイッチ4bの駆動パルスにおける立ち上がりエッジとは約180°位相がズレている。このようにして、制御回路8は、第1のスイッチとインダクタと第2のスイッチとコンデンサ(キャパシタンス成分)を回路構成要素とする各単位回路における、第1のスイッチと第2のスイッチのスイッチング動作の際の位相を、各単位回路間で異なるように制御する(各回路間でスイッチング周期の位相差を設定している)。
また、図10においてはスイッチ3a、3b、4a、4bに並列にコンデンサ6a、6b、7a、7bを接続したが、これに代わり、図12に示すように、インダクタ5a、5bに並列にコンデンサ9a、9bを接続してもよいことはいうまでもない。詳しくは、第1の単位回路においてインダクタ5aに対しコンデンサ9aを並列接続するとともに、第2の単位回路においてインダクタ5bに対しコンデンサ9bを並列接続する。
図10に代わる回路構成として、図13に示すようにしてもよい。図13において、各単位回路に対して独立の直流電圧源1a,1bが接続されている。即ち、直流電圧源1aとスイッチ3aとインダクタ5aとが直列に接続され、また、インダクタ5aとスイッチ4aと圧電素子(電荷蓄積素子)2とが直列に接続されている。一方、直流電圧源1bとスイッチ3bとインダクタ5bとが直列に接続され、また、インダクタ5bとスイッチ4bと圧電素子(電荷蓄積素子)2とが直列に接続されている。
また、図10に代わる回路構成として、図14に示すようにしてもよい。図14において、各単位回路に対して独立に圧電素子(電荷蓄積素子)2a,2bが接続されている。即ち、直流電圧源1とスイッチ3aとインダクタ5aとが直列に接続され、また、インダクタ5aとスイッチ4aと圧電素子(電荷蓄積素子)2aとが直列に接続されている。一方、直流電圧源1とスイッチ3bとインダクタ5bとが直列に接続され、また、インダクタ5bとスイッチ4bと圧電素子(電荷蓄積素子)2bとが直列に接続されている。
図14に代わる回路構成として、図15に示すようにしてもよい。図15において、単数の直流電圧源1に対して複数のコンデンサ(電荷蓄積素子)20a,20bの電圧を制御することとし、さらに、図15においては制御回路8はそれぞれのコンデンサ(電荷蓄積素子)20a,20bの一方の端子間電圧Voutを制御する。広義には、コンデンサ(20a,20b)が複数存在し、制御回路8は、任意のコンデンサ20aの一方の端子と任意のコンデンサ20bの一方の端子との間の電圧Voutを制御する。各コンデンサ(電荷蓄積素子)20a,20bの出力電圧の差分Voutを制御することにより、出力電圧(出力形態)のバリエーションを増やすことができる。
また、図19の変形例として、図20に示すように、3相負荷22における第1の端子と第2の端子間(ΔV1印加用)にコンデンサ23aを、第2の端子と第3の端子間(ΔV2印加用)にコンデンサ23bを、第1の端子と第3の端子間(ΔV3印加用)にコンデンサ23cを、それぞれ接続してもよい。図20の場合においても、3相負荷22がスター結線の場合、直流電圧源1のマイナス端子と3相負荷22の中性点はショートさせてもよい。
図1での第1のスイッチ3とインダクタ5と第2のスイッチ4とコンデンサ(キャパシタンス成分)6,7を回路構成要素とする単位回路が複数形成され、各単位回路に対し単数または複数の直流電圧源1および単数または複数の圧電素子(電荷蓄積素子)2を接続した。つまり、図1の第1の実施形態における回路構成から直流電圧源1と圧電素子(電荷蓄積素子)2を除いた回路を単位として、システムが複数の単位回路で構成され、単数あるいは複数の直流電圧源1により、単数あるいは複数の圧電素子(電荷蓄積素子)2の電力を任意に制御する。これにより、出力形態のバリエーション向上や、出力最適化や高電圧化が可能になる。また、各単位回路を構成するスイッチのスイッチングの位相を各単位回路間で異なるように制御することにより、入出力電圧変動の低減、電圧変動の低減による損失低減(および小型化、低コスト化)を可能とする。また、単数の圧電素子(電荷蓄積素子)2の電圧を複数の単位回路を並列接続して制御する場合、並列接続による低導通損失化、大電流化が可能となる。
また、これまでの説明において、力行動作のみ行ったり、回生動作のみ行ったり、力行動作と回生動作の両方を行ってもよいことはいうまでもない。さらに、第2の実施形態において、一つの単位回路で力行を行い、他の単位回路で回生を行ってもよい(例えば、図13において上側の単位回路で力行を行い、下側の単位回路で回生を行う)。
Claims (4)
- 直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)とが直列接続されるとともに、前記インダクタ(5)に対し第2のスイッチ(4)と電荷蓄積素子(2)とが直列接続され、さらに、前記第1のスイッチ(3)および前記第2のスイッチ(4)および前記インダクタ(5)の少なくとも一つにキャパシタンス成分(6、7、9)が並列に接続され、前記第1のスイッチ(3)と前記第2のスイッチ(4)をオン/オフ制御する制御回路(8)により、
第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態を挟んで、
前記第2のスイッチ(4)をオフにするとともに第1のスイッチ(3)をオンにして直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)による閉回路に電流を流して直流電圧源(1)とインダクタ(5)との間で電力を転送する状態と、
第1のスイッチ(3)をオフにするとともに第2のスイッチ(4)をオンにして第2のスイッチ(4)とインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)による閉回路に電流を流してインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)との間で電力を転送する状態と
を繰り返し、
かつ、前記第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態においてスイッチのターンオフにより当該状態にしてからキャパシタンス成分(6、7、9)とインダクタ(5)との共振回路による共振によってこれからオンにしようとするスイッチ(3、4)の両端電圧が低下した時に当該スイッチ(3、4)をオンするようにし、
前記第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)と第2のスイッチ(4)とキャパシタンス成分(6、7、9)を回路構成要素とする単位回路が複数形成され、
当該各単位回路に対し単数または複数の直流電圧源(1)および単数または複数の電荷蓄積素子(2)を接続し、
電荷蓄積素子(20a、20b)が複数存在し、前記制御回路(8)は、任意の第1の電荷蓄積素子(20a)の一方の端子と任意の第2の電荷蓄積素子(20b)の一方の端子との間の電圧(Vout)を制御する
ことを特徴とする電荷蓄積素子の電力制御回路。 - 直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)とが直列接続されるとともに、前記インダクタ(5)に対し第2のスイッチ(4)と電荷蓄積素子(2)とが直列接続され、さらに、前記第1のスイッチ(3)および前記第2のスイッチ(4)および前記インダクタ(5)の少なくとも一つにキャパシタンス成分(6、7、9)が並列に接続され、前記第1のスイッチ(3)と前記第2のスイッチ(4)をオン/オフ制御する制御回路(8)により、
第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態を挟んで、
前記第2のスイッチ(4)をオフにするとともに第1のスイッチ(3)をオンにして直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)による閉回路に電流を流して直流電圧源(1)とインダクタ(5)との間で電力を転送する状態と、
第1のスイッチ(3)をオフにするとともに第2のスイッチ(4)をオンにして第2のスイッチ(4)とインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)による閉回路に電流を流してインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)との間で電力を転送する状態と
を繰り返し、
かつ、前記第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態においてスイッチのターンオフにより当該状態にしてからキャパシタンス成分(6、7、9)とインダクタ(5)との共振回路による共振によってこれからオンにしようとするスイッチ(3、4)の両端電圧が低下した時に当該スイッチ(3、4)をオンするようにし、
前記第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)と第2のスイッチ(4)とキャパシタンス成分(6、7、9)を回路構成要素とする単位回路が複数形成され、
当該各単位回路に対し単数または複数の直流電圧源(1)および単数または複数の電荷蓄積素子(2)を接続し、
電荷蓄積素子(20)が単数存在し、電荷蓄積素子(20)の端子はそれぞれ別の単位回路に接続され、前記制御回路(8)は、電荷蓄積素子の端子間の電圧(Vout)を制御する
ことを特徴とする電荷蓄積素子の電力制御回路。 - 直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)とが直列接続されるとともに、前記インダクタ(5)に対し第2のスイッチ(4)と電荷蓄積素子(2)とが直列接続され、さらに、前記第1のスイッチ(3)および前記第2のスイッチ(4)および前記インダクタ(5)の少なくとも一つにキャパシタンス成分(6、7、9)が並列に接続され、前記第1のスイッチ(3)と前記第2のスイッチ(4)をオン/オフ制御する制御回路(8)により、
第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態を挟んで、
前記第2のスイッチ(4)をオフにするとともに第1のスイッチ(3)をオンにして直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)による閉回路に電流を流して直流電圧源(1)とインダクタ(5)との間で電力を転送する状態と、
第1のスイッチ(3)をオフにするとともに第2のスイッチ(4)をオンにして第2のスイッチ(4)とインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)による閉回路に電流を流してインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)との間で電力を転送する状態と
を繰り返し、
かつ、前記第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態においてスイッチのターンオフにより当該状態にしてからキャパシタンス成分(6、7、9)とインダクタ(5)との共振回路による共振によってこれからオンにしようとするスイッチ(3、4)の両端電圧が低下した時に当該スイッチ(3、4)をオンするようにし、
前記第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)と第2のスイッチ(4)とキャパシタンス成分(6、7、9)を回路構成要素とする単位回路が複数形成され、
当該各単位回路に対し単数または複数の直流電圧源(1)および単数または複数の電荷蓄積素子(2)を接続し、
電荷蓄積素子(20a、20b)が複数存在し、任意の第1の電荷蓄積素子(20a)の一方の端子と任意の第2の電荷蓄積素子(20b)の一方の端子に負荷(21)を接続し、負荷(21)に電力を供給する
ことを特徴とする電荷蓄積素子の電力制御回路。 - 直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)とが直列接続されるとともに、前記インダクタ(5)に対し第2のスイッチ(4)と電荷蓄積素子(2)とが直列接続され、さらに、前記第1のスイッチ(3)および前記第2のスイッチ(4)および前記インダクタ(5)の少なくとも一つにキャパシタンス成分(6、7、9)が並列に接続され、前記第1のスイッチ(3)と前記第2のスイッチ(4)をオン/オフ制御する制御回路(8)により、
第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態を挟んで、
前記第2のスイッチ(4)をオフにするとともに第1のスイッチ(3)をオンにして直流電圧源(1)と第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)による閉回路に電流を流して直流電圧源(1)とインダクタ(5)との間で電力を転送する状態と、
第1のスイッチ(3)をオフにするとともに第2のスイッチ(4)をオンにして第2のスイッチ(4)とインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)による閉回路に電流を流してインダクタ(5)と電荷蓄積素子(2)との間で電力を転送する状態と
を繰り返し、
かつ、前記第1のスイッチ(3)と第2のスイッチ(4)を共にオフにした状態においてスイッチのターンオフにより当該状態にしてからキャパシタンス成分(6、7、9)とインダクタ(5)との共振回路による共振によってこれからオンにしようとするスイッチ(3、4)の両端電圧が低下した時に当該スイッチ(3、4)をオンするようにし、
前記第1のスイッチ(3)とインダクタ(5)と第2のスイッチ(4)とキャパシタンス成分(6、7、9)を回路構成要素とする単位回路が複数形成され、
当該各単位回路に対し単数または複数の直流電圧源(1)および単数または複数の電荷蓄積素子(2)を接続し、
電荷蓄積素子(20)が単数存在し、電荷蓄積素子(20)の端子はそれぞれ別の単位回路に接続され、電荷蓄積素子(20)に負荷(21)を接続し、負荷(21)に電力を供給する
ことを特徴とする電荷蓄積素子の電力制御回路。
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