JP5505429B2 - 交流電源装置 - Google Patents
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Description
図1は、実施形態1に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置1は、一次巻線npおよび二次巻線nsを有するトランスTを備え、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。交流電源装置1は、直流入力電源Vinが入力される一組の入力端子Pi(+),Pi(−)を備えている。入力端子Pi(+)は高電位側、入力端子Pi(−)は低電位側である。
電圧Vgs1が印加されて、スイッチング素子Q1がターンオンされると、スイッチング素子Q1が導通し、電圧Vds1は「0」となり、電流id1が流れる。このとき、インダクタLr、キャパシタCr、トランスTおよび容量性負荷(キャパシタ)Coにより共振回路が形成される。この共振回路は電圧の変化に対して電流が遅れて変化する誘導性インピーダンスとなる。電流id1は、インダクタLrに蓄えられると共に、トランスTの一次巻線に流れる。二次巻線には誘導電流が流れ、容量性負荷(キャパシタ)Coに電流が流れて、交流電圧Voが出力される。そして、スイッチング素子Q1がターンオフされると、電流id1は「0」になる。
スイッチング素子Q1がターンオフされた直後、インダクタLrに蓄えられていたエネルギーにより、スイッチング素子Q2のボディダイオードD2に電流が流れる。この時流れる電流は、state1で流れた電流と同じ電流id1であり、この電流id1はトランスTの一次巻線に流れる。二次巻線には誘導電流が流れ、容量性負荷(キャパシタ)Coに電流が流れて、電圧Voが出力される。なお、電流id2は、電流id1の逆極性となった波形である。このとき、キャパシタCrが充電される。ダイオードD2に電流が流れなくなるとダイオードD2は非導通となり、キャパシタCrへの充電が終了する。また、二次側の容量性負荷(キャパシタ)Coへの電流供給も終了する。
スイッチング素子Q1,Q2がオフの間、一次側には電流は流れない。二次側では、容量性負荷(キャパシタ)Coと二次巻線nsにより二次側共振回路が形成される。二次巻線nsのインダクタタンスは十分大きく、二次側共振回路の共振周波数は十分に低いために、出力電圧の変動は小さく、交流出力電圧Voは略一定に保持される。
電圧Vgs2が印加されて、スイッチング素子Q2がターンオンされると、スイッチング素子Q2が導通し、電圧Vds2は「0」となる。このとき、インダクタLr、キャパシタCr、トランスTおよび容量性負荷(キャパシタ)Coにより共振回路が形成される。この形成された回路には、state2でキャパシタCrに充電された電圧が放電され電流id2が流れる。電流id2は、インダクタLrに蓄えられると共に、トランスTの一次巻線に流れる。二次巻線には誘導電流が流れ、容量性負荷(キャパシタ)Coに電流が流れて、交流出力電圧Voが出力される。この時の交流出力電圧Voは、state1の場合と極性が逆となる。そして、スイッチング素子Q2がターンオフされると、電流id2は「0」になる。
スイッチング素子Q2がターンオフされた直後、インダクタLrに蓄えられていたエネルギーにより、スイッチング素子Q1のボディダイオードD1が導通し、キャパシタCrを放電する。この電流id1は直流入力電源Vinに流れて回生する。また、この時流れる電流id1はトランスTの一次巻線に流れる。二次巻線には誘導電流が流れ、容量性負荷(キャパシタ)Coに電流が流れて、交流出力電圧Voが出力される。なお、電流id1は、電流id2の逆極性となった波形である。ダイオードD1に電流が流れなくなるとダイオードD1は非導通となり、キャパシタCrの放電が終了する。また、二次側の容量性負荷(キャパシタ)Coへの電流供給も終了する。
スイッチング素子Q1,Q2がオフの間、一次側には電流は流れない。二次側では、容量性負荷(キャパシタ)Coと二次巻線nsにより二次側共振回路が形成される。二次巻線nsのインダクタタンスは十分大きく、二次側共振回路の共振周波数は十分に低いために、出力電圧の変動は小さく、交流出力電圧Voは略一定に保持される。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態2について、実施形態1との相違点を中心に説明する。図3は、実施形態2に係る交流電源装置の回路図である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態3について、実施形態1,2との相違点を中心に説明する。図5は、実施形態3に係る交流電源装置の回路図である。なお、以降の図面では、スイッチング素子Q1,Q2が有するダイオードを省略している。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態4について、実施形態1,2との相違点を中心に説明する。図6は、実施形態4に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置4において、トランスTの二次側の回路構成は実施形態2と同様である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態5について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図7は、実施形態5に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置5において、トランスTの二次側の回路構成は実施形態1と同様である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態6について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図8は、実施形態6に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置6において、トランスTの二次側の回路構成は実施形態4と同様である。また、交流電源装置6は、入力端子Pi(+)からのスイッチング素子Q1,Q2の接続順序が上述の実施形態と逆となっている。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態7について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図9は、実施形態7に係る交流電源装置の回路図である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態8について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図10は、実施形態8に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置8の二次側の回路構成は実施形態4,6などと同様である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態9について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図11は、実施形態9に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置9の二次側の回路構成は実施形態4,6などと同様である。
以下、本発明に係る交流電源装置の実施形態10について、上述の実施形態との相違点を中心に説明する。図12は、実施形態10に係る交流電源装置の回路図である。本実施形態に係る交流電源装置10の二次側の回路構成は実施形態4,6などと同様である。
20−制御回路
Q1,Q2,Q3,Q4−スイッチング素子
D1,D2,D3,D4−ダイオード
Pi(+)、Pi(−)−入力端子
Co−容量性負荷(キャパシタ)
Cr−キャパシタ(共振キャパシタ)
Lr−インダクタ(共振インダクタ)
T−トランス
np−一次巻線
ns−二次巻線
Vin−直流入力電源
Claims (12)
- 容量性負荷に交流電圧を供給する交流電源装置において、
直流電源が接続される入力端子と、
第1スイッチ素子および第1整流素子が並列接続された第1スイッチング回路と、
前記第1スイッチング回路に直列に接続され、第2スイッチ素子および第2整流素子が並列接続された第2スイッチング回路と、
一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
前記一次巻線に直列接続された共振インダクタ及び共振キャパシタと、
前記第1スイッチ素子を第1期間オンにした後に第2期間オフにする第1制御、及び前記第2スイッチ素子を第3期間オンにした後に第4期間オフにする第2制御を繰り返す制御手段と、
を備え、
前記共振インダクタ、前記共振キャパシタ及び前記容量性負荷は、電圧の変化に対して電流が遅れて変化する誘導性インピーダンスとなる共振回路を構成し、
前記制御手段は、
前記第1期間に前記第1スイッチ素子をオンして、前記第1スイッチ素子に電流を流して前記共振キャパシタを充電し、前記第2期間に前記第1スイッチ素子をオフして、前記第2整流素子に電流を流して前記共振キャパシタを充電し、電流が0Aとなって流れなくなることで充電期間が終了し、前記充電期間の電流が前記一次巻線に流れて前記二次巻線に誘導電流が流れ、前記容量性負荷に電流が流れて電圧が印加され、
前記第3期間に前記第2スイッチ素子をオンして、前記第2スイッチ素子に電流を流して前記共振キャパシタを放電し、前記第4期間に前記第2スイッチ素子をオフして、前記第1整流素子に電流を流して前記共振キャパシタを放電し、電流が0Aとなって流れなくなることで放電期間が終了し、前記放電期間の電流が前記一次巻線に流れて前記二次巻線に誘導電流が流れ、前記容量性負荷に前記充電期間とは逆方向の電流が流れて逆方向の電圧が印加され、
前記第1期間と前記第3期間を制御して前記交流電圧の絶対値を制御し、前記第2期間と前記第4期間を制御して前記交流電圧の周波数を制御する、
交流電源装置。 - 前記容量性負荷にバイアス電圧を与える直流電圧源を備える、請求項1に記載の交流電源装置。
- 前記容量性負荷とグランドの経路を接続又は遮断する二次側スイッチを備える、請求項1又は2に記載の交流電源装置。
- 前記入力端子の両端に接続された電源用キャパシタを備える、
請求項1から3の何れかに記載の交流電源装置。 - 前記一次巻線、前記共振インダクタ及び前記共振キャパシタのLC直列回路は、前記第1スイッチング回路又は前記第2スイッチング回路の両端に接続されている、
請求項1から4の何れかに記載の交流電源装置。 - 前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の直列回路に対して並列に接続された、2つの分流用共振キャパシタの直列回路
を備え、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の中点接続と、前記2つの分流用共振キャパシタの接続中点とに、前記一次巻線、前記共振インダクタ及び前記共振キャパシタのLC直列回路が接続されている、
請求項1から4の何れかに記載の交流電源装置。 - 第3スイッチ素子及び第3整流素子が並列接続された第3スイッチング回路と、
第4スイッチ素子及び第4整流素子が並列接続された第4スイッチング回路と、
を備え、
前記第3スイッチング回路及び前記第4スイッチング回路の直列回路は、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の直列回路に対して並列に接続され、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の接続中点と、前記第3スイッチング回路及び前記第4スイッチング回路の接続中点とに、前記一次巻線、前記共振インダクタ及び前記共振キャパシタのLC直列回路が接続され、
前記制御手段は、前記第1スイッチ素子と前記第4スイッチ素子とを同期させオンオフし、前記第2スイッチ素子と前記第3スイッチ素子とを同期させオンオフさせる、
請求項1から4の何れかに記載の交流電源装置。 - 前記LC直列回路は一端及び他端のそれぞれに前記共振キャパシタを有する、請求項5から7の何れかに記載の交流電源装置。
- 前記トランスに代えて前記共振キャパシタを前記容量性負荷に直列に2つ接続して前記共振キャパシタにより電気的な絶縁を行い、前記容量性負荷に電流を流して電圧を印加する、請求項1に記載の交流電源装置。
- 前記共振インダクタ、前記第1スイッチ素子、前記第2整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第1期間と前記第2期間とに降圧形コンバータを構成し、
前記共振インダクタ、前記第2スイッチ素子、前記第1整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第3期間と前記第4期間とに昇圧形コンバータを構成する、
請求項5に記載の交流電源装置。 - 前記第1スイッチング回路の一端は、前記一次巻線及び共振インダクタを介して前記入力端子の一端に接続され、
前記第1スイッチング回路の他端及び前記入力端子の他端が接続され、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の直列回路に対して並列に前記共振キャパシタが接続され、
前記共振インダクタ、前記第1スイッチ素子、前記第2整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第1期間と前記第2期間とに昇圧形コンバータを構成し、
前記共振インダクタ、前記第2スイッチ素子、前記第1整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第3期間と前記第4期間とに降圧形コンバータを構成する、
請求項1に記載の交流電源装置。 - 前記第1スイッチング回路と前記第2スイッチング回路との直列回路は、一端が前記共振キャパシタを介して前記入力端子の一端に接続され、他端が前記入力端子の他端に接続され、
前記第1スイッチング回路及び前記第2スイッチング回路の中点と、前記入力端子の一端との間に、前記一次巻線及び前記共振インダクタが接続され、
前記共振インダクタ、前記第1スイッチ素子、前記第2整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第1期間と前記第2期間とに昇降圧形コンバータを構成し、
前記共振インダクタ、前記第2スイッチ素子、前記第1整流素子及び前記共振キャパシタで、前記第3期間と前記第4期間とに昇降圧形コンバータを構成する、
請求項1に記載の交流電源装置。
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