JP6017831B2 - 直列共振型dc/dcコンバータ - Google Patents
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Description
図6に示すように、直列共振型DC/DCコンバータ90は、DC電源1(直流電源)、フルブリッジ回路92、直列共振回路3、高周波トランスTR、ダイオード整流回路4、フィルタ回路5を含んで構成される。
図8に示すように、ゲート信号VgAとゲート信号VgBとの間、及びゲート信号VgCとゲート信号VgDとの間には、それぞれ180°の位相差(半周期分)が設けられる。すなわち、スイッチング素子QAとスイッチング素子QB、スイッチング素子QCとスイッチング素子QDは、それぞれ180°の位相差でオン(導通)、オフ(非導通)する。
この時の電流I1は、ほぼ共振コンデンサCrと共振インダクタLrとによる共振電流になる。通常、この共振周波数は、スイッチング素子QA〜スイッチング素子QDのスイッチング周波数より低く設定される。
この期間(3)において、ゲート信号VgAがLレベルとなりスイッチング素子QAもオフする。次にデットタイムtd後にゲート信号VgBがHレベルになることによりスイッチング素子QBがオンする。以降、期間(1)〜(3)と同じ動作が、極性だけが反転した状態で行われる。
この時、前述のようにスイッチング素子の並列コンデンサが充電されるので、それに従ってスイッチング素子の端子間電圧(両端電圧)が上がっていく。図9は、スイッチング素子QDの電流と電圧の動きを示している。図9に示すように、スイッチング素子QDがオフすると、それまで流れていたスイッチング素子QDの電流ピークIpが素子のフォールタイムtfに従って0に下がっていく。
図1は、本発明の一実施形態である直列共振型DC/DCコンバータの構成を示す回路図である。なお、図1において図6と同一の部分については同一の符号を付している。
図1に示すように、直列共振型DC/DCコンバータ10は、DC電源1(直流電源)、フルブリッジ回路2、直列共振回路3、高周波トランスTR、ダイオード整流回路4、フィルタ回路5、及び制御回路6を含んで構成される。
フルブリッジ回路2は、半導体スイッチであるスイッチング素子QA〜スイッチング素子QDから構成され、DC電源1の直流電力を高周波パルス電圧に変換する。なお、スイッチング素子QA〜スイッチング素子QDには、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;IGBT)や電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor;FET)などが用いられる。本実施形態では、フルブリッジ回路2には、スイッチング素子としてIGBTが用いられている。フルブリッジ回路2の詳細な構成については後述する。
フルブリッジ回路2と、直列共振回路3とによりフルブリッジ型インバータ回路を構成し、DC電源1の直流出力を、高周波のほぼ正弦波交流に変換する。
高周波トランスTRは、フルブリッジ型インバータ回路の出力である交流電圧を、1次巻線と2次巻線との巻数の比(変圧比)に応じて変圧し、すなわち、負荷回路7にとって適した交流電圧に変換し、ダイオード整流回路4の2つの接続点に印加する。
ダイオード整流回路4は、高周波トランスTRの出力である交流電圧を、負荷回路7に与える所定の直流電圧に変換し、コンデンサC1の両端に直流電圧を生成する。なお、ダイオード整流回路4を、従来と同じく、図7に示すダイオード整流回路4aに置き換えてもよい。
フルブリッジ回路2は、DC電源1の正極と負極との間に、直列接続された一組のスイッチング素子QA、及びスイッチング素子QB(第1スイッチ回路)と、もう一組のスイッチング素子QC、及びスイッチング素子QD(第2スイッチ回路)とから構成される。より具体的には、図1に示すように、スイッチング素子QAにおいて、コレクタ端子はDC電源1の正極側に接続され、ゲート端子は制御回路6に接続され、エミッタ端子はスイッチング素子QBのコレクタ端子と接続される。また、スイッチング素子QBにおいて、コレクタ端子はスイッチング素子QAのエミッタ端子に接続され、ゲート端子は制御回路6に接続され、エミッタ端子はDC電源1の負極側に接続される。このスイッチング素子QAとスイッチング素子QBとの共通接続点が第1スイッチ回路の出力ノードとなり、共振コンデンサCrの一端に接続される。
制御回路6は、スイッチング素子QA〜スイッチング素子QDそれぞれのゲート端子に対して、ゲート信号VgA〜ゲート信号VgDを出力し、各スイッチング素子をオンまたはオフする制御を行なう。
また、図1において、図6、及び図7に示すスイッチング素子の寄生容量であるコンデンサCsa、コンデンサCsb、コンデンサCsc、及びコンデンサCsdは、省略しているが、それぞれの対応するスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間に並列に接続されている。
すなわち、「発明が解決しようとする課題」の欄において記載したように、スイッチング素子QCまたはスイッチング素子QDがオフする時は、並列コンデンサの静電容量が小さいと、大きな電流で充電される。そのため、スイッチング素子QDを例にとると、スイッチング素子QDの端子間電圧が短時間で立ち上ってしまい(図9にVoffで示す)、オフ時に大きなスイッチング損失が発生するという問題が発生する。
この外部から接続された並列コンデンサに必要な静電容量は、次のように決めることができる。並列コンデンサCdに充電される電荷量qdは、qd=(Ip/2)×(tf/2)=Ip×(tf/4)となるので、立ち上り電圧Voffは、Voff=qd/Cd=Ip×tf/(Cd×4)となる。
この時に発生するスイッチング損失Eoffは、次の式(1)で表される。
また、フルブリッジ回路2の場合、図9に示すtf後も並列コンデンサCd、並列コンデンサCcの充放電は、並列コンデンサCcの電荷が0になるまで続くが、この充放電は、通常、図8に示すデッドタイムtd期間中に十分完了する。
図2においては、図1におけるDC電源1、フルブリッジ回路2、直列共振回路3、高周波トランスTRを抜き出して示している。また、図2において、並列コンデンサCcと並列コンデンサCdとは、それぞれスイッチング素子QC、スイッチング素子QDの並列コンデンサである。
この時、運転スタート信号が制御回路6に入力され、例えばゲート信号VgCがHレベルとなってスイッチング素子QCがオンする。並列コンデンサCcは、スイッチング素子QCにより短絡されるので、放電電流(図2においてIccで示す)が図2に示すように流れる。また、同時に並列コンデンサCdへの充電電流(図2においてIcdで示す)がDC電源1からスイッチング素子QCを通って流れる。
図3(b)に示すように、スイッチング素子QDがオフすると、並列コンデンサの充放電が始まり、スイッチング素子QCの電圧が下がってくる。しかし、直列共振回路3の共振コンデンサCr、及び共振インダクタLr、高周波トランスTRの1次巻線からなる直列回路に流れる負荷電流が小さいので、並列コンデンサCcの放電が完了する前にスイッチング素子QCがオンしてCc電流、Cd電流による過電流が発生していることが判る。
なお、制御回路6は、図1に示すように、過電流検出回路6bを有している。この過電流検出回路6bは、フルブリッジ回路2に流れる電流を測定する回路である。制御回路6が、過電流検出回路6bが検出する一次電流I1が過電流である場合、外部に対してフルブリッジ回路2が故障であることを表す報知信号を出力する構成としてもよい。
無負荷時と運転スタート時に並列コンデンサの充放電電流が過大になる原因は、以下の通りである。すなわち、直列共振回路3に電流が殆ど流れない状態で、スイッチング素子のオン-オフが行われるため、オフしていた素子がオンした瞬間にその並列コンデンサから放電電流が流れると同時にオフした素子の並列コンデンサへの充電電流が流れ込むことによる。
本特許の提案する制御方式は、上述した位相シフト制御方式のように、スイッチング素子QC、スイッチング素子QDのオン信号(ゲート信号)を、スイッチング素子QA、スイッチング素子QBのオン信号に対して時間τだけ位相差を設けて出力する構成ではない(図8参照)。本実施形態では、制御回路6が上述の位相シフト制御ではなく、図4に示すように、スイッチング素子QA、及びスイッチング素子QD、またはスイッチング素子QB、及びスイッチング素子QCを同時にオンして、かつスイッチング素子QC、及びスイッチング素子QDだけをパルス幅変調(Pulse Width Modulation;PWM)制御する。
次に、期間(4)に至ると、スイッチング素子QAがオフするが、一次電流I1が0なのでZCSとなってオフ時のスイッチング損失は発生しない。次にスイッチング素子QBとスイッチング素子QCとが同時にオンする。以降、期間(1)〜(4)と同じ動作が、スイッチング素子QAとスイッチング素子QDについて、極性だけが反転した状態で行われるが、いずれの素子にもスイッチング損失は発生しない。
図5では、軽負荷時なのでスイッチング素子QDのオン時間は短く、ゲート信号VgCが短時間入っている。つまり、制御回路6は、デューティの小さいゲート信号VgC、ゲート信号VgDを、それぞれスイッチング素子QC、及びスイッチング素子QDに出力している。
すなわち、制御回路6は、運転スタート時または無負荷運転時に、第2スイッチ回路のスイッチング素子(スイッチング素子QC、及びスイッチング素子QD)をオフし、第1スイッチ回路のスイッチング素子(スイッチング素子QA、及びスイッチング素子QB)を交互にオンまたはオフする。
すなわち、制御回路6は、第1スイッチ回路のスイッチング素子(スイッチング素子QA、及びスイッチング素子QB)を、デッドタイムを設けて交互にオンまたはオフする。また、制御回路6は、第2スイッチ回路のスイッチング素子(スイッチング素子QC、及びスイッチング素子QD)に対して、次の制御を行なう。すなわち、制御回路6は、スイッチング素子QC(第3スイッチング素子)に対しては、第1スイッチ回路のスイッチング素子QB(第2スイッチング素子)のゲート信号VgBの立ち上がりに同期させ、ゲート信号VgCのデューティを変化させる。一方、制御回路6は、スイッチング素子QD(第4スイッチング素子)に対しては、第1スイッチ回路のスイッチング素子QA(第1スイッチング素子)のゲート信号VgAの立ち上がりに同期させ、ゲート信号VgDのデューティを変化させる。
Claims (2)
- 直流電圧を供給する直流電源と、
それぞれにダイオードが逆並列に接続された第1スイッチング素子、及び第2スイッチング素子を直列接続した第1スイッチ回路と、それぞれにダイオードが逆並列に接続されるとともにコンデンサが並列接続された第3スイッチング素子、及び第4スイッチング素子を直列接続した第2スイッチ回路とを、前記直流電源の正極と負極との間に並列接続して構成されるフルブリッジ回路と、
前記フルブリッジ回路の第1スイッチ回路の出力に接続される共振コンデンサ、及び共振インダクタからなる直列回路と、
1次側巻線及び2次側巻線を有し、前記1次側巻線の一端が前記直列回路の前記共振インダクタに接続され、前記1次側巻線の他端が前記フルブリッジ回路の第2スイッチ回路の出力に接続されるトランスと、
前記トランスの前記2次側巻線に接続されて直流電圧を負荷に対して出力する整流回路と、
前記整流回路の出力電力に応じて前記フルブリッジ回路のスイッチング素子を駆動する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記第1スイッチ回路のスイッチング素子を、デッドタイムを設けて交互にオンまたは
オフし、
前記第2スイッチ回路のスイッチング素子において、前記第3スイッチング素子に対し
ては、前記第1スイッチ回路の前記第2スイッチング素子の駆動信号の立ち上がりに同期
させ、一方、前記第4スイッチング素子に対しては、前記第1スイッチ回路の前記第1ス
イッチング素子の駆動信号の立ち上がりに同期させ、それぞれの駆動信号のデューティを
変化させることを特徴とする直列共振型DC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、運転スタート時または無負荷運転時に、前記第2スイッチ回路のスイッチング素子を、それぞれの駆動信号のデューティを0%にしてオフし、前記第1スイッチ回路のスイッチング素子を交互にオンまたはオフすることを特徴とする請求項1に記載の直列共振型DC/DCコンバータ。
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