JP6645708B1 - 電力変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
ターンオンに関して、全てのスイッチング素子がオフしている状態では、トランスの漏れインダクタンスまたはスイッチング素子の寄生容量との間で共振現象が発生するため、ターンオンのタイミングによってターンオン電圧が変動し、ターンオン損失が変動する。理想的には中間電位でのターンオンであるが、ターンオンのタイミング次第でターンオン損失は増大してしまうため、コンバータの冷却器の設計はターンオン損失が最大で行う必要がある。
また特許文献2には、ターンオン損失、ターンオフ損失を低減させるために、電流及び電圧の検出器の値がゼロとなったタイミングでスイッチング素子をオンする手段が記載されている。これは、共振コンデンサ、補助リアクトル、共振リアクトルを追加し、ゼロ電圧、ゼロ電流スイッチングを位相シフト制御により実現しているものである。
特許文献2に記載の従来のものは、共振コンデンサ、補助リアクトル、共振リアクトルなどの構成部品の追加が必要のため、電力変換器の大型化とコストが増加となる。
以下、本願の実施の形態1における電力変換器を図1から図3に基づいて説明する。図1は実施の形態1による電力変換器の回路構成図である。
図1の電力変換器は絶縁型のフルブリッジDC/DCコンバータであり、インバータ回路100と、このインバータ回路100に1次巻線が接続されたトランス105と、トランス105の2次巻線に接続された整流回路106を備えている。
整流回路106は、整流素子としてのダイオード106a〜106dをフルブリッジ構成した回路となっており、整流回路106の出力には出力平滑用リアクトル107と出力コンデンサ108が接続され、負荷109へ直流電圧Voutが出力される。
図2および図3において、g101〜g104はスイッチング素子101〜104のゲート信号の波形(実線)、Vds101〜Vds104はスイッチング素子101〜104のドレイン―ソース間電圧の波形(実線)、Id101〜Id104はスイッチング素子101〜104のドレイン電流の波形(破線)を示したタイムチャートである。
図2のタイムチャートによると、第1のスイッチング素子101及び第2のスイッチング素子102のターンオン損失小、ターンオフ損失大、第3のスイッチング素子103及び第4のスイッチング素子104のターンオン損失大、ターンオフ損失小となるように所定時間Ta1〜Ta4が設定されている。
なお、予め決めた単位時間は、第1のスイッチング素子101から第4のスイッチング素子104のスイッチング周期Tと同じか、スイッチング周期Tの2以上の整数倍とする。
このように所定時間の正負を入れ替えることで、制御性の悪化がなく追加部品が不要で、スイッチング素子のばらつき考慮した最大損失を大幅に低減することができるため、電力変換器の小型化及び低コスト化が可能である。また、電力変換器に設けられる冷却器の小型化および低コスト化にも寄与する。
このようにスイッチング素子101〜104のオンまたはオフ、もしくはオン及びオフのタイミングを所定時間ずらし、その所定時間の正負を変えた第1の制御期間と第2の制御期間を単位時間ごとに変更することで、スイッチング素子のばらつきを考慮したスイッチング損失が低減可能である。
なお、段落0033〜0035で説明した第1から第4の所定時間は単に所定時間を区別するために用いたもので、段落0019で説明した第1から第4の所定時間とは異なるものである。
dutyMAX ≧ dutyref ・・・(3)
もし式(3)を満たせない場合には、最大実効オン期間(dutyMAX)を閾値とし、実効オン期間(dutyref)が閾値以上となった場合には所定時間をゼロにすることで、最大実効オン期間(dutyMAX)は所定時間Ta1〜Ta4の分だけ増加するため、電力変換器として必要な実効オン期間を低減させず、式(3)を満たすことができる。
例えば、式(1)より、トランス巻数比Nは固定値とすると、実効オン期間(dutyref)が最大となる条件は、出力電圧Voutが大きく、入力電圧Vinが小さい条件である。この条件は入力電圧Vinが小さいため、スイッチング時のドレイン―ソース間電圧Vds101〜Vds104も入力電圧Vinに比例して小さくなり、スイッチング損失も小さくなる。ドレイン―ソース間電圧Vds101〜Vds104がばらついたとしても、スイッチング時の最大入力電圧Vin自体が小さければスイッチング損失は小さい。よって、所定時間Ta1〜Ta4のいずれかをゼロとし、スイッチング損失が平衡化されていなくても、冷却器を大型化する必要は無い。
上述した様に、電力変換器の入出力に電流及び電圧の検出器を設け、電流及び電圧の検出器の検出結果に基づき算出される第1のスイッチング素子101から第4のスイッチング素子104の実効オン期間(dutyref)が、予め定めた最大実効オン期間(dutyMAX)である閾値以上となった場合には、所定時間をゼロにすることで、実効オン期間を低減させることなく、つまりトランス巻数比の調整および制御性への影響なく、最大スイッチング損失を低減して小型化および低コスト化が可能な電力変換器を提供でき、またその冷却器も小型化することができる。
これは第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104のスイッチング損失が平衡化されたとしても、第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104の損失または温度が平衡化されていない可能性があるからである。例えば、第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104のオン抵抗のばらつきが大きく、導通損失のばらつきが大きい場合、または電力変換器の内部レイアウト都合で、第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104の冷却能力が異なる場合、周辺に配置されたトランス等の発熱部品による熱干渉の影響が異なる場合等が考えられる。
以下、本願の実施の形態2における電力変換器を図4及び図5に基づいて説明する。図4及び図5は実施の形態2による電力変換器の第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104のゲート信号の波形図である。図4及び図5において、図2及び図3と同じまたは相当部分には同じ符号を付しており、説明を省略する。
このように図2と図3で設定した所定時間の正負入れ替えだけでなく、図4と図5のように第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104を駆動するゲート信号のオン時間の長さを変えることでも、実施の形態1と同じ効果を得ることができる。
以下、本願の実施の形態3における電力変換器を図6及び図7に基づいて説明する。図6及び図7は実施の形態3による電力変換器の第1のスイッチング素子101〜第4のスイッチング素子104のゲート信号の波形図である。図6及び図7において、図2及び図3と同じまたは相当部分には同じ符号を付しており、説明を省略する。
ただし、全ての実施の形態における電力変換器においては、トランス105に偏磁を発生させないため、スイッチング周期において、第1のスイッチング素子101と第4のスイッチング素子104、第2のスイッチング素子102と第3のスイッチング素子103が同時にオンしている長さは等しく、つまりTON1=TON2となる範囲で、所定時間は定める必要がある。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
105a:トランスの1次巻線、105b:トランスの2次巻線、106:整流回路、
109:負荷、110:直流電源、111:制御部、
g101〜g104:ゲート信号、T:スイッチング周期、
Vds101〜Vds104:ドレイン―ソース間電圧、
Id101〜Id104:ドレイン電流、TON1〜TON2:オン期間、
TOFF1〜TOFF2:オフ期間、Ta1〜Ta4:所定時間。
Claims (10)
- 第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列に接続した第1の直列回路と第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子を直列に接続した第2の直列回路を有し、前記第1の直列回路と前記第2の直列回路が直流電源に並列に接続されて構成されたインバータ回路と、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の接続点と前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子の接続点との間に1次巻線が接続されたトランスと、前記トランスの2次巻線に接続された整流回路と、前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記第1のスイッチング素子が前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子と同時にオンしている状態が無く、かつ前記第4のスイッチング素子が前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子と同時にオンしている状態が無いように制御し、
更に前記制御部は、前記第1のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングおよび前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のスイッチングタイミングがそれぞれ所定時間だけずれるように制御し、
前記第1のスイッチング素子のスイッチングタイミングを基準とし、前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングが前記第1のスイッチング素子のスイッチングタイミングよりも前記所定時間だけ遅くスイッチングする場合を正の所定時間、早くスイッチングする場合を負の所定時間とし、
かつ前記第2のスイッチング素子のスイッチングタイミングを基準とし、前記第3のスイッチング素子のスイッチングタイミングが前記第2のスイッチング素子のスイッチングタイミングよりも前記所定時間だけ遅くスイッチングする場合を正の所定時間、早くスイッチングする場合を負の所定時間とし、
前記所定時間の正負を予め定めた単位時間毎に変更すると共に、前記所定時間は前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子の少なくとも逆導通期間以上で設定することを特徴とする電力変換器。 - 第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を直列に接続した第1の直列回路と第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子を直列に接続した第2の直列回路を有し、前記第1の直列回路と前記第2の直列回路が直流電源に並列に接続されて構成されたインバータ回路と、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の接続点と前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子の接続点との間に1次巻線が接続されたトランスと、前記トランスの2次巻線に接続された整流回路と、前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第1のスイッチング素子が前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子と同時にオンしている状態が無く、かつ前記第4のスイッチング素子が前記第2のスイッチング素子および前記第3のスイッチング素子と同時にオンしている状態が無いように制御し、
更に前記制御部は、前記第1のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングおよび前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のスイッチングタイミングがそれぞれ所定時間だけずれるように制御し、
前記第1のスイッチング素子のスイッチングタイミングを基準とし、前記第4のスイッチング素子のスイッチングタイミングが前記第1のスイッチング素子のスイッチングタイミングよりも前記所定時間だけ遅くスイッチングする場合を正の所定時間、早くスイッチングする場合を負の所定時間とし、
かつ前記第2のスイッチング素子のスイッチングタイミングを基準とし、前記第3のスイッチング素子のスイッチングタイミングが前記第2のスイッチング素子のスイッチングタイミングよりも前記所定時間だけ遅くスイッチングする場合を正の所定時間、早くスイッチングする場合を負の所定時間とし、
前記所定時間の正負を予め定めた単位時間毎に変更すると共に、電力変換器の入出力に電流及び電圧の検出器を設け、前記電流及び電圧の検出器の検出結果に基づき算出される前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子の実効オン期間が予め定めた閾値以上となった場合、前記所定時間をゼロとすることを特徴とする電力変換器。 - 前記予め定めた単位時間は、前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子のスイッチング周期とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換器。
- 前記予め定めた単位時間は、前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子のスイッチング周期の2以上の整数倍とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換器。
- 前記所定時間の正負の割合は、前記単位時間の2以上の整数倍である一定時間あたり同じであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子自体の温度または前記スイッチング素子の周辺温度を検出する温度検出器を設け、前記温度検出器の温度によって、前記所定時間の正負の割合を変更することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記第1のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子が同時にオンしている期間の長さと、前記第2のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子が同時にオンしている期間の長さが等しいことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記制御部は、前記所定時間の変更を前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子をそれぞれ駆動するための第1のゲート信号から第4のゲート信号によって行うことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換器。
- 前記第1のゲート信号から前記第4のゲート信号のパルス幅を可変して入力電力もしくは出力電力を制御することを特徴とする請求項8に記載の電力変換器。
- 前記第1のスイッチング素子から前記第4のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換器。
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