JP6787071B2

JP6787071B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6787071B2
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Inventors: 旻林; 研松浦; 寿木下
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Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

高周波帯域で動作するＲＦパワーアンプ、電力変換回路として、高変換効率の共振インバータまたは共振コンバータ回路がよく知られている（下記特許文献１，２参照）。

特許文献１には、図１４に示すように、シングルエンドスイッチング素子１０５と負荷ネットワークとによって構成されて、直流入力端子１０２ａ，１０２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖ１を交流出力電圧Ｖ２に変換して出力端子１０３ａ，１０３ｂから負荷抵抗１０８に出力する共振インバータ１０１ａの技術が開示されている。この場合、負荷ネットワークは、直流入力端子１０２ａ，１０２ｂのうちの高電位側の直流入力端子１０２ａとスイッチング素子１０５の一端との間に接続された単一部品としてのインダクタ１０４と、スイッチング素子１０５の両端間に接続されたキャパシタンスと、出力端子１０３ａ，１０３ｂのうちの出力端子１０３ａとスイッチング素子１０５の一端との間に接続されたＬＣ共振回路（キャパシタンス１０６とインダクタンス１０７の直列回路）とを含んで構成されている。また、スイッチング素子１０５の他端、低電位側の直流入力端子１０２ｂおよび出力端子１０３ｂは、共通グランドＧに接続されている。この共振インバータ１０１ａでは、このスイッチング素子１０５の電圧Ｖ３はスイッチング素子１０５に接続した負荷ネットワークの応答特性によって決定される。スイッチング素子１０５のＯＦＦ期間にスイッチング素子１０５の両端間に印加される電圧Ｖ３は、スイッチング素子１０５のＯＦＦ直後から緩やかに上昇し、スイッチング素子１０５のＯＮの直前には、電圧値及び時間に対する電圧変化率も略零となる動作をする。

よって、特許文献１の共振インバータ１０１ａでは、スイッチング素子１０５のスイッチングによるスイッチング素子１０５の両端間に接続されたキャパシタンスに蓄積されているエネルギーの放電損失が無いため、高周波スイッチング動作が可能になる。この利点により、特許文献１の共振インバータ１０１ａは、通信システムのＲＦパワーアンプや、後段に整流平滑回路を付ける高周波スイッチング電源まで幅広く使われている。しかし、特許文献１の共振インバータ１０１ａでは、スイッチング素子１０５のＯＦＦ期間中にスイッチング素子１０５の両端間に印加される電圧ピーク値が電圧共振によって直流入力電圧Ｖ１の略３．６倍まで上昇する。

一方、特許文献２には、図１５に示すように、特許文献１のインバータ特性を維持すると同時に、スイッチング素子１０５の両端にスイッチング周波数の２次高調波成分を抑えるＬＣ共振回路（インダクタンス１１３とキャパシタンス１１４の直列回路）を付けることによって、スイッチング素子１０５の両端間に印加される電圧ピーク値を直流入力電圧Ｖ１の略２倍まで抑えることを可能とする共振コンバータ１０１ｂの技術が開示されている。この共振コンバータ１０１ｂの負荷ネットワークは、上記した共振インバータ１０１ａの負荷ネットワークの構成に加えて、上記したインダクタンス１１３およびキャパシタンス１１４と共に、共振インバータ１０１ａのＬＣ共振回路（キャパシタンス１０６とインダクタンス１０７の直列回路）と出力端子１０３ａ，１０３ｂとの間に配設された交直変換回路（並列接続されたインダクタンス１０９およびキャパシタンス１１０で構成されるＬＣ共振回路と、キャパシタンス１１１および接合容量を含むダイオード１１２で構成される整流平滑回路とを含む回路）を有して、直流入力端子１０２ａ，１０２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖ１を直流出力電圧Ｖ４に変換して出力端子１０３ａ，１０３ｂから負荷抵抗１０８に出力する。なお、共振インバータ１０１ａと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略した。この特許文献２の共振コンバータ１０１ｂでも、特許文献１の共振インバータ１０１ａと同じようにＲＦ帯域までの高周波スイッチング動作が可能である。

米国特許第３９１９６５６号明細書米国特許第７８８９５１９号明細書

しかしながら、従来の技術である特許文献１の共振インバータ１０１ａでは、動作時にスイッチング素子１０５の両端間に印加される電圧ピーク値が電圧共振によって直流入力電圧Ｖ１の略３．６倍まで上昇する。そのために、直流入力電圧Ｖ１に比して高耐圧で、それ故に高ＯＮ抵抗のスイッチング素子をスイッチング素子１０５に使用する必要性が生じ、そのことがコストアップ、変換効率の低下等の要因となる課題がある。

一方、従来の技術である特許文献２の共振コンバータ１０１ｂでは、スイッチング素子１０５の両端にスイッチング周波数の２次高調波成分を抑えるＬＣ共振回路（インダクタンス１１３とキャパシタンス１１４の直列回路）を付けることによって、スイッチング素子１０５の両端間に印加される電圧ピーク値を直流入力電圧Ｖ１の略２倍まで抑えることを可能としている。但し、２次高調波成分を抑える上記のＬＣ共振回路が、コンバータ内の各部に独立して分散しているので、高周波でスイッチング動作をさせる際に実装パターンの引き回しの影響が大きくなる課題がある。この影響によって共振スイッチング動作を最適化、安定化させる事が難しい等の課題もある。加えて部品実装コストアップ（生産コスト低減）、部品実装面積拡大（装置の小型化）、装置全体の動作として動作最適化させるための調整が難しい等の課題も残る。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記した従来の共振インバータまたは共振コンバータ等の電力変換装置に必要な入力インダクタンスをインダクタによる単一部品から、装置の動作条件、特に発振周波数に対して最適化されたインピーダンスの周波数特性Ｚ（以降、最適化インピーダンス特性Ｚと表記する場合は、このインピーダンスの周波数特性を示す。）を有するインダクタンスとキャパシタンスを組み合わせたＬＣ共振回路に置き換えることで、共振インバータまたは共振コンバータの優位な特性を持つ高変換効率、小型、低コストの電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に係る電力変換装置では、直流電圧が入力される正負２つの直流入力端子と、交流電圧を出力する２つの交流出力端子と、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の両端間に接続された第１の共振キャパシタンスと、前記交流出力端子間に前記スイッチング素子と共に直列に接続された第１のＬＣ共振回路と、前記直流入力端子間に前記スイッチング素子と共に直列に接続された第２のＬＣ共振回路とを備え、前記第１のＬＣ共振回路は、インダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含む電流経路を有し、前記第２のＬＣ共振回路は、前記２つの直流入力端子のうちの一方の直流入力端子に接続される第１接続部および前記スイッチング素子に接続される第２接続部を有すると共に、インダクタンスを含んで構成される電流経路、およびインダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含んで構成される電流経路が当該第１接続部および当該第２接続部間に形成されている。また、前記第２のＬＣ共振回路は、前記第１接続部および前記第２接続部間のインピーダンスの周波数特性において２つの共振周波数を有して、当該２つの共振周波数のうちの低域の第１の共振周波数が、前記スイッチング素子のスイッチング周波数より高く、かつ当該２つの共振周波数のうちの高域の第２の共振周波数が、当該スイッチング周波数の略２倍であって、前記インピーダンスが、前記第１の共振周波数で極大となり、かつ前記第２の共振周波数で極小となる構成としている。また、前記第２のＬＣ共振回路は、内部に含むインダクタンスとキャパシタンスを集約化して構成された複合共振インピーダンス素子としてもよい。

本発明に係る電力変換装置では、前記スイッチング素子は、Ｅ級スイッチング動作をする構成としている。

この場合、前記第２のＬＣ共振回路は、第１のインダクタンス、第２のインダクタンスおよび第２のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１のインダクタンスが接続されると共に、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第２のインダクタンスと前記第２のキャパシタンスとの直列回路が接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第３のインダクタンス、第４のインダクタンスおよび第３のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第３のインダクタンスと前記第４のインダクタンスとの直列回路が接続されると共に、前記第４のインダクタンスに前記第３のキャパシタンスが並列に接続されている。

本発明に係る電力変換装置では、前記第２のＬＣ共振回路は、前記インピーダンスの周波数特性において前記第２の共振周波数よりも高い周波数帯域に、さらに２つの共振周波数を有して、当該２つの共振周波数のうちの低域の第３の共振周波数が、前記スイッチング周波数の２倍を超え４倍未満であり、かつ当該２つの共振周波数のうちの高域の第４の共振周波数が、前記スイッチング周波数の略４倍であって、前記インピーダンスが、前記第３の共振周波数で極大となり、かつ前記第４の共振周波数で極小となる構成としている。

この場合、前記第２のＬＣ共振回路は、第５のインダクタンス、第６のインダクタンス、第７のインダクタンス、第４のキャパシタンスおよび第５のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第５のインダクタンスが接続され、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第６のインダクタンスと前記第４のキャパシタンスとの直列回路が接続され、かつ前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第７のインダクタンスと前記第５のキャパシタンスとの直列回路が接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第８のインダクタンス、第９のインダクタンス、第１０のインダクタンス、第６のキャパシタンスおよび第７のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第８のインダクタンスと前記第９のインダクタンスと前記第１０のインダクタンスとの直列回路が接続され、前記第９のインダクタンスに前記第６のキャパシタンスが並列に接続され、かつ前記第１０のインダクタンスに前記第７のキャパシタンスが並列に接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第１１のインダクタンス、第１２のインダクタンス、第１３のインダクタンス、第８のキャパシタンスおよび第９のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１１のインダクタンスと前記第１２のインダクタンスと前記第１３のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、前記第１２のインダクタンスと前記第１３のインダクタンスとの直列回路に前記第８のキャパシタンスが並列に接続され、かつ前記第１３のインダクタンスに前記第９のキャパシタンスが並列に接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第１４のインダクタンス、第１５のインダクタンス、第１６のインダクタンス、第１０のキャパシタンスおよび第１１のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１４のインダクタンスが接続され、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１０のキャパシタンスと前記第１１のキャパシタンスと前記第１６のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、かつ前記第１１のキャパシタンスと前記第１６のインダクタンスとの直列回路に前記第１５のインダクタンスが並列に接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第１７のインダクタンス、第１８のインダクタンス、第１９のインダクタンス、第１２のキャパシタンスおよび第１３のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１７のインダクタンスと前記第１２のキャパシタンスと前記第１８のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、前記第１２のキャパシタンスと前記第１８のインダクタンスとの直列回路に前記第１９のインダクタンスが並列に接続され、かつ前記第１８のインダクタンスに前記第１３のキャパシタンスが並列に接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、第２０のインダクタンス、第２１のインダクタンス、第２２のインダクタンス、第１４のキャパシタンスおよび第１５のキャパシタンスを内部に含み、前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第２０のインダクタンスと前記第１４のキャパシタンスと前記第２１のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、かつ前記第１４のキャパシタンスと前記第２１のインダクタンスとの直列回路に前記第２２のインダクタンスと前記第１５のキャパシタンスとがそれぞれ並列に接続されている。

あるいは、前記第２のＬＣ共振回路は、内部に磁気結合されているインダクタンスを含んでいる。

本発明に係る電力変換装置では、前記第１のＬＣ共振回路に含まれている前記キャパシタンスおよび前記インダクタンスは、前記スイッチング素子の一端と前記２つの交流出力端子のうちの一方の交流出力端子との間の第１経路内、および当該スイッチング素子の他端と当該２つの交流出力端子のうちの他方の交流出力端子との間の第２経路内に分散して配設された第１６のキャパシタンスおよび第２３のインダクタンスで構成されている。

本発明に係る電力変換装置では、上記のいずれかの電力変換装置と、第３のＬＣ共振回路と整流回路とを備えて構成されると共に、当該電力変換装置の前記交流出力端子間に接続されて、当該交流出力端子間から出力される前記交流電圧を直流電圧に変換して出力する交直変換回路とを備えている。

本発明によれば、共振インバータまたは共振コンバータ等の電力変換装置において入力インダクタンスを、インダクタによる単一部品から、インダクタンスを含んで構成される電流経路と、インダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含んで構成される電流経路とが第１接続部および第２接続部間にそれぞれ形成された（つまり、この２つの電流経路が第１接続部および第２接続部間に並列に形成された）第２のＬＣ共振回路（最適化インピーダンス特性Ｚを有する複合共振回路）に置き換えることで、共振インバータ、または共振コンバータの特性を容易に最適化する事が可能となる。
その結果、スイッチング素子の両端間に印加される電圧ピーク値を容易に直流入力電圧の略２倍まで抑えられるため、低耐圧故に低ＯＮ抵抗のスイッチング素子の使用が可能となり、その効果として高効率な電力変換装置を提供することができる。
また、共振インバータ、または共振コンバータの共振動作に関する一部の機能部を第２のＬＣ共振回路に集約することが可能な構成となるため、２端子の複合共振インピーダンス素子とする事が可能となる。特に高周波でスイッチング動作をさせる場合、高周波のスイッチング電流が流れるパターンの引き回しが長いと、様々な弊害を生じる。本技術により、パターンの引き回しを極力短くする事、スイッチング回路部（スイッチング素子、第１の共振キャパシタンス、および第２のＬＣ共振回路を含む回路）をコンパクトに設計する事が可能となり、その結果としてノイズによる影響を受ける、逆にノイズを放出する等のノイズの影響を抑える事が容易となる。また部品を集約する事で、複数必要なインダクタンスを磁気結合させる事が可能となり、磁気コアの個数を減らし、低コストと最適化が容易となる。またインダクタのコアのコア特性が、変動した時に、個々のインダクタとしての素子特性の変動差を小さく抑える事が可能となり動作の安定性に寄与する。さらに生産コストの低減、装置の小型化、装置の動作の最適化も達成できる。

本発明の第１実施の形態に係る電力変換装置としてのインバータ装置１ａの回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１を構成する内部素子を複合共振インピーダンス素子に集約した構成図である。本発明おける最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の２つの共振周波数を有する場合および４つの共振周波数を有する場合の周波数特性を説明するための説明図である。本発明おける極小値が１つの最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が１つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。本発明おける極小値が２つの他の最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１の回路構成を模式的に示した構成図である。インバータ装置１ａの動作を説明するための波形図である。本発明の第２実施の形態に係る電力変換装置としてのコンバータ装置１ｂの回路構成を模式的に示した構成図である。特許文献１の共振インバータの回路構成を模式的に示した構成図である。特許文献２の共振コンバータの回路構成を模式的に示した構成図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。

図面を参照して、発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１を参照して、本発明の好適な実施形態に係る電力変換装置の全体構成について、電力変換装置の一例としてのインバータ装置１ａを挙げて説明する。このインバータ装置１ａは、負荷ネットワーク４及びスイッチング素子５とを備えている。

また、インバータ装置１ａは、一対の直流入力端子２ａ，２ｂ（以下、特に区別しないときには「直流入力端子２」ともいう）、及び一対の交流出力端子３ａ，３ｂ（以下、特に区別しないときには「交流出力端子３」ともいう）を備えている。

具体的には、一対の直流入力端子２ａ，２ｂの間には、基準電位（本例では共通グランドＧ）に接続された直流入力端子２ｂを低電位側として、直流入力電圧（直流電圧）Ｖ１が入力される。一対の交流出力端子３ａ，３ｂの間には、基準電位（本例では共通グランドＧ）に接続された交流出力端子３ｂを基準として交流出力端子３ａの電位が正負に変化する交流出力電圧Ｖ２（交流電圧）が出力される。また、このインバータ装置１ａには負荷抵抗６が接続される。

スイッチング素子５はＭＯＳＦＥＴやバイポートランジスタなどで構成されている。インバータ装置１ａは、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦにより、直流入力端子２から入力される直流入力電圧Ｖ１を交流出力電圧Ｖ２に変換して交流出力端子３から出力する。

負荷ネットワーク４は、最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１と、第１の共振キャパシタンス４２（スイッチング素子５の出力容量を含む）と、第１のＬＣ共振回路４３とを備えた、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦに対する応答負荷である。

この場合、上記の負荷抵抗６は交流出力端子３ａ，３ｂ間に接続されて、この負荷抵抗６には、直流入力端子２に入力された直流入力電圧Ｖ１から変換された交流出力電圧Ｖ２が供給される。

第２のＬＣ共振回路４１は、２つの外部接続端子（第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ）を有した１端子対回路網、あるいは複合共振インピーダンス素子のような２端子素子であって、内部に複数のインダクタンスと少なくとも一つのキャパシタンスを含み、２つの接続部４１ａ，４１ｂ間に、等価的にインダクタンスのみで構成される電流経路（インダクタンスを含んで構成される電流経路の一例）と、等価的にインダクタンスとキャパシタンスの直列回路のみで構成される電流経路（インダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含んで構成される電流経路の一例）とを並列に有していて、各接続部４１ａ，４１ｂ間から見たインピーダンスの周波数特性として最適化インピーダンス特性Ｚを有している。上記の複合共振インピーダンス素子とは、第２のＬＣ共振回路４１に含まれるインダクタンスとキャパシタンスとを集約化して１つの電子部品として構成したものであり、第２のＬＣ共振回路４１の一実施形態である。第２のＬＣ共振回路４１の各接続部４１ａ，４１ｂのうちの一方（本例では接続部４１ａ）は直流入力端子２ａに接続され、また、各接続部４１ａ，４１ｂのうちの他方（本例では接続部４１ｂ）は、スイッチング素子５の一端に接続されている。スイッチング素子５の他端は、直流入力端子２ｂに接続されている。よって、スイッチング素子５がＯＮの時、直流入力端子２ａ→第２のＬＣ共振回路４１→スイッチング素子５→直流入力端子２ｂの直流電流ループが形成される。図１では、第２のＬＣ共振回路４１が、直流入力端子２ａ，２ｂのうちの正側の直流入力端子２ａに接続されているので、上記の電流ループとなるが、第２のＬＣ共振回路４１が負側の直流入力端子２ｂに接続される構成でもよく、この構成の場合の直流電流ループは、直流入力端子２ａ→スイッチング素子５→第２のＬＣ共振回路４１→直流入力端子２ｂとなる。

第１の共振キャパシタンス４２は、スイッチング素子５の両端に接続された共振スイッチングのための共振キャパシタンスであるが、スイッチング素子５が半導体素子の場合には、スイッチング素子５が持つ接合部のキャパシタンスを含めても良いし、接合部のキャパシタンスのみで構成しても良い。

第１のＬＣ共振回路４３の１実施例は、第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２を含んで構成されて、スイッチング素子５の両端間と交流出力端子間３ａ，３ｂを相互に接続する経路内に、第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２が直列に接続されている。図１のインバータ装置１ａでは、一例として、第１のＬＣ共振回路４３の一端（一例として、第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２の直列回路における第２３のインダクタンス４３２側の一端）は交流出力端子３ａに接続され、第１のＬＣ共振回路４３の他端（一例として、第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２の直列回路における第１６のキャパシタンス４３１側の他の一端）はスイッチング素子５の一端に接続され、スイッチング素子５のスイッチ端子の他端は交流出力端子３ｂに接続されている。よって、スイッチング素子がＯＮの時、交流出力端子３ａ⇔第１のＬＣ共振回路４３⇔スイッチング素子５⇔交流出力端子３ｂの交流電流ループが形成される。図１では、第１のＬＣ共振回路４３が交流出力端子３ａに接続されているので、上記の電流ループとなるが、第１のＬＣ共振回路４３が、交流出力端子３ｂに接続される構成でもよく、この場合の電流ループは、交流出力端子３ａ⇔スイッチング素子５⇔第１の共振回路４３⇔交流出力端子３ｂとなる。また第１のＬＣ共振回路４３内に含まれている第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２は交流電流ループ内で直列に接続されていれば良く、図１に示すような互いに直接的に接続される構成に代えて、交流出力端子３ａからスイッチング素子５までの経路と、スイッチング素子５から交流出力端子３ｂまでの経路とに別れて接続される構成でも良い。

次に、図１に示した最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路（または複合共振インピーダンス素子）４１について説明する。図２は、図１に示された第２のＬＣ共振回路（または複合共振インピーダンス素子）４１において内部の素子構成情報の機密保持を容易とする２端子のブラックボックスとして表した部品図である。このブラックボックスの中身は、相互インダクタンスを含めたインダクタ等のインダクタンスと、キャパシタ等のキャパシタンスを含んでいる。

図１の第２のＬＣ共振回路４１（または複合共振インピーダンス素子）は、図３において破線で示すように、二つの共振周波数（第１共振周波数および第２共振周波数）を有するインピーダンスの周波数特性のＬＣ共振回路で構成することもできるし、同図において実線で示すように、この二つの共振周波数（第１共振周波数および第２共振周波数）に加えてさらに二つの共振周波数（第３共振周波数および第４共振周波数）を有するインピーダンスの周波数特性のＬＣ共振回路で構成することもできる。

最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１のインピーダンス特性は、第１の共振周波数がインバータ装置１ａのスイッチング周波数よりも高く、第１の共振周波数でインピーダンスが極大となり、第２の共振周波数がスイッチング周波数の略２倍であり、第２の共振周波数でインピーダンスが極小となるインピーダンス特性となっている。

また、共振周波数を４つ有する場合の第２のＬＣ共振回路４１のインピーダンス特性は、第１の共振周波数と第２の共振周波数とについては上記した二つの共振周波数のときと同じインピーダンス特性であり、第３の共振周波数と第４の共振周波数については、第３の共振周波数がスイッチング周波数の２倍よりも高く４倍より低く、かつ第３の共振周波数でインピーダンスが極大となり、第４の共振周波数がスイッチング周波数の略４倍であり、かつ第４の共振周波数でインピーダンスが極小となるインピーダンス特性となっている。スイッチング素子５の両端間にはスイッチング周波数と同じ周波数で電圧が発生するが、第２のＬＣ共振回路（または複合共振インピーダンス素子）４１が上記したようにスイッチング周波数の偶数倍（上記の例では、２倍、または２倍および４倍）でインピーダンスが極小となるインピーダンス特性（最適化インピーダンス特性Ｚ）を有するように構成されているため、この両端間に発生する電圧の波形を構成する高調波成分のうちの偶数成分が第２のＬＣ共振回路４１によって減衰させられて、基本波成分（１次高調波成分）と奇数成分（主として３次高調波成分）が残る。この結果、スイッチング素子５の両端間に発生する電圧を、直流入力電圧Ｖ１の略２倍まで抑えることが可能となる。

続いて、図１に示す第２のＬＣ共振回路４１の具体的な回路構成の実施例について、図４から図１１までを用いて説明する。

図４は二つの共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例１である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第１のインダクタンス４１１と、第２のインダクタンス４１２と、第２のキャパシタンス４１３とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第１のインダクタンス４１１が接続されると共に、両接続部４１ａ，４１ｂ間に第２のインダクタンス４１２と第２のキャパシタンス４１３の直列回路が接続されて構成されている。

また、図５は二つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例２である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第３のインダクタンス４１４と、第４のインダクタンス４１５と、第３のキャパシタンス４１６を備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第３のインダクタンス４１４と第４のインダクタンス４１５が直列に接続されると共に、第４のインダクタンス４１５に第３のキャパシタンス４１６が並列に接続されて構成されている。

また、図６は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例３である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第５のインダクタンス４１７と、第６のインダクタンス４１８と、第７のインダクタンス４１９と、第４のキャパシタンス４２０と、第５のキャパシタンス４２１とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第５のインダクタンス４１７が接続され、両接続部４１ａ，４１ｂ間に第６のインダクタンス４１８と第４のキャパシタンス４２０との直列回路が接続され、かつ両接続部４１ａ，４１ｂ間に第７のインダクタンス４１９と第５のキャパシタンス４２１との直列回路が接続されて構成されている。

また、図７は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例４である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第８のインダクタンス４２２と、第９のインダクタンス４２３と、第１０のインダクタンス４２４と、第６のキャパシタンス４２５と、第７のキャパシタンス４２６とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第８のインダクタンス４２２と第９のインダクタンス４２３と第１０のインダクタンス４２４とが直列に接続され、第９のインダクタンス４２３に第６のキャパシタンス４２５が並列に接続され、かつ第１０のインダクタンス４２４に第７のキャパシタンス４２６が並列に接続されて構成されている。

また、図８は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例５である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第１１のインダクタンス４２７と、第１２のインダクタンス４２８と、第１３のインダクタンス４２９と、第８のキャパシタンス４３０と、第９のキャパシタンス４３１とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第１１のインダクタンス４２７と第１２のインダクタンス４２８と第１３のインダクタンス４２９とがこの順に直列に接続され、第１３のインダクタンス４２９に第９のキャパシタンス４３１が並列に接続され、かつ第１２のインダクタンス４２８と第１３のインダクタンス４２９との直列回路に第８のキャパシタンス４３０が並列に接続されて構成されている。

また、図９は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例６である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第１４のインダクタンス４３２と、第１５のインダクタンス４３３と、第１６のインダクタンス４３４と、第１０のキャパシタンス４３５と、第１１のキャパシタンス４３６とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第１４のインダクタンス４３２が接続され、両接続部４１ａ，４１ｂ間に第１０のキャパシタンス４３５と第１１のキャパシタンス４３６と第１６のインダクタンス４３４がこの順に直列に接続され、かつ第１１のキャパシタンス４３６と第１６のインダクタンス４３４との直列回路に第１５のインダクタンス４３３が並列に接続されて構成されている。

また、図１０は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例７である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第１７のインダクタンス４３７と、第１８のインダクタンス４３８と、第１９のインダクタンス４３９と、第１２のキャパシタンス４４０と、第１３のキャパシタンス４４１とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第１７のインダクタンス４３７と第１２のキャパシタンス４４０と第１８のインダクタンス４３８とがこの順に直列に接続され、第１８のインダクタンス４３８に第１３のキャパシタンス４４１が並列に接続され、かつ第１２のキャパシタンス４４０と第１８のインダクタンス４３８との直列回路に第１９のインダクタンス４３９が並列に接続されて構成されている。

また、図１１は四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路４１の実施例８である。この第２のＬＣ共振回路４１は、第２０のインダクタンス４４２と、第２１のインダクタンス４４３と、第２２のインダクタンス４４４と、第１４のキャパシタンス４４５と、第１５のキャパシタンス４４６とを備え、第１接続部４１ａおよび第２接続部４１ｂ間に第２０のインダクタンス４４２と第１４のキャパシタンス４４５と第２１のインダクタンス４４３とがこの順に直列に接続され、かつ第１４のキャパシタンス４４５と第２１のインダクタンス４４３との直列回路に第２２のインダクタンス４４４と第１５のキャパシタンス４４６とがそれぞれ並列に接続されて構成されている。

また、第２のＬＣ共振回路４１は、その内部の複数のインダクタにおいて磁気結合されているインダクタを含んでいてもよい。これにより、簡単な回路構成で四つ共振周波数を有する第２のＬＣ共振回路または複合共振インピーダンス素子を実現すると同時に磁気コアの個数を減らし、低コストと最適化が容易となる。また、インダクタのコアのコア特性が変動した時に、個々のインダクタとしての素子特性の変動差を小さく抑える事が可能となり動作の安定性に寄与する。

次に、図１に示したインバータ装置１ａの基本動作について、図１２の定常動作波形図を参照して、各期間における動作波形について詳細に説明する。

各期間における動作波形について、まずは、時間ｔ０から時間ｔ１までの期間での動作について説明する。時間ｔ（＝ｔ０）の時、スイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路から出力される駆動信号電圧Ｖｐは、スイッチング素子５をＯＮとするためハイレベルになり、時間ｔ（＝ｔ１）までにハイレベルを維持する。よって、時間ｔ０から時間ｔ１までの期間は、スイッチング素子５がＯＮし、スイッチング素子５の両端間に印加される電圧Ｖ３は零であり、第１の共振キャパシタンス４２に流れる電流ｉｃは零である。スイッチング素子５に流れる電流ｉｓは、負荷ネットワーク４の特性によって、零から緩やかに上昇する。入力電流として、最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１に流れる電流ｉ１は共振電流となるため一つの正の共振ピークを有する。一方、この期間での出力電流ｉ２は、負の正弦波電流で、時間ｔ（＝ｔ１）で最小値をもつ。

次に、図１２の時間ｔ１から時間ｔ２までの期間の動作について説明する。時間ｔ（＝ｔ１）でスイッチング素子５への駆動信号電圧Ｖｐは、スイッチング素子５をＯＦＦとするためローレベルになり、時間ｔ（＝ｔ２）までローレベルを維持する。従って、時間ｔ１から時間ｔ２までの間にスイッチング素子５がＯＦＦし、このＯＦＦになった直後からスイッチング素子５の両端間に印加される電圧Ｖ３は、負荷ネットワーク４の特性によって、共振して零から直流入力電圧Ｖ１の略２倍の振幅電圧まで緩やかに上昇し、そのあと降下して、時間ｔ（＝ｔ２）で零に戻ると共に、時間に対する導関数（時間に対する電圧変化率）も零となる。つまり、スイッチング素子５は、Ｅ級スイッチング動作をする。

また、この期間内にスイッチング素子５をＯＦＦとさせることで、それまでスイッチング素子５に流れていた電流ｉｓは零となり、第１の共振キャパシタンス４２に流れるｉｃに切替わる。入力電流として、最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１に流れる電流ｉ１は二つの負方向の共振ピークを有する共振電流となる。一方、出力電流ｉ２は時間ｔ（＝ｔ１）で最小ピーク値となった直後から上昇する。また、出力電流ｉ２は、この期間内に共振し、最大ピーク値を有する。

その後の時間ｔ２から時間ｔ３までの期間は、前述した時間ｔ０から時間ｔ１までの期間の動作と同様であり、さらにその後の時間ｔ３から時間ｔ４までの期間は、前述した時間ｔ１から時間ｔ２までの期間の動作と同様である。つまり、時間ｔ０から時間ｔ２までの期間の動作が、それ以降の期間のおいても繰り返される。

このように、このインバータ装置１ａでは、スイッチング素子５への駆動信号電圧Ｖｐの出力によってスイッチング素子５のＯＮ／ＯＦＦを繰り返させることで、高い変換効率で直流入力電圧Ｖ１から交流出力電圧Ｖ２への変換が可能である。ここで、最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１を用いることで、スイッチング素子５の両端間に印加されるピーク電圧を直流入力電圧Ｖ１の略２倍の振幅に抑えられる。その効果として、スイッチング素子５の耐圧を下げることに付随して低ＯＮ抵抗のスイッチング素子を選定できることになる。その結果、スイッチング素子５における導通損失（ＯＮ損失）を減らすことを達成でき、電力変換装置の変換効率をさらに高めることが可能となる。また最適化インピーダンス特性Ｚを有する第２のＬＣ共振回路４１を用いることで高周波のスイッチング動作において最適化が容易となる。

以上、スイッチング素子５をＯＮ／ＯＦＦ制御する駆動信号電圧ＶｐのＯＮ時間がＯＦＦ時間より短い実施例である。スイッチング素子５のＯＮ時間とＯＦＦ時間が異なる場合は各部の動作電圧と動作電流ピーク時間が異なる場合もある。

また、最適化インピーダンス特性Ｚ有する第２のＬＣ共振回路４１を用いた実施例は、図１に示すインバータ装置１ａ（入力の直流電圧を交流のＡＣ電圧に変換できるインバータ回路の一例）だけに限定されるものではなくて、例えば図１３に示すコンバータ装置１ｂ（入力直流電圧を出力直流電圧に変換する電力変換装置の一例）への適用も可能である。

図１３のコンバータ装置１ｂは、図１のインバータ装置１ａの交流出力端子３ａ，３ｂに、この交流出力端子３ａ，３ｂから出力される交流出力電圧Ｖ２を直流出力電圧Ｖ４に変換して直流出力端子７ａ，７ｂ間から出力する交直変換回路（キャパシタンスおよびインダクタンスを含む第３のＬＣ共振回路４５と、整流素子および平滑素子を含んだ整流平滑回路４６とを備えた変換回路）を付加したものである。また、負側の直流入力端子２ｂと負側の直流出力端子７ｂは、共通グランドＧに接続されている。その他の構成は、図１と同様である。第３のＬＣ共振回路４５は、キャパシタンスとインダクタンスとが並列に接続されて構成され、整流平滑回路４６は、接合容量を含むダイオード等の整流素子とコンデンサ等の平滑素子とが直列に接続されて構成されている。また、直流出力電圧Ｖ４は整流平滑回路４６（具体的には、この整流平滑回路４６の平滑素子の２つの端子に接続された直流出力端子７ａ，７ｂ）から出力される。これにより、直流出力端子７ａ，７ｂに負荷抵抗６を接続したときに、負荷抵抗６には直流出力電圧Ｖ４が供給される。また、図１３の出力電流ｉ３は交流正弦波ではなくて、リップル成分を有する直流電流となっている。

なお、電力変換装置としてのコンバータ装置は、上記のコンバータ装置１ｂの構成に限定されるものではなく、第１のＬＣ共振回路４３、第３のＬＣ共振回路４５、および整流平滑回路４６の組合せによって、降圧形、昇圧形、および昇降圧形のコンバータ装置を構成する事も可能である。また、整流平滑回路４６の前段に絶縁トランスを挿入する構成とすることで入力直流電圧と出力直流電圧間を絶縁したコンバータ装置を構成する事も可能である。

以上、本発明の電力変換装置について、種々の実施の形態を挙げて説明したが、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、図１，１３に示すように、直流入力端子２ｂと出力端子（交流出力端子３ｂや直流出力端子７ｂ）が共通グランドＧで繋がる構成を基本構成とする実施の形態について説明したが、グランドを共通としない構成（つまり、直流入力端子２ｂおよび出力端子（交流出力端子３ｂや直流出力端子７ｂ）のいずれか一方が共通グランドＧに繋がらない構成）を採用することもできる。この構成では、第２のＬＣ共振回路（または複合共振インピーダンス素子）４１は、負側の直流入力端子２ｂとスイッチング素子５との間に接続されることも可能である。あるいは、第１のＬＣ共振回路４３は、上記したように、スイッチング素子５と出力端子（交流出力端子３ｂや直流出力端子７ｂ）を結ぶ共通グランドＧ側に接続されることも可能であるし、第１のＬＣ共振回路４３に含まれる第１６のキャパシタンス４３１と第２３のインダクタンス４３２を、交流出力端子３ａ（または直流出力端子７ａ）からスイッチング素子５までの経路と、スイッチング素子５から交流出力端子３ｂ（または直流出力端子７ｂ）までの経路とに分けて（分散して）接続することも可能である。

１ａインバータ装置
１ｂコンバータ装置
２ａ，２ｂ直流入力端子
３ａ，３ｂ交流出力端子
４負荷ネットワーク
５スイッチング素子
４１第２のＬＣ共振回路
４１ａ第１接続部
４１ｂ第２接続部
４２第１の共振キャパシタンス
４３第１のＬＣ共振回路
４３１第１６のキャパシタンス
４３２第２３のインダクタンス
Ｖ１直流入力電圧
Ｖ２交流出力電圧

Claims

直流電圧が入力される正負２つの直流入力端子と、
交流電圧を出力する２つの交流出力端子と、
スイッチング素子と、
前記スイッチング素子の両端間に接続された第１の共振キャパシタンスと、
前記交流出力端子間に前記スイッチング素子と共に直列に接続された第１のＬＣ共振回路と、
前記直流入力端子間に前記スイッチング素子と共に直列に接続された第２のＬＣ共振回路とを備え、
前記第１のＬＣ共振回路は、
インダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含む電流経路を有し、
前記第２のＬＣ共振回路は、
前記２つの直流入力端子のうちの一方の直流入力端子に接続される第１接続部および前記スイッチング素子に接続される第２接続部を有すると共に、インダクタンスを含んで構成される電流経路、およびインダクタンスとキャパシタンスの直列回路を含んで構成される電流経路が当該第１接続部および当該第２接続部間に形成されている電力変換装置であって、
前記第２のＬＣ共振回路は、
前記第１接続部および前記第２接続部間のインピーダンスの周波数特性において２つの共振周波数を有して、当該２つの共振周波数のうちの低域の第１の共振周波数が、前記スイッチング素子のスイッチング周波数より高く、かつ当該２つの共振周波数のうちの高域の第２の共振周波数が、当該スイッチング周波数の略２倍であって、
前記インピーダンスが、前記第１の共振周波数で極大となり、かつ前記第２の共振周波数で極小となるように形成されていることを特徴とする電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
内部に含むインダクタンスとキャパシタンスを集約化して構成された複合共振インピーダンス素子であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチング素子は、Ｅ級スイッチング動作をすることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
前記インピーダンスの周波数特性において前記第２の共振周波数よりも高い周波数帯域に、さらに２つの共振周波数を有して、当該２つの共振周波数のうちの低域の第３の共振周波数が、前記スイッチング周波数の２倍を超え４倍未満であり、かつ当該２つの共振周波数のうちの高域の第４の共振周波数が、前記スイッチング周波数の略４倍であって、
前記インピーダンスが、前記第３の共振周波数で極大となり、かつ前記第４の共振周波数で極小となるように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第１のインダクタンス、第２のインダクタンスおよび第２のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１のインダクタンスが接続されると共に、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第２のインダクタンスと前記第２のキャパシタンスとの直列回路が接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第３のインダクタンス、第４のインダクタンスおよび第３のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第３のインダクタンスと前記第４のインダクタンスとの直列回路が接続されると共に、
前記第４のインダクタンスに前記第３のキャパシタンスが並列に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第５のインダクタンス、第６のインダクタンス、第７のインダクタンス、第４のキャパシタンスおよび第５のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第５のインダクタンスが接続され、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第６のインダクタンスと前記第４のキャパシタンスとの直列回路が接続され、
かつ前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第７のインダクタンスと前記第５のキャパシタンスとの直列回路が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第８のインダクタンス、第９のインダクタンス、第１０のインダクタンス、第６のキャパシタンスおよび第７のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第８のインダクタンスと前記第９のインダクタンスと前記第１０のインダクタンスとの直列回路が接続され、
前記第９のインダクタンスに前記第６のキャパシタンスが並列に接続され、
かつ前記第１０のインダクタンスに前記第７のキャパシタンスが並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第１１のインダクタンス、第１２のインダクタンス、第１３のインダクタンス、第８のキャパシタンスおよび第９のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１１のインダクタンスと前記第１２のインダクタンスと前記第１３のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、
前記第１２のインダクタンスと前記第１３のインダクタンスとの直列回路に前記第８のキャパシタンスが並列に接続され、
かつ前記第１３のインダクタンスに前記第９のキャパシタンスが並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第１４のインダクタンス、第１５のインダクタンス、第１６のインダクタンス、第１０のキャパシタンスおよび第１１のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１４のインダクタンスが接続され、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１０のキャパシタンスと前記第１１のキャパシタンスと前記第１６のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、
かつ前記第１１のキャパシタンスと前記第１６のインダクタンスとの直列回路に前記第１５のインダクタンスが並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第１７のインダクタンス、第１８のインダクタンス、第１９のインダクタンス、第１２のキャパシタンスおよび第１３のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第１７のインダクタンスと前記第１２のキャパシタンスと前記第１８のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、
前記第１２のキャパシタンスと前記第１８のインダクタンスとの直列回路に前記第１９のインダクタンスが並列に接続され、
かつ前記第１８のインダクタンスに前記第１３のキャパシタンスが並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
第２０のインダクタンス、第２１のインダクタンス、第２２のインダクタンス、第１４のキャパシタンスおよび第１５のキャパシタンスを内部に含み、
前記第１接続部および前記第２接続部間に前記第２０のインダクタンスと前記第１４のキャパシタンスと前記第２１のインダクタンスとがこの順に直列に接続され、
かつ前記第１４のキャパシタンスと前記第２１のインダクタンスとの直列回路に前記第２２のインダクタンスと前記第１５のキャパシタンスとがそれぞれ並列に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記第２のＬＣ共振回路は、
内部に磁気結合されているインダクタンスを含んでいることを特徴とする請求項１乃至１２に記載の電力変換装置。
前記第１のＬＣ共振回路に含まれている前記キャパシタンスおよび前記インダクタンスは、
前記スイッチング素子の一端と前記２つの交流出力端子のうちの一方の交流出力端子との間の第１経路内、および当該スイッチング素子の他端と当該２つの交流出力端子のうちの他方の交流出力端子との間の第２経路内に分散して配設された第１６のキャパシタンスおよび第２３のインダクタンスで構成されていることを特徴とする請求項１乃至１３に記載の電力変換装置。
請求項１乃至１４に記載の電力変換装置と、
第３のＬＣ共振回路と整流回路とを備えて構成されると共に、当該電力変換装置の前記交流出力端子間に接続されて、当該交流出力端子間から出力される前記交流電圧を直流電圧に変換して出力する交直変換回路とを備えている電力変換装置。