CN102265499B

CN102265499B - Ac-dc转换器

Info

Publication number: CN102265499B
Application number: CN200980151999.7A
Authority: CN
Inventors: 岛田尊卫; 塚本创; 叶田玲彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP5271691B2; JP2010154582A; CN102265499A; WO2010073602A1

Abstract

一种AC-DC转换器，具备：由整流元件Ds1、2和主开关元件Q1、2所形成的混合电桥电路；并联连接于上述各元件Q1、2的缓冲器C1、2和二极管D1、2；在交流端子间经由平滑用Ls1、2所连接的交流电源V1；以及被并联连接在电桥电路的直流端子间的平滑用Cs和直流负载R1，其中，该AC-DC转换器还具备：直流端子N3和平滑用Cs的一端LN1间的谐振用Lr；包含被连接到其一端上的辅助开关元件Q3和谐振用Cr的串联连接体的辅助电路1；使上述Q1、2、3进行接通断开的控制部件，在使平滑用Ls1、2中所积蓄的一部分能量对谐振用Cr进行了充电以后，在谐振用Lr中积蓄能量，并利用此能量将缓冲器C1、2的电荷拉拢过来，以实现MOSFETQ1～3的零电压开关。

Description

AC-DC转换器

技术领域

本发明涉及具有零电压开关功能的AC-DC转换器。

背景技术

以往的AC-DC转换器由二极管电桥组成的整流电路；以及开关元件、平滑用电抗器、二极管和平滑用电容器组成的功率因数改善电路所构成，对交流电力进行整流并变换成直流。但是，在整流电路中使用的二极管电桥上流过电流所造成的导通损耗；和在功率因数改善电路的开关元件上施加着电压的状态下进行开关所造成的开关损耗较大、效率不佳。

因而，在专利文献1中公开了降低二极管电桥的导通损耗并谋求效率改善的无桥(混合电桥)方式的AC-DC转换器，又在非专利文献1中公开了降低开关损耗并谋求效率改善的AC-DC转换器。

专利文献1的混合电桥方式的AC-DC转换器为了降低二极管的导通损耗，将两个二极管变更成开关元件。而且，具备被连接在交流电源和电桥电路的交流端子之间的平滑用电抗器；被连接在电桥电路的直流端子间的平滑用电容器。

另外，非专利文献1具备由开关元件、电抗器和二极管所构成的辅助电路，以降低开关损耗。通过此辅助电路而实现在开关元件上施加的电压大概为零时使开关元件进行开通(turn-on)、关断(turn-off)的零电压开关，降低开关损耗。

在专利文献2、3中也与专利文献1同样地公开了混合电桥方式的AC-DC转换器。另外，在专利文献4、5中也公开了谋求效率提高的AC-DC转换器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2007-527687号公报

专利文献2：日本特开2002-51563号公报

专利文献3：日本特开平10-337034号公报

专利文献4：日本特开平10-84674号公报

专利文献5：日本特开2000-217364号公报

非专利文献

非专利文献1：UC2855数据单表(data sheet)资料/Texas Instruments

发明内容

专利文献1的混合电桥方式的AC-DC转换器能够降低二极管电桥的导通损耗。但是，开关损耗较大。

非专利文献1的辅助电路能够实现零电压开关并降低开关损耗。但是，二极管电桥的导通损耗较大。

因而，若并用专利文献1和非专利文献1的技术就可以降低导通损耗和开关损耗这两者。但是，需要与开关元件同数量的、亦即两个辅助电路，这就成为电路复杂化、成本上升的原因。

另外，在非专利文献1的AC-DC转换器中，辅助电路的开关元件无法进行零电压开关，辅助电路的开关元件的开关损耗较大。

这样，在以往的AC-DC转换器中，为了降低导通损耗和开关损耗这两者，有时候就会招致电路的复杂化及成本上升。

本发明的目的在于提供一种AC-DC转换器，用比较少的元件数所构成的一个辅助电路、全部用开关元件实现零电压开关。

另外，本发明的其他目的在于提供一种降低导通损耗和开关损耗这两种者、且高效率的AC-DC转换器。

另外，本发明的其他目的在于提供一种通过开关元件的比较简单的开关控制而实现零电压开关的AC-DC转换器。

在本发明一方面的技术方案中提供一种AC-DC转换器，具备：使两组上下支路进行并联连接而形成的转换器的主开关电路，其中所述两组上下支路各自将整流元件与主开关元件串联连接起来；分别并联连接在所述各主开关元件上的缓冲电容器；分别反并联连接在所述各主开关元件上的二极管和/或体二极管；在作为所述转换器的交流端子的两组所述上下支路的串联连接点之间，经由平滑用电抗器连接的交流电源；以及分别并联连接在作为所述转换器的直流端子的所述主开关电路的两端之间的平滑用电容器和直流负载，所述AC-DC转换器的特征在于，还具备：被插入在所述主开关电路的一方直流端子和所述平滑用电容器的一端之间的谐振用电抗器；被连接到所述谐振用电抗器的一端的、辅助开关元件和谐振用电容器的串联连接体；包含所述辅助开关元件、所述谐振用电抗器和所述谐振用电容器的辅助电路；以及使所述各主开关元件和所述辅助开关元件进行接通断开的控制部件。

在本发明另一方面的技术方案中提供一种AC-DC转换器，具备：第1主开关元件、第2主开关元件；第1整流元件、第2整流元件；将所述第1整流元件和所述第1主开关元件串联连接起来的第1上下支路；将所述第2整流元件和所述第2主开关元件串联连接起来的第2上下支路；将所述第1上下支路、第2上下支路并联连接起来的主开关电路；连接在所述第1上下支路、第2上下支路的各主开关元件和整流元件的串联连接点与交流电源之间的平滑用电抗器；连接在所述主开关电路的两端之间且并联连接在直流负载上的平滑用电容器；分别并联连接在所述各主开关元件上的缓冲电容器；分别反并联连接在所述各主开关元件上的二极管和/或体二极管，其中，该AC-DC转换器将所述交流电源的能量供给至所述直流负载，所述AC-DC转换器的特征在于，还具备：被插入在所述主开关电路的一端和所述平滑用电容器的一端之间的谐振用电抗器；被连接到所述谐振用电抗器的一端的、辅助开关元件和谐振用电容器的串联连接体；包含所述辅助开关元件、所述谐振用电抗器和所述谐振用电容器的辅助电路；以及使所述第1、第2主开关元件和所述辅助开关元件进行接通断开的控制部件。

在本发明的优选实施方式中，所述辅助电路具备在所述谐振用电抗器上并联连接所述辅助开关元件和所述谐振用电容器的串联连接体、且并联连接在所述辅助开关元件上的缓冲电容器；以及被反并联连接在所述辅助开关元件上的二极管和/或体二极管。

在本发明的其他优选实施方式中，所述辅助电路具备被连接在所述主开关电路的一端和所述谐振用电抗器的连接点与所述主开关电路的另一端之间的所述辅助开关元件和所述谐振用电容器的串联连接体；被并联连接在所述辅助开关元件上的缓冲电容器；被反并联连接在所述辅助开关元件上的二极管和/或体二极管。

另外，在本发明的优选实施方式中，所述控制部件构成为，将所述交流电源的能量积蓄在所述平滑用电抗器中，将所述平滑用电抗器释放出的能量积蓄在所述谐振用电容器中，将所述谐振用电容器释放出的能量经由所述辅助开关元件积蓄在所述谐振用电抗器中，利用所述谐振用电抗器中所积蓄的能量，在所述主开关元件接通以前，将被并联连接在主开关元件上的所述缓冲电容器中所蓄积的电荷拉拢过来。根据本发明的优选实施方式，能够提供一种用具有一个开关元件的一个辅助电路对全部开关元件进行零电压开关的AC-DC转换器。

另外，根据本发明的优选实施方式，能够提供一种利用主开关元件和辅助开关元件，以比较简单的开关控制进行零电压开关的AC-DC转换器。

另外，根据本发明的优选实施方式，能够提供一种降低导通损耗和开关损耗这两者、且高效率的AC-DC转换器

进而，根据本发明的优选实施方式，能够提供一种辅助开关元件的开通、关断均能够进行零电压开关的AC-DC转换器。

根据本发明的其他目的和特征在以下所述的实施例之中将会明了。

附图说明

图1是本发明实施例1的AC-DC转换器的电路结构图。

图2是本发明实施例1的AC-DC转换器的动作说明电路图之一。

图3是本发明实施例1的AC-DC转换器的动作说明电路图之二。

图4是本发明实施例1的AC-DC转换器的动作说明的基本波形图。

图5是本发明实施例1的AC-DC转换器的动作说明电路图之三。

图6是本发明实施例1的AC-DC转换器的动作说明电路图之四。

图7是本发明实施例2的AC-DC转换器的电路结构图。

图8是本发明实施例3的AC-DC转换器的电路结构图。

图9是本发明实施例4的AC-DC转换器的电路结构图。

图10是采用了本发明的AC-DC转换器的插入式混合动力电动汽车的电源系统的概略结构图。

图11是采用了本发明的AC-DC转换器的存储装置的电源装置的概略结构图。

附图标记说明

10、11、20、30：AC-DC转换器；1：辅助电路；2、12、22：控制部件；3、4、13、14、16：电压传感器；5、6、15：电流传感器；V1：交流电源；V2：三相交流电源；V3：直流电源；R1：直流负载；LN0：输出负母线；LN1：输出正母线；N0～N4：节点；Ls0、Ls1；Ls2：平滑用电抗器；Cs：平滑用电容器；Ds0、Ds1、Ds2：整流用二极管；Q0、Q1、Q2、Q11、Q12：开关元件；Lr：谐振用电抗器；Cr：谐振用电容器；C0、C1、C2、C11、C12：缓冲电容器；D0、D1、D2、D11、D12：二极管。

具体实施方式

参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，在实施例1中，作为开关元件使用MOSFET来进行说明。另外，将与接通状态的开关元件或者二极管的正向下降电压同等程度或在其以下的电压称为零电压。

实施例1

图1是根据本发明实施例1的AC-DC转换器的电路结构图。

使分别将整流元件Ds1或Ds2与主开关元件Q1或Q2串联连接起来的两组上下支路进行并联连接，形成转换器的主开关电路。在这些主开关元件上分别并联连接着缓冲(snubber)电容器C1、C2。另外，在上述各主开关元件上分别以反并联方式连接着二极管和/或体二极管D1、D2。

在作为转换器的交流端子的两组上下支路的串联连接点间经由平滑用电抗器Ls1、Ls2连接着交流电源V1。另外，在作为转换器的直流端子的主开关电路的两端间、亦即正母线LN1和负母线LN0之间分别并联连接着平滑用电容器Cs和直流负载R1。

AC-DC转换器10中，作为辅助电路1的电路要素除主开关电路的上述第1、第2开关元件(MOSFET)Q1、Q2以外还具备第3(辅助)开关元件(MOSFET)Q3。除此以外，作为辅助电路1的电路要素还具备谐振用电抗器Lr、谐振用电容器Cr，在上述辅助开关元件Q3上还具备缓冲电容器C3并以反并联方式具备二极管和/或体二极管。

向控制各开关元件的控制部件2输入电压传感器3、4以及电流传感器5、6的输出。例如，以分流电阻方式的情况来说的话，则是将电流传感器5、6的一端连接到负母线LN0上，并将电流传感器5、6的另一端分别与MOSFETQ1、Q2的源极端子进行连接。

将MOSFETQ1和整流用二极管Ds1的连接点设为节点N1，将MOSFETQ2和整流用二极管Ds2的连接点设为节点N2。在交流电源V1和节点N1之间连接着平滑用电抗器Ls1，在交流电源V1和节点N2之间连接着平滑用电抗器Ls2。将整流用二极管Ds1、Ds2的阴极的连接点设为节点N3。谐振用电抗器Lr连接于节点N3和正母线LN1之间，将正母线LN1和谐振用电抗器Lr的连接点设为节点N4。

将MOSFETQ3和谐振用电容器Cr进行串联连接，MOSFETQ3的源极端子以朝向节点N3的方式被连接于连接节点N3和节点N4之间，用谐振用电抗器Lr、谐振用电容器Cr和MOSFETQ3而构成辅助电路1。

(电路的动作说明)

在详细的动作说明以前，在图1的电路图中定义表示电流、电压的记号。首先，MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间电压VQ1～VQ3以漏极侧为正。另外，在MOSFETQ1～Q3和分别以并联方式所连接的二极管D1～D3上流过的经过合成的电流IQD1～IQD3以从MOSFETQ1～Q3的漏极流向源极的方向为正。进而，将交流电源V1的电压设为输入电压，将在平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流设为输入电流。

在谐振用电容器Cr上流过的电流ICr以二极管D3上正向电流流过的方向为正。在平滑用电抗器Ls1上流过的电流ILs1以从交流电源V1流向节点N1的方向为正，在平滑用电抗器Ls2上流过的电流ILs2以从节点N2流向交流电源V1的方向为正。另外，在谐振用电抗器Lr上流过的电流ILr以从整流用二极管Ds1、Ds2的阴极流向平滑用电容器Cs的方向为正。

(电流ILs1、ILs2为正的期间)

图2、图3是说明电流ILs1、ILs2为正的期间的动作的电路图。另外，在此电路中，MOSFETQ2始终为接通状态。图4是说明动作的电压/电流波形图。

下面，一面参照这些图2、图3一面详细地说明本发明实施例1中的动作。图2、图3的(A)～(I)对应于图4所示的模式A到模式I。

(模式A)

首先，在模式A下，MOSFETQ1为接通状态，MOSFETQ3为断开状态。交流电源V1的电压被施加于平滑用电抗器Ls1、Ls2，在交流电源V1、平滑用电抗器Ls1、MOSFETQ1、MOSFETQ2、平滑用电抗器Ls2上流过电流。平滑用电抗器Ls1、Ls2的电流ILs1和ILs2逐渐增加，交流电源V1的能量被积蓄于平滑用电抗器Ls1、Ls2。此时，缓冲电容器C3和谐振用电容器Cr以图2(A)所示的极性进行充电。

(模式B)

之后，若在时刻t1使MOSFETQ1断开，则MOSFETQ1上所并联连接的缓冲电容器C1的电压VQ1就从零电压开始逐渐增加起来。从而，MOSFETQ1在时刻t1进行零电压开关。整流二极管Ds1被反向偏置，平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流ILs1、ILs2流向缓冲电容器C1。

(模式C)

之后，电压VQ1增加，若在时刻t2整流二极管Ds1被正向偏置，则整流二极管Ds1导通，成为模式C。平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流ILs1、ILs2流向缓冲电容器C3和谐振用电容器Cr。此时，缓冲电容器C3将所积蓄的电荷进行放电，电压VQ3减少。若电压VQ3变成零电压则二极管D3导通。这里，在谐振用电抗器Lr上施加谐振用电容器Cr的电压，电流逐渐流到谐振用电抗器Lr。因此，平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流ILs1、ILs2向谐振用电抗器Lr和二极管D3-谐振用电容器Cr的路径分流，之后进行合流被供给至输出侧。另外，平滑用电抗器Ls1、Ls2上所积蓄的一部分能量被积蓄于谐振用电容器Cr，电流ILs1、ILs2减少下去。

(模式D)

之后，在时刻t3将MOSFETQ3接通。此时，因为电压VQ3为零电压，故MOSFETQ3进行零电压开关而成为模式D。与模式C同样，平滑用电抗器Ls1、Ls2的电流ILs1、ILs2分流到谐振用电抗器Lr和MOSFETQ3-谐振用电容器Cr的路径，之后进行合流而被供给至输出侧。另外，电流ILs1、ILs2与模式C同样地减少下去。

(模式E)

之后，在时刻t4谐振用电容器Cr的充电结束而成为模式E的状态。平滑用电抗器Ls1、Ls2的电流ILs1、ILs2通过谐振用电抗器Lr流向输出侧，电流ILs1、ILs2减少。接下来，在谐振用电抗器Lr上施加谐振用电容器Cr的电压。谐振用电容器Cr的电荷经由MOSFETQ3、谐振用电抗器Lr进行放电，谐振用电容器Cr的能量被积蓄在谐振用电抗器Lr上。

(模式F)

之后，若在时刻t5将MOSFETQ3断开，则成为模式F的状态。此时，在MOSFETQ3上以并联方式所连接的缓冲电容器C3，从零电压开始逐渐增加，所以MOSFETQ3进行零电压开关。伴随于电压VQ3的增加，MOSFETQ1的电压VQ1减少，缓冲电容器C1上所积蓄的电荷被放电。另外，平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流ILs1、ILs2流向谐振用电抗器Lr，平滑用电抗器Ls1、Ls2上所积蓄的能量被供给到输出侧，电流ILs1、ILs2逐渐减少。

(模式G)

之后，若在时刻t6电压VQ1变成零电压，则二极管D1导通，变成模式G的状态。另外，向缓冲电容器C3的充电结束，在模式F下谐振用电容器Cr上流过的电流流向输出侧。流经二极管D1的电流与平滑用电抗器Ls1、Ls2上流过的电流ILs1、ILs2进行合流，通过谐振用电抗器Lr，流向输出侧。谐振用电抗器Lr上所积蓄的能量被供给至平滑用电容器Cs，电流ILr逐渐减少下去。伴随于此，二极管D1的导通电流亦减少下去。

(模式H)

之后，在时刻t7将MOSFETQ1接通。此时，由于电压VQ1已经为零电压，所以MOSFETQ1进行零电压开关而变成模式H的状态。与模式G同样，谐振用电抗器Lr上所积蓄的能量被供给至平滑用电容器Cs，电流ILr逐渐减少下去。伴随于此，二极管D1的导通电流亦减少下去。

(模式I)

之后，在时刻t8二极管D1上不再流过电流，MOSFETQ1的电流IQD1从负变化成正而成为模式I。另外，接下来，由于谐振用电抗器Lr对平滑用电容器Cs供给能量，所以电流ILr减少下去。

(至初始模式)

之后，若谐振用电抗器Lr的电流ILr达到零则返回到模式A的状态。此时，在谐振用电容器Cr、缓冲电容器C3和谐振用电抗器Lr上流过谐振电流，有时候波形会振动。

若将MOSFETQ2固定于接通状态，则二极管D2上流过的电流分流到MOSFETQ2并能够降低导通损耗。将这样接通MOSFET使体二极管上流过的电流分流到MOSFET以降低导通损耗的动作称为同步整流。

(电流ILs1、ILs2为负的期间)

电流ILs1、ILs2为负的期间成为如图5、图6所示那样的电流流动。电流ILs1、ILs2为正的期间，以平滑用电抗器Ls1、MOSFETQ1、二极管D2、平滑用电抗器Ls2这一顺序进行流动。另一方面，在电流ILs1、ILs2为负的期间，电流以平滑用电抗器Ls2、MOSFETQ2、二极管D1、平滑用电抗器Ls1这一顺序进行流动。使其进行开关动作的开关元件从MOSFETQ1切换成MOSFETQ2，进行与电流ILs1、ILs2为正时同样的电路动作。

如以上那样，AC-DC转换器10，设置在电流ILs1、ILs2为正的期间使MOSFETQ1和Q3均断开的期间，和在电流ILs1、ILs2为负的期间则使MOSFETQ2和Q3均断开的期间，并交替地使其进行接通断开。通过具备这种控制部件2，就能够用全部开关元件容易地实现零电压开关。另外，通过具备在电流ILs1、ILs2为正的期间控制MOSFETQ2、在电流ILs1、ILs2为负的期间则控制MOSFETQ1从而进行同步整流的控制部件2，能够降低导通损耗。

另一方面，还可以不管电流ILs1、ILs2的正负都使MOSFETQ1和MOSFETQ2同步进行接通断开。在此情况下，就能够比较简单地控制MOSFETQ1、Q2。

通过用电压传感器4检测输出电压并输入到控制部件2，就能够控制MOSFETQ1、Q2和MOSFETQ3的接通时间与断开时间的比例并容易地将输出电压控制于恒定的电压。另外，用电压传感器3检测交流电源V1的电压，在电流ILs1、ILs2为正的期间，用MOSFETQ2的源极端子上所连接的电流传感器6检测输入电流。另一方面，在电流ILs1、ILs2为负的期间，用MOSFETQ1的源极侧所具备的电流传感器5来检测输入电流，由此就能够容易地检测输入电流，并改善功率因数。

另外，若输入电压下降，则MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间所施加的电压有时候会变高。因此，就需要容许施加电压较高的开关元件，有时候就会牵涉到成本上升。

这一MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间所施加的电压就是平滑用电容器Cs的电压与谐振用电容器Cr的电压之和。在恒定地控制输出电压的情况下，平滑用电容器Cs的电压为恒定。从而，为了使MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间所施加的电压下降，需要使谐振用电容器Cr的电压减少。

谐振用电容器Cr的电压根据谐振用电抗器Lr的值；模式C～模式E的期间的长度；在此期间增加的谐振用电抗器Lr的电流ILr的变化量而变化。若输入电压下降，则输入电流增加而使电流ILr的变化量增加，另外，模式C～模式E的期间变短，谐振用电容器Cr的电压增加。另外，若输出电力增加则电流ILr的变化量增加，所以谐振用电容器Cr的电压增加。另一方面，若开关频率变低则模式C～模式E的期间变长，谐振用电容器Cr的电压减少。

因而，在输入电压已下降或输出电力已增加的情况下降低开关频率，在输入电压已增加或输出电力已减少的情况下提高开关频率。通过进行这种动作，就能够使得在MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间不会被施加过大的电压。

另外，在输入电流已增加的情况下使开关频率下降，在输入电流已减少的情况下提高开关频率。只要检测输入电流并进行这种动作，即便未检测输入电压或输出电压，也能够使得在MOSFETQ1～Q3的漏极-源极间不会被施加过大的电压。

但是，若开关频率下降则输入电流的脉动有时候会增加。输入电流的脉动增加有时候就成为问题，所以仅通过开关频率的下降有时候无法充分地降低施加在MOSFETQ1、Q2的漏极-源极间的电压。在此情况下，通过在从模式A转移到模式B以前将MOSFETQ3接通，就能够进一步减少在MOSFETQ1、Q2的漏极-源极间所施加的电压。若在从模式A转移到模式B以前将MOSFETQ3接通，则谐振用电容器Cr上所积蓄的能量被供给至谐振用电抗器Lr，能够预先以某种程度使电流ILr流过。据此，就能够抑制模式C～模式E的期间中的电流ILr的变化量，因此能够减少在MOSFETQ1、Q2的漏极-源极间电压上所施加的电压。在此情况下，由于是在电荷已被积蓄于缓冲电容器C3的状态下将MOSFETQ3接通所以将发生开关损耗，但因为此时在缓冲电容器C3上只是施加与谐振用电容器Cr同等程度的电压故这一损耗不大。

在此实施例中，在输入电压的瞬时值较低的期间或输出电力较少的情况下，有时候无法充分地进行零电压开关。在这种情况下，通过停止MOSFETQ3的接通断开并保持于接通状态或断开状态，能够降低损耗。

另外，作为使开关频率进行变化以外的方法，通过使用了继电器等的切换以使Lr的值下降，就能够使得不会被施加过大的电压。但是，如果使开关频率进行变化就不需要继电器等。

虽然在本实施例中第3开关元件Q3使用MOSFET，但MOSFET上所并联连接的体二极管有时逆恢复特性较差，有时体二极管不能作为二极管很好地发挥功能。在此情况下，通过将MOSFET变更成IGBT等其他种类的开关元件，就能够维持实施例1的动作。

在实施例1中，还可以使平滑用电抗器从两个变更成一个。在此情况下，能够删除一个平滑用电抗器并能够降低零部件成本。另外，进行连接的地方为平滑用电抗器Ls1、Ls2的连接地方的哪个都无妨。

实施例2

图7是本发明实施例2的AC-DC转换器的电路结构图。此AC-DC转换器11是在图1所示的实施例1的AC-DC转换器10中，将正母线LN1上所连接的谐振用电容器Cr的一端进行切离，并替换连接到负母线LN0这一结构。

电路动作与实施例1相同，可以进行将交流电源V1的能量送到直流负载R1的动作、以及零电压开关动作。

若采用此实施例2的电路结构，与实施例1相比基板上的布局自由度有时候就会增加并能够小型化。

实施例3

图8是本发明实施例3的AC-DC转换器20的电路结构图。根据本实施例3的AC-DC转换器20是将图1所示的根据实施例1的AC-DC转换器10从用于单相交流电源变更为用于三相交流电源这一结构。

在图8中，与实施例1不同的是将图1所示的实施例1的交流电源V1变更为三相交流电源V2，并追加了平滑用电抗器Ls0、整流用二极管Ds0、MOSFETQ0、电流传感器15和电压传感器13、14、16。另外，在MOSFETQ0的漏极-源极间连接有二极管和/或MOSFET的体二极管D0以使得电流从源极流向漏极。另外，在MOSFETQ0的漏极-源极间连接有缓冲电容器C0。

将整流用二极管Ds0和MOSFETQ0的连接点设为节点N0。在三相交流电源V2的U相和节点N1之间连接有平滑用电抗器Ls1，在三相交流电源V2的V相和节点N2之间连接有平滑用电抗器Ls2，并在三相交流电源V2的W相和节点N0之间连接有平滑用电抗器Ls0。

将电流传感器15的一端与负母线LN0相连接，将电流传感器15的另一端与MOSFETQ0的漏极端子相连接。将整流用二极管Ds0的阴极连接到节点N3。

对该实施例3中的电路动作进行说明。此时，三相交流电源V2的各相电压从W相来看U相、V相的电压处于较高状态。另外，在U相、V相、W相上流过的电流以从三相交流电源V2流到节点N0、N1、N2的方向为正。

基本的电路动作与实施例1相同。不同点是在三相交流电源V2的U相连接有MOSFETQ1，在V相连接有MOSFETQ2，在W相连接有MOSFETQ0。在从W相来看U相、V相为较高电压状态下，在U相和V相上流过正电流。在MOSFETQ1、Q2、Q0为接通状态时，流向平滑用电抗器Ls1、Ls2的电流通过MOSFETQ1、Q2，之后进行合流并流向MOSFETQ0。在MOSFETQ1、Q2、Q0为断开状态时，流向平滑用电抗器Ls1、Ls2的电流通过整流用二极管Ds1、Ds2进行合流。然后，被分流至谐振用电抗器Lr、MOSFETQ3的缓冲电容器C3或者二极管D3、谐振用电容器Cr，之后，再次进行合流并流向输出侧。

在实施例1中，根据单相交流电压V1的极性交替地切换MOSFETQ1、Q2，但在此实施例3中，则根据输入电压的状况来控制MOSFETQ1、Q2、Q0中的某两个和MOSFETQ3。然后，通过具备如下控制部件即设置将流过正电流的相上所连接的MOSFET和MOSFETQ3均断开的期间并交替地使其接通断开，则辅助电路为一个不变而全部用开关元件容易地实现零电压开关。另外，在本实施例3中也能够通过与实施例1同样地使其进行同步整流而降低导通损耗。

实施例4

图9是根据本发明实施例4的AC-DC转换器30的电路结构图。此AC-DC转换器30将图1所示的实施例1的AC-DC转换器10的MOSFET变更成IGBT，将整流用二极管Ds1、Ds2变更成开关元件(IGBT)Q11、Q12。然后，在IGBTQ11、Q12的集电极-发射极间分别连接有二极管D11、D12以使得电流从发射极端子流向集电极端子。另外，其结构是在IGBTQ11、Q12的集电极-发射极间连接缓冲电容器C11、C12，并在直流负载R1上并联连接直流电源V3。

本实施例4能够进行将交流电源V1的能量送到直流电源V3的动作、和将直流电源V3的能量送至交流电源V1的动作这双方向的电力变换动作。亦即，具有将交流电源V1的交流变换成直流电源V3的直流的AC-DC变换；和将直流电源V3的直流变换成交流电源V1的交流的DC-AC变换的功能。

本实施例4在从交流电源V1向直流电源V3或者从直流电源V3向交流电源V1输送能量的动作的双方向中，能够与实施例1同样地进行零电压开关。

在从交流电源V1向直流电源V3输送能量的动作中，能够与实施例1同样地进行零电压开关。

在从直流电源V3向交流电源V1输送能量的情况下，例如像下面那样使其动作。在使电流从平滑用电抗器Ls1流向交流电源V1的期间，一面将IGBTQ11保持于接通状态，一面使IGBTQ12和IGBTQ2以互补方式进行接通断开。另一方面，在使电流从平滑用电抗器Ls2流向交流电源V1的期间，一面将IGBTQ12保持于接通状态，一面使IGBTQ11和IGBTQ1以互补方式进行接通断开。

在IGBTQ11和IGBTQ2均为接通状态时以及IGBTQ12和IGBTQ1均为接通状态时使MOSFETQ3处于断开状态，在其他时候使MOSFETQ3处于接通状态。当然，在IGBTQ11和IGBTQ2均为接通状态时及IGBTQ12和IGBTQ1均为接通状态时，设置MOSFETQ3不会成为接通状态这样的空载时间(dead-time)。

如果这样使其动作，则通过使MOSFETQ3关断以使IGBTQ1、Q2的集电极-发射极间成为零电压，所以此时如果使IGBTQ1、Q2开通就成为零电压开关。

这样，在实施例4的AC-DC转换器30中，能够在AC-DC变换和DC-AC变换这双方动作中进行零电压开关。

另外，在此实施例4的AC-DC转换器30中，通过利用包含多个开关元件的开关模块，能够使电路小型化。

另外，若应用实施例4的AC-DC转换器30，就能够提高太阳光发电系统及UPS的效率。

实施例5

图10是采用了本发明的AC-DC转换器10的、插入式混合动力电动汽车的电源系统的概要结构图。在动力用蓄电池103上所连接的DC-DC转换器102和交流电源101之间连接着AC-DC转换器10。此外，AC-DC转换器10及DC-DC转换器102有时候被搭载于车辆有时候被设置于地上。

根据此实施例，通过采用根据本发明的AC-DC转换器10，能够实现变换效率的提高和电源电路的小型化，并能够实现二氧化碳排出量的削减、电源装置的成本削减以及运行成本的降低。

实施例6

图11是采用了本发明的AC-DC转换器10的、信息存储装置的电源装置的概略结构图。在控制器106、硬盘107、存储器108上所连接的DC-DC转换器105和交流电源104之间连接着AC-DC转换器10。用AC-DC转换器10将交流电力变换成直流电力，用DC-DC转换器105变换成控制器106、硬盘107、存储器108所需要的电压，并供给电力。

根据本实施例6，通过采用根据本发明的AC-DC转换器10，能够实现变换效率的提高和电源电路的小型化，并能够实现二氧化碳排出量的削减、电源装置的成本削减以及消耗电力的削减。

以上，作为开关元件的一例使用MOSFET及IGBT而进行了说明，但不言而喻还可以使用其他的元件。另外，如果作为二极管及开关元件使用SiC器件，则在需要大功率的AC-DC转换器及在高温下动作的AC-DC转换器上亦能够应用本发明，并能够同样地使效率得以提高。

Claims

1.一种AC-DC转换器，具备：

转换器的主开关电路，使两组上下支路进行并联连接而形成，其中所述两组上下支路各自将整流元件与主开关元件串联连接起来；

缓冲电容器，分别并联连接在各个所述主开关元件上；

二极管和／或体二极管，分别反并联连接在各个所述主开关元件上；

交流电源，经由平滑用电抗器连接在作为所述转换器的交流端子的两组所述上下支路的串联连接点之间；以及

平滑用电容器和直流负载，分别并联连接在作为所述转换器的直流端子的所述主开关电路的两端之间，

所述AC-DC转换器的特征在于，还具备：

谐振用电抗器，被插入在所述主开关电路的所述两端中的一端和所述平滑用电容器的一端之间；

辅助开关元件和谐振用电容器的串联连接体，被连接到所述谐振用电抗器的一端；

辅助电路，包含所述辅助开关元件、所述谐振用电抗器和所述谐振用电容器，连接在所述主开关电路的两端与所述平滑用电容器之间；以及

控制部件，使各个所述主开关元件和所述辅助开关元件进行接通断开。

2.一种AC-DC转换器，具备：

第1主开关元件、第2主开关元件；第1整流元件、第2整流元件；

将所述第1整流元件和所述第1主开关元件串联连接起来的第1上下支路；

将所述第2整流元件和所述第2主开关元件串联连接起来的第2上下支路；

将所述第1上下支路、第2上下支路并联连接起来的主开关电路；

连接在所述第1上下支路、第2上下支路的各主开关元件和整流元件的串联连接点与交流电源之间的平滑用电抗器；

连接在作为所述转换器的直流端子的所述主开关电路的两端之间且并联连接在直流负载上的平滑用电容器；

分别并联连接在各个所述主开关元件上的缓冲电容器；

分别反并联连接在各个所述主开关元件上的二极管和／或体二极管，

其中，该AC-DC转换器将所述交流电源的能量供给至所述直流负载，

所述AC-DC转换器的特征在于，还具备：

控制部件，使所述第1主开关元件、第2主开关元件和所述辅助开关元件进行接通断开。

3.按照权利要求1或者2所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述辅助电路具备：

所述辅助开关元件和所述谐振用电容器的串联连接体，被连接在所述主开关电路的所述两端中的一端和所述谐振用电抗器的连接点与所述主开关电路的所述两端中的另一端之间；

缓冲电容器，被并联连接在所述辅助开关元件上；以及

二极管和／或体二极管，被反并联连接在所述辅助开关元件上。

4.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件构成为，将所述交流电源的能量积蓄在所述平滑用电抗器中，将所述平滑用电抗器释放出的能量积蓄在所述谐振用电容器中，将所述谐振用电容器释放出的能量经由所述辅助开关元件积蓄在所述谐振用电抗器中，利用所述谐振用电抗器中所积蓄的能量，在所述主开关元件接通以前，将被并联连接在主开关元件上的所述缓冲电容器中所蓄积的电荷拉拢过来。

5.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件构成为，在所述交流电源的半周期内，在将一个所述主开关元件固定于接通的状态下，将另一个所述主开关元件和所述辅助开关元件隔着均断开的期间交替地进行接通／断开。

6.按照权利要求1或者2所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件构成为，使各个所述主开关元件同步进行接通／断开，并且使它们中的一方和所述辅助开关元件隔着均断开的期间交替地进行接通／断开。

7.按照权利要求1或者2所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件反复进行如下开关动作，即从各个所述主开关元件为接通的状态且所述辅助开关元件为断开的状态开始，首先在各个所述主开关元件为接通状态时，将所述辅助开关元件开通，接着在所述辅助开关元件为接通状态时将各个所述主开关元件关断，接着在各个所述主开关元件为断开状态时，将所述辅助开关元件关断，最后在辅助开关元件为断开状态时将各个所述主开关元件开通，并返回到各个所述主开关元件为接通的状态且所述辅助开关元件为断开的状态。

8.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于，

还具备：检测所述平滑用电容器的电压的第1电压传感器和检测流向所述平滑用电抗器的输入电流的电流传感器，

所述控制部件具备对各个所述主开关元件和所述辅助开关元件的接通期间与断开期间的比例进行控制的PWM控制、和将所述输入电流控制成正弦波状的功率因数改善控制。

9.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件使各个所述主开关元件和所述辅助开关元件的开关频率，在所述交流电源的电压下降了的情况下降低，在所述交流电源的电压增加了的情况下提高。

10.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于：

所述控制部件使各个所述主开关元件和所述辅助开关元件的开关频率在流入到所述平滑用电抗器的输入电流增加了的情况下降低，在所述输入电流下降了的情况下提高。

11.一种AC-DC转换器，具备：

转换器的主开关电路，使三组上下支路进行并联连接而形成，其中所述三组上下支路各自将整流元件与主开关元件串联连接起来；

缓冲电容器，分别并联连接在各个所述主开关元件上；

交流电源，经由平滑用电抗器连接在作为所述转换器的交流端子的三组所述上下支路内的串联连接点之间；以及

所述AC-DC转换器的特征在于，还具备：

12.按照权利要求11所记载的AC-DC转换器，其特征在于，构成为：

将所述交流电源的能量积蓄在所述平滑用电抗器中，将所述平滑用电抗器释放出的能量积蓄在所述谐振用电容器中，将所述谐振用电容器释放出的能量经由所述辅助开关元件积蓄在所述谐振用电抗器中，利用所述谐振用电抗器中所积蓄的能量，在所述主开关元件即将接通之前，将被并联连接在所述主开关元件上的所述缓冲电容器中所蓄积的电荷拉拢过来。

13.按照权利要求1所记载的AC-DC转换器，其特征在于，构成为：

将所述整流元件变更为开关元件，与所述平滑用电容器并联地连接直流电源，双方向地进行电力变换。