CN103124138A - 电源装置及电源装置的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具备小型且低成本的电流型全桥逆变器的电源装置及电源装置的控制方法。电源装置(10)被连接在直流电源(V1、V2)之间，授受电力。电源装置(10)将电流型全桥逆变器的第1上臂开关元件(S1)的关断时刻设定得比另一个开关支路的第2下臂开关元件(S4)的关断时刻还早，从而缩短了接通状态的时间。而且，电源装置(10)将第2上臂开关元件(S3)的关断时刻设定得比另一个开关支路的第1下臂开关元件(S2)的关断时刻还早，从而缩短了接通状态的时间。由此，电源装置(10)能够经由一个脉冲变压器(PT1)来控制第1上臂开关元件(S1)和第2上臂开关元件(S3)的接通断开状态。
Description
技术领域
本发明涉及将直流电源的电力供给至负载等的电源装置及电源装置的控制方法。
背景技术
近年来，随着环保意识的提高，并且由于电力需求的紧迫性，具备蓄电池、太阳能电池、燃料电池等直流电源的系统的重要性变高。在这些系统中，有时具备从直流电源向负载供电的电源装置，有时构成为作为该负载连接蓄电池并对该蓄电池进行充电。
在非专利文献1中记载了通过用变压器来连接电流型全桥逆变器电路和电压型全桥逆变器电路从而能够双向地供电的电源装置。
非专利文献1：K.Wang，C.Y.Lin，L.Zhu，D.Qu，F.C.Lee and J.S.Lai、”Bi-directional DC to DC Converters for Fuel Cell Systems”、IEEEpower electronics in transportation、22-23 Oct 1998、pp.47-51
一般地，在全桥逆变器电路中，为了操作上臂开关元件的接通断开状态，需要由电源装置的控制单元生成被绝缘的驱动脉冲并供给至上臂开关元件。在非专利文献1所记载的现有的电源装置中，在从与电流型逆变器连接的直流电源向与电压型逆变器连接的直流负载供电的情况下，构成电流型逆变器的电桥的一个支路(leg)的上臂开关元件的接通断开状态和另一个支路的下臂开关元件的接通断开状态为同样。为此，为了操作构成电流型逆变器的电桥的2个上臂开关元件的接通断开状态，控制单元需要生成分别被绝缘的驱动脉冲。由此，需要具有与开关元件的数量相同数量的光电耦合器或脉冲变压器，从而成为了妨碍电源装置的小型化、低成本化的主要原因。
发明内容
因此，本发明的课题在于提供一种具备可低成本且小型化的具备全桥逆变器的电源装置。
为了解决上述技术问题并达成本发明的目的，采用如下构成。
即、在本发明的技术方案1所记载的发明中，电源装置具备：第1开关电路，在第1直流端子间串联连接了平滑电感器和第1平滑电容器；和控制单元，对所述第1开关电路所具备的开关元件的接通断开状态进行控制，该电源装置的特征在于，在所述第1开关电路的所述第1直流端子间还并联连接了第1开关支路和第2开关支路，其中所述第1开关支路串联连接了第1上臂开关元件和第1下臂开关元件，所述第2开关支路串联连接了第2上臂开关元件和第2下臂开关元件，将所述第1上臂开关元件和所述第1下臂开关元件的串联连接点、与所述第2上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的串联连接点设为第1交流端子间，在所述第1交流端子间连接了交流负载，所述控制单元在保持所述第1上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的接通状态、与所述第2上臂开关元件的断开状态不变的情况下，执行使所述第1下臂开关元件关断的第1切换处理。
在用于实施发明的方式中，说明其他技术方案。
发明效果
根据本发明，能够使具备全桥逆变器的电源装置低成本化、小型化。
附图说明
图1是表示第1实施方式中的电源装置的概略构成图。
图2是表示第1实施方式中的脉冲变压器的概略构成图。
图3是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其1)的图。
图4是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其2)的图。
图5是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其3)的图。
图6是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其4)的图。
图7是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其5)的图。
图8是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作的图。
图9是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其1)的图。
图10是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其2)的图。
图11是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其3)的图。
图12是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其4)的图。
图13是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其5)的图。
图14是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作的图。
图15是表示第2实施方式中的开关元件控制电路的概略构成图。
符号说明：
10 电源装置
11 开关电路(第1开关电路)
12 电压箝位电路
13 光电耦合器(绝缘单元)
14 直流负载
15 开关电路(第2开关电路)
16 直流负载
20 控制单元
30 初级驱动线圈
31、32 次级驱动线圈
33 磁性体芯
40 关断延迟电路(第1关断延迟电路)
41 关断延迟电路(第2关断延迟电路)
C1 平滑电容器(第1平滑电容器)
S1 开关元件(第1上臂开关元件)
S2 开关元件(第1下臂开关元件)
S3 开关元件(第2上臂开关元件)
S4 开关元件(第2下臂开关元件)
N1 线圈(初级线圈)
N2 线圈(次级线圈)
H1 开关元件(第3上臂开关元件)
H2 开关元件(第3下臂开关元件)
H3 开关元件(第4上臂开关元件)
H4 开关元件(第4下臂开关元件)
C2 平滑电容器(第2平滑电容器)
V1 直流电源(第1直流电源)
V2 直流电源(第2直流电源)
Nd1、Nd2 节点(第1交流端子间)
Nd5、Nd6 节点(第1直流端子间)
Nd7、Nd8 节点(第2交流端子间)
Nd3、Nd4 节点(第2直流端子间)
PT1 脉冲变压器(第1脉冲变压器)
PT2 脉冲变压器(第2脉冲变压器)
PT3 脉冲变压器(第3脉冲变压器)
L1 平滑电感器
Cr 谐振电容器
Lr 谐振电感器
T1 变压器(主变压器)
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明用于实施本发明的方式。
(第1实施方式的构成)
图1是表示第1实施方式中的电源装置的概略构成图。
电源装置10被连接在连接有直流负载14的直流电源V1与连接有直流负载16的直流电源V2之间，并在直流电源V1与直流电源V2之间授受电力。
第1实施方式中的电源装置10可以切换地执行从直流电源V1向直流电源V2以及直流负载16供电的处理、和从直流电源V2向直流电源V1以及直流负载14供电的处理。
例如，直流电源V2为蓄电池(12V)，直流负载16为由蓄电池的12V直流直接驱动的便携终端。直流负载14为计算机，直流电源V1为与商用电源连接的AC适配器。
第1实施方式中的电源装置10可以切换地执行从与商用电源连接的AC适配器(直流电源V1)向蓄电池(直流电源V2)以及便携终端(直流负载16)供电的动作、和从蓄电池(直流电源V2)向计算机(直流负载14)供电的动作。
电源装置10具备：开关电路11、15；电压箝位电路12；对这些电路所具备的开关元件S0～S4、开关元件H1～H4的接通断开状态进行控制的控制单元20；脉冲变压器PT1(第1脉冲变压器)；脉冲变压器PT2(第2脉冲变压器)；脉冲变压器PT3(第3脉冲变压器)；和光电耦合器13。
(开关电路11的构成)
在开关电路11的直流端子间、即节点Nd5与节点Nd6之间(第1直流端子间)，串联连接了平滑电感器L1和平滑电容器C1(第1平滑电容器)。平滑电容器C1并联连接了直流电源V1(第1直流电源)和直流负载14。
开关电路11具备开关元件S1～S4、二极管DS1～DS4。开关元件S1～S4以全桥方式连接。开关元件S1～S4以反向并联的方式连接了二极管DS1～DS4。
开关电路11具有：第1开关支路，其以节点Nd1串联连接了开关元件S1(第1上臂开关元件)和开关元件S2(第1下臂开关元件)；和第2开关支路，其以节点Nd2串联连接了开关元件S3(第2上臂开关元件)和开关元件S4(第2下臂开关元件)。在开关电路11的直流端子间、即节点Nd5与节点Nd6之间，并联连接了第1开关支路和第2开关支路。
开关电路11将作为开关元件S1和开关元件S2的串联连接点的节点Nd1与作为开关元件S3和开关元件S4的串联连接点的节点Nd2设为开关电路11的交流端子间(第1交流端子间)。
在开关电路11(第1开关电路)的交流端子间、即节点Nd1与节点Nd2之间(第1交流端子间)，连接了线圈N1。
开关电路11从与平滑电容器C1并联连接的直流电源V1向被连接在节点Nd1与节点Nd2之间(第1交流端子间)的线圈N1(交流负载且初级线圈)供电。
(电压箝位电路12的构成)
电压箝位电路12串联连接了箝位开关元件S0和箝位电容器Cc。开关元件S0以反向并联的方式连接了二极管DS0。该电压箝位电路12被连接在开关电路11的直流端子间，用于抑制该直流端子间的浪涌电压。
(开关电路15的构成)
在开关电路15的直流端子间、即节点Nd7与节点Nd8之间(第2直流端子间)，连接了平滑电容器C2(第2平滑电容器)。平滑电容器C2并联连接了直流电源V2(第2直流电源)和直流负载16。
如上所述，开关电路15具备开关元件H1～H4、二极管DH1～DH4。开关元件H1～H4以全桥方式连接。开关元件H1～H4以反向并联的方式连接了二极管DH1～DH4。
开关电路15具有：第3开关支路，其串联连接了开关元件H1(第3上臂开关元件)和开关元件H2(第3下臂开关元件)；和第4开关支路，其串联连接了开关元件H3(第4上臂开关元件)和开关元件H4(第4下臂开关元件)。在开关电路15的节点Nd7与节点Nd8之间(第2直流端子间)，并联连接了第3开关支路和第4开关支路。
开关电路15将作为开关元件H1和开关元件H2的串联连接点的节点Nd3与作为开关元件H3和开关元件H4的串联连接点的节点Nd4设为开关电路15的交流端子间(第2交流端子间)。
在开关电路15的节点Nd3与节点Nd4之间(第2交流端子间)，串联连接了谐振电容器Cr、谐振电感器Lr和线圈N2。变压器T1(主变压器)将线圈N1(交流负载且初级线圈)和线圈N2(次级线圈)进行了磁耦合。
开关电路15(第2开关电路)将从被连接在开关电路15的节点Nd3与节点Nd4之间(第2交流端子间)的线圈N2输入的电力，供给至被连接在开关电路15的节点Nd7与节点Nd8之间(第2直流端子间)的直流负载16。
这样，第1实施方式的电源装置10构成为：作为连接了电压箝位电路12的电流型全桥逆变器的开关电路11以及平滑电感器L1、和作为电压型全桥逆变器的开关电路15以及平滑电容器C2，由变压器T1进行连接。
开关电路11与电压箝位电路12和平滑电感器L1连接，且由开关元件S1～S4构成，其中电压箝位电路12由开关元件S0和箝位电容器Cc构成。
开关电路15由开关元件H1～H4构成。
控制单元20经由光电耦合器13或脉冲变压器PT1～PT3等绝缘单元，控制开关元件S0～S4和开关元件H1～H4的接通断开状态。控制单元20经由光电耦合器13而与电压箝位电路12的箝位开关元件S0连接。另外，控制单元20经由脉冲变压器PT1而与开关电路11的开关元件S1、S3连接。此外，控制单元20经由未图示的光电耦合器等绝缘单元而与开关元件S2、S4连接。
而且，控制单元20经由脉冲变压器PT2而与开关电路15的第3开关支路的开关元件H1、H2连接。控制单元20经由脉冲变压器PT3而与第4开关支路的开关元件H3、H4连接。即、在本实施方式中，控制单元20和开关电路11以及开关电路15被电绝缘。但是，并不限定于此，控制单元20与开关电路11以及开关电路15也可以并不电绝缘。
图2(a)～(c)是表示第1实施方式中的脉冲变压器的概略构成图。
图2(a)是表示脉冲变压器PT1的概略构成的图。
脉冲变压器PT1具有初级驱动线圈30、次级驱动线圈31、32、和磁性体芯33。初级驱动线圈30和次级驱动线圈31、32经由磁性体芯33进行磁耦合。初级驱动线圈30与控制单元20连接，并在该两端间施加输出信号的电压。次级驱动线圈31、32分别与开关元件S1、S3的控制端子连接。
图2(b)是示出了脉冲变压器PT1的次级驱动线圈31的输出信号的例子的图。次级驱动线圈31的输出信号被输出至开关元件S1的控制端子。
图2(c)是示出了脉冲变压器PT1的次级驱动线圈32的输出信号的例子的图。次级驱动线圈32的输出信号被输出至开关元件S3的控制端子。图2(b)、(c)的横轴都表示时间t，纵轴都表示输出信号。其中，输出信号例如在为H电平时是+5V的信号，在为L电平时是-5V的信号。
在图2(b)所示的次级驱动线圈31的输出信号输出了H电平时，图2(c)所示的次级驱动线圈32的输出信号输出了L电平。在次级驱动线圈31的输出信号输出了L电平时，次级驱动线圈32的输出信号输出了H电平。即、次级驱动线圈31的输出信号和次级驱动线圈32的输出信号以互补的方式重复H电平和L电平。即、次级驱动线圈31(第1次级驱动线圈)的输出信号和次级驱动线圈32(第2次级驱动线圈)的输出信号成为互补的驱动脉冲。
由此，脉冲变压器PT1向开关元件S1和开关元件S3输出互补地进行接通断开的信号。
控制单元20向初级驱动线圈30施加电压，以使次级驱动线圈31、32产生电压，从而向与次级驱动线圈31、32连接的开关元件S1、S3供给互补的驱动脉冲，使开关元件S1、S3互补地进行接通断开。
脉冲变压器PT2同样地，将一根初级驱动线圈、第3次级驱动线圈和第4次级驱动线圈进行磁耦合。第3次级驱动线圈的输出信号对开关元件H1(第3上臂开关元件)的接通断开状态进行操作。第4次级驱动线圈的输出信号对开关元件H2(第3下臂开关元件)的接通断开状态进行操作。此时，第3次级驱动线圈的输出信号和第4次级驱动线圈的输出信号成为互补的驱动脉冲，使开关元件H1、H2互补地进行接通断开。
脉冲变压器PT3同样地，将一根初级驱动线圈、第5次级驱动线圈和第6次级驱动线圈进行磁耦合。第5次级驱动线圈的输出信号对开关元件H3(第4上臂开关元件)的接通断开状态进行操作。第6次级驱动线圈的输出信号对开关元件H4(第4下臂开关元件)的接通断开状态进行操作。此时，第5次级驱动线圈的输出信号和第6次级驱动线圈的输出信号成为互补的驱动脉冲，使开关元件H3、H4互补地进行接通断开。
(从直流电源V1向直流电源V2的供电动作)
以下，利用图3～图8来说明开关电路11和开关电路15从直流电源V1向直流电源V2以及/或者直流负载16(图1)供电的动作。在以下的说明中，有时省略直流电源V2以及/或者直流负载16(图1)而记载为直流电源V2。该供电动作示出最理想的情形。第1实施方式的电源装置10所引起的限制事项在后面叙述。
此外，以下有时将接通状态的开关元件的两端的电压、或与二极管的正向电压降相同程度或其以下的电压记载为“零电压”。另外，在开关元件的两端的电压为零电压时，以下有时将使该开关元件接通(turn on)的情形记载为“零电压开关”。在该零电压开关中存在抑制开关损耗(电力损耗)的效果。
图3(a)、(b)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其1)的图。
图3(a)是表示供电动作的模式a的图。
在模式a下，开关元件H1、H3为接通状态，在谐振电感器Lr中流动的电流流向谐振电容器Cr、二极管DH1、开关元件H3、线圈N2。另外，开关元件S1、S2、S4为接通状态，向平滑电感器L1施加直流电源V1的电压。在平滑电感器L1中流动的电流逐渐增加。在线圈N1中流动着电流。在平滑电感器L1中流动的电流在流经了开关元件S1之后，分流至开关元件S2和开关元件S4。
图3(b)是表示供电动作的模式b(第1切换处理)的图。
若控制单元20使开关元件S2关断，则基于蓄积至平滑电感器L1的能量，使得节点Nd5、Nd6之间的电压上升。由于节点Nd5、Nd6之间的电压上升，流经开关元件S2的电流换向为二极管DS0，从而对箝位电容器Cc进行充电。此时，因为开关元件S0的两端变为零电压，所以控制单元20使开关元件S0接通(零电压开关)。向线圈N1施加箝位电容器Cc的电压，在与该线圈N1磁耦合的线圈N2处产生电压。在该线圈N2处产生的电压被施加至谐振电感器Lr。由此，在谐振电感器Lr中流动的电流增加了。另一方面，在平滑电感器L1中流动的电流逐渐减少。
控制单元20在保持开关元件S1和开关元件S4的接通状态、和开关元件S3的断开状态不变的情况下使开关元件S2关断的处理为第1切换处理。
图4(c)、(d)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其2)的图。
图4(c)是表示供电动作的模式c的图。
若控制单元20使开关元件H3关断，则流经开关元件H3的电流通过二极管DH4、线圈N2、谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、和二极管DH1而流向直流电源V2。利用在该直流电源V2中流动的电流，向直流电源V2供给能量。此时，控制单元20使开关元件H4接通(零电压开关)。伴随着在谐振电感器Lr中流动的电流的增加，箝位电容器Cc的充电电流逐渐减少，不久便转为放电。
图4(d)是表示供电动作的模式d的图。
若控制单元20使开关元件S0关断，则因为不会从箝位电容器Cc向节点Nd5供给电流，所以节点Nd5、Nd6之间的电压会下降。流经开关元件S0的电流换向为二极管DS2、DS3。此时，控制单元20使开关元件S2、S3接通(零电压开关)。因为不会向线圈N1施加箝位电容器Cc的电压，所以在与该线圈N1磁耦合的线圈N2处不会产生电压。由此，向谐振电感器Lr施加节点Nd7、Nd8之间的电压。因而，在谐振电感器Lr中流动的电流减少了。另外，与模式a同样地，直流电源V1的能量蓄积至平滑电感器L1中。而且，控制单元20在该模式d下预先使开关元件H1关断。
图5(e)、(f)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其3)的图。
图5(e)是表示供电动作的模式e(第2切换处理)的图。
若在谐振电感器Lr中流动的电流进一步减少并达到零，则在二极管DH1中流动反向恢复电流，在谐振电感器Lr中流动与在模式d下流动的电流相反流向的电流。与之相伴，在线圈N2中流动的电流的流向反转，在与该线圈N2磁耦合的线圈N1中流动的电流的流向也反转。若控制单元20使开关元件S1关断，则在平滑电感器L1中流动的电流在流至开关元件S3之后，分流至开关元件S2和开关元件S4。
控制单元20在保持开关元件S4的接通状态不变的情况下使开关元件S2、S3接通且使开关元件S1关断的处理为第2切换处理。
图5(f)是表示供电动作的模式f的图。该模式f为模式a的对称动作。
若二极管DH1反向恢复，则由于该二极管DH1的反向恢复电流所蓄积的在谐振电感器Lr中流动的电流，流经线圈N2、开关元件H4、二极管DH2、和谐振电容器Cr。此时，控制单元20使开关元件H2接通(零电压开关)。在模式f下，在谐振电容器Cr中蓄积电荷，使在谐振电感器Lr中流动的电流增加的方向上产生电压。由此，在谐振电感器Lr中流动的电流逐渐增加。
图6(g)、(h)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其4)的图。
图6(g)是表示供电动作的模式g的图。该模式g为模式b的对称动作。
若控制单元20使开关元件S4关断，则基于蓄积至平滑电感器L1中的能量，使得节点Nd5、Nd6之间的电压上升。由于节点Nd5、Nd6之间的电压上升，流经开关元件S4的电流换向为二极管DS0，从而对箝位电容器Cc进行充电。此时，因为开关元件S0的两端变为零电压，所以控制单元20使开关元件S0接通(零电压开关)。向线圈N1施加箝位电容器Cc的电压，在与该线圈N1磁耦合的线圈N2处产生电压。在该线圈N2处产生的电压被施加至谐振电感器Lr。由此，在谐振电感器Lr中流动的电流增加了。另一方面，在平滑电感器L1中流动的电流逐渐减少。
图6(h)是表示供电动作的模式h的图。该模式h是模式c的对称动作。
若控制单元20使开关元件H4关断，则流经开关元件H4的电流通过二极管DH2、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr、线圈N2、和二极管DH3而流向直流电源V2。利用在该直流电源V2中流动的电流，向直流电源V2供给能量。此时，控制单元20使开关元件H3接通(零电压开关)。伴随着在谐振电感器Lr中流动的电流的增加，对箝位电容器Cc进行充电的电流逐渐减少，不久便转为放电。
图7(i)、(j)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作(其5)的图。
图7(i)是表示供电动作的模式i的图。该模式i是模式d的对称动作。
若控制单元20使开关元件S0关断，则因为不会从箝位电容器Cc向节点Nd5供给电流，所以节点Nd5、Nd6之间的电压会下降。流经开关元件S0的电流换向为二极管DS4、DS1。此时，控制单元20使开关元件S1、S4接通(零电压开关)。因为不会向线圈N1施加箝位电容器Cc的电压，所以在与该线圈N1磁耦合的线圈N2处不会产生电压。由此，向谐振电感器Lr施加节点Nd7、Nd8之间的电压。因而，在谐振电感器Lr中流动的电流减少了。另外，与模式f同样地，直流电源V1的能量被蓄积至平滑电感器L1中。而且，控制单元20在该模式i下预先使开关元件H2关断。
图7(j)是表示供电动作的模式j的图。该模式j是模式e的对称动作。
若在谐振电感器Lr中流动的电流进一步减少并达到零，则在二极管DH2中流动反向恢复电流，在谐振电感器Lr中流动与在模式i下流动的电流相反流向的电流。与之相伴，在线圈N2中流动的电流的流向反转，在与该线圈N2磁耦合的线圈N1中流动的电流的流向也反转。若控制单元20使开关元件S3关断，则在平滑电感器L1中流动的电流在流至开关元件S1之后，分流至开关元件S2和开关元件S4。
该模式j的接下来的动作成为图3(a)所示的模式a的动作，以下反复进行模式a～j的动作。
图8(a)～(i)是表示从直流电源V1向直流电源V2的供电动作的图。纵轴示出接通断开状态。关于该接通断开状态，在为接通状态时在通过原点的横轴上的规定位置处示出，在为断开状态时在通过原点的横轴上示出。横轴示出所有的模式a～j。
图8(a)示出开关元件H1的接通断开状态。开关元件H1通过从模式c向模式d的切换而被关断，通过从模式j向模式a的切换而被接通。
图8(b)示出开关元件H2的接通断开状态。开关元件H2通过从模式e向模式f的切换而被接通，通过从模式h向模式i的切换而被关断。
图8(c)示出开关元件H3的接通断开状态。开关元件H3通过从模式b向模式c的切换而被关断，通过从模式g向模式h的切换而被接通。
图8(d)示出开关元件H4的接通断开状态。开关元件H4通过从模式b向模式c的切换而被接通，通过从模式g向模式h的切换而被关断。
图8(e)示出开关元件S1的接通断开状态。开关元件S1通过从模式d向模式e的切换而被关断，通过从模式h向模式i的切换而被接通。
图8(f)示出开关元件S2的接通断开状态。开关元件S2通过从模式a向模式b的切换而被关断，通过从模式c向模式d的切换而被接通。
图8(g)示出开关元件S3的接通断开状态。开关元件S3通过从模式c向模式d的切换而被接通，通过从模式i向模式j的切换而被关断。
图8(h)示出开关元件S4的接通断开状态。开关元件S4通过从模式f向模式g的切换而被关断，通过从模式h向模式i的切换而被接通。
图8(i)示出开关元件S0的接通断开状态。开关元件S0通过从模式a向模式b的切换而被接通，通过从模式c向模式d的切换而被关断。而且，开关元件S0通过从模式f向模式g的切换而被接通，通过从模式h向模式i的切换而被关断。
控制单元20按上述所示的模式来控制开关元件H1～H4、开关元件S0～S4，由此能够进行从直流电源V1向直流电源V2的供电动作。
(从直流电源V2向直流电源V1的供电动作)
利用以下的图9～图14来说明开关电路11和开关电路15从直流电源V2向直流电源V1以及/或者直流负载14(图1)供给电力的动作。在以下的说明中，有时省略直流电源V1以及/或者直流负载14(图1)而记载为直流电源V1。该供电动作示出最理想的控制方法。第1实施方式的电源装置10所引起的限制事项在后面叙述。
图9(A)、(B)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其1)的图。
图9(A)是表示供电动作的模式A的图。
在模式A下，开关元件H1、H4为接通状态，直流电源V2的电压经由开关元件H1、H4、谐振电容器Cr和谐振电感器Lr而被施加至线圈N2。在与该线圈N2磁耦合的线圈N1处产生的电压经由二极管DS1、DS4、和平滑电感器L1而被施加至直流电源V1，从而向直流电源V1供给能量。而且，在线圈N1处产生的电压经由二极管DS0而被施加至箝位电容器Cc。因而，箝位电容器Cc被充电。此时，控制单元20使开关元件S0接通(零电压控制)。
在第1实施方式中，作为开关元件S1～S4而使用了MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field-Effect Transistor)。由此，若开关元件S1、S4处于接通状态，则电源装置10能够将二极管DS1、DS4的正向地流动的电流分流至开关元件S1、S4。电源装置10能够根据该分流而使得第1开关支路或者第2开关支路的电阻值减少，降低电源装置10的电力损耗(导通损耗)。以后，有时将该动作记载为“同步整流”。
图9(B)是表示供电动作的模式B的图。
箝位电容器Cc的充电电流逐渐减少，不久便变为放电。箝位电容器Cc的放电电流经由平滑电感器L1而被供给至直流电源V1。
图10(C)、(D)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其2)的图。
图10(C)是表示供电动作的模式C(第3切换处理)的图。
若控制单元20使开关元件H4关断，则流过开关元件H4的电流流向二极管DH3、开关元件H1、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr和线圈N2。此时，控制单元20使开关元件H3接通(零电压开关)。另外，若控制单元20使开关元件S0关断，则箝位电容器Cc的放电结束。由此，节点Nd5、Nd6之间的电压下降。流过开关元件S0的电流换向为二极管DS2、DS3。此时，控制单元20使开关元件S2接通来进行同步整流。蓄积至平滑电感器L1的能量被供给至直流电源V1。
控制单元20在保持开关元件S1和开关元件S4的接通状态、和开关元件S3的断开状态不变的情况下使开关元件S2接通的处理为第3切换处理。
图10(D)是表示供电动作的模式D(第4切换处理)的图。
若控制单元20使开关元件H1关断，则流过开关元件H1的电流流经直流电源V2、二极管DH2、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr、线圈N2和二极管DH3。此时，控制单元20使开关元件H2接通(零电压开关)。向谐振电感器Lr施加直流电源V2的电压。由此，在谐振电感器Lr中流动的电流减少了。在本实施方式中，控制单元20进而使开关元件S3接通、使开关元件S1、S4关断。控制单元20需要在接下来的模式E结束之前预先使开关元件S1、S4关断。
控制单元20在保持经由第3切换处理而接通了的开关元件S2的接通状态不变的情况下，使开关元件S1和开关元件S4关断的同时使开关元件S3接通的处理为第4切换处理。
图11(E)、(F)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其3)的图。
图11(E)是表示供电动作的模式E的图。
在谐振电感器Lr中流动的电流达到零之后，以与到目前为止流动的电流相反的流向流动的电流逐渐增加。与之相伴，在线圈N2中流动的电流的流向反转，在与该线圈N2磁耦合的线圈N1中流动的电流的流向反转。在二极管DS1、DS4中流动的电流逐渐减少。
图11(F)是表示供电动作的模式F的图。该模式F是模式A的对称动作。
在二极管DS1、DS4中流动的电流达到零之后，在二极管DS1、DS4中流动反向恢复电流。若二极管DS1、DS4进行反向恢复，则该反向恢复电流换向为二极管DS0。此时，控制单元20使开关元件S0接通(零电压开关)。另外，直流电源V2的电压被施加至线圈N2。若对线圈N2施加了电压，则在与该线圈N2磁耦合的线圈N1处产生了电压。在线圈N1处产生的电压经由二极管DS2、DS3和平滑电感器L1而被施加至直流电源V1，从而向直流电源V1供给能量。而且，在线圈N1处产生的电压经由开关元件S0和二极管DS0而被施加至箝位电容器Cc，从而箝位电容器Cc被充电。
图12(G)、(H)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其4)的图。
图12(G)是表示供电动作的模式G的图。该模式G是模式B的对称动作。
箝位电容器Cc的充电电流逐渐减少，不久便变为放电。箝位电容器Cc的放电电流经由平滑电感器L1而被供给至直流电源V1。
图12(H)是表示供电动作的模式H的图。该模式H是模式C的对称动作。
若控制单元20使开关元件H3关断，则流过开关元件H3的电流流向线圈N2、谐振电感器Lr、谐振电容器Cr、开关元件H2和二极管DH4。此时，控制单元20使开关元件H4接通(零电压开关)。另外，若控制单元20使开关元件S0关断，则箝位电容器Cc的放电结束。由此，节点Nd5、Nd6之间的电压下降。流过开关元件S0的电流换向为二极管DS1、DS4。此时，控制单元20使开关元件S4接通来进行同步整流。蓄积至平滑电感器L1的能量被供给至直流电源V1。
图13(I)、(J)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作(其5)的图。
图13(I)是表示供电动作的模式I的图。该模式I是模式D的对称动作。
若控制单元20使开关元件H2关断，则流过开关元件H2的电流流经直流电源V2、二极管DH1、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr、线圈N2和二极管DH4。此时，控制单元20使开关元件H1接通(零电压开关)。向谐振电感器Lr施加直流电源V2的电压。由此，在谐振电感器Lr中流动的电流减少了。在本实施方式中，控制单元20进而使开关元件S1接通、使开关元件S2、S3关断。控制单元20需要在接下来的模式J结束之前预先使开关元件S2、S3关断。
图13(J)是表示供电动作的模式J的图。该模式J是模式E的对称动作。
在谐振电感器Lr中流动的电流达到零之后，以与到目前为止流动的电流相反的流向流动的电流逐渐增加。与之相伴，在线圈N2中流动的电流的流向反转，在与该线圈N2磁耦合的线圈N1中流动的电流的流向也反转。在二极管DS2、DS3中流动的电流逐渐减少。
图14(a)～(i)是表示从直流电源V2向直流电源V1的供电动作的图。纵轴示出接通断开状态。横轴示出所有的模式A～J。
图14(a)示出开关元件H1的接通断开状态。开关元件H1通过从模式C向模式D的切换而被关断，通过从模式H向模式I的切换而被接通。
图14(b)示出开关元件H2的接通断开状态。开关元件H2通过从模式C向模式D的切换而被接通，通过从模式H向模式I的切换而被关断。
图14(c)示出开关元件H3的接通断开状态。开关元件H3通过从模式B向模式C的切换而被接通，通过从模式G向模式H的切换而被断开。此外，开关元件H3也可通过从模式C向模式D的切换而被接通。
图14(d)示出开关元件H4的接通断开状态。开关元件H4通过从模式B向模式C的切换而被关断，通过从模式G向模式H的切换而被接通。此外，开关元件H4也可通过从模式H向模式I的切换而被接通。
图14(e)示出开关元件S1的接通断开状态。开关元件S1通过从模式C向模式D的切换而被关断，通过从模式H向模式I的切换而被接通。此外，开关元件S1也可通过从模式D向模式E的切换、或者从模式E向模式F的切换而被关断，通过从模式G向模式H的切换而被接通。
图14(f)示出开关元件S2的接通断开状态。开关元件S2通过从模式B向模式C的切换而被接通，通过从模式H向模式I的切换而被关断。此外，开关元件S2也可通过从模式I向模式J的切换、或者从模式J向模式A的切换而被关断。
图14(g)示出开关元件S3的接通断开状态。开关元件S3通过从模式C向模式D的切换而被接通，通过从模式H向模式I的切换而被关断。此外，开关元件S3也可通过从模式B向模式C的切换而被接通，通过从模式I向模式J的切换、或者从模式J向模式A的切换而被关断。
图14(h)示出开关元件S4的接通断开状态。开关元件S4通过从模式C向模式D的切换而被关断，通过从模式G向模式H的切换而被接通。此外，开关元件S4也可通过从模式D向模式E的切换、或者从模式E向模式F的切换而被关断。
图14(i)示出开关元件S0的接通断开状态。开关元件S0通过从模式B向模式C的切换而被关断，通过从模式E向模式F的切换而被接通。而且，开关元件S0通过从模式G向模式H的切换而被关断，通过从模式J向模式A的切换而被接通。
控制单元20按上述所示的模式来控制开关元件H1～H4、开关元件S0～S4，由此能够进行从直流电源V2向直流电源V1的供电动作。
(第1实施方式的动作)
在从直流电源V1向直流电源V2的供电动作中，通过改变从使开关元件S0关断之后到使开关元件S4关断为止、即模式d～f的期间的长度，来调整输出电力的大小。预先使开关元件S1从该模式d的开始到模式f的结束为止关断即可。该关断时刻对输出电力的大小带来的影响小。因此，关于开关元件S1，也可与模式d中的开关元件S3的接通同时进行关断、或者在某时间后进行关断。
同样地，关于开关元件S3，也可与作为模式d的对称期间的模式i中的开关元件S1的接通同时进行关断、或者在某时间后进行关断。
即、开关元件S1和开关元件S3既能确保同时处于接通状态的期间又能以互补地进行接通断开的方式加以控制，可以用一个脉冲变压器PT1来操作双方的开关S1、S3。
(第1实施方式的效果)
在以上说明过的第1实施方式中，存在以下的(A)～(D)这样的效果。
(A)电源装置10通过以规定的模式来控制开关元件S0～S4的接通断开状态、以及开关元件H1～H4的接通断开状态，由此能够切换从直流电源V1向直流电源V2的供电动作、和从直流电源V2向直流电源V1的供电动作。
(B)电源装置10可以用一个脉冲变压器PT1来操作2个开关元件S1、S3的接通断开状态从而简化驱动电路，实现了小型化和低成本化。
(C)电源装置10可以用一个脉冲变压器PT2来操作2个开关元件H1、H2的接通断开状态从而简化驱动电路，实现了小型化和低成本化。
(D)电源装置10可以用一个脉冲变压器PT3来操作2个开关元件H3、H4的接通断开状态从而简化驱动电路，实现了小型化和低成本化。
(第2实施方式的构成)
第2实施方式的电源装置10的特征在于，与图1所示的第1实施方式的电源装置10相比，在从直流电源V2向直流电源V1的供电动作中抑制了电力损耗。
第2实施方式的电源装置10的构成与第1实施方式的电源装置10(图1)不同，在于：在脉冲变压器PT1(图1)与开关元件S1、S3(图1)之间分别连接了关断延迟电路40、41(图15)。除此之外的构成与第1实施方式的电源装置10(图1)相同。
图15是表示第2实施方式中的开关元件控制电路的概略构成图。
第2实施方式中的开关元件控制电路是为了既能确保开关元件S1和开关元件S3同时处于接通状态的期间又能互补地进行接通断开的电路的例子。
第2实施方式中的开关元件控制电路具备：脉冲变压器PT1、关断延迟电路40和关断延迟电路41。
脉冲变压器PT1的一个输出侧经由关断延迟电路40而与开关元件S1的控制端子连接。而且，脉冲变压器PT1的另一个输出侧经由关断延迟电路41而与开关元件S3的控制端子连接。
该关断延迟电路40、41在被输入的信号为使开关元件S1、S3接通的模式之时，无延迟地将被输入的信号模式进行输出。在被输入的信号为使开关元件S1、S3关断的模式之时，在规定的延迟时间之后输出被输入的信号模式。
(第2实施方式的动作)
在从直流电源V2向直流电源V1的供电动作中，通过改变模式C的期间来调整输出电力的大小。在使输出电力最大化的情况下，模式C被省略。
在从直流电源V2向直流电源V1的供电动作中的模式D、E之中，即便开关元件S1和开关元件S3同时处于接通状态，也会变为同步整流，不会产生问题。
在第2实施方式中，若脉冲变压器PT1输出同时地实施开关元件S3的接通和开关元件S1的关断这样的信号，则由于关断延迟电路40而使得开关元件S1的关断时刻变得延迟，所以在开关元件S3接通之后开关元件S1关断。只要预先将开关元件S1和开关元件S3同时处于接通状态的期间的长度设定得比从模式C的开始到模式E的结束为止的期间的长度还短即可。
同样地，若脉冲变压器PT1输出同时地实施开关元件S1的接通和开关元件S3的关断这样的信号，则由于关断延迟电路41而使得开关元件S3的关断时刻变得延迟，所以在开关元件S1接通之后开关元件S2关断。只要预先将开关元件S1和开关元件S3同时处于接通状态的期间的长度设定得比从模式G的开始到模式J的结束为止的期间的长度还短即可。
通过采用这种构成，第2实施方式的控制单元20可以在不增加电力损耗(导通损耗)的情况下控制开关元件S1和开关元件S3双方。
而且，在第2实施方式的电源装置10的谐振电容器Cr中具有去除在线圈N2中流动的电流的直流成分从而减轻变压器T1的偏磁的效果。
(第2实施方式的效果)
在以上说明过的第2实施方式中，存在以下的(E)～(G)这样的效果。
(E)电源装置10用一个脉冲变压器PT1和关断延迟电路40、41来操作2个上臂开关元件S1、S3的接通断开状态。由此，电源装置10能够简化上臂开关元件S1、S3的驱动电路，实现小型化和低成本化。
(F)在开关电路15中设置了谐振电容器Cr。由此，电源装置10能够去除在线圈N2中流动的电流的直流成分从而减轻变压器T1的偏磁。
(G)电源装置10以模式A、C、H等将在二极管DS1、DS4中流动的电流分流至开关元件S1、S4来进行同步整流。由此，电源装置10能够降低电力损耗(导通损耗)。
(变形例)
本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明宗旨的范围内可以实施变更。作为该利用形态或变形例，例如有以下的(a)～(e)。
(a)第1实施方式以及第2实施方式的开关电路15作为全桥电路进行了说明。但是，并不限定于此，开关电路15也可适用能够将在线圈N2处产生的电压进行整流的其他电路方式。
(b)连接在开关电路11的交流端子间的线圈N1也可适用于变更成任意的交流负载并从直流电源V1向该交流负载供给电力的情形。
(c)在作为开关元件S0～S4而使用了MOSFET的情况下，能够利用MOSFET的寄生二极管。由此，开关元件S0～S4也可省略二极管DS0～DS4的连接。
(d)在作为开关元件H1～H4而使用了MOSFET的情况下，能够利用MOSFET的寄生二极管。由此，开关元件H1～H4也可省略二极管DH1～DH4的连接。
(e)第1实施方式的电源装置10只要为对直流电源所供给的电力进行变换的装置即可，例如也可以用于不间断电源装置、住宅用紧急电源等。而且，电源装置10并不限于电源异常时的作为备用电源的目的，也可用于将使用电力平衡化的系统、或者在夜间蓄积电力并用于白天的系统。
Claims (17)
1.一种电源装置，具备：
第1开关电路，在第1直流端子间串联连接了平滑电感器和第1平滑电容器；和
控制单元，对所述第1开关电路所具备的开关元件的接通断开状态进行控制，
该电源装置的特征在于，
在所述第1开关电路的所述第1直流端子间还并联连接了第1开关支路和第2开关支路，其中所述第1开关支路串联连接了第1上臂开关元件和第1下臂开关元件，所述第2开关支路串联连接了第2上臂开关元件和第2下臂开关元件，
将所述第1上臂开关元件和所述第1下臂开关元件的串联连接点、与所述第2上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的串联连接点之间设为第1交流端子间，
在所述第1交流端子间连接了交流负载，
所述控制单元执行在保持所述第1上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的接通状态、与所述第2上臂开关元件的断开状态不变的情况下，使所述第1下臂开关元件关断的第1切换处理。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
所述控制单元在执行了所述第1切换处理之后，执行继续保持所述第2下臂开关元件的接通状态不变的状态下，使所述第1下臂开关元件和所述第2上臂开关元件接通、且使所述第1上臂开关元件关断的第2切换处理。
3.根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，
利用所述第2切换处理使所述第1上臂开关元件变化为断开状态是在所述第2上臂开关元件变化为接通状态之后。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置还具备第1脉冲变压器，该第1脉冲变压器与所述控制单元连接，且将在两端间施加电压的第1初级驱动线圈和第1次级驱动线圈以及第2次级驱动线圈进行磁耦合，
所述第1脉冲变压器利用所述第1次级驱动线圈的输出信号来控制所述第1上臂开关元件的接通断开状态，利用所述第2次级驱动线圈的输出信号来控制所述第2上臂开关元件的接通断开状态，
所述第1次级驱动线圈的输出信号与所述第2次级驱动线圈的输出信号是互补的。
5.根据权利要求4所述的电源装置，其特征在于，
所述第1脉冲变压器的所述第1次级驱动线圈还连接第1关断延迟电路，所述第1关断延迟电路使所述第1次级驱动线圈的输出信号的关断延迟，
所述第2次级驱动线圈还连接第2关断延迟电路，所述第2关断延迟电路使所述第2次级驱动线圈的输出信号的关断延迟。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述第1上臂开关元件、所述第1下臂开关元件、所述第2上臂开关元件和所述第2下臂开关元件分别具备被反向并联连接的二极管。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述第1开关电路具备被连接在所述第1直流端子间的电压箝位电路。
8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，
所述电压箝位电路至少具备被串联连接的开关元件和电容器。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置还具备：
主变压器，将作为初级线圈的所述交流负载和次级线圈进行磁耦合；和
第2开关电路，在第2直流端子间并联连接了直流负载和第2平滑电容器，
在所述第2开关电路的所述第2直流端子间并联连接了第3开关支路和第4开关支路，其中所述第3开关支路串联连接了第3上臂开关元件和第3下臂开关元件，所述第4开关支路串联连接了第4上臂开关元件和第4下臂开关元件，
在所述第3上臂开关元件和所述第3下臂开关元件的串联连接点、与所述第4上臂开关元件和所述第4下臂开关元件的串联连接点之间、即第2交流端子间，连接了所述次级线圈，
所述控制单元还对所述第2开关电路所具备的所述第3上臂开关元件、所述第3下臂开关元件、所述第4上臂开关元件以及所述第4下臂开关元件的接通断开状态进行控制。
10.根据权利要求9所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置具备第2脉冲变压器，该第2脉冲变压器将第2初级驱动线圈、第3次级驱动线圈和第4次级驱动线圈进行磁耦合，该第2初级驱动线圈与所述控制单元连接并在两端间施加电压，该第3次级驱动线圈对所述第3上臂开关元件的接通断开状态进行操作，该第4次级驱动线圈对所述第3下臂开关元件的接通断开状态进行操作，
所述第3次级驱动线圈的输出信号和所述第4次级驱动线圈的输出信号是互补的。
11.根据权利要求9所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置具备第3脉冲变压器，该第3脉冲变压器将第3初级驱动线圈、第5次级驱动线圈和第6次级驱动线圈进行磁耦合，该第3初级驱动线圈与所述控制单元连接，且在两端间施加电压，该第5次级驱动线圈对所述第4上臂开关元件的接通断开状态进行操作，该第6次级驱动线圈对所述第4下臂开关元件的接通断开状态进行操作，
所述第5次级驱动线圈的输出信号和所述第6次级驱动线圈的输出信号是互补的。
12.根据权利要求9至11任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述第3上臂开关元件、所述第3下臂开关元件、所述第4上臂开关元件和所述第4下臂开关元件分别具备被反向并联连接的二极管。
13.根据权利要求9至11任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置能够切换地执行：
从被连接在所述第2直流端子间的电源向被连接在所述第1直流端子间的负载供电的处理；和
从被连接在所述第1直流端子间的电源向被连接在所述第2直流端子间的负载供电的处理。
14.根据权利要求9至13任意一项所述的电源装置，其特征在于，
所述电源装置具备与所述初级线圈以及/或者所述次级线圈进行串联连接的谐振电容器以及/或者谐振电感器。
15.一种电源装置，具备：
第1开关电路，在交流端子间连接了初级线圈、且在直流端子间串联连接了平滑电感器和平滑电容器；
第2开关电路，将直流电源的电压变换为交流并施加给次级线圈；
变压器，将所述初级线圈和所述次级线圈进行磁耦合；和
控制单元，对所述第1开关电路、第2开关电路所具备的开关元件的接通断开状态进行控制，
从所述直流电源向与所述平滑电容器并联连接的直流负载供电，
该电源装置的特征在于，
所述第1开关电路具备第1开关支路和第2开关支路，其中所述第1开关支路串联连接了第1上臂开关元件和第1下臂开关元件，所述第2开关支路串联连接了第2上臂开关元件和第2下臂开关元件、且与所述第1开关支路并联连接，
将所述第1开关支路的两端间设为直流端子间，将所述第1上臂开关元件和所述第1下臂开关元件的串联连接点、与所述第2上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的串联连接点之间设为交流端子间，
所述控制单元执行在保持所述第1上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的接通状态、与所述第2上臂开关元件的断开状态不变的情况下，使所述第1下臂开关元件接通的第3切换处理。
16.根据权利要求15所述的电源装置，其特征在于，
所述控制单元执行在保持利用所述第3切换处理而接通的所述第1下臂开关元件的接通状态不变的情况下，使所述第1上臂开关元件和所述第2下臂开关元件关断的同时使所述第2上臂开关元件接通的第4切换处理。
17.一种电源装置的控制方法，所述电源装置具备：
第1开关电路，在第1直流端子间串联连接了平滑电感器和第1平滑电容器；和
控制单元，对所述第1开关电路所具备的开关元件的接通断开状态进行控制，
在所述第1开关电路的所述第1直流端子间还并联连接了第1开关支路和第2开关支路，其中所述第1开关支路串联连接了第1上臂开关元件和第1下臂开关元件，所述第2开关支路串联连接了第2上臂开关元件和第2下臂开关元件，
将所述第1上臂开关元件和所述第1下臂开关元件的串联连接点、与所述第2上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的串联连接点之间设为第1交流端子间，
在所述第1交流端子间连接了交流负载，
所述电源装置的控制方法的特征在于，
所述控制单元执行在保持所述第1上臂开关元件和所述第2下臂开关元件的接通状态、与所述第2上臂开关元件的断开状态不变的情况下，使所述第1下臂开关元件关断的第1切换处理。
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