CN103688457A - 全桥电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供抑制全桥电路进行动作时发生的纹波电流和共模噪声的全桥电力变换装置。控制部(30)对每个开关元件生成控制开关元件(11～14)的导通／截止动作的控制信号，使开关元件(11)和开关元件(12)交替导通／截止，并且使开关元件(13)和开关元件(14)交替导通／截止，从全桥电路(10)输出供给负载(3)的供给电流，在不输出供给电流期间，将开关元件(11)及开关元件(13)都设为导通状态，使电感器(16、17)积蓄的能量释放而流过惯性电流，滤波器电容器(19、20)吸收在连接电感器(16、17)和输出电容器(18)的输出线所产生的共模噪声分量的电荷。

Description

全桥电力变换装置
技术领域
本发明涉及对直流电力进行变换输出的全桥电力变换装置。
背景技术
在用全桥电路进行电力变换时，有时该全桥电路的输入点与绝缘电源连接，而且上述的全桥电路的输出点与负载等连接，在这些输入点以及输出点不接地而电位漂浮的状态下（例如如马达的驱动等那样）进行动作。将这种情况称为浮置（floating）的动作。
图5是表示在以往的浮置中使用的全桥电力变换装置的连接的说明图。在该图中，全桥电力变换装置101的输入侧与绝缘电源102连接，输出侧与负载103连接。另外，在全桥电力变换装置101的2个输入端子间连接了输入电容器111。
全桥电路110具备4个开关元件S1～S4。开关元件S1和开关S2串联连接，另外，开关元件S3和开关元件S4串联连接。
绝缘电源102是输出直流电力的电源装置，电力的输出端子成为绝缘输出，在该输出端子和地之间连接了Y电容器Cy。
开关元件S1和开关元件S3的连接点与该全桥电力变换装置101的一个输入端子连接。
开关元件S2和开关元件S4的连接点与全桥电力变换装置101的另一个输入端子连接。
另外，开关元件S1和开关元件S2的连接点与电感器112的一端连接，开关元件S3和开关元件S4的连接点与电感器113的一端连接。
在电感器112的另一端和电感器113的另一端之间连接了输出电容器114，在该输出电容器114的两端连接了全桥电力变换装置101的输出端子。
全桥电路110的各开关元件S1～S4由省略图示的控制部控制开关动作，以开关元件S1、S4成为导通（ON）状态时开关元件S2、S3成为截止（OFF）状态、并且开关元件S2、S3成为导通状态时开关元件S1、S4成为截止状态的方式，进行动作。
从绝缘电源102供给直流电压时，全桥电力变换装置101在电位漂浮的浮置状态下向负载103输出电力。此时，全桥电路110的各开关元件反复进行导通/截止动作，通过该开关动作，可控制向负载103输出的电压电流的值、极性。
另外，在共模中进行电力变换时，例如如专利文献1所公开的那样，有时将从桥式电路输出的电力经由在一次绕组和二次绕组之间绝缘的变压器向负载等输出。通过这样经由变压器等，可以进行减少由桥式电路等发生的共模噪声而输出电力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-050134号公报
发明内容
采用以往的全桥电路的电力变换装置如前述那样构成，以成为2电平输出的方式使各开关元件进行动作。由于该开关动作，在输入输出电流中发生纹波分量，为了吸收该纹波电流，需要具备具有相当的纹波耐量的平滑电容器。
特别是在输入侧，发生具有与直流的输出电流相同的有效值的非常大的纹波电流，因此，电容器的并联数增大，存在装置大型化、成本也增加的问题。
为了解决上述的问题，有使全桥电路以共模方式进行动作的技术，但是在这样进行动作时，发生大的共模噪声，因此，需要提高输入侧连接的绝缘电源的绝缘性能，将Y电容器等设为高阻抗。但是，设为高阻抗时，反而助长了在绝缘电源的内部发生的噪声，不是现实的解决手段。结果，应对大的纹波电流时，在浮置状态下使用输出电力成为唯一的有效方法，存在无法与地连接的问题。
本发明为了解决上述问题而提出，目的在于提供一种抑制在全桥电路进行动作时发生的纹波电流和共模噪声的全桥电力变换装置。
本发明的全桥电力变换装置，其特征在于，具备：全桥电路，是将第1开关元件的一端和第2开关元件的一端串联连接，将第3开关元件的一端和第4开关元件的一端串联连接，并将串联连接的上述第1开关元件及第2开关元件和串联连接的上述第3开关元件及第4开关元件并联连接而成；控制部，分别控制从上述第1开关元件到上述第4开关元件的导通/截止动作；输入电容器，连接于第1连接点以及第2连接点之间，该第1连接点连接上述第1开关元件的另一端和第3开关元件的另一端，该第2连接点连接上述第2开关元件的另一端和第4开关元件的另一端；第1电感器，一端连接到第3连接点，该第3连接点连接上述第1开关元件的一端和第2开关元件的一端；第2电感器，一端连接到第4连接点，该第4连接点连接上述第3开关元件的一端和第4开关元件的一端；输出电容器，连接于上述第1电感器的另一端和上述第2电感器的另一端之间；第1滤波器电容器，连接于上述第1电感器的另一端和上述第1连接点之间；以及第2滤波器电容器，连接于上述第2电感器的另一端和上述第2连接点之间，在上述输入电容器的两端连接了输出直流电压的电源，并且在上述输出电容器的两端连接了负载时，上述控制部对每个开关元件生成控制各开关元件的导通/截止动作的控制信号，使上述第1开关元件和第2开关元件交替导通/截止，并且使上述第3开关元件和第4开关元件交替导通/截止，从上述全桥电路输出供给上述负载的供给电流，在不输出上述供给电流的期间，将上述第1开关元件及第3开关元件都设为导通状态，将上述第2开关元件及第4开关元件都设为截止状态，将上述第3连接点和第4连接点之间连接，使上述第1电感器及第2电感器积蓄的能量释放而流过惯性电流，在将上述第1开关元件和上述第3开关元件中成为导通状态的时间宽度窄的一方的该时间宽度设为Tm、将导通状态的时间宽度宽的一方的开关元件的导通/截止状态和上述导通状态的时间宽度窄的一方的开关元件的导通/截止状态成为相同的重叠期间设为Td、将表示上述重叠期间Td对上述时间宽度Tm的比例的驱动重叠率设为Rd=（Td/Tm）×100%时，控制上述各开关元件的动作，使得上述驱动重叠率Rd成为大于等于50%且小于等于100%，上述第1滤波器电容器及第2滤波器电容器具有积蓄在连接上述第1电感器和上述输出电容器的输出线、以及连接第2电感器和上述输出电容器的输出线所产生的共模噪声分量的电荷的电容，并吸收将上述第1开关元件及第3开关元件都设为导通状态、将上述第2开关元件及第4开关元件都设为截止状态时所产生的共模噪声。
另外，其特征在于，上述第1滤波器电容器及第2滤波器电容器在将输入到上述全桥电路的电压设为Vin、将抑制的共模噪声的频率设为f、将上述第1电感器及第2电感器的电感量设为L，而将上述共模噪声分量的电荷求出为Q=Vin/（32Lf^2），在将上述共模噪声的电压振幅抑制在小于等于电压峰峰值Vpp时，具有大于等于Q/Vpp的电容。
根据本发明，可以抑制纹波电流，并且降低在输出电力中包含的共模噪声。
附图说明
图1是表示本发明实施例的全桥电力变换装置的概略结构的电路图。
图2（a）、（b）、（c）是表示图1的全桥电力变换装置的各开关元件的动作的说明图。
图3（a）、（b）是表示图1的全桥电力变换装置的动作的说明图。
图4是图1的全桥电力变换装置的等价电路图。
图5是表示在以往的浮置中使用的全桥电力变换装置的连接的说明图。
（符号的说明）
1：全桥电力变换装置；2：绝缘电源；3：负载；10：全桥电路；11～14：开关元件；15：输入电容器；16、17：电感器；18：输出电容器；19、20：滤波器电容器；30：控制部。
具体实施方式
图5所示的全桥电力变换装置具备一般的全桥电路，通过电感器112、113对从该全桥电路输出的线间电压（通常模式输出电压）进行平滑，获得直流电力。
将上述的全桥电路的输出电压作为共模（对大地间电压）进行观测时，全桥电路的2个输出线的电压，分别成为方形波，并且具有向该电路输入的直流电压值的振幅。
上述的全桥电路进行具有对称性的开关动作以进行一般的2电平输出，在2个输出线产生的各个电压成为反相而迁移。因此，2个输出线间的共模电压相互抵消而抑制发生。
在全桥电路中采用的开关元件一般地说具有寄生二极管等，该二极管等的特性有时对于每个开关元件而不同。因此，由于上述的特性等的差异，前述的共模电压的相互抵消不完全，发生成为直流电压的开关波形的共模电压。在进行一般的2电平输出的动作的全桥电路中，有时发生不期望的上述共模电压。
本发明的全桥电力变换装置使全桥电路进行动作以成为3电平输出，该全桥电路的各开关元件失去对称性而进行动作。这里，将失去上述对称性的动作称为共模动作。
在共模动作中，由于有意地失去对称性而使全桥电路进行动作，因此必然地发生共模电压。共模电压如前述，具有与全桥电路的输入电压相当的振幅，因此，考虑为输出电压的噪声时，具有非常大的值。
在本发明中，使全桥电路进行动作以成为3电平输出时，发生的共模电压以与全桥电路的开关速度相等的频率或者关联的频率发生。
共模电压以比高频噪声低的频率迁移，因此，难以仅仅通过设置于全桥电路的输出线的电感量来减少。
另外，如前所述，发生的共模电压的振幅大，大的电力能量发生变动，因此，从输出线向其他电流路径传输，例如从与输出端子等连接的Y电容器的接地点进入壳体地（ground），成为装置各部分的大地间电压所包含的共模噪声。
本发明的全桥电力变换装置为了减少在3电平输出中发生的共模噪声，具有滤波器电容器。
以下，根据附图说明本发明的实施的一个方式。
实施例
图1是表示本发明实施例的全桥电力变换装置的概略结构的电路图。图示的全桥电力变换装置1具备用4个开关元件11～14构成的全桥电路10，全桥电路10的输入点与绝缘电源2连接。
4个开关元件11～14例如是功率MOSFET等，也可以采用具有充分电流容量、适当的开关特性的双极晶体管、IGBT等。
全桥电路10将开关元件11和开关元件12串联连接，将开关元件13和开关元件14串联连接。
另外，全桥电路10将开关元件11的开关接点的第1端子和开关元件13的开关接点的第1端子连接。这里，将该连接点设为全桥电路10的第1连接点。
另外，全桥电路10将开关元件12的开关接点的第1端子和开关元件14的开关接点的第1端子连接，这里，将该连接点设为全桥电路10的第2连接点。
另外，这里，将开关元件11的开关接点的第2端子和开关元件12的开关接点的第2端子的连接点设为全桥电路10的第3连接点，将开关元件13的开关接点的第2端子和开关元件14的开关接点的第2端子的连接点设为全桥电路10的第4连接点。
输入电容器15的一端和绝缘电源2的第1输出端子连接到第1连接点。输入电容器15的另一端和绝缘电源2的第2输出端子连接到第2连接点。
电感器16的一端连接到第3连接点。电感器17的一端连接到第4连接点。输出电容器18的一端连接到电感器16的另一端，输出电容器18的另一端连接到电感器17的另一端。
另外，滤波器电容器19的一端连接到第1连接点，滤波器电容器19的另一端连接到电感器16和输出电容器18的连接点。
滤波器电容器20的一端连接到第2连接点，滤波器电容器20的另一端连接到电感器17和输出电容器18的连接点。
输出电容器18和滤波器电容器19的连接点成为全桥电力变换装置1的第1输出端子，输出电容器18和滤波器电容器20的连接点成为全桥电力变换装置1的第2输出端子。在第1输出端子和第2输出端子之间，例如连接了负载3。
绝缘电源2例如输入交流电力，变换为规定电压的直流电力，构成为从第1输出端子输出高电位侧的电压，从第2输出端子输出低电位侧的电压，输出低电位侧的电压的第2输出端子等未与大地连接。
另外，绝缘电源2具有在上述的第1输出端子和第2输出端子之间连接的Y电容器Cy。Y电容器Cy将2个平滑电容器串联连接，其中间点（作为框架地，frame ground）与大地电连接而固定为0[V]。
例如，全桥电路10使用n沟道MOSFET作为开关元件11～14时，开关元件11及开关元件13的漏极彼此连接，开关元件11的源极和开关元件12的漏极连接。另外，开关元件13的源极与开关元件14的漏极连接，开关元件12及开关元件14的源极彼此连接。
开关元件11～14的各栅极分别与控制部30连接。
开关元件11～14的漏极·源极间、即接点间具有寄生二极管，流过后述的惯性电流时，在该寄生二极管中，恢复特性等不足的情况下，在各开关元件的接点间连接适当的额定的二极管。
控制部30控制各开关元件11～14的栅极电压，由处理器、存储保存控制程序等的存储器等构成。另外，也可以根据负载3的种类、电力供给的目的等，以能够从外部设定各开关元件11～14的动作的方式来构成该控制部30。
负载3例如是可以在蓄积电力的使用后进行充电而反复使用的二次电池，具体为车用、ESS（能量储存系统）用等的电池单元、电池模块、电池组等。
另外，作为负载3，其他装置的直流总线等与全桥电力变换装置1连接。
接着，说明动作。
图2是表示图1的全桥电力变换装置的各开关元件的动作的说明图。该图表示图1的全桥电路10的动作例，是将开关元件11表示为Q1、开关元件12表示为Q2、开关元件13表示为Q3、开关元件14表示为Q4时这些开关元件的动作定时的时序图。在图中，呈现高电平的期间是导通状态，呈现低电平的期间是截止状态。
图2（a）表示各开关元件11～14（Q1～Q4）的导通占空比设为50%的情况。
图2（b）表示开关元件11（Q1）的导通占空比设为比50%大的情况下的各开关元件的动作。详细地说，表示了上述的开关元件11（Q1）和开关元件14（Q4）的导通占空比都设为比50%大，开关元件12（Q2）和开关元件13（Q3）的导通占空比设为比50%小的情况下的动作。
图2（c）表示了开关元件11（Q1）的导通占空比设为比50%小的情况下的各开关元件的动作。详细地说，表示了上述的开关元件11（Q1）和开关元件14（Q4）的导通占空比都设为比50%小，开关元件12（Q2）和开关元件13（Q3）的导通占空比设为比50%大的情况下的动作。
使全桥电路10进行动作时，为了防止贯通电流流过第1连接点和第2连接点之间（全桥电路10的输入点间），对开关动作设置了死区时间。
死区时间是例如图2（a）中开关元件12（Q2）向截止状态迁移后，为了使开关元件11（Q1）向导通状态迁移而附加的迟延时间，为了防止开关元件的开关速度为起因而串联连接的2个开关元件都成为导通状态而被设置。
另外，死区时间也设置于本实施例中的全桥电路10的开关动作，但是，表示成为本发明的特征的开关动作的情况下，成为微小的时间，因此，在图2等的各图中未表示。另外，该动作说明中，省略了对死区时间的关注。
在图2（a）、（b）、（c）所示的开关动作中，设置了施加高电位侧的输入电压的开关元件11（Q1）和开关元件13（Q3）都成为导通状态的期间。另外，设置了施加低电位侧的输入电压的开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4）都成为导通状态的期间。
另外，不存在开关元件11（Q1）和开关元件12（Q2）都成为导通状态的期间、以及开关元件13（Q3）和开关元件14（Q4）都成为导通状态的期间。另外，根据向负载3供给电力的目的等，有仅仅进行图2（b）所示的开关动作的情况、仅仅进行图2（c）所示的开关动作的情况以及组合进行图2（b）和图2（c）的开关动作的情况等。
如图2（a）所示，将导通占空比设为50%，各状态的全部迁移定时（全开关元件的从导通向截止的迁移以及从截止向导通的迁移）一致时，全桥电路10的2个输出点间的电位差消失，即使电流流过，全桥电路10也不输出电力。在该期间，在电感器16事先蓄积的能量W=1/2·LI^2、以及电感器17蓄积的能量W的释放形成的惯性电流或电池等（负载3）产生的电流流过。这里，上述的L是电感器16和电感器17的合成电感，I是在电感器16、17流过的电流。
全桥电路10为了传输从绝缘电源2输入的电力，例如图2（b）或图2（c）所示，在开关元件11、12（Q1、Q2）和开关元件13、14（Q3、Q4）之间，以使从导通向截止的迁移定时或从截止向导通的迁移定时的某一个、或者全部迁移定时都不同步的方式，使各开关元件进行动作。
在图2（b）所示的开关动作中，使串联连接的开关元件11（Q1）和开关元件12（Q2）的导通·截止状态反转而使开关定时同步，另外，使串联连接的开关元件13（Q3）和开关元件14（Q4）的导通·截止状态反转而使开关定时同步。
另外，在该开关动作中，使开关元件11（Q1）及开关元件13（Q3）的从截止状态向导通状态迁移的定时同步，而且，使开关元件12（Q2）及开关元件14（Q4）的从导通状态向截止状态迁移的定时同步。
另外，在该开关动作中，使开关元件11（Q1）向截止状态迁移的定时和开关元件12（Q2）向导通状态迁移的定时同步。另外，使开关元件13（Q3）向截止状态迁移的定时和开关元件14（Q4）向导通状态迁移的定时同步。另外，例如使开关元件11（Q1）向截止状态迁移的定时和开关元件13（Q3）向截止状态迁移的定时不同步。该开关动作是输出正电压的情况。
如上述，在控制部30输出正电压的情况下，使开关元件11（Q1）的导通占空比比开关元件13（Q3）的导通占空比大，在输出后述的负电压的情况下，则反之使其小。
如上所述，通过控制各开关元件的动作，产生例如图2（b）作为“传输期间”表示的开关元件11（Q1）和开关元件14（Q4）都成为导通状态且开关元件12（Q2）和开关元件13（Q3）都成为截止状态的期间。
例如，在各开关元件中使用n沟道MOSFET，将从绝缘电源2输出的高电位侧电压向开关元件11（Q1）和开关元件13（Q3）的连接点（第1连接点）施加，另外，将从绝缘电源2输出的低电位侧电压向开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4）的连接点（第2连接点）施加的情况下，如图2（b）所示的“传输期间”那样，各开关元件导通/截止时，从开关元件11（Q1）的漏极侧向该开关元件11（Q1）和开关元件12（Q2）的连接点（全桥电路10的第3连接点）流过电流，经由电感器16向负载3流过供给电流。另外，从负载3返回的电流经由电感器17流入开关元件13（Q3）和开关元件14（Q4）的连接点（全桥电路10的第4连接点），而且流向该开关元件14（Q4）的源极侧。
在图2（c）所示的开关动作中，与图2（b）所示同样地，使串联连接的开关元件11（Q1）和开关元件12（Q2）的导通/截止状态反转而使开关定时同步，另外，使串联连接的开关元件13（Q3）和开关元件14（Q4）的导通/截止状态反转而使开关定时同步。
另外，使开关元件11（Q1）及开关元件13（Q3）的从截止状态向导通状态迁移的定时同步，而且，使开关元件12（Q2）及开关元件14（Q4）的从导通状态向截止状态迁移的定时同步。
另外，在该开关动作中，使开关元件11（Q1）向截止状态迁移的定时和开关元件12（Q2）向导通状态迁移的定时同步。另外，使开关元件13（Q3）向截止状态迁移的定时和开关元件14（Q4）向导通状态迁移的定时同步。另外，使例如开关元件11（Q1）向截止状态迁移的定时和开关元件13（Q3）向截止状态迁移的定时不同步。
如上所述，在控制部30控制各开关元件的开关动作时，使开关元件13（Q3）的导通占空比比开关元件11（Q1）的导通占空比大。此时，输出电压成为负电压。
另外，如上所述，通过控制各开关元件的动作，产生例如图2（c）作为“传输期间”表示的开关元件11（Q1）和开关元件14（Q4）都成为截止状态且开关元件12（Q2）和开关元件13（Q3）都成为导通状态的期间。
如上所述，在向开关元件11（Q1）和开关元件13（Q3）的连接点施加从绝缘电源2输出的高电位侧电压，而且向开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4）的连接点施加低电位侧的电压的情况下，如图2（c）所示的“传输期间”那样，各开关元件导通/截止时，从开关元件13（Q3）的漏极侧向该开关元件13（Q3）和开关元件14（Q4）的连接点（全桥电路10的第4连接点）流过电流，从该连接点经由电感器17向负载3流过供给电流。另外，从负载3返回的电流经由电感器16流入开关元件11（Q1）和开关元件12（Q2）的连接点（全桥电路10的第3连接点），而且，流向该开关元件12（Q2）的源极侧。
如上所述，全桥电力变换装置1在图2（b）或图2（c）所示的“传输期间”中，用绝缘电源2的输出电压从全桥电路10的输出点（第3及第4连接点）输出电流。从该全桥电路10的输出点输出的电流由于电感器16、17的扼流作用成为直流电流，通过输出电容器18进一步进行平滑化而向负载3输出。
如以往那样，在以成为2电平输出的方式使全桥电路进行动作的情况下，流过输入电容器的纹波电流的有效值Irms成为与输出电流相同。例如在输出电流为500[A]的情况下，纹波电流的有效值成为Irms=500[A]。相对地，如本发明的全桥电路10那样，以3电平输出方式进行动作的情况下，纹波电流的有效值Irms被压缩为传输期间的比率（传输期间/开关动作的1周期）。
该实施例的全桥电力变换装置1以成为3电平输出的方式进行动作，所以除了前述的正或负的电压输出时，在该电压成为“0”电平时也流过电流。详细地说，图2（b）、（c）所示的各“休止期间”中，开关元件11（Q1）和开关元件13（Q3）都成为导通状态且开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4）都成为截止状态的期间，全桥电路10的输出点间的电位差消失，如用图2（a）说明的那样，流过电感器16、17蓄积的能量W的释放所产生的惯性电流。
在图2（b）所示的动作中，上述的惯性电流从电感器16流向负载3，从该负载3经由电感器17流向导通状态的开关元件13（Q3），而且从开关元件13（Q3）经由导通状态的开关元件11（Q1）流向电感器16。
另外，在图2（c）所示的动作中，上述的惯性电流从电感器17流向负载3，从该负载3经由电感器16流向导通状态的开关元件11（Q1），而且从开关元件11（Q1）经由导通状态的开关元件13（Q3）流向电感器17。
另外，在图2（b）、（c）所示的各休止期间中，即使在开关元件11（Q1）和开关元件13（Q3）都成为截止状态且开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4）都成为导通状态的期间，全桥电路10的输出点间的电位差消失，如前所述，流过在电感器16、17蓄积的能量W的释放所产生的惯性电流。此时的惯性电流流过导通状态的开关元件12（Q2）和开关元件14（Q4），除此以外的电流通路与前述的说明同样。
图3是表示图1的全桥电力变换装置的动作的说明图。该图是表示全桥电路10的各开关元件的导通/截止状态的时序图，示出了表示一个开关元件的动作模式的状态迁移A和表示其他开关元件的动作模式的状态迁移B。
在图3所示的各状态中，高电平的部分表示导通状态，低电平的部分表示截止状态。
另外，例如，状态迁移A表示开关元件11（Q1）的导通/截止动作，状态迁移B表示开关元件13（Q3）的导通/截止动作。
这里，在将状态迁移A和状态迁移B中的导通状态的期间短的（时间宽度窄的）一方的状态迁移中的该时间宽度设为Tm、将状态迁移A的导通状态和状态迁移B的导通状态重叠的期间设为Td时，重叠期间Td相对于时间宽度Tm的比例设为驱动重叠率Rd（Rd=Td/Tm）。如图3所例示，成为一个状态（这里是导通状态）的时间宽度窄的一方是状态迁移A，一个状态（导通状态）的时间宽度宽的一方是状态迁移B。
图3（a）表示了以往以来进行的一般的开关动作，示出了例如表示开关元件11（Q1）的动作模式的状态迁移A和表示开关元件13（Q3）的动作模式的状态迁移B。
图3（a）例示的开关动作中，各开关元件从导通状态向截止状态迁移时或从截止状态向导通状态迁移时产生的迟延时间（前述的死区时间）极小，可以视为“0”的程度。这里，在状态迁移A中成为低电平的期间和状态迁移B中成为高电平的期间分别设为Tm时，通过将期间Td视为“0”，驱动重叠率Rd成为Td/Tm=0，不产生流过电感器16、17所产生的惯性电流的期间。
图3（b）表示了该实施例的全桥电路10的开关动作的一个例子。与图3（a）同样地，图3（b）的状态迁移A表示例如开关元件11（Q1）的动作模式，状态迁移B表示开关元件13（Q3）的动作模式。
在图3（b）中，与状态迁移A相比，状态迁移B的高电平侧的时间宽度窄。另外，与状态迁移B相比，状态迁移A的低电平侧的时间宽度窄。这些窄的一方的时间宽度设为Tm。另外，将状态迁移B在时间宽度Tm中成为高电平的期间之中的、状态迁移A成为高电平的期间设为Td。另外，将状态迁移A在时间宽度Tm中成为低电平的期间之中的、状态迁移B成为低电平的期间设为Td。前述的惯性电流在期间Td间流过，因此，驱动重叠率Rd越大，惯性电流流过的期间越长。
另外，对称地输出采用绝缘电源2的输出电压的电流的期间变短。换言之，状态迁移A为导通状态而状态迁移B为截止状态的期间、以及状态迁移A为截止状态而状态迁移B为导通状态的期间变短。
这样，开关绝缘电源2的输出电压而抑制输出电流的期间，抑制纹波分量的大小，另外，在不进行电流输出的期间流过惯性电流，维持流入负载3的直流电流。
控制部30在向负载3输出例如大于等于10[kW]的电力的情况下，全桥电路10的各开关元件以小于等于20[kHz]进行开关，在负载3轻的情况下，以数百[kHz]进行开关。另外，根据输出电力的大小，调整各开关元件的导通占空比，以使前述的驱动重叠率Rd=（Td/Tm）×100%成为例如大于等于50%的方式，生成各开关元件的控制信号，使全桥电路10进行动作。
这里，在全桥电力变换装置1的输出电流设为“I”时，如图3（a）所示，在将驱动重叠率Rd设为0%的动作中，流过输入电容器15的纹波电流的有效值Irms=输出电流值I。
另外，在将输出电流的导通占空比设为“D”时，在将驱动重叠率Rd设为100%（Td=Tm）的动作中，纹波电流的有效值Irms与I×（1－2D）成比例。
例如，以向全桥电路10输入40[V]的电压，在负载3的两端产生4[V]的电压的方式进行动作时，控制部30将导通占空比D设为45%，使各开关元件工作。在该动作中，设为Rd=100%的情况下，与Rd=0%的情况相比，纹波电流的有效值成为1/10。
这样，通过成为Rd=50～100%的开关动作，可以有效减少纹波电流。
另外，在输入电容器15（平滑电容器）中，即使如以往那样以Rd=0%进行动作时纹波耐量需要360[A]的情况下，通过以Rd=100%进行动作，即使是具有36[A]左右的纹波耐量的电容器也可以使用。
在全桥电力变换装置1进行动作时，通过全桥电路10的开关动作，发生电压变动（噪声）。
全桥电路10以抑制纹波电流的方式进行动作，即使在全桥电路10的输出点间的电位差消失的状态下，该输出点相对于框架地也具有正或负的电压。具体地说，例如开关元件11和开关元件13都成为导通状态时，向开关元件11、13施加从绝缘电源2输出的高电位侧的电压。因此，在全桥电路10的第3连接点和第4连接点产生共模电压。
例如，在将全桥电路10的第3连接点（第1输出点）相对于框架地的电压设为V1、将全桥电路10的第4连接点（第2输出点）相对于框架地的电压设为V2时，在输出电容器18的两端、全桥电力变换装置1的输出端子间，产生共模电压（V1+V2）/2。
共模电压（V1+V2）/2表示由各开关元件的导通/截止动作所发生的噪声的大小，包含该噪声的共模噪声在全桥电路10的第1输出点和第2输出点之间被连接的状态下，存在于电感器16与全桥电力变换装置1的第1输出端子之间的输出线、和电感器17与全桥电力变换装置1的第2输出端子之间的输出线。
图4是图1的全桥电力变换装置的等价电路图。在图中，噪声源是全桥电路10的各开关元件，扼流器是电感器16（或电感器17），Cy是连接绝缘电源2的输出端子间的Y电容器。另外，连接扼流器的输出侧和全桥电力变换装置1的输入端子之间的CF与图1的滤波器电容器19（或滤波器电容器20）相当。
在全桥电力变换装置1的输出线中发生的共模噪声经由该装置的省略了图示的电源电路的接地部位、壳体的框架地连接等，从绝缘电源2的AC地、例如绝缘电源2的Y电容器的接地点进入该绝缘电源2的电路，从绝缘电源2的输出端子绕回全桥电力变换装置1的输入侧，在上述的输出线上增大。
因而，通过由滤波器电容器CF和扼流器构成的低通滤波器抽出在输出线中产生的共模噪声，吸收到该滤波器电容器CF。
与前述的滤波器电容器CF相当的例如图1的滤波器电容器19的两端电压成为到大地的接地（或框架地）和全桥电力变换装置1的输出端子之间的电压。
如前述，共模噪声的大小可以用（V1+V2）/2表示，在全桥电力变换装置1以负载电流为360[A]、输出电压为0[V]（电感量为最小的情况）的方式进行动作时，该电力能量相当于将向该全桥电力变换装置1的输入电压Vin以占空比50%进行输出的状态。
如图1所示，滤波器电容器19和滤波器电容器20在全桥电路10的高电位侧和低电位侧的各输入点，分别在电气电路上对称地连接，具有相同的电容而起到同样的作用。这里示例说明滤波器电容器19。
在将包含共模噪声的电流（从全桥电路10例如经由电感器16输出的电流）设为I时，该电流波形成为为三角波状。该波形的斜率用dI/dt=Vin/2L表示，其振幅Ipp用
Ipp=（dI/dt）×（1/2f）
=Vin/（4fL）
表示。在滤波器电容器19、20分别蓄积的电荷Q为上述的电流波形的一部分三角波（1/2周期量）的面积，可以作为
Q=（Ipp/2）×（1/（2f））×（1/2）
而求出，可以表示为
Q=Vin/（32Lf^2）
另外，上述的L是电感器16以及电感器17的各电感量，f是共模噪声分量的任意的频率（例如全桥电路10的开关频率）。另外，电荷Q是形成上述的共模噪声分量的电荷。
这里，在将共模噪声的电压振幅的峰峰值设为Vpp时，由于
Vpp=Q/C，
因此，将共模噪声的电压振幅设为电压峰峰值Vpp所需的滤波器电容器19、20的电容Cf用
Cf=Q/Vpp
表示。在共模噪声的大小（电压振幅）被抑制为小于等于Vpp时，滤波器电容器19、20的电容Cf需要成为大于等于Q/Vpp的大小。换言之，滤波器电容器19、20通过至少具有Q/Vpp的电容，可以将共模噪声的频率f的分量减小到电压峰峰值Vpp为止。
例如，在设为Vin=60[V]、f=20[kHz]、L=30[μH]的情况下，成为Q=156[μC]。因此，在例如将滤波器电容器19的电容设为156[μF]的情况下，滤波器电容器19的两端电压成为1[V0-P]。
为了将共模噪声的电压振幅抑制为例如千分之一左右，各滤波器电容器19、20需要具有电荷Q的约1000倍的电容。
在上述的一个例子中，为了将滤波器电容器19的两端电压、即共模噪声的电压峰峰值减少到1[mV]左右，滤波器电容器19的电容需要成为大于等于15000[μF]。此时，在滤波器电容器19流过的电流成为156[μC]×2f=6[A]。
另外，根据与全桥电力变换装置1连接的负载3的种类、全桥电力变换装置1的输出电力的使用目的等，确定该装置的输出电力中所包含的共模噪声可容许的大小。滤波器电容器19、20具备将共模噪声降低到与这样的负载3的种类、使用目的等相应的容许大小的电容。
滤波器电容器19、20在具备与前述相当的电容时，例如采用贵弥功等。另外，也可以构成为将多个电容器连接而形成所期望的电容。
另外，在共模噪声中，除了前述的开关动作导致的电压变动外，还包含由各种要因发生的高频分量，因此，包含与该高频分量对应的电容的电容器而构成滤波器电容器19、20。
如图1所示，由滤波器电容器19和电感器16构成低通滤波器，并且由滤波器电容器20和电感器17构成与上述同样的低通滤波器。
在全桥电路10的第3连接点和全桥电力变换装置1的第1输出端子之间的输出线所产生的共模噪声由包含滤波器电容器19的低通滤波器进行滤波，在第1输出端子流过的电流成为抑制了共模噪声的稳定电流。
另外，在全桥电路10的第4连接点和全桥电力变换装置1的第2输出端子之间的输出线所产生的共模噪声由包含滤波器电容器20的低通滤波器进行滤波，在第2输出端子流过的电流也成为抑制了共模噪声的稳定电流。
在增大前述的驱动重叠率Rd而使全桥电路10进行动作时，可以减少纹波电流，但是，全桥电路10的2个输出点间连接的期间变长。
在该期间中，成为全桥电源力变换装置1的输出线仅仅与绝缘电源2的单侧的输出端子连接的状态，返回绝缘电源2的电流消失。因此，通过从绝缘电源2的单侧的输出端子对输出线施加的电压，蓄积电力能量，在该输出线产生大的共模噪声。
在将全桥电路10的2个输出点连接而流过惯性电流时，全桥电力变换装置1使滤波器电容器19、20吸收在输出线滞留的电力能量，降低以减少纹波电流的方式进行动作时变大的共模噪声。
如上所述，根据该实施例的全桥电力变换装置，缩短采用绝缘电源2的输出电压而全桥电路10进行电流输出的期间，在不输出采用绝缘电源2的输出电压的电流的期间，采用在电感器16以及电感器17蓄积的能量而流过惯性电流，因此，可以将全桥电路10的输出电流中所包含的纹波电流抑制得小，输出高精度的电流。
另外，可以抑制在全桥电路10的输入侧发生的纹波电流，可以使用纹波耐量小的输入电容器15，而且可以实现周边电路的成本抑制、基于电力损失降低的效率化、装置的小型化等。
另外，由于具有能够与应当除去的共模噪声分量的频率对应而积蓄共模噪声分量的电荷的电容的滤波器电容器19、20，因此可以降低在全桥电力变换装置1的输出线产生的共模噪声。
特别地，在驱动重叠率Rd设定成大于等于50%而使全桥电路10进行动作时，可以输出抑制了纹波电流以及共模噪声的高精度的电力。
产业上的利用可能性
本发明的全桥电力变换装置，输出抑制了纹波电流以及共模噪声的电力，因此，适用于对需要高精度的电压施加、电流供给的二次电池的充电、测定二次电池的充放电特性时的电力变换。

Claims (2)

1.一种全桥电力变换装置，其特征在于，具备：
全桥电路，是将第1开关元件的一端和第2开关元件的一端串联连接，将第3开关元件的一端和第4开关元件的一端串联连接，并将串联连接的上述第1开关元件以及第2开关元件和串联连接的上述第3开关元件以及第4开关元件并联连接而成；
控制部，分别控制从上述第1开关元件到上述第4开关元件的导通/截止动作；
输入电容器，连接于第1连接点以及第2连接点之间，上述第1连接点连接上述第1开关元件的另一端和第3开关元件的另一端，上述第2连接点连接上述第2开关元件的另一端和第4开关元件的另一端；
第1电感器，一端连接到第3连接点，该第3连接点连接上述第1开关元件的一端和第2开关元件的一端；
第2电感器，一端连接到第4连接点，该第4连接点连接上述第3开关元件的一端和第4开关元件的一端；
输出电容器，连接于上述第1电感器的另一端和上述第2电感器的另一端之间；
第1滤波器电容器，连接于上述第1电感器的另一端和上述第1连接点之间；以及
第2滤波器电容器，连接于上述第2电感器的另一端和上述第2连接点之间，
在上述输入电容器的两端连接了输出直流电压的电源，并在上述输出电容器的两端连接了负载时，
上述控制部
对每个开关元件生成控制各开关元件的导通/截止动作的控制信号，
使上述第1开关元件和第2开关元件交替导通/截止，并且使上述第3开关元件和第4开关元件交替导通/截止，从上述全桥电路输出供给上述负载的供给电流，
在不输出上述供给电流的期间，将上述第1开关元件以及第3开关元件都设为导通状态，将上述第2开关元件以及第4开关元件都设为截止状态，将上述第3连接点和第4连接点之间连接，使上述第1电感器及第2电感器积蓄的能量释放而流过惯性电流，
在将上述第1开关元件和上述第3开关元件中成为导通状态的时间宽度窄的一方的该时间宽度设为Tm、将导通状态的时间宽度宽的一方的开关元件的导通/截止状态和上述导通状态的时间宽度窄的一方的开关元件的导通/截止状态成为相同的重叠期间设为Td、将表示上述重叠期间Td对上述时间宽度Tm的比例的驱动重叠率设为Rd=（Td/Tm）×100%时，控制上述各开关元件的动作以使得上述驱动重叠率Rd成为大于等于50%且小于等于100%，
上述第1滤波器电容器以及第2滤波器电容器
具有积蓄在连接上述第1电感器和上述输出电容器的输出线、以及连接第2电感器和上述输出电容器的输出线所产生的共模噪声分量的电荷的电容，
吸收将上述第1开关元件以及第3开关元件都设为导通状态、上述第2开关元件及第4开关元件都设为截止状态时产生的共模噪声。
2.权利要求1所述的全桥电力变换装置，其特征在于，
上述第1滤波器电容器及第2滤波器电容器
将输入到上述全桥电路的电压设为Vin、将抑制的共模噪声的频率设为f、将上述第1电感器及第2电感器的电感量设为L，而将上述共模噪声分量的电荷求出为Q=Vin/（32Lf^2），
在将上述共模噪声的电压振幅抑制在小于等于电压峰峰值Vpp时，具有大于等于Q/Vpp的电容量。
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