CN109120168B - 功率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能进一步实现高效化的功率变换装置。在直流输入端子(2a、2b)与开关元件(5)的两端之间连接有第2LC谐振电路(41)，第2LC谐振电路(41)形成为在直流输入端子(2a、2b)之间处于短路状态时从开关元件(5)的两端侧观察到的阻抗的频率特性中，从低频侧向高频侧具有第1频率、第2频率、第3频率以及第4频率，第1谐振频率比开关元件(5)的开关频率高，第2谐振频率是开关频率的大约2倍的谐振频率，且第4谐振频率是开关频率的大约4倍的谐振频率，阻抗在第1谐振频率以及第3谐振频率上达到极大，并且在第2谐振频率以及第4谐振频率上达到极小。

Description

功率变换装置
技术领域
本发明涉及功率变换装置。
背景技术
作为在高频带内动作的RF功率放大器、功率变换电路，已知有高转换效率的谐振逆变器或谐振变换器电路(参照下述专利文献1、2)。
专利文献1公开了谐振逆变器101a的技术，如图10所示，该谐振逆变器101a由单端开关元件105和负载网络构成，将输入到直流输入端子102a、102b之间的直流输入电压V1转换为交流输出电压V2并从输出端子103a、103b向负载电阻108进行输出。该情况下，负载网络包含连接在直流输入端子102a、102b中的高电位侧的直流输入端子102a与开关元件105的一端之间的作为单个元器件的电感器104、连接在开关元件105的两端之间的电容器、以及连接在输出端子103a、103b中的输出端子103a与开关元件105的一端之间的LC谐振电路(电容器106与电感器107的串联电路)而构成。此外，开关元件105的另一端、低电位侧的直流输入端子102b以及输出端子103b连接到公共接地G。该谐振逆变器101a中，该开关元件105的电压V3由与开关元件105相连的负载网络的响应特性来决定。在开关元件105断开期间施加在开关元件105的两端之间的电压V3进行如下动作：在开关元件105刚断开之后缓慢上升，在开关元件105即将导通前，与电压值以及时间所对应的电压变化率也大致为零。
由此，在专利文献1的谐振逆变器101a中，不会因开关元件105的开关导致连接在开关元件105的两端之间的电容器中储存的能量产生放电损耗，因此能进行高频开关动作。利用这一优点，专利文献1的谐振逆变器101a被广泛用于通信系统的RF功率放大器、或者在后级带有整流滤波电路的高频开关电源。然而，在专利文献1的谐振逆变器101a中，在开关元件105断开期间内施加在开关元件105的两端之间的电压峰值会因电压谐振而上升到直流输入电压V1的大致3.6倍。
另一方面，专利文献2公开一种谐振变换器101b的技术，如图11所示，该谐振变换器101b在维持专利文献1的逆变器特性的同时，通过在开关元件105的两端附加对开关频率的二次谐波分量进行抑制的LC谐振电路(电感器113与电容器114的串联电路)，从而能将施加在开关元件105的两端之间的电压峰值抑制在直流输入电压V1的大致2倍。该谐振变换器101b的负载网络除了上述谐振逆变器101a的负载网络的结构以外，还具有与上述电感器113以及电容器114一起设置在谐振逆变器101a的LC谐振电路(电容器106与电感器107的串联电路)与输出端子103a、103b之间的交直流变换电路(包含由并联连接的电感器109以及电容器110构成的LC谐振电路、以及由电容器111和包含结电容的二极管112构成的整流平滑电路的电路)，将输入到直流输入端子102a、102b之间的直流输入电压V1转换为直流输出电压V4来从输出端子103a、103b向负载电阻108进行输出。另外，对于与谐振逆变器101a相同的结构，标注相同的标号并省略重复说明。采用该专利文献2的谐振变换器101b也能与专利文献1的谐振逆变器101a同样地进行RF频带上的高频开关动作。
此外，本申请的申请人还开发了一种谐振逆变器101c，如图12所示，该谐振逆变器101c不采用上述谐振逆变器101a中的电感器104，取而代之将由电感器115、116以及电容器117构成的T型的LC谐振电路连接在直流输入端子102a、102b与开关元件105的两端之间而构成。采用该谐振逆变器101c也能抑制在开关元件105的两端之间产生的电压波形中包含的开关频率的二次谐波分量，因此能将施加在开关元件105的两端之间的电压峰值抑制为直流输入电压V1的大致2倍。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第3919656号说明书
专利文献2：美国专利第7889519号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，近年来，希望实现上述谐振逆变器101a、101c以及谐振变换器101b等功率变换电路的进一步高效化、以及开关元件105的高可靠性化。为了实现高效化，通过进一步降低在开关元件105的两端之间产生的电压谐振时的电压峰值，从而能使用更低的导通电阻的开关元件(低导通电阻的开关元件通常是低耐压)是有效的。此外，上述那样进一步降低电压峰值会降低开关元件105上的电压的降额率，也有助于开关元件105的高可靠性化，因此在这一方面也是有效的。然而，作为背景技术的上述任何一个技术都存在在这一方面不充分的问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于提供一种能进一步实现高效化以及开关元件的高可靠性化的功率变换装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明的功率变换装置中，具有：输入有直流电压的正负两个直流输入端子；输出交流电压的两个交流输出端子；开关元件；连接在所述开关元件的两端之间的第1谐振电容器；在所述交流输出端子之间与所述开关元件一起串联连接的第1LC谐振电路；以及连接在所述两个直流输入端子与所述开关元件的两端之间的第2LC谐振电路，所述第1LC谐振电路具有包含电感器与电容器的串联电路的电流路径，所述第2LC谐振电路形成为在所述两个直流输入端子之间处于短路状态时从所述开关元件的两端侧观察到的阻抗的频率特性中，从低频侧向高频侧具有第1谐振频率、第2谐振频率、第3谐振频率以及第4谐振频率，所述第1谐振频率比所述开关元件的开关频率高，所述第2谐振频率是该开关频率的大约2倍的谐振频率，且所述第4谐振频率是该开关频率的大约4倍的谐振频率，所述阻抗在所述第1谐振频率以及所述第3谐振频率上达到极大，并且在所述第2谐振频率以及所述第4谐振频率上达到极小。
该情况下，所述第2LC谐振电路的内部包含第1电感器、第2电感器、第3电感器、第1电容器以及第2电容器，所述第1电感器、所述第2电感器以及所述第3电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，所述第1电容器连接在所述第1电感器与所述第2电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间，所述第2电容器与所述第2电感器并联连接。
或者，所述第2LC谐振电路的内部包含第4电感器、第5电感器、第6电感器、第3电容器以及第4电容器，所述第4电感器、所述第5电感器以及所述第6电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，所述第3电容器连接在所述第4电感器与所述第5电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间，所述第4电容器连接在所述第5电感器与所述第6电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
或者，所述第2LC谐振电路的内部包含第7电感器、第8电感器、第9电感器、第5电容器以及第6电容器，所述第7电感器、所述第5电容器以及所述第8电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，所述第7电感器和所述第5电容器的串联电路与所述第9电感器并联连接，所述第6电容器连接在第7电感器与所述第5电容器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
或者，所述第2LC谐振电路的内部包含第10电感器、第11电感器、第12电感器、第7电容器以及第8电容器，所述第10电感器与所述第7电容器的串联电路以及所述第11电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，所述第12电感器与所述串联电路并联连接，所述第8电容器连接在所述串联电路与所述第11电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
本发明的功率变换装置中，所述开关元件采用进行E级开关动作的结构。
本发明的功率变换装置中，所述第2LC谐振电路包含有内部磁耦合的电感器。
本发明的功率变换装置中，包含在所述第1LC谐振电路中的所述电容器和所述电感器由第9电容器和第13电感器构成，该第9电容器和第13电感器分散配置在所述开关元件的一端与所述两个交流输出端子中的一个交流输出端子之间的第一路径内、以及该开关元件的另一端与该两个交流输出端子中的另一个交流输出端子之间的第二路径内。
本发明所述的任何一种的功率变换装置中，包括交直流变换电路，该交直流变换电路包括第3LC谐振电路以及整流电路而构成，并且连接在所述交流输出端子之间，将从该交流输出端子之间输出的所述交流电压转换为直流电压来输出。
发明效果
根据本发明，在谐振逆变器或谐振变换器等功率变换装置中，将第2LC谐振电路连接到两个直流输入端子与开关元件的两端之间，在两个直流输入端子之间处于短路状态时从开关元件的两端侧观察该第2LC谐振电路得到的阻抗的频率特性中，从低频侧向高频侧具有第1谐振频率、第2谐振频率、第3谐振频率以及第4谐振频率，第1谐振频率比开关元件的开关频率高，第2谐振频率是开关频率的大约2倍的谐振频率，且第4谐振频率是开关频率的大约4倍的谐振频率，并且阻抗在第1谐振频率以及第3谐振频率上达到极大，在第2谐振频率以及第4谐振频率上达到极小，由此，能进一步降低开关元件断开时施加在其两端之间的电压波形的峰值，因此，由于低耐压，能使用低导通电阻的开关元件，其效果是，能提供高效的功率变换装置。此外，上述那样进一步降低施加在开关元件的电压波形的峰值能够降低开关元件上的电压的降额率，因此也能实现开关元件的高可靠性化。
附图说明
图1是示意性示出作为本发明的实施方式1所涉及的功率变换装置的逆变器装置1a的电路结构的结构图。
图2是用于说明具有第2LC谐振电路41的四个谐振频率的频率特性的说明图，该第2LC谐振电路41具有本发明中的最优化阻抗特性Z。
图3是表示具有图2的最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的第1电路结构的电路图。
图4是表示具有图2的最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的第2电路结构的电路图。
图5是表示具有图2的最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的第3电路结构的电路图。
图6是表示具有图2的最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的第4电路结构的电路图。
图7是用于说明逆变器装置1a的动作的波形图。
图8是用于说明关于图7的电压V3的电压波形的示意图。
图9是示意性示出作为本发明的实施方式2所涉及的功率变换装置的变换器装置1b的电路结构的结构图。
图10是示意性示出专利文献1的谐振逆变器101a的电路结构的结构图。
图11是示意性示出专利文献2的谐振变换器101b的电路结构的结构图。
图12是示意性示出谐振逆变器101c的电路结构的结构图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选实施方式进行说明。另外，本发明的对象不限于以下实施方式。以下记载的构成要素包含本领域技术人员容易想到的结构以及实质性相同的结构，并且该构成要素能进行适当组合。
参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，在附图的说明中，对同一要素付上同一标号，并省略重复说明。
首先，参照图1举出作为功率变换装置的一个例子的逆变器装置1a对本发明的优选实施方式所涉及的功率变换装置的整体结构进行说明。该逆变器装置1a包括负载网络4以及开关元件5。
此外，逆变器装置1a包括一对直流输入端子2a、2b(以下，在没有特别区分时，也称为“直流输入端子2”)、以及一对交流输出端子3a、3b(以下，在没有特别区分时，也称为“直流输出端子3”)。
具体而言，在一对直流输入端子2a、2b之间，将连接到基准电位(本例中为公共接地G)的直流输入端子2b作为低电位侧，输入有直流输入电压(直流电压)V1。在一对交流输出端子3a、3b之间，输出有交流输出端子3a的电位以连接到基准电位(本例中为公共接地G)的交流输出端子3b为基准正负变化的交流输出电压V2(交流电压)。此外，该逆变器装置1a中连接有负载电阻6。
该情况下，负载电阻6连接在交流输出端子3a、3b之间，向该负载电阻6提供有从输入到直流输入端子2的直流输入电压V1转换而来的交流输出电压V2。
开关元件5由MOSFET、或双极晶体管等构成。因此，后述的开关元件5的两端是MOSFET的漏极端子以及源极端子，或者是双极晶体管的集电极端子以及发射极端子。逆变器装置1a通过开关元件5的导通/断开将从直流输入端子2输入的直流输入电压V1转换为交流输出电压V2并从交流输出端子3输出。
负载网络4是包括具有最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41、第1谐振电容器42(包含开关元件5的输出电容)、以及第1LC谐振电路43的、针对开关元件5的导通/断开的响应电阻。
第2LC谐振电路41由具有4个外部连接端子(第1连接部41a、第2连接部41b、第3连接部41c以及第4连接部41d)的双端子对电路网(4端子电路网)构成。另外，第2LC谐振电路41可以采用对内部包含的电感器和电容器集成化而构成的3端子元件或4端子元件的作为一个电子元器件的复合谐振阻抗元件。
此外，作为第2LC谐振电路41的一个例子，通过使第1连接部41a与一对直流输入端子2a、2b中的一个直流输入端子(本例中为直流输入端子2a)相连，第2连接部41b与一对直流输入端子2a、2b中的另一个直流输入端子(本例中为直流输入端子2b)相连，第3连接部41c与开关元件5的两端中的一端相连，第4连接部41d与开关元件5的两端中的另一端相连，从而连接在一对直流输入端子2a、2b与开关元件5的两端之间。此外，在第2LC谐振电路41中，通过将第2连接部41b以及第4连接部41d在电路内部连接成相同电位(直接连接。即，经由布线、导体图案等直接连接)，从而使各连接部41b、41d一起连接到公共接地G。因此，也能设为仅采用各连接部41b、41d中的任意一个连接部的结构。
此外，第2LC谐振电路41在两个直流输入端子2a、2b之间为短路状态时(例如向直流输入端子2a、2b之间输出直流输入电压V1的未图示的电源的输出阻抗为低阻抗时。即，直流输入端子2a、2b之间等效为短路状态时)，作为从开关元件5的两端侧观察到的阻抗(即，两个连接部41c、41d之间的阻抗)的频率特性，形成为具有图2所示那样的最优化阻抗特性Z。
具体而言，对第2LC谐振电路41的该频率特性(最优化阻抗特性Z)进行说明，如图2所示，从低频侧向高频侧依次具有第1谐振频率、第2谐振频率、第3谐振频率以及第4谐振频率。此外，第1谐振频率比开关元件5的开关频率高，第2谐振频率是开关频率的大约2倍的频率，并且第4谐振频率是开关频率的大约4倍的频率。此外，阻抗在第1谐振频率以及第3谐振频率处达到极大，并且在第2谐振频率以及第4谐振频率处达到极小。
在开关元件5的两端之间，在断开期间，以和开关频率相同的频率产生电压V3，但第2LC谐振电路41如上述那样在开关频率的偶数倍(上述例子中为2倍以及4倍)上，阻抗达到极小，其结果，构成在开关元件5的两端之间产生的电压V3的波形的高次谐波分量中的偶数分量(上述例子中为二次谐波分量和四次谐波分量)因第2LC谐振电路41而衰减。另一方面，第2LC谐振电路41如上述那样在第1谐振频率以及第3谐振频率上达到极大，由此导致构成电压V3的波形的高次谐波分量中的奇数分量(主要是三次谐波分量)与基波分量(一次谐波分量)一起没有被衰减并残留。其结果，如图8所示，使二次谐波分量以及四次谐波分量衰减后的电压V3的波形W1(由基波分量和三次谐波分量形成的波形)与仅使二次谐波分量衰减时的波形W2(由基波分量、三次以及四次谐波分量形成的波形)相比，上升沿和下降沿更为急剧，且中间部分的振动振幅受到抑制，从而成为更接近矩形波的形状，因此与电压峰值被抑制在直流输入电压V1的大约2倍的波形W2相比，其电压峰值得到进一步抑制。因此，在该逆变器装置1a中，由于低耐压的原因，低导通电阻的开关元件被用作开关元件5。此外，该逆变器装置1a中，如上述那样，能使施加在开关元件5的两端之间的电压峰值进一步降低，因此能降低开关元件5中的电压的降额率，因此能实现开关元件5的高可靠性化。
接着，使用图3至图6对具有该最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的具体电路结构的实施例进行说明。
图3是第2LC谐振电路41的第1实施例。该第2LC谐振电路41在内部包含第1电感器411、第2电感器412、第3电感器413、第1电容器431以及第2电容器432而构成。该情况下，第1电感器411、第2电感器412以及第3电感器413依次串联连接在第1连接部41a(与直流输入端子2a、2b中的一个直流输入端子2a相连的连接部)与第3连接部41c(与开关元件5的两端中的一端相连的连接部)之间。此外，第2连接部41b(与直流输入端子2a、2b中的另一个直流输入端子2b相连的连接部)与第4连接部41d(与开关元件5的两端中的另一端相连的连接部)直接连接。此外，第1电容器431连接在第1电感器411与第2电感器412的连接点P1、与如上述那样与开关元件的另一端相连的第4连接部41d之间。此外，第2电容器432与第2电感器412并联连接。
图4是第2LC谐振电路41的第2实施例。该第2LC谐振电路41在内部包含第4电感器414、第5电感器415、第6电感器416、第3电容器433以及第4电容器434而构成。该情况下，第4电感器414、第5电感器415以及第6电感器416以该顺序串联连接在第1连接部41a与第3连接部41c之间。此外，第2连接部41b与第4连接部41d直接连接。此外，第3电容器433连接在第4电感器414与第5电感器415的连接点P2与第4连接部41d之间。此外，第4电容器434连接在第5电感器415与第6电感器416的连接点P3与第4连接部41d之间。
图5是第2LC谐振电路41的第3实施例。该第2LC谐振电路41在内部包含第7电感器417、第8电感器418、第9电感器419、第5电容器435以及第6电容器436而构成。该情况下，第7电感器417、第5电感器435以及第8电感器418以该顺序串联连接在第1连接部41a与第3连接部41c之间。此外，第2连接部41b与第4连接部41d直接连接。此外，第7电感器417与第5电容器435的串联电路和第9电感器419并联连接。此外，第6电容器436连接在第7电感器417与第5电容器435的连接点P4与第4连接部41d之间。
图6是第2LC谐振电路41的第4实施例。该第2LC谐振电路41在内部包含第10电感器420、第11电感器421、第12电感器422、第7电容器437以及第8电容器438而构成。该情况下，第10电感器420与第7电容器437的串联电路以及第11电感器421以该顺序串联连接在第1连接部41a与第3连接部41c之间。另外，第10电感器420与第7电容器437的串联电路不限于图6所示的结构(将第10电感器420配置在第1连接部41a侧的结构)，虽然未图示，但当然也可以更换第10电感器420和第7电容器437的位置。此外，第2连接部41b与第4连接部41d直接连接。此外，第12电感器422与上述串联电路并联连接。此外，第8电容器438连接在上述串联电路与第11电感器421的连接点P5与第4连接部41d之间。
此外，第2LC谐振电路41也可以在其内部的多个电感器中包含进行了磁耦合的电感器。作为一个例子，举图3的电路来说明，第1电感器411、第2电感器412以及第3电感器413中的至少2个可以构成为相互磁耦合的电感器。由此，在利用简单的电路结构实现具有4个谐振频率(第1谐振频率～第4谐振频率)的第2LC谐振电路的同时减少了磁芯的个数，从而能容易地实现低成本和最优化。此外，在电感器铁芯的铁芯特性发生变动时，能将各个电感器的元件特性的变动差抑制得较小，从而有助于动作的稳定性。
通过该结构，在开关元件5导通时，形成直流输入端子2a→第2LC谐振电路41内(第1连接部41a→第3连接部41c)→开关元件5→第2LC谐振电路41内(第4连接部41d→第2连接部41b)→直流输入端子2b的直流电流环路。另一方面，在开关元件5断开时，形成经由直流输入端子2a→第2LC谐振电路41内(第1连接部41a→第3连接部41c)→第1谐振电容器42→第2LC谐振电路41内(第4连接部41d→第2连接部41b)返回到直流输入端子2b的电流路径(电流环路)，并且形成经由直流输入端子2a→第2LC谐振电路41内(第1连接部41a→第2连接部41b、例如第1电容器431等)返回到直流输入端子2b的电流路径(电流环路)这两个电流路径。
第一谐振电容器42如图1所示是与开关元件5的两端相连的谐振开关用的谐振电容器，但在开关元件5为半导体元件的情况下，可以包含开关元件5所具有的接合部的电容器，也可以仅由接合部的电容器构成。
作为第一LC谐振电路43的一个例子，如图1所示，包含电容器43a和电感器43b而构成。该情况下，电容器43a以及电感器43b串联连接在将开关元件5的两端与交流输出端子3a、3b相互连接的路径(该图中为由将开关元件5的一端与交流输出端子3a相连的路径、以及将开关元件5的另一端与交流输出端子3b相连的路径双方形成的后述的交流电流环路)内。
图1的逆变器装置1a中，作为一个例子，第1LC谐振电路43由相互直接连接的电容器43a与电感器43b的串联电路构成，并连接在将开关元件5的一端与交流输出端子3a相连的路径内。该图中，作为一个例子，构成该串联电路的电容器43a的一端与开关元件5的一端相连，并且在电感器43b的一端与交流输出端子3a相连的状态下连接到该路径内。由此，开关元件5的另一端与交流输出端子3b直接连接。
该结构中，在开关元件导通时，形成交流输出端子
Figure BDA0001702621440000121
Figure BDA0001702621440000122
图1中，由上述串联电路构成的第1LC谐振电路43与交流输出端子3a相连，因此成为上述交流电流环路，但也可以是该第1LC谐振电路43连接到将开关元件5的另一端与交流输出端子3b连接的路径内的结构，该情况下的交流电流环路变成交流输出端子
Figure BDA0001702621440000123
Figure BDA0001702621440000124
此外，构成第1LC谐振电路43的电容器43a和电感器43b只要在该交流电流环路内串联连接即可，作为上述那样在相互直接连接(直接地连接)的状态下连接到路径的结构的替代，也可以是分散在将开关元件5的一端与交流输出端子3a相连的路径(第1路径)、与将开关元件5的另一端与交流输出端子3b相连的路径(第2路径)内来连接(配置)的结构。
接着，参照图7的稳态动作波形图对图1所示的逆变器装置1a的基本动作的各期间内的动作波形进行详细说明。
关于各期间内的动作波形，首先对从时间t0到时间t1为止的期间内的动作进行说明。在时间t(＝t0)时，从对开关元件5的导通/断开进行控制的未图示的控制电路输出的驱动信号电压Vp将开关元件5导通，因此为高电平，并维持高电平直到时间t(＝t1)。由此，在从时间t0到时间t1的期间，开关元件5导通，施加在开关元件5的两端之间的电压V3为零，第1谐振电容器42中流过的电流ic为零。开关元件5中流过的电流is因负载网络4的特性从零转变为负值，之后，经过零并缓慢上升到正值的峰值。作为输入电流，具有最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41中流过的电流i1为谐振电流，因此具有一个正的谐振峰值。另一方面，该期间内的输出电流i2为夹着零的正负的正弦波电流，且在该期间(t0～t1)内具有负的峰值。
接着，对从图7的时间t1到时间t2为止的期间的动作进行说明。在时间t(＝t1)施加在开关元件5上的驱动信号电压Vp将开关元件5断开，因此是低电平，并且维持低电平直到时间t(＝t2)。因此，在从时间t1到时间t2之间，开关元件5断开，在刚变成该断开之后，施加在开关元件5的两端之间的电压V3因负载网络4的特性而谐振，并从零缓慢上升到直流输入电压V1的大约2倍的振幅电压，经过5个谐振峰值(达到极大的第1个谐振峰值、达到极小的第2个谐振峰值、达到极大的第3个谐振峰值、达到极小的第4个谐振峰值、以及达到极大的第5个谐振峰值)并降低，在时间t(＝t2)返回到零，并且关于时间的导数(相对于时间的电压变化率)也变成零。即，开关元件5以E级开关进行高效的开关动作。该情况下，电压V3如上所述变成图8所示的波形W1(将电压值抑制得更低的波形(接近矩形波形的波形))。
此外，通过在该期间内使开关元件5断开，使得之前流过开关元件5的电流is变为零，并切换为流过第1谐振电容器42的ic。作为输入电流，具有最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41中流过的电流i 1变成具有4个谐振峰值(达到极小的第1个负谐振峰值、达到极大的第2个正谐振峰值、达到极小的第3个负谐振峰值、以及达到极大的第4个正谐振峰值)的谐振电流。另一方面，输出电流i2在之前的期间(t0～t1)内刚变成负的峰值后紧接着上升。此外，输出电流i2是夹着零的正负的正弦波电流，在该期间(t1～t2)内进行谐振，具有正的峰值。
之后的期间(t2～t3)内的动作与上述期间(t0～t1)内的动作相同，而且之后的期间(t3～t4)内的动作与上述期间(t1～t2)内的动作相同。即，期间(t0～t2)内的动作在之后的期间内反复进行。
由此，在该逆变器装置1a中，利用向开关元件5进行的驱动信号电压Vp的输出来反复进行开关元件5的导通/断开，从而能从直流输入电压V1转换成交流输出电压V2。这里，通过使用具有最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41，从而能在开关元件5断开时，使对施加在其两端之间的电压V3的波形进行构成的高次谐波分量中的偶数分量(上述例子中为二次谐波分量以及四次谐波分量)衰减。因此，能使在开关元件5断开时施加在其两端之间的峰值电压(电压V3的峰值电压值)从直流输入电压V1的大约2倍的振幅起进一步降低。作为其效果，由于能降低用作开关元件5的开关元件的耐压，从而能随之选定导通电阻更低的开关元件。其结果，能实现开关元件5中的导通损耗(ON损耗)的减少，能进一步提高功率变换装置的转换效率。此外，由于能使开关元件5上的电压的降额率降低，因此也能实现开关元件5的高可靠性化。此外，通过使用该第2LC谐振电路41，从而容易在高频的开关动作中实现最优化。
以上是对开关元件5进行导通/断开控制的驱动信号电压Vp的导通/断开时间相同的情况下的实施例。在开关元件5的导通时间与断开时间不同的情况下，各部分的动作电压与动作电流峰值时间有时也会不同。
此外，使用具有最优化阻抗特性Z的第2LC谐振电路41的实施例不仅限于图1所示的逆变器装置1a(能将输入的直流电压转换为交流的AC电压的逆变器电路的一个示例)，例如也能应用于图9所示的变换器装置1b(将输入直流电压转换为输出直流电压的功率变换装置的一个例子)。
图9的变换器装置1b在图1的逆变器装置1a的交流输出端子3a、3b附加了将从该交流输出端子3a、3b输出的交流输出电压V2转换为直流输出电压V4并从直流输出端子7a、7b之间输出的交直流变换电路(包括包含电容器和电感器的第3LC谐振电路45、以及包含整流元件和滤波元件的整流滤波电路46的变换电路)。此外，负侧的直流输入端子2b和负侧的直流输出端子7b与公共接地G相连。其他结构与图1相同。第3LC谐振电路45通过将电容器和电感器并联连接而构成，整流滤波电路46通过将包含结电容的二极管等整流元件与电容器等滤波元件串联连接而构成。此外，从整流滤波电路46(具体而言，与该整流滤波电路46的滤波元件的两个端子相连的直流输出端子7a、7b)输出直流输出电压V4。由此，在将负载电阻6与直流输出端子7a、7b相连时，向负载电阻6提供直流输出电压V4。此外，图9的输出电流i3并非交流正弦波，而是具有纹波分量的直流电流。
另外，作为功率变换装置的变换器装置并不限于上述变换器装置1b的结构，也能通过第1LC谐振电路43、第3LC谐振电路45以及整流滤波电路46的组合来构成降压型、升压型以及升降压型的变换器装置。此外，通过采用在整流滤波电路46的前级插入绝缘变压器，从而也能构成使输入直流电压与输出直流电压之间绝缘的变换器装置。
以上，列举了各种实施方式对本发明的功率变换装置进行了说明，但并不限于上述实施方式的说明，能进行各种变形实施。例如，对通过如图3～图6所示的第2LC谐振电路41的各实施例那样使第2连接部41b与第4连接部41d直接连接从而如图1、9所示那样以直流输入端子2b和输出端子(交流输出端子3b、直流输出端子7b)通过公共接地G相连的结构作为基本结构的实施方式进行了说明，但也能采用接地不共用的结构(即，构成为第2连接部41b与第4连接部41d不直接连接，直流输入端子2b与输出端子(交流输出端子3b、直流输出端子7b)的某一方不与公共接地G相连的结构)。
该第2连接部41b与第4连接部41d不直接连接的结构的第2LC谐振电路41是在图3～图6所示的第2LC谐振电路41的各实施例中、将第1连接部41a与第2连接部41b互换、并将第3连接部41c与第4连接部41d互换后的LC谐振电路。该结构的第2LC谐振电路中，直流输入端子2a与开关元件5的一端直接连接，另一方面，直流输入端子2b与开关元件5的另一端之间连接有电感器、电容器(例如在应用于图3的电路时为第1电感器411、第2电感器412、第3电感器413以及第2电容器432)，因此成为直流输入端子2b与输出端子(交流输出端子3b、直流输出端子7b)中的某一方不与公共接地G相连的结构。
此外，在直流输入端子2b与输出端子(交流输出端子3b、直流输出端子7b)中的某一方不与公共接地G相连的结构也包含上述那样使构成第1LC谐振电路43的电容器43a和电感器43b分散配置在将开关元件5的一端与交流输出端子3a连接的第1路径内以及将开关元件5的另一端与交流输出端子3b连接的第2路径内的结构。
标号说明
1a逆变器装置
1b变换器装置
2a、2b直流输入端子
3a、3b交流输出端子
4负载网络
5开关元件
6负载电阻
7a、7b直流输出端子
41第2LC谐振电路
41a第1连接部
41b第2连接部
42第1谐振电容器
43第1LC谐振电路
43a电容器
43b电感器
V1直流输入电压
V2交流输出电压。

Claims (9)

1.一种功率变换装置，其特征在于，具有：输入有直流电压的正负两个直流输入端子；
输出交流电压的两个交流输出端子；
开关元件；
连接在所述开关元件的两端之间的第1谐振电容器；
在所述交流输出端子之间与所述开关元件一起串联连接的第1LC谐振电路；以及
连接在所述两个直流输入端子与所述开关元件的两端之间的第2LC谐振电路，
所述第1LC谐振电路具有包含电感器与电容器的串联电路的电流路径，
所述第2LC谐振电路形成为在所述两个直流输入端子之间处于短路状态时从所述开关元件的两端侧观察到的阻抗的频率特性中，从低频侧向高频侧具有第1谐振频率、第2谐振频率、第3谐振频率以及第4谐振频率，所述第1谐振频率比所述开关元件的开关频率高，所述第2谐振频率是该开关频率的大约2倍的谐振频率，且所述第4谐振频率是该开关频率的大约4倍的谐振频率，所述阻抗在所述第1谐振频率以及所述第3谐振频率上达到极大，并且在所述第2谐振频率以及所述第4谐振频率上达到极小。
2.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第2LC谐振电路的内部包含第1电感器、第2电感器、第3电感器、第1电容器以及第2电容器，
所述第1电感器、所述第2电感器以及所述第3电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，
所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，
所述第1电容器连接在所述第1电感器与所述第2电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间，
所述第2电容器与所述第2电感器并联连接。
3.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第2LC谐振电路的内部包含第4电感器、第5电感器、第6电感器、第3电容器以及第4电容器，
所述第4电感器、所述第5电感器以及所述第6电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，
所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，
所述第3电容器连接在所述第4电感器与所述第5电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间，
所述第4电容器连接在所述第5电感器与所述第6电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
4.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第2LC谐振电路的内部包含第7电感器、第8电感器、第9电感器、第5电容器以及第6电容器，
所述第7电感器、所述第5电容器以及所述第8电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，
所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，
所述第7电感器和所述第5电容器的串联电路与所述第9电感器并联连接，
所述第6电容器连接在第7电感器与所述第5电容器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
5.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第2LC谐振电路的内部包含第10电感器、第11电感器、第12电感器、第7电容器以及第8电容器，
所述第10电感器与所述第7电容器的串联电路以及所述第11电感器依次串联连接在所述两个直流输入端子中的一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的一端之间，
所述两个直流输入端子中的另一个直流输入端子与所述开关元件的两端中的另一端直接连接，
所述第12电感器与所述串联电路并联连接，
所述第8电容器连接在所述串联电路与所述第11电感器的连接点与所述开关元件的所述另一端之间。
6.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述开关元件进行E级开关动作。
7.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
所述第2LC谐振电路包含有内部磁耦合的电感器。
8.如权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，包含在所述第1LC谐振电路中的所述电容器和所述电感器由第9电容器和第13电感器构成，该第9电容器和第13电感器分散配置在所述开关元件的一端与所述两个交流输出端子中的一个交流输出端子之间的第一路径内、以及该开关元件的另一端与该两个交流输出端子中的另一个交流输出端子之间的第二路径内。
9.如权利要求1至8的任何一项所述的功率变换装置，其特征在于，
包括交直流变换电路，该交直流变换电路包括第3LC谐振电路以及整流电路而构成，并且连接在所述交流输出端子之间，将从该交流输出端子之间输出的所述交流电压转换为直流电压来输出。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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