JP2005513985A - ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、周波数が一定でないかまたは負荷電流が異なる状況においてゼロ電圧スイッチングを実現可能にする、ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法および装置を提供する。２つのスイッチング素子がそれぞれ電源に接続され、キャパシタンスに並列接続され、かつダイオードに逆方向に並列接続されており、このスイッチング素子は、それらの補助素子と共に、インダクタンスを経由して変換器の出力に接続するセミ回路の上側および下側を構成する。この変換器の制御信号の周波数は可変でもよく、したがってこの変換器は、周波数が一定でない条件下でゼロ電圧スイッチングが実現可能である。さらにスイッチング電力消費を５％未満に削減することが可能であり、同時に、電力消費が削減されるので、スイッチング周波数を大幅に引き上げることが可能であり、したがって動作周波数の範囲が拡大する。

Description

本発明は、ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法および装置に関する。

デジタル電力変換は、オンおよびオフになった状態で動作していなければならない。オンおよびオフになるそれぞれの動作は限られた時間の間に終了し、またスイッチング素子（または回路）がオンおよびオフになった状態の持続時間はそれらの特性によって決まる。オンまたはオフになる度に電力消費が生じる。スイッチング電力消費量の値は、１回のオンまたはオフ動作の持続時間にわたって、スイッチング素子（または回路）の中を流れる電流にスイッチング素子（または回路）の両端の電圧を乗じたものを積分することによって得られる値に等しい。したがってスイッチング素子のスイッチング周波数が高くなればなるほど、それだけスイッチング電力消費量が多くなる。特に周波数が非常に高いとき、このようなスイッチング電力消費量が消費電力の大部分を占めるようになり、スイッチング素子の総スイッチング電力消費量が増大し得る。しばしば、このようなスイッチング電力消費量が全電力の１５％よりも多くを占めることさえ起こり得る。さらに、このようなスイッチング電力消費によって、例えば、動作温度の上昇、スイッチング素子（または回路）の動作パラメータの逸脱等々、スイッチング素子（または回路）に対する悪影響を引き起こしかねない。この種のスイッチング電力消費量を小さくするために、ソフトスイッチングに関する数多くの技術が開発されている。このような技術の動作原理は、オンおよびオフ動作時に、スイッチング素子（または回路）を流れる電流またはその両端の電圧をゼロにするか、またはゼロに近づけることである。このような方式では、それに応じてスイッチング電力消費量が減少することになる。しかし、これまでは、この種のソフトスイッチング技術は、不変周波数によって制御される直流電力変換に利用可能であるに過ぎない。さらに、この種のソフトスイッチングの補助回路は多くの素子が備わって非常に複雑である。

本発明の目的は、ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法および装置を提供することであり、この方法および装置は、従来技術の欠点が克服可能であり、さらに可変周波数および／または異なる負荷電流を有する状況下でゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力変換を行うことができる。

本発明によるゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器では、電源に接続された２つの各スイッチング素子が、それぞれキャパシタンスに並列接続し、かつダイオードに逆方向に並列接続する。これらの２つのスイッチング素子は、電源、キャパシタンス、およびダイオードを含むそれらの補助回路と共に、セミブリッジ回路の上側と下側を構成し、このセミブリッジ回路はインダクタンスを介して変換器の出力に接続されている。

動作に際して、ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法と装置の２つのスイッチング素子が、同時にオフにされ、したがってこの変換器は無出力の状態にある。一方のスイッチング素子がオフにされ、同時に他方のスイッチング素子がオン状態からオフ状態に変化するかまたはその逆であるような場合もあり得る。オンおよびオフ状態にする過程では、２つのスイッチング素子は、これらのスイッチング素子両端の電圧がゼロまたはゼロに近い電圧である状況で動作している。

本発明はまた、上に説明したゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器を応用するデジタル電力変換装置を提供し、その変換装置が、
上に説明したゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器と、
この変換器に接続された制御回路であって、この制御回路の入力が入力信号に接続され、他方で、前記スイッチング素子にオンまたはオフ動作のための制御電圧を供給するために、制御回路の２つの出力が前記変換器内部のスイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続されている、制御回路と、を備え、
スイッチング素子がオンおよびオフにされるとき、それぞれのキャパシタンスの両端の電圧がゼロに到達し、それによって前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器の中に含まれている前記対応するスイッチング素子両端の電圧がゼロまたはゼロに近くなるように、前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器が制御回路と協働して、前記２つの制御電圧が両方ともゼロになるデッドゾーンの時間間隔が、オフからオン状態に変化するスイッチング素子にそれぞれ接続されているキャパシタンスがインダクタンスの中を流れる電流によって放電される時間間隔よりも長いかまたは等しいようにする。

本発明はまた、上に説明したデジタル電力変換装置を使用することによってゼロ電圧デジタル電力変換を実施する方法を提供し、その方法が、
上に説明したデジタル電力変換装置を提供する工程と、
ゼロ電圧スイッチング式電力変換器のそれぞれの回路パラメータから、それぞれのスイッチング素子に関する放電時間を決定する工程であって、その放電時間の間に、それぞれのスイッチング素子がオフからオン状態に変化する過程において、それぞれのスイッチング素子に並列接続されたそれぞれのキャパシタンスが、それぞれのキャパシタンスの両端の電圧がゼロに達するようにインダクタンスの中を流れる電流によって放電される、放電時間を決定する工程と、
このように決定された放電時間に基づいて制御回路を構成する工程であって、２つの出力制御信号間のデッドゾーン時間間隔を、対応する放電時間よりも長いかまたは等しくし、それによって、２つのスイッチング素子が前記制御電圧の制御下でオンおよびオフにされる間に、確実にそれぞれのスイッチング素子両端の電圧がゼロまたはゼロ近くになるように構成する工程と、を含む。

本発明の実際の機能、特徴、および動作は、添付の図の助けによって詳細に明解になる。本実施形態は本発明の１つの典型的な実施様式に過ぎず、それは本発明を限定しようとするものではない。

以下に図１〜３と共に、ゼロ電圧によって動作するデジタル電力変換の装置および方法に関する本発明を例示する。
図１では、２つのスイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂が、それぞれ電源Ｖ₁およびＶ₂に接続され、それぞれキャパシタンスＣ₁およびＣ₂に並列接続され、かつダイオードＤ₁およびＤ₂に逆方向に並列接続されており、これらの２つのスイッチング素子は、それらの補助回路と共にセミブリッジ回路の上側と下側を構成する。このセミブリッジ回路は、出力端子３に接続されたインダクタンスＬに接続し、ノード３と接地の間にキャパシタンスＣが設けてある。端子３を介して電気器具Ｒに通電することができる。

図２は、本発明にしたがうデジタル電力変換装置の構成図である。図２に示すように、この装置は、２つのモジュール、すなわち、上に説明したゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器Ｂと制御回路モジュールＡを含み、これらの２つのモジュールを直列に接続する。それらの機能に関する限り、モジュールＢはゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器として働き、またモジュールＡの入力１は電力変換を受ける必要がある入力信号を受け取る。さらに、Ｔ₁およびＴ₂をオンおよびオフにする動作を制御するための制御電圧Ｕ_T1およびＵ_T2に２つのスイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂を設けるために、モジュールＡの２つの出力が、モジュールＢの中のスイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂の制御電圧端子１および２にそれぞれ接続する。

図２から分かるように、制御回路によって生成される２つの制御信号は、スイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂がオンおよびオフになる状態を制御するために、端子１および２を介してスイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂に出力される。

本発明のゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力変換の方法および装置の全動作周期を図１および図２と共に説明する。
スイッチング素子Ｔ₂をオフにするとき、端子１を介して入力された制御信号がスイッチング素子Ｔ₁をオン状態に維持する。このとき、電源Ｖ₁は、スイッチング素子Ｔ₁およびインダクタンスＬを介して端子３に接続し、端子３経由で動作中の電気器具Ｒに電圧Ｖ₁を供給する。スイッチング素子Ｔ₁はオンにされかつスイッチング素子Ｔ₂がオフにされているので、スイッチング素子Ｔ₁に並列接続されたキャパシタンスＣ₁の両端の電圧はゼロであり、他方でスイッチング素子Ｔ₂に並列接続されたキャパシタンスＣ₂の両端の電圧はＶ₁＋Ｖ₂である（Ｖ₁はＶ₂に等しい。）。端子１から入力された制御信号がゼロになるとき、スイッチング素子Ｔ₁がオフにされる。この瞬間では、キャパシタンスＣ₁の両端の電圧がゼロである、すなわち、キャパシタンスＣ₁に並列接続するスイッチング素子Ｔ₁の両端の電圧がゼロであるので、それがオフになるとき、スイッチング素子Ｔ₁のスイッチング電力消費はゼロである。同時に、電流がインダクタンスＬの中を連続的に流れるように維持しなければならないので、キャパシタンスＣ₂の両端の電圧が負になるまで、キャパシタンスＣ₂をインダクタンス電流によって放電しかつキャパシタンスＣ₁をインダクタンス電流によって充電しなければならない。このような場合では、ダイオードＤ₂が導電してＣ₂の両端の電圧をゼロに近い負の電圧まで抑圧する。このとき、Ｃ₁の両端の電圧は約Ｖ₁＋Ｖ₂である。

キャパシタンスＣ₂が放電され、Ｃ₁が充電され、かつキャパシタンスＣ₂の両端の電圧がゼロに近づく遅延Ｔの経過後に、端子１を介して入力された制御信号がゼロになる時点から開始すると、端子２から入力された制御信号がスイッチング素子Ｔ₂をオンにする。この瞬間では、キャパシタンスＣ₂の両端の電圧はゼロに近いので、それがオンにされるとき、スイッチング素子Ｔ₂の両端の電圧もゼロに近い。したがって、スイッチング素子Ｔ₂がオンにされるとき、そのスイッチング電力消費はゼロである。

図３に示す制御信号の時間系列と共に、上記動作周期の手順を説明する。図３は、図２で説明した前記２つの制御信号の時間系列関係を示す。図３では、Ｕ_T1がＴ₁に関する格子制御電圧を表し、またＵ_T2がＴ₂に関する格子制御電圧を表す。図３において、
段階１（ｔ₁〜ｔ₂）：Ｔ₁がオンになり、かつＴ₂がオフになっている。

段階２（ｔ₂〜ｔ₃）：Ｔ₁がオフになり、かつＴ₂がオフになっている。
段階３（ｔ₃〜ｔ₄）：Ｔ₁がオフになり、かつＴ₂がオンになっている。
段階４（ｔ₄〜ｔ₅）：Ｔ₁がオフになり、かつＴ₂がオフになっている。

段階５（ｔ₅〜ｔ₆）：段階１の反復。
動作手順は以下の通りである。
動作手順を段階１から開始するものと想定すると、この瞬間では、Ｔ₁がオンにされ、かつＴ₂がオフにされており、Ｕ_C1＝０、Ｕ_C2＝Ｖ₁＋Ｖ₂であり、電源Ｖ₁からの電流がＴ₁、Ｌ、およびＲを通って流れるループを形成する。ｔ₂で、段階１が終わり、そして段階２が始まる。

段階２が始まると、Ｔ₁がオフにされ、かつｔ₂では、Ｕ_C1＝０であるので、Ｔ₁がゼロ電圧スイッチングによってオフにされる。このとき、インダクタンス電流は急激に変化せず、したがってそれは依然として端子３に流れる。Ｔ₁がオフにされているので、このインダクタンス電流は、Ｃ₁の充電およびＣ₂の放電によって連続的に流れるように維持しなければならない。通常、Ｃ₁およびＣ₂は、Ｔ₁およびＴ₂の少量の出力キャパシタンスであり、他方でＬの中を流れるインダクタンス電流は極めて大きいので、Ｃ₁をＵ_C1＝Ｖ₁＋Ｖ₂の電圧まで充電し、Ｃ₂をＵ_C2＝０の電圧まで放電するのに要する時間は非常に短い。インダクタンス電流は依然として端子３に流れる。このとき、Ｕ_C1およびＵ_C2がＤ₂によって抑圧されるので、これらのキャパシタンスの電圧はそれ以上変化することはない。ｔ₃で、段階２が終わりかつ段階３が始まるまで、電流はＤ₂を経由して電源Ｖ₂の負の端子（「−」）からＬおよびＲまで流れる。

段階３が始まると同時に、Ｔ₂がオンにされる。ｔ₃ではＵ_C2＝０であるので、Ｔ₂がゼロ電圧スイッチングによってオフにされ、他方でＴ₁はオフになっている。電流はＤ₂を経由してＶ₂の負の端子（「−」）からＬおよびＲに流れ、これは実際には、Ｖ₂がインダクタンス電流の蓄えられたエネルギーによって充電される状態である。インダクタンスの蓄えられたエネルギーは直ぐに尽きて、インダクタンス電流がゼロになる。ここで、電流は接地を経由してＶ₂の正の端子（「＋」）からＲおよびＬに流れ、かつＴ₂を経由してＶ₂の負の端子（「−」）に流れる。このとき、電流の方向は、端子３からＬおよびＴ₂へ変化する。ｔ₄で、段階３が終わり、そして段階４が始まる。

段階４が始まるとき、Ｔ₂がオフにされる。ｔ₄では、Ｕ_C2＝０なので、Ｔ₂がゼロ電圧スイッチングによってオフにされる。電流はＴ₂を介して電源に流れることができず、Ｃ₂を充電しかつＣ₂を放電できるだけであるが、Ｃ₂とＣ₁の両端の電圧が、それぞれＵ_C2＝Ｖ₁＋Ｖ₂およびＵ_C1＝０になるように、Ｃ₂が急速に充電されかつＣ₁が放電される。このとき、Ｕ_C1およびＵ_C2がＤ₁によって抑圧され、電流がＤ₁を介してＶ₁の正の端子（「＋」）に流れる。ｔ₅で、段階４が終わり、そして段階５が始まる。

段階５が始まるとき、Ｔ₁がオンにされる。このとき、Ｕ_C1＝０であるので、Ｔ₁がゼロ電圧スイッチングによってオンにされる。この時点から以降は、段階１が反復される。
以上に説明したように、それは段階１から段階４までの周期であり、その周期の中で、Ｔ₁とＴ₂の両端の電圧がゼロまたはゼロに近い条件下で、Ｔ₁およびＴ₂がオン動作とオフ動作の間の変換を行う。このようにして、スイッチング消費電力を削減する目的を実現することができる。

上の実施形態では、段階２の時間間隔、すなわち、デッドゾーン（即ち、不感帯）時間間隔は、Ｃ₁が充電されかつＵ_C2＝０までＣ₂がインダクタンス電流によって放電される時間間隔よりも長いかまたはそれに等しく、さらには、段階４の時間間隔、すなわち、他方のデッドゾーン時間間隔は、Ｃ₁が放電されかつＵ_C1＝０までＣ₂がインダクタンス電流によって充電される時間間隔よりも長いかまたはそれに等しい。

以上の説明から、ゼロ電圧スイッチングを実現する鍵は、図１に示した回路配置構造、デッドゾーン時間間隔ｔ₃〜ｔ₂、ｔ₅〜ｔ₄、およびＣ、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｌ、およびＲのパラメータの協働にあることが知られる。

したがって、本発明によれば、ゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力変換の方法の工程は以下の通りである。すなわち、前記デジタル電力変換装置を提供する工程；ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器のＣ₁、Ｃ₂、Ｌ、Ｃ、Ｒのそれぞれのパラメータに基づいて放電時間を決定する工程であって、その放電時間の間に、Ｔ₁とＴ₂のオフ状態がオン状態に変化するとき、Ｃ₁とＣ₂の両端の電圧がゼロに到達するように、スイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂にそれぞれ並列接続されたＣ₁およびＣ₂がインダクタンスＬのインダクタンス電流によって放電される、該放電時間を決定する工程；および、上で決定された放電時間にしたがって、デッドゾーン時間間隔が対応する放電時間よりも長いかまたは等しいように、出力された制御電圧信号Ｕ_T1とＵ_T2の間のデッドゾーン時間間隔を制御回路に制御させて、Ｔ₁およびＴ₂が前記制御電圧の制御下でオンおよびオフにされるとき、Ｔ₁とＴ₂の両端の電圧をゼロかまたはゼロ近くに維持されることを保証するように制御回路を構成する工程である。以上に説明したように、本実施形態では、段階２の時間間隔、すなわち、デッドゾーン時間間隔は、Ｃ₁が充電されかつＵ_C2＝０までＣ₂がインダクタンスによって放電される時間間隔よりも長いかまたは等しく、さらには、段階４の時間間隔、すなわち、他方のデッドゾーン時間間隔は、Ｃ₁が放電されかつＵ_C1＝０までＣ₂がインダクタンスによって充電される時間間隔よりも長いかまたは等しい。

上の実施形態では、Ｃ₁およびＣ₂がそれぞれＭＯＳＦＥＴ Ｔ₁およびＴ₂の出力キャパシタンスであり、その場合にＣ₂＝Ｃ₁である。
上の実施形態では、スイッチング素子Ｔ₁およびＴ₂がＭＯＳＦＥＴである。

上の実施形態では、制御信号が任意信号であり得るので、ゼロ電圧スイッチングを様々な周波数において実行することが可能であり、スイッチング電力消費を５％未満に削減することが可能である。同時に、電力消費が削減されるので、スイッチング周波数を大幅に引き上げることが可能であり、したがって動作周波数が拡大する。

特定の典型的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載の本発明のより広範な趣旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に様々な変形および変更がなされ得ることは当業者には明らかであろう。

本発明の１実施形態によるゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器を示す回路図である。 本発明によるゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換装置を示す構成図である。 本発明によるゼロ電圧スイッチングによって動作するデジタル電力処理の方法と装置の２つの制御信号を示す時間系列図である。

Claims (6)

1. ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器であって、前記変換器が２つのスイッチング素子を備え、前記２つの各スイッチング素子がそれぞれ、電源に接続され、キャパシタンスに並列接続し、かつダイオードに逆方向に並列接続し、前記スイッチング素子が、それらの補助回路と共に、インダクタンスを経由して前記変換器の出力端子に接続されているセミブリッジ回路の上側と下側をそれぞれ構成することを特徴とする、ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器。
2. 前記スイッチング素子が任意の種類のスイッチングデバイスであり得ることを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器。
3. 前記２つのキャパシタンスが、相互に等しくかつそれぞれが前記スイッチング素子の出力キャパシタンスであることを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器。
4. 前記２つのスイッチング素子がすべてオフにされる状態から、前記２つのスイッチング素子の一方がオンにされかつ他方がオフにされる状態に変化する時間間隔が、オンからオフ状態に変化する前記スイッチング素子に並列接続された前記キャパシタンスが前記インダクタンスの電流によって充電され、かつ前記キャパシタンスの両端の電圧がゼロに到達するまで、オフからオン状態に変化する前記スイッチング素子に並列接続された前記キャパシタンスが前記インダクタンスの電流によって放電される時間間隔よりも大きいかまたは等しいことを特徴とする、請求項１に記載のゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器を応用するデジタル電力変換装置であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器と、
   前記変換器に接続された制御回路であって、前記制御回路の入力が入力信号に接続され、他方で、前記スイッチング素子にそれらのオンまたはオフ動作のための制御電圧を供給するために、前記制御回路の２つの出力が前記変換器内部の前記スイッチング素子の制御端子にそれぞれ接続されている、制御回路と、を備え、
   前記２つの制御電圧が両方ともゼロになるデッドゾーンの前記時間間隔が、オフからオン状態に変化するスイッチング素子にそれぞれ並列接続されている前記キャパシタンスが前記インダクタンスの中を流れる電流によって前記それぞれのキャパシタンス両端の電圧がゼロに到達するように放電される時間間隔よりも長いかまたは等しいようにするように、前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器が前記制御回路と協働して、これにより前記スイッチング素子がオンおよびオフにされるとき、前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器の中に含まれている前記それぞれのスイッチング素子両端の電圧がゼロまたはゼロに近くなるように該前記ゼロ電圧スイッチング式デジタル電力変換器と、
   を備える該装置。
6. 請求項５に記載の前記デジタル電力変換装置を使用することによってゼロ電圧デジタル電力変換を実施する方法であって、
   請求項５に記載の前記デジタル電力変換装置を提供する工程と、
   前記ゼロ電圧スイッチング式電力変換器のそれぞれの回路パラメータから、放電時間を決定する工程であって、その放電時間の間に、それぞれのスイッチング素子がオフからオン状態に変化する過程において、前記それぞれのスイッチング素子に並列接続されたそれぞれのキャパシタンスが、前記それぞれのキャパシタンス両端の電圧がゼロに到達するように前記インダクタンスの中を流れる電流によって放電される、該放電時間を決定する工程と、
   前記決定された放電時間に基づいて前記制御回路を構成する工程であって、前記２つの出力制御信号間の前記デッドゾーン時間間隔を、対応する放電時間よりも長いかまたは等しくし、それによって、前記２つのスイッチング素子が前記制御電圧の制御下でオンおよびオフにされる間に、確実に前記スイッチング素子の両端の電圧がゼロまたはゼロ近くになるように構成する工程と、を含む方法。
   
   

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