JP2006042443A - 共振コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 変換効率向上、ノイズの抑制及びスイッチング素子の破損を防止する共振コンバータを得る。
【解決手段】 直流電源に直列に接続されたチョッパ用リアクトル３と、リアクトル３と接地間に直列接続された主スイッチング素子６と、リアクトル３と出力点の間に直列に接続されたダイオード４と、ダイオード４の出力を受けて充電される平滑用コンデンサ５と、主スイッチング素子６と直列に接続された共振用リアクトル１０と、リアクトル３の一方の端点と直列接続された共振用コンデンサ９と、共振用コンデンサ９と接地間に直列接続された補助スイッチング素子１１と、共振用リアクトル１０と主スイッチング素子６との接続点と、出力点との間、及び共振用コンデンサ９と補助スイッチング素子１１との接続点と、出力点との間にそれぞれ接続され、共振用リアクトル１０により発生する逆起電圧を所定の電圧に抑えるダイオード１４及び１５とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は共振コンバータ、特に昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ（直流−直流変換装置）に関するものであり、スイッチング損失を低減すると共にノイズの発生を抑制し、素子保護を図ろうとするものである。

一般的な昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータは、リアクトル、コンデンサ、スイッチング素子等で構成され、前記スイッチング素子のスイッチング動作により電源電圧の昇圧を行う。一般的なＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチング素子に流れる電流及び印加される電圧が互いに矩形波となっている状態でスイッチ切替えを行うため、スイッチ切替え時に、電圧及び電流の重なりが大きく、電圧と電流との積に応じて損失及びノイズが発生する。

そこで、こうしたスイッチング損失及びノイズを低減するため、スイッチング素子に共振用リアクトル及び共振用コンデンサからなる共振回路を付加し、スイッチング素子に流れる電流又は印加される電圧を共振波状にすることで、スイッチ切替え時の電流又は電圧を極力小さくしてスイッチング損失を低減するＤＣ／ＤＣコンバータ等が提案されている（例えば特許文献１参照）。

このＤＣ／ＤＣコンバータでは、設けられた主スイッチング素子のターンオン及びターンオフを電流のゼロクロス時に行うことで、スイッチング損失を理論上ゼロとすることが可能となり、これによりノイズも低減される。
特開平６−１８９５３２号公報（第８頁、第１図）

しかしながら、上記のＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチング素子と直列に、共振用のインダクタンス（共振用リアクトル）を挿入するため、主スイッチング素子及び補助スイッチング素子のターンオフ時に共振用リアクトルによる逆起電圧が発生する。この逆起電圧はスイッチング素子が有する寄生容量と共振用リアクトルの間で構成される共振回路により電圧共振してしまう。

スイッチング素子のターンオフ時に発生する電圧共振の周期は、スイッチング素子の寄生容量が数十ｎＦ程度と小さいことから、スイッチング周期と比較して十分小さい。そのため、ターンオフ時に発生する共振電圧は、ＩＧＢＴのオフ期間に通常印加される電圧（コンバータ出力点電圧。以下、出力点電圧という）に重畳した電圧振動として現れる。こうした振動はノイズとなるばかりでなく、振動の振幅が著しく大きく素子の耐圧を超過する場合には、素子の破壊に至ることも考えられる。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、共振コンバータにおいて、ターンオフ時の電圧波形の振動を抑制することで、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率向上、ノイズの抑制、及びスイッチング素子の破損を防止することを目的としている。

この発明に係る共振コンバータは、直流電源に直列に接続されたチョッパ用リアクトルと、チョッパ用リアクトルと接地間に直列接続された第１のスイッチング素子と、チョッパ用リアクトルと出力点の間に直列に接続された整流素子と、ダイオードの出力を受けて充電される平滑用コンデンサと、第１のスイッチング素子と直列に接続された共振用リアクトルと、チョッパ用リアクトルの一方の端点と直列接続された共振用コンデンサと、該共振用コンデンサと接地間に直列接続された第２のスイッチング素子と、共振用リアクトルと第１のスイッチング素子との接続点と、出力点との間、及び共振用コンデンサと第２のスイッチング素子との接続点と、出力点との間にそれぞれ接続され、共振用リアクトルにより発生する逆起電圧を所定の電圧に抑えるバイパス手段とを備えたものである。

本発明によれば、第１及び第２のスイッチング素子のターンオフ時に、共振用リアクトルにより発生する逆起電圧を、各スイッチング素子の入力端と出力点間に設けたバイパス手段により、出力点電圧でクランプすることにより、スイッチング素子に印加される電圧波形の振動を抑制してノイズの発生を防ぎ、変換効率を向上させ、さらにスイッチング素子の破損を防ぐことができる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１における共振コンバータを中心とする回路構成図を示すものである。図１において、１は直流電源、２はコンデンサ、３はチョッパ用のリアクトル（以下、単にリアクトルという）、４は整流素子であるダイオード、５は平滑用のコンデンサ（以下、単にコンデンサという）、６は第１のスイッチング素子である主スイッチング素子、７は第１の整流素子となるダイオードである。これらは昇圧型コンバータに用いられる昇圧チョッパ回路を構成している。ここで、主スイッチング素子６には寄生容量（浮遊容量）８が内部に生じる。

また、共振用コンデンサ９、共振用リアクトル１０、第２の整流素子となるダイオード１２及び第２のスイッチング素子である補助スイッチング素子１１により共振用回路を構成し、主スイッチング素子６に流れる電流を共振波状にする役割を有する。補助スイッチング素子１１も寄生容量１３が内部に生じる。

１４はダイオードであり、主スイッチング素子６の電圧が出力点電圧より大きくなろうとすときに、それをクランプする（抑える）働きを有する。ダイオード１５も、補助スイッチング素子１１の電圧を出力点電圧にクランプする働きを有する。このダイオード１４及びダイオード１５によって、バイパス手段を構成する。

また、主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１のスイッチング（ターンオン、ターンオフ）動作を、後述するタイミングで制御するスイッチ制御回路２０を有している。

図２は本実施の形態における主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１の動作波形図であり、（ａ）主スイッチング素子６の電圧波形、（ｂ）主スイッチング素子６の電流波形、（ｃ）主スイッチング素子６のゲート電圧波形、（ｄ）補助スイッチング素子１１の電圧波形、（ｅ）補助スイッチング素子１１の電流波形、及び（ｆ）補助スイッチング素子１１ゲートの電圧波形を示す。

図３は本発明に係る共振コンバータの動作説明図である。次に本実施の形態における共振コンバータの動作について、図２及び図３に沿って説明する。本動作制御はスイッチング動作のタイミングを行うスイッチ制御回路２０により行われる。まず、図２のようにｔ１より前においては、主スイッチング素子６はオフ状態、補助スイッチング素子１１はオン状態となっており、リアクトル３からコンバータ出力点（以下、出力点という）へダイオード４を介して電流が流れている。なお、共振用コンデンサ９は正に充電された状態となっている。主スイッチング素子６はオフ状態となっており、出力点電圧が印加された状態である。

タイミングｔ１で、主スイッチング素子６をターンオン、補助スイッチング素子１１をターンオフすると、共振コンデンサ９から見て閉回路が形成されることになるため、共振コンデンサ９に蓄えられた電荷は、図３（１）に示す経路で放電される。ターンオン直後は、主スイッチング素子６を含む共振回路に共振電流が流れるため、主スイッチング素子６はゼロ電流でターンオンされる。図３（１）に示す経路で電荷が放電され、一定時間経過すると、共振コンデンサ９は逆充電されるものの、補助スイッチング素子１１はオフ状態となっており、電荷は放電されないため、共振動作は一旦終了する。しかしながら、主スイッチング素子６はオン状態であるため、共振コンデンサ９が逆充電されたｔ２以降は、直流電源１より一定電流が主スイッチング素子６に流れる（図３（２））。

また、上記のような共振方式では、スイッチング素子（主スイッチング素子６、補助スイッチング素子１１）と直列に共振用リアクトル１０を挿入することから、スイッチング素子のターンオフ時に共振用リアクトル１０による逆起電圧が発生する。このターンオフ時に発生する逆起電圧はスイッチング素子中の寄生容量（寄生容量８、１３）と共振用リアクトル１０の間で構成される共振回路により電圧共振してしまう。（第２図中のスイッチング素子の電圧波形にあらわれる破線）。こうした振動はノイズとなるばかりでなく、振動の振幅が著しく大きく素子の耐圧を超過する場合には、素子の破壊に至ることも考えうる。そこで、バイパス用に設けられたダイオード１５は補助スイッチング素子１１の端子電圧を出力点電圧でクランプする働きを有し、タイミングｔ２におけるターンオフ時に発生するサージ電圧が出力点電圧以上となるとオン状態となり、出力点電圧より高い電圧を出力点電圧に抑えるようにすることで、電圧波形の振動を抑制する（図３（２））。

次に任意のタイミングｔ３で、補助スイッチング素子１１をオンすると、逆充電された共振コンデンサ９からは、図３（３）の経路で電流が流れはじめる。この電流により、主スイッチング素子６に流れる電流は再び共振電流となる。この共振電流が主スイッチング素子６に並列に接続されているダイオード７に流れている期間に主スイッチング素子６をオフすると、ゼロ電流でのターンオフとなる。タイミングｔ３より一定時間経過後のｔ４以降、共振コンデンサ９が正に充電されると、蓄積された電荷の放電経路がなくなるため、主スイッチング素子６の電圧波形が立ちあがり主スイッチング素子６に電圧が印加された状態、つまりオフ状態となる。ｔ４直後、共振用リアクトル１０により発生する出力点電圧以上の逆起電圧は、バイパス用に設けたダイオード１４を介してコンバータ出力に供給されるため、主スイッチング素子６の寄生容量８及び共振用リアクトル１０とで構成される共振回路での、電圧波形の振動は抑制される（図３（４））。上記スイッチング動作を繰り返すことにより、電源電圧の昇圧が行われる。

実施の形態１では、以上のような構成にしたことにより、スイッチ制御回路２０によるスイッチ制御により、補助スイッチング素子１１の切替えを制御するようにし、ターンオンの直後とターンオフ直前の期間のみ共振電流を流すようにして、電流のゼロクロス時に主スイッチング素子６の切替えを行うことで、効率のよいコンバータを得ることができる。また主スイッチング素子６のオン期間に非共振の期間を含むため、この部分の時間幅を任意に調整することで、ＰＷＭ(Pules Width Modulation:パルス幅変調）制御による電圧制御が可能である。また、ダイオード１４及び１５のような整流素子をバイパス手段として設け、主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１に印加される電圧が出力点電圧よりも高い電圧になろうとすると、出力点電圧でクランプするようにしたので、ターンオフ時に発生する電圧振動が抑制され、ノイズを抑制し、変換効率の向上を図ることができる。また、素子の耐圧より低い電圧に抑えることができるので、素子の破壊を防止することができる。また、ダイオード１４及び１５でバイパス手段を構成するようにしたので経済的である。

実施の形態２．
図４は、本発明に係る実施の形態２における共振コンバータの回路構成図を示すものである。尚、図４において、実施の形態１の回路と同一または相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。図１と異なる点は、共振用リアクトル１０と主スイッチング素子６の接点及びダイオード１４の間に新たにツェナーダイオード１６を配置した点、及び共振コンデンサ９と補助スイッチング素子の接点及びダイオード１５の間に新たにツェナーダイオード１７を配置した点である。

次に動作について説明を行う。図５は、主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１の動作波形図である。上記実施形態１と同様に、共振用コンデンサ９及び共振用リアクトル１０により構成される共振回路、及び補助スイッチング素子１１の働きにより、主スイッチング素子６には第５図（ｂ）に示す共振電流が流れ、ターンオン及びターンオフ時にゼロ電流スイッチングが行われる。上記動作を繰り返すことで、電源電圧の昇圧を行う。

動作上、実施の形態１と異なる点は、主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１がターンオフした際に、共振用リアクトル１０で発生する逆起電圧による、主スイッチング素子６及び補助スイッチング素子１１の電圧振動の抑制方法である。主スイッチング素子６がターンオフされると、共振用リアクトル１０は逆起電圧を発生する。主スイッチング素子６は数十ｎＦ程度の寄生容量８を有しており、共振用リアクトル１０と主スイッチング素子６の寄生容量８間で共振回路を形成してしまうため、ターンオフ時に電圧の共振が発生する。主スイッチング素子６のスイッチング周期と比較して、電圧共振の周期は十分小さいため、主スイッチング素子６のオフ期間に通常印加される電圧（出力点電圧）に重畳した電圧振動として現れる（図５中の破線）。

共振用リアクトル１０により発生する逆起電圧が、出力点電圧とツェナーダイオード１６の降伏電圧の合算値以上となると、ツェナーダイオード１６及びダイオード１４はオン状態となり、ツェナーダイオード１６−ダイオード１４の経路に、逆起電圧が出力電圧とツェナーダイオードの降伏電圧の合算値以下となるまで電流が流れる。

ツェナーダイオード１６のカソード電位が出力点電圧とツェナーダイオードの降伏電圧の合計値以下となると、ツェナーダイオード１６及びダイオード１４はオフ状態となる。補助スイッチング素子１１の電圧振動も同様の動作により抑制される。上記動作を繰り返すことにより、電源電圧の昇圧が行われる。

実施の形態２では、以上のような構成にしたことにより、スイッチング素子（主スイッチング素子６、補助スイッチング素子１１）のターンオフ時に、共振用リアクトル１０によって出力電圧とツェナーダイオードの降伏電圧の合算値以上の逆起電圧が発生した場合でも、ツェナーダイオード１６、１７及びダイオード１４、１５がオン状態となることで、電圧波形の振動を抑制しつつ、ゼロ電流スイッチングでの昇圧動作を行うことができる。ツェナーダイオード１６、１７を設けることで実施の形態１と比較して部品点数が多くなるものの、バイパス手段に流れる電流を少なくすることができるため、定格の小さな素子で回路を構成することができる。こうした電圧波形の過大な振動を抑制しつつゼロ電流スイッチングを行うようにすることで、コンバータの変換効率を向上させることができると共にノイズを抑制し、スイッチング素子が破壊されるのを防止することができる。

実施の形態３．
上述の実施の形態では、経済性、機能性を考慮した上で、実施の形態１ではバイパス手段をダイオードで構成し、実施の形態２では、ダイオードとツェナーダイオードとで構成した。本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチング素子に印加される電圧をクランプできるような素子等であれば、上述のような素子でなくてもよい。

実施の形態４．
上述の実施の形態では、昇圧型コンバータの回路について説明したが、本発明を降圧型のコンバータについても適用することができる。電源装置にもこのコンバータを適用することができ、これにより電源装置の力率改善を図ることができる。また、例えばパワーコンディショナーのような機器において、インバータの前段階に配されるコンバータとして利用することができる。

実施の形態１に係る共振コンバータを中心とする回路構成図である。 共振コンバータのスイッチング素子の動作波形図である。 共振コンバータの動作説明図である。 実施の形態２に係る共振コンバータを中心とする回路構成図である。 共振コンバータのスイッチング素子の動作波形図である。

符号の説明

１ 直流電源、２ コンデンサ、３ リアクトル、４ ダイオード、５ コンデンサ、６ 主スイッチング素子、７ ダイオード、８ 寄生容量、９ 共振コンデンサ、１０ 共振用リアクトル、１１ 補助スイッチング素子、１２ ダイオード、１３ 寄生容量、１４ ダイオード、１５ ダイオード、１６ ツェナーダイオード、１７ ツェナーダイオード。

Claims (5)

1. 直流電源に直列に接続されたチョッパ用リアクトルと、
   前記チョッパ用リアクトルと接地間に直列接続された第１のスイッチング素子と、
   前記チョッパ用リアクトルと出力点の間に直列に接続された整流素子と、
   該整流素子の出力を受けて充電される平滑用コンデンサと、
   前記第１のスイッチング素子と直列に接続された共振用リアクトルと、
   前記チョッパ用リアクトルの一方の端点と直列接続された共振用コンデンサと、
   該共振用コンデンサと接地間に直列接続された第２のスイッチング素子と、
   前記共振用リアクトルと前記第１のスイッチング素子との接続点と、前記出力点との間、及び前記共振用コンデンサと前記第２のスイッチング素子との接続点と、前記出力点との間にそれぞれ接続され、前記共振用リアクトルにより発生する逆起電圧を所定の電圧に抑えるバイパス手段と
   を備えたことを特徴とする共振コンバータ。
2. 直流電源に直列に接続されたチョッパ用リアクトルと、該チョッパ用リアクトルを介して前記直流電源に並列接続された共振用リアクトルと、
   前記チョッパ用リアクトルを介して前記直流電源に並列接続されて前記共振用リアクトルと共に共振回路を構成する共振用コンデンサと、
   前記共振用リアクトルと直列接続された第１のスイッチング素子と、
   該第１のスイッチング素子に並列接続されて前記第１のスイッチング素子を流れる電流と逆方向の電流を通す第１の整流素子と、
   前記チョッパ用リアクトルと出力点との間に直列に接続された整流素子と、
   該整流素子の出力を平滑する平滑用コンデンサと、
   前記共振用コンデンサと直列接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第２のスイッチング素子に並列接続されて補助スイッチング素子を流れる電流とは逆方向の電流のみを通す第２の整流素子と、
   前記共振用リアクトルと前記第１のスイッチング素子との接続点と、前記出力点との間、及び前記共振用コンデンサと前記第２のスイッチング素子との接続点と、前記出力点との間にそれぞれ接続され、前記第１のスイッチング素子がターンオフした時に前記共振用リアクトルにより発生する逆起電圧を所定の電圧に抑えるバイパス手段と
   を備えたことを特徴とする共振コンバータ。
3. 前記バイパス手段は、前記逆起電圧を前記出力点電圧に抑えるためのダイオードであることを特徴とする請求項１記載の共振コンバータ。
4. ダイオードとツェナーダイオードとを直列接続して前記バイパス手段を構成し、前記逆起電圧を、前記出力点電圧と前記ツェナーダイオードの降伏電圧とを合算した電圧に抑えることを特徴とする請求項１記載の共振コンバータ。
5. 前記第１のスイッチング素子のターンオン直後とターンオフ直前の期間にのみ、前記第１のスイッチング素子に共振電流を流すように制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の共振コンバータ。
   

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