JP2006353047A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、第１のスイッチング素子に並列に接続した第１のダイオード及び第１のコンデンサの接続点に一端を接続した第２のインダクタンス素子と、この第２のインダクタンス素子の他端に第１の電流端子を接続した第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子の第２の電流端子にアノードを接続すると共に前記第２のインダクタンス素子の一端にカソードを接続した第２のダイオードとを備えた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のモーター駆動電源やプラズマディスプレイ等の各種電気機器に用いられる電源システムに関するものである。

従来この種の電源システムは、図５に示されるように、直流電源に接続したインダクタンス素子１の一端にスイッチング素子２を接続し、このスイッチング素子２に並列にダイオード３と平滑コンデンサ４からなる直列体を接続し、このダイオード３とコンデンサ４との接点にインダクタンス素子５とダイオード６からなる直列体を接続し、このインダクタンス素子５とダイオード６からなる直列体に平滑コンデンサ７を接続していた。

このようにして、例えば２００Ｖの直流電源を用いて、平滑コンデンサ７に接続した５００Ｖのモーターを駆動させていた。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平７−９５７６６号公報

このような従来の電源システムはスイッチング素子２のオンからオフへの切り替え時において、スイッチング素子２で発生するスイッチング損失が問題となっていた。

すなわち、上記従来の構成において、まずスイッチング素子２のオン時には、入力電圧Ｖｉに起因する電流がインダクタンス素子１及びスイッチング素子２に流れることにより、インダクタンス素子１に磁束エネルギーが蓄えられる。

次に、スイッチング素子２がオフすると、このインダクタンス素子１に蓄えられた磁束エネルギーは容量の小さなコンデンサと等価になったスイッチング素子２及びコンデンサ４に蓄えられ、スイッチング素子２及びコンデンサ４の電圧が出力電圧Ｖｏを超えたとき、そのエネルギーはインダクタンス素子５、ダイオード６を介して平滑コンデンサ７に充電される。

その後、もう一度スイッチング素子２がオンになると、先ほどと同様にインダクタンス素子１には磁束エネルギーが蓄えられ、一方平滑コンデンサ７のエネルギーは、接続された負荷（図示せず）などにより消費される。そして、この時、平滑コンデンサ４は出力電圧Ｖｏの値を保ち続けている。

次に、スイッチング素子２がオフすると、平滑コンデンサ４は出力電圧Ｖｏの値を保ち続けているため、インダクタンス素子１から流れる電流は全て、容量の小さなコンデンサと等価になったスイッチング素子２に供給される。この時に、スイッチング素子２で発生するサージ電圧は、スイッチング素子２に流れる電流量に比例するため、平滑コンデンサ４が空の状態のときに比べてサージ電圧が大きくなる上に、スイッチング素子２に流れる電流自体が大きいため、大きなスイッチング損失を発生させていた。

そこで本発明は、スイッチング素子で発生するスイッチング損失の低減を目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、第１のスイッチング素子に並列に接続した第１のダイオード及び第１の平滑コンデンサの接続点に一端を接続した第２のインダクタンス素子と、この第２のインダクタンス素子の他端に第１の電流端子を接続した第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子の第２の電流端子にアノードを接続すると共に前記第２のインダクタンス素子の一端にカソードを接続した第２のダイオードとを備えた構成としている。

本発明の電源システムは、第１のスイッチング素子をオンにした後に、第２のスイッチング素子をオンにすることによって、第１の平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーを、第２のインダクタンス素子、第２のスイッチング素子、第２のダイオードで循環させて、第２のインダクタンス素子にそのエネルギーを磁束エネルギーとして吸収させるため、第１のスイッチング素子のオン時間を一定以上とれば第１の平滑コンデンサのエネルギーを全て第２のインダクタンス素子に移すことができる。そうすることにより、次に第１のスイッチング素子をオフしたときに、インダクタンス素子から流れる電流全てが、コンデンサと等価になった第１のスイッチング素子に供給されるのではなく、第１のスイッチング素子及び第１の平滑コンデンサに分流して供給されるため、第１のスイッチング素子に大電流が流れることがなく、また第１のスイッチング素子で発生するサージ電圧を低減でき、スイッチング損失を低減することができるのである。

（実施の形態１）
以下、本実施形態における電源システムについて図面を参照しながら説明する。

本実施形態における電源システムの回路図１において、２００Ｖのバッテリー等である直流電源８の正極には入力端子２６を介してインダクタンス素子９の一端を接続し、このインダクタンス素子９の他端にはスイッチング素子１０の第１の電流端子及びダイオード１１のアノードを接続し、ダイオード１１のカソードには平滑コンデンサ１２の一端を接続し、平滑コンデンサ１２の他端にはスイッチング素子１０の第２の電流端子を接続するとともに直流電源８の陰極を入力端子２７を介して接続している。そして、ダイオード１１と平滑コンデンサ１２の接続点にはそのダイオード１３のカソードを接続するとともに、インダクタンス素子１４の一端を接続している。そして、インダクタンス素子１４の他端及びダイオード１３のアノードにはスイッチング素子１５を接続し、これらダイオード１３、インダクタンス素子１４、スイッチング素子１５で１つの閉回路を形成している。そして、インダクタンス素子１４の他端にはダイオード１６のアノードを接続し、ダイオード１６のカソードには平滑コンデンサ１７及びダイオード１８のカソードを接続し、このダイオード１８のアノードはインダクタンス素子９の他端に接続している。そして、平滑コンデンサ１７には出力端子２８、２９を介して５００Ｖで駆動するモーター等の負荷１９を並列に接続しており、平滑コンデンサ１７の両端電圧を検知したＰＷＭ制御回路２０がスイッチ駆動部２１を介してスイッチング素子１０のオン・オフを制御し、スイッチ駆動部２２を介してスイッチング素子１５のオン・オフを制御している。

ここで、ＰＷＭ制御回路２０は、平滑コンデンサ１７の両端電圧があらかじめ設定された所定の電位よりも低下すればスイッチング素子１０のオン時間を高くし、逆に平滑コンデンサ１７の両端電圧が所定の電位よりも高くなればスイッチング素子１０及びスイッチング素子１５のオン時間を低くすることにより、平滑コンデンサ１７の両端電圧を安定化させている。

ここで、スイッチ駆動部２１、２２には、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、専用ＩＣ、ホトカプラなどを用いることができるが、入力信号と同一の出力を得ることができるトランジスタを用いるのが、簡単な回路設計ができるため望ましい。

また、スイッチング素子１０、１５には、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体を用いることができるが、６００Ｖ以上の耐圧が求められる場合はＩＧＢＴを、６００Ｖ以下の耐圧が求められる場合はパワーＭＯＳＦＥＴを用いると内部損失が少なく望ましい。

それでは、本実施の形態における電源システムの動作について図２を用いて説明する。ここで、Ｓ１はスイッチング素子１０のゲート駆動信号、Ｓ２はスイッチング素子１５のゲート駆動信号、Ｉｑはスイッチング素子１０に流れる電流、Ｖｄｓ１はスイッチング素子１０の両端電圧、Ｖｄｓ２はスイッチング素子１５の両端電圧、Ｖｎｃは平滑コンデンサ１２の両端電圧、ＩＬ２はインダクタンス素子１４に流れる電流を示している。

まず、初期状態（ｔ０以前）では、Ｓ１、Ｓ２は共にオフとなっており、Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、Ｖｎｃはそれぞれ平滑コンデンサ１７の両端電圧、即ち出力電圧Ｖｏに等しい状態にある。

次に、ｔ０においてＰＷＭ制御回路２０による制御により、スイッチ駆動部２１を介してスイッチング素子１０のゲート端子にオン信号Ｓ１が供給されると、スイッチング素子１０がターンオンする。この時、直流電源８、インダクタンス素子９、スイッチング素子１０により閉ループが形成される。このスイッチング素子１０がターンオンすることにより、電流Ｉｑが発生し、この間、インダクタンス素子９には電流の流入に伴い磁束エネルギーが蓄積されている。

その後、ｔ１においてＰＷＭ制御回路２０による制御により、スイッチ駆動部２２を介してスイッチング素子１５のゲート端子にオン信号Ｓ２が供給され、スイッチング素子１５がターンオンすると、スイッチング素子１５の両端電圧Ｖｄｓ２が急速に低下する。この時、平滑コンデンサ１２に蓄積された電荷（エネルギー）は、ダイオード１３、インダクタンス素子１４、スイッチング素子１５の閉回路へと移動する。そのため、平滑コンデンサ１２の両端電圧Ｖｎｃは低下し、インダクタンス素子１４を流れる電流ＩＬ２は増加する。

このＶｎｃが完全に立下がるのに要する時間ｔｆは、インダクタンス素子１４と平滑コンデンサ１２による共振周波数の４分の１となる。スイッチング素子１５のオン時間をｔｆ以上に設定すれば、平滑コンデンサ１２のエネルギーの全てをインダクタンス素子１４へ移すことができる。

次に、ｔ２において、Ｖｎｃがゼロになると、平滑コンデンサ１２に蓄えられていた電荷（エネルギー）は全て、インダクタンス素子１４、スイッチング素子１５、ダイオード１３の閉回路を循環する電流となっており、この電流によりインダクタンス素子１４に磁束エネルギーが蓄えられる。

その後、ｔ３において、ＰＷＭ制御回路２０による制御により、スイッチング素子１５をターンオフすると、インダクタンス素子１４に蓄積された磁束エネルギーがダイオード１６を導通し、その磁束エネルギーは平滑コンデンサ１７の一端に回生される。この時、ダイオード１６は導通状態であるため、スイッチング素子１５の両端電圧Ｖｄｓ２は平滑コンデンサ１７の両端電圧まで上昇する。そして、インダクタンス素子１４の磁束エネルギーが平滑コンデンサ１７の一端に回生されるに従って、インダクタンス素子１４に流れる電流ＩＬ２は減少していく。

次に、ｔ４においてインダクタンス素子１４に蓄積された磁束エネルギーがゼロとなり、ＩＬ２がゼロになると、ダイオード１６がオフするため、第２のスイッチング素子の両端電圧Ｖｄｓ２は０［Ｖ］に低下して、時刻ｔ５に至るまで、その状態が継続される。

その後ｔ５において、スイッチング素子１０をターンオフさせると、電流Ｉｑは、スイッチング素子１０の出力容量Ｃｏｓｓと分流回路を構成する平滑コンデンサ１２との２つの経路に分流される。コンデンサ１２のエネルギーは、ｔ２において全てインダクタンス素子１４へ移動しているため、Ｖｎｃは０となっており、スイッチング素子１０を充電する電流Ｉ_q-offは（数１）のようになり、

コンデンサ１２の容量Ｃ１２の大きさに従い、スイッチング素子１０に流れる電流量を減らすことができる。

このような構成により、電流に比例して大きくなるサージ電圧を低減することができ、さらに、電流量自体が少なくなっているため、電流と電圧の積によって求まるスイッチング損失を図３に示すごとく大幅に低減することができる。このようにしてスイッチング損失の少ない昇圧コンバータを構成することができる。

また、スイッチング損失を削減することにより、その発熱量が減少するため、放熱フィンなどを小型にでき、装置全体を小型にすることができるものである。

なお、直流電源８の代わりに、図４に示すごとく交流電源２３に整流ブリッジダイオード２４を接続したものを用い、ＰＷＭ制御回路２０が入力電流を検出するための電流検出抵抗２５を整流ブリッジダイオード２４とスイッチング素子１０の第２の電流端子との間に設けることで、力率改善コンバータを構成することも可能である。

本発明の電源システムは、スイッチング素子で発生するスイッチング損失が少ないという効果を有し、自動車のバッテリー駆動電源やプラズマディスプレイ等の各種電気機器の電源等において有用である。

本発明の実施の形態１における電源システムの回路図 本発明の実施の形態１における電源システムの動作波形図 本発明の実施の形態１における電源システムのスイッチング損失を示す図 本発明の実施の形態１における電源システムの回路図 従来の電源システムの図

符号の説明

９、１４ インダクタンス素子
１０、１５ スイッチング素子
１１、１３、１６、１８ ダイオード
１２、１７ 平滑コンデンサ
２０ ＰＷＭ制御回路
２６、２７ 入力端子
２８、２９ 出力端子

Claims (3)

1. 入力端子と、この入力端子に一端を接続した第１のインダクタンス素子と、この第１のインダクタンス素子の他端に第１の電流端子を接続した第１のスイッチング素子と、前記第１のインダクタンス素子の他端にアノードを接続した第１のダイオードと、この第１のダイオードのカソードに一端を接続すると共に前記第１のスイッチング素子の第２の電流端子に他端を接続した第１の平滑コンデンサと、前記第１のダイオードのカソードにカソードを接続した第２のダイオードと、この第２のダイオードのカソードに一端を接続した第２のインダクタンス素子と、この第２のインダクタンス素子の他端に第１の電流端子を接続すると共に前記第２のダイオードのアノードに第２の電流端子を接続した第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子の第１の電流端子にアノードを接続した第３のダイオードと、この第３のダイオードのカソードにカソードを接続すると共に前記第１のインダクタンス素子の他端にアノードを接続した第４のダイオードと、前記第３のダイオードのカソードに一端を接続した第２の平滑コンデンサと、この第２の平滑コンデンサに接続した出力端子とを備えた電源システム。
2. 第２の平滑コンデンサの両端電圧またはこの第２の平滑コンデンサの両端電圧によって変動する電圧を検出すると共に前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路を有する請求項１に記載の電源システム。
3. 第１のスイッチング素子がオフの時には常に第２のスイッチング素子をオフにする請求項１に記載の電源システム。

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