JP2006504382A - 最小化された伝導損を有するゼロ電圧スイッチング単式スイッチ型共振直流リンク - Google Patents

最小化された伝導損を有するゼロ電圧スイッチング単式スイッチ型共振直流リンク Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、ゼロ電圧スイッチング状態で切り替わる、電源装置を採用している、単式スイッチ型共振直流リンク(SRDCL)コンバータを提供する。
【解決手段】 単式スイッチ型共振直流リンク(SRDCL)変換器は、単一または多相変換装置及び変換器アプリケーションにおける低伝導損に対する単一の補助電力装置を有する並列共振ネットワークに対して提供される。補助電力装置を有する共振ネットワークは、DCリンクに結合された電力装置の状態が変化するときに起動される。共振ネットワークは、DCリンクに結合された電力装置のいずれかがオンになる前にDCリンク電圧をゼロに降下させる。また、補助スイッチもゼロ-電圧切換え条件でオンになる。従って、全ての電力装置においてもたらされたスイッチング・ロスは、効果的に除去することができる。DCリンクに結合された電力装置において状態の変化が存在しないならば共振回路が起動されないので補助電力装置における深刻な伝導損が存在しない。

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2002年10月23日に出願された、In-Hwan Ohによる米国仮出願第60/420,839号:“Zero-voltage-switching SRDCL (single-switched resonant DC link) inventer with minimized conduction loss”からの優先権を主張する。
本発明は、直流(DC)-直流(DC)または直流(DC)-交流(AC)多段コンバータに関し、特に、ゼロ電圧スイッチング状態で切り替わる、電源装置を採用している、単式スイッチ型共振直流リンク(SRDCL)コンバータに関する。
電源装置は、スイッチング・ロス中にかなりの損失を経験しうる。この損失の原因は、スイッチング処理中に装置の電流及び電圧が同時に非ゼロになりうるということである。この問題は、共振直流リンク(RDCL)コンバータを記述している、1988年5月8日に発行された米国特許第4,730,242号で取り組まれた。関連する能動的クランプ式RDCLコンバータが米国特許第4,864,483号及び米国特許第5,038,267号に示されている。ゼロ電圧状態を検出するための対応する方法が1992年11月に発行された米国特許第5,166,549号に記述されている。
しかしながら、能動的クランプ式RDCLコンバータの形態は、主コンバータスイッチにおける高電圧歪である。なぜならば、In-Hwan et al.による“Simple Soft-Switched PWM Inverter Using Source Voltage Clamped Resonant Circuit”, IEEE Tran. On Industrial Electronics Vol. 46, pp. 468-471, April 1999に記述されているように、自然共振による電圧歪は、入力DC電源電圧よりも2〜3倍高いものでありうるからである。この高電圧歪問題を軽減するために、交互並列共振回路及びDC軌道ソフト-スイッチ型共振回路が1992年5月5日に発行された米国特許第5,111,374号、1992年12月15日に発行された米国特許第5,172,309号、1995年5月2日に発行された米国特許第5,412,557号、及び1996年9月24日に発行された米国特許第5,559,685号に記述されている。しかしながら、これらの方式は、2つまたは3つ以上のスイッチを必要とするのでまだかなり高価でかつ複雑なアプローチである。米国特許第5,617,308号に開示されたクランプ型RDCLコンバータは、ソフト・スイッチングを達成するためにたった1つのスイッチを用いる。しかし、この特許における共振リンク電圧は、クランピング・キャパシタが誘導負荷のリアクティブ・エネルギーによって充電されるので、かなり増大されうる。
リンク電圧は、D. M. Divan, et al. in :“Design Methodologies for Soft Switched Inverters”, IEEE Trans. On Ind. Appl. Vol. 29, No. 1, pp. 126-135,によって記述されるように、簡単な実施及び容易な制御を用いてソフト-スイッチ型PWMに対する同期共振DCリンクコンバータによってクランプすることができる。このSRDCL方式は、ピーク電圧歪をクランプすることができるが、しかしSRDCLコンバータのピーク電圧は、Vdcよりもまだ高い。更に、DCリンク電圧は、負荷電流がクランピング・キャパシタを充電するので負荷電流が変化するときに、かなり増大されうる。更に、共振スイッチの電流歪は、In-Hwan Oh et al in, “A Source Voltage Clamped Resonant Link Inverter for a PMSM using a Predictive Current Control Technique”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 14, No. 6, pp. 1122-1132, November 1999によって説明されたように、図6A及び6Bに示された実験結果から分かるように、負荷電流が共振電流と重複するので、大きいものでありうる。
上述したコンバータの特定の特徴は、DCリンクの共振の補助電力装置が電力線に配置されるということである。そのようなトポロジーは、負荷電流によるパワー・ロスをもたらすと同時に、DCリンク電圧は、公称電圧レベルである。
簡潔にかつ一般的に、本発明の実施形態は、簡単なブリッジ整流器でありうるかまたは一群の第1の電力装置、補助電力装置を含んでいる、共振DCリンクを包含する、AC-DC間コンバータと、一群の第2の電力装置を含んでいる、DC-ACコンバータと、及びAC-DC間コンバータ、共振DCリンク、及びDC-AC間コンバータを結合するDCリンク・ラインとを含む、コンバータ回路を含み、補助電力装置は、DCリンク・ライン間に結合される。
更なる実施形態は、AC-DC間コンバータ、共振DCリンク、DC-AC間コンバータ、及びDCリンク・ラインを含む、コンバータを含む。DC-AC間コンバータは、共振キャパシタ、等価パワー・ダイオード、及び等価スイッチを含み、共振キャパシタ、等価パワー・ダイオード、及び等価スイッチは、DCリンク・ライン間で結合されかつ互いに並列である。共振DCリンクは、補助電力装置を含む。DCリンク・ラインは、AC-DC間コンバータ、共振DCリンク、及びDC-AC間コンバータを結合する。補助電力装置は、DCリンク・ライン間で結合される。
本発明の実施形態は、ゼロ電圧スイッチング状態で動作することができる。
本発明のより完全な理解に対して及び更なる特徴及び効果に対して、添付した図面に関して取られた以下の説明をここで参照する。
本発明の実施形態及びそれらの効果は、図面の図1〜図5を参照することによって最もよく理解される。同じ数字は、様々な図面の同じ及び対応している部分に対して用いられる。
図1は、本発明の一実施形態を示す。コンバータ回路100は、交流(AC)-直流(DC)コンバータ110を含む。AC-DCコンバータ110は、一群の電力装置112-1〜112-nを含む。またコンバータ100は、共振DCリンク120も含み、共振DCリンク120は、少なくとも一つの補助電力装置122を含む。コンバータ100は、DC-ACコンバータ130を更に含み、DC-ACコンバータ130は、一群の第2の電力装置132-1〜132-n'、及びDCリンク・ライン150を含む。DCリンク・ライン150は、AC-DCコンバータ110、共振DCリンク120、及びDC-ACコンバータ130を結合する。補助電力装置122は、DCリンク・ライン150間に結合される。
AC-DCコンバータ110では電力装置112の数nは、出力フェーズにより2以上でありうる。例えば、nは、3相AC電力を受け取る実施形態において6でありうる。電力装置112は、MOS-FET型またはNPNバイポーラ・トランジスタのパワー・トランジスタ113-1〜113-nを含みうる。ある実施形態では、パワー・ダイオード114-1〜114-nがパワー・トランジスタ112間に結合される。ある実施形態では、パワー・ダイオード114は、明示的には形成されず、それら(パワー・ダイオード114)は、形成しているパワー・トランジスタ113の副産物として形成される、寄生ダイオードである。電力装置112がMOS-FETsであるような、実施形態では、パワー・ダイオード114は、対応するパワーMOS-FETのソースとドレインとの間に結合される。
AC-DCコンバータ110において電力装置112は、直列に二つ一組で結合され、電力装置112-1及び112-2が第1のアーム117-1を形成し、電力装置112-3及び112-4が第1のアーム117-2を形成し、そして電力装置112-5及び112-6が第3のアーム117-3を形成している。その他の実施形態ではアームの数は、約1と約6の間でありうる。
ある実施形態では端子115-1〜115-3は、対応するアームのパワー・トランジスタ間のアーム117-1〜117-3に結合される。端子115は、AC電流を受け取るために外部AC電源に結合されうる。
DC-ACコンバータでは電力装置132の数n'は、AC出力相により、2以上でありうるし、例えば、3相システムに対しては6である。電力装置132は、パワー・トランジスタ133-1〜133-n'を含みうる。パワー・トランジスタ133は、例えば、MOS-FETデバイスでありうる。ある実施形態ではパワー・ダイオード134-1〜134-n'は、パワー・トランジスタ133-1〜133-n'間に結合される。その他の実施形態では、パワー・ダイオード134は、形成しているパワー・トランジスタ133の副産物として形成されうる。電力装置132がMOS-FETsである実施形態では、パワー・ダイオード134は、対応するパワーMOS-FETsのソースとドレインとの間に結合される。
AC-DCコンバータ130ではパワー・デバイス132は、直列に二つ一組で結合され、パワー・デバイス132-1及び132-2が第1のアーム137-1を形成し、パワー・デバイス132-3及び132-4が第2のアーム137-2を形成し、そしてパワー・デバイス132-5及び132-6が第1のアーム137-3を形成している。その他の実施形態ではアームの数は、1と6との間でありうる。
ある実施形態では端子135-1〜135-3は、対応するアームのパワー・トランジスタ間のアーム137-1〜137-3に結合されている。端子135は、AC電流を送付するために外部負荷144に結合されうる。外部負荷144は、例えば、Mで示されたモータでありうる。
共振DCリンク120の補助電力装置122は、MOS-FETまたはnpnバイポーラ・トランジスタ形式のものでありうる、補助パワー・トランジスタ123を含む。補助パワー・ダイオード124は、補助パワー・トランジスタ123間に結合される。補助パワー・トランジスタ123がMOS-FETである実施形態では、補助パワー・ダイオード124は、MOS-FETのドレインとソースとの間に結合されうる。その他の実施形態では、補助パワー・ダイオード124は、形成しているパワー・トランジスタ123の副産物として形成されうる。
共振DCリンクの更なる素子は、補助電力装置122と直列に結合された第1のコンデンサC1と、補助電力装置122及び第1のコンデンサC1と並列に結合されたインダクタンスL1とを含む。ある実施形態ではコンデンサC1及びC2は、例えば、コンバータ100の残りの部分の寄生キャパシタンス(静電容量)と比較して、大きなキャパシタンスを有する。これらの実施形態では、コンデンサC1及びC2に関連付けられた特性時間は、コンバータ100のその他の特性時間よりも遥かに長い。従って、コンデンサC1及びC2の電圧が回路の残りの部分における電圧よりも遥かにゆっくり変化するので、コンデンサC1及びC2は、電圧源と考えられうる。
図2は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態は、図1のコンバータに本質的に等しい。AC-DCコンバータ110の機能は、インダクタLiと直列に結合された電圧源Vdcを含む、単純化入力回路によって実行されうる。
DC-ACコンバータ130では等価スイッチQxは、電力装置132を置き換えうる。逆並列ダイオードDxは、全てのパワー・ダイオード114及び134を表す。負荷144によって引き出された電流は、ある実施形態では負荷インダクタンスが共振インダクタンスLrよりも10倍以上大きいものでありうるので、回路の残りの部分に対する電流源I0と考えられうる。DC-ACコンバータ130のコンデンサCrは、共振DCリンク120と電力装置112及び132の全ての並列及び直列接続された出力コンデンサとの間の全ての寄生コンデンサを表す。等価スイッチQxの閉じられた/導通している/オンにされた状態は、所与のアームの両方のパワー・トランジスタが閉じられた/導通している/オンにされた状態であるときの状況に対応する。
コンバータ100の動作中、インダクタLr及びコンデンサCrは、回路の最速特性時間を有する共振回路を形成する:
Figure 2006504382
またT2は、共振サイクルまたは共振時間とも称される。
共振DCリンク120において共振スイッチQr及びパワー・ダイオードDrは、補助電力装置122を表す。Vcl及びVc2電圧は、コンデンサC1及びC2の本質的に一定電圧を表す。
簡単な回路解析は、図2の実施形態が図1のコンバータ1に本質的に類似するように実行するということを示す。次に、コンバータ100の動作を説明する。
ある実施形態において動作は、電力装置のスイッチング時間及び共振サイクルに基づき5つのステップまたはフェーズに分割しうる。ステップまたはフェーズの数は、回路の様々な特性時間定数に依存する。これらの時間定数は、電力装置のスイッチング時間及びLr及びCrの共振サイクルを含む。解析は、スイッチQx及びQrの非理想の形態及びインダクタンスLrのコア飽和を無視する。
図3A〜3Hは、図1及び図2のコンバータ100の動作のステップを示す。これらの図において太い線は、電流の主要な部分が流れる電気的結合を示す。
コンバータ100は、t<t0に対して少なくとも二つの初期状態を有しうる:図3A及び3Bに示すような、状態0及び状態1。
図3Aは、状態0においてスイッチQx及びQrは、オープンでありかつ電流の主要な部分は、DCリンク・ライン及び負荷144に流れていることを示す。
図3Bは、状態1においてスイッチQx及びQrはまたオープンであることを示す。電流の主要な部分は、DCリンク150及び負荷144を通って流れている。更に、電流は、Lr及びCr及びパワー・ダイオードDxを通って流れている。
等価スイッチQxがオープンである/オフにされるような状態0で開始する方法のステップを考える。
図3Cは、ステップ1を示す。ステップ1
Figure 2006504382
において共振スイッチQrは、t=t0でオンにされる。インダクタ電流iL(t)は、C1,Qr,及びLrを通って流れる。インダクタLrを通って流れる電流iL(t)は、
Figure 2006504382
によって与えられる。
電流iL(t)は、時間t1で最大値に達する:
Figure 2006504382
また、等価スイッチQx間の電圧は、DCリンク電圧とも称される:
Figure 2006504382
DCリンク電圧の値は、以下のよう与えられる:
Figure 2006504382
図3Dは、ステップ2を示す。ステップ2
Figure 2006504382
において共振スイッチQrは、オフにされる。このとき電流の主要な部分は、Lr及びCrを包含している回路を通って流れる。C2間の電圧は、上述したように電圧源Vc2と概ね考えられうる。等価スイッチQx間の電圧は、
Figure 2006504382
によって与えられる。
ステップ2の設定に対応している共振時間T2は、
Figure 2006504382
として計算されうる。
ステップ2の設定は、その長さがt2−t1=T2と選択される、期間t2−t1に対して維持されて、ステップ2の終りで電圧vdc(t)がt=t2でゼロに降下する。
図3Eは、ステップ3の第1の期間を示す。ステップ3の第1の期間
Figure 2006504382
において、インダクタ電流iL(t)が正なので、逆並列ダイオードDxは、導通している/閉じられる(それがコンデンサC2に向かって流れる)。Dxが導通しているときにQxがオンにされ、それゆえにQx間の電圧は、ゼロである。本実施形態のこの特徴は、“ゼロ-電圧-スイッチング(ZVS)”状態と称される状態、パワー・ロス(電力損)を回避する。
図3Fは、ステップ3の第2の期間を示す。ステップ3の第2の期間
Figure 2006504382
において、等価スイッチQxは、まだオンにされたままである。しかしながら、インダクタ電流iL(t)の極性が負に変化した。この期間においてインダクタ電流iL(t)は、第2のコンデンサC2の電圧Vc2と共に線形的に減少する。t=t4におけるステップ3の第2の期間の終りにおいて等価スイッチQxは、オフにされる。等価スイッチQx間の電流は、次のように書くことができる:
Figure 2006504382
4で最大値に達する:
Figure 2006504382
図3Gは、ステップ4を示す。ステップ4
Figure 2006504382
において、インダクタ電流iL(t)の極性は負でありかつQxがオフにされる。従って、ステップ4においてDCリンク電圧vQx(t)は、LrとCrとの間の共振により増加する。
図3Hは、ステップ5を示す。ステップ5
Figure 2006504382
において、DCリンク電圧vQx(t)がt=t5において値(Vc1+Vc2)に到達するときに、余分や共振インダクタ電流は、Lr,Dr及びD1を通して送ることができる。DCリンク電圧vQx(t)は、次のように書くことができる:
Figure 2006504382
図4、5A、及び5Bは、図3A〜3Hのステップに対応している電流及び電圧を示す。
図4、5A、及び5Bは、コンバータ100のゼロ電圧スイッチング(ZVS)特徴を示す。Qxのターンオン信号は、電圧vQx(t)=vdc(t)がゼロに到達した後に供給される。更に、共振スイッチQrのターンオン信号は、その期間において電圧vQr(t)がゼロである
Figure 2006504382
の間に供給することができる。従って、両方のスイッチQx及びQrは、ゼロ-電圧スイッチング(ZVS)状態でオンにされ、スイッチング・ロスを回避する。これらの実施形態では、スイッチング・サイクルは、状態1におけるコンバータ100で最初からやり直し、状態0の状態を回避する。
方法のある実施形態ではスイッチング時間が拡張される。これらの実施形態は、負荷要求により、パルス幅変調(PWM)を供給することができる。これらの実施形態ではQrは、ある後ほどの時間t=t7でオンにされる。遅延時間期間t7−t6は、時間スロットT7=t7−t6としばしばと称される。t=t7で電圧、vQr(t)は、本質的にVc1、ゼロより大きい値である。従って、Qrは、t=t7においてゼロ電圧状態でオンにされない。しかしながら、Vc1の典型的な電圧レベルがVc2と比較して非常に低くかつQrに流れる電流がゼロから開始するので、電圧及び電流クロッシングによってもたらされるスイッチング・ロスは、ほとんどゼロである。これらの実施形態ではスイッチング・サイクルは、状態0のコンピュータ100で最初からやり直す。
本発明及びその効果が詳細に説明されたが、特許請求の範囲によって定義されたような本発明の精神及び適用範囲から逸脱することなく様々な変更、置換え、及び代替をその中で行なうことができるということが理解されるべきである。即ち、この出願に含まれた説明は、基本説明の役割を果たすことを意図する。特定の説明は、可能は全ての実施形態を明示的には記述しない;多くの代替が暗示されるということが理解されるべきである。またそれは、本発明の包括的特質を完全には説明しえないしかつどのように各特徴または素子がより広い機能または多くの様々な代替または等価素子を実際に表すものでありうるかを明示的に示しえない。再び、これらをこの開示の中に暗示的に含む。本発明が装置向きの専門用語で記述されるところでは、装置の各素子は、機能を暗示的に実行する。説明または専門用語のいずれも特許請求の範囲の適用範囲を限定することを意図しない。
図1は、本発明の実施形態による、コンバータ・トポロジーを示す。 図2は、本発明の実施形態による、コンバータ・トポロジーの等価回路である。 図3A〜3Hは、本発明の実施形態による、コンバータ回路を動作する方法の段階を示す。 図4は、本発明の実施形態による、図3A〜3Hの方法の異なる段階の間中の様々な電流及び電圧を示す。 図5は、本発明の実施形態による、図3A〜3Hの方法の異なる段階の間中の様々な電流及び電圧を示す。

Claims (20)

  1. 複数の第1の電力装置を備えている、交流-直流変換器と、
    少なくとも一つの補助電力装置を備えている、共振直流リンクと、
    複数の第2の電力装置を備えている、直流-交流変換器と、及び
    前記交流-直流変換器、前記共振リンク、及び前記直流-交流変換器を結合する、直流リンク・ラインとを備え、
    前記補助電力装置は、前記直流リンク・ライン間に結合されることを特徴とする変換器回路。
  2. 前記複数の第1の電力装置は、MOS-FETs及びnpnバイポーラ・トランジスタのグループから選択された第1の電力装置を備えている請求項1に記載の変換器回路。
  3. 前記複数の第1の電力装置は、対応する第1のパワー・トランジスター間に結合された、第1のパワー・ダイオードを備えている請求項2に記載の変換器回路。
  4. 前記第1のパワー・トランジスタ間に結合されている前記第1のパワー・ダイオードは、MOS-FET第1のパワー・トランジスタのソースとドレインとの間に結合されている第1のパワー・ダイオードを備えている請求項3に記載の変換器回路。
  5. 前記第1の電力装置は、複数の第1のアームを形成するように直列に二つ一組で結合される請求項3に記載の変換器回路。
  6. 前記交流-直流変換器は、直流電圧を本質的に生成する、3つのアーム及び単純整流器の少なくとも一つを備えている請求項5に記載の変換器回路。
  7. 第1のアームに結合された第1の端子を更に備え、前記第1のアームは、交流電源から交流電力を受信するように動作可能である請求項5に記載の変換器回路。
  8. 前記複数の第2の電力装置は、MOS-FETs及びnpnバイポーラ・トランジスタのグループから選択された第2のパワー・トランジスタを備えている請求項1に記載の変換器回路。
  9. 前記複数の第2の電力装置は、対応する第2のパワー・トランジスタ間に結合された、第2のパワー・ダイオードを備えている請求項8に記載の変換器回路。
  10. 前記第2のパワー・トランジスタ間に結合されている前記第2のパワー・ダイオードは、第2のMOS-FETパワー・トランジスタのソースとドレインとの間に結合されている第2のパワー・ダイオードを備えている請求項9に記載の変換器回路。
  11. 前記第2のパワー・トランジスタは、複数の第2のアームを形成するように直列に二つ一組で結合される請求項9に記載の変換器回路。
  12. 前記直流-交流変換器は、3つの第2のアームを備えている請求項11に記載の変換器回路。
  13. 対応する第2のアームに結合された第2の端子を更に備え、前記第2の端子は、負荷に交流電力を供給するように動作可能である請求項11に記載の変換器回路。
  14. 前記直流-交流変換器は、
    共振コンデンサと、
    等価パワー・ダイオードと、及び
    等価スイッチと
    を備え、
    前記共振コンデンサ、前記等価パワー・ダイオード、及び前記等価スイッチは、前記直流リンク・ラインの間に結合され、かつ互いに並列である請求項1に記載の変換器回路。
  15. 前記共振直流リンクの前記補助電力装置は、
    MOS-FETs及びnpnバイポーラ・トランジスタのグループから選択された、補助パワー・トランジスタを備えている請求項1に記載の変換器回路。
  16. 前記共振直流リンクの前記補助電力装置は、前記補助パワー・トランジスタ間に結合された、補助パワー・ダイオードを備えている請求項15に記載の変換器回路。
  17. 前記補助電力装置は、前記直流リンク・ラインに結合されない請求項1に記載の変換器回路。
  18. 前記共振直流リンクは、
    前記補助電力装置と直列に結合された、第1のコンデンサと、
    前記電力装置の寄生コンデンサを備えている、共振コンデンサと、
    前記補助電力装置及び前記第1のコンデンサと並列に結合され、前記共振コンデンサと共振回路を形成する、インダクタンスと、及び
    スイッチングLC共振器と直列に結合された、第2のコンデンサと
    を備えている請求項16に記載の変換器回路。
  19. 前記直流リンク・ライン間の出力電圧を出力することであり、前記出力電圧は、前記第1のコンデンサ間の電圧と前記第2のコンデンサ間の電圧の合計に本質的にクランプされる請求項18に記載の変換器回路。
  20. 変換器回路を動作する方法であり、該変換器は、交流-直流変換器、少なくとも一つの補助電力装置を備えている共振直流リンク、直流-交流変換器、及び該交流-直流変換器、該共振リンク、及び該直流-交流変換器を結合する、直流リンク・ラインを備え、該補助電力装置は、前記直流リンク・ライン間に結合される、該方法であって、
    本質的にゼロ電圧切り換え条件で補助電力装置を切り換える段階を具備することを特徴とする方法。
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