JP2007228781A - ソフトスイッチング高昇圧コンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】この発明は、燃料電池から電力を取り出す場合に望まれるようなリプルの少ない一定電流を取り出すとともに低電圧を高電圧に変換するコンバータとして、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で電力変換することができる高性能なソフトスイッチング高昇圧コンバータに関するものである。
【解決手段】多重化した高昇圧比を持つコンバータをソフトスイッチング化することにより、コンバータの特性改善ならびに性能向上を達成する。
【選択図】図２
【解決手段】多重化した高昇圧比を持つコンバータをソフトスイッチング化することにより、コンバータの特性改善ならびに性能向上を達成する。
【選択図】図２
Description
この発明は、燃料電池から電力を取り出す場合に望まれるようなリプルの少ない一定電流を取り出し低電圧を高電圧に変換するコンバータにおいて、そのスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング高昇圧コンバータに関するものである。
図１は、電源からの電流のリプルを低減しながら高い直流出力電圧を得るために多重化した昇圧コンバータである。主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ）、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）からなる多重化した昇圧チョッパ回路を用いてそれぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）を交互にオンすることにより電源からの電流リプルを低減する。また、低い電源電圧を昇圧チョッパの作用により高い直流出力電圧に変換する。
ハードスイッチングである従来の回路は、素子にかかる電圧・電流ストレスの増加、スイッチング損失によるコンバータ変換効率の低下、電磁ノイズの発生などの問題がある。特に、図１の昇圧形チョッパは、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がオンしたとき主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）および主スイッチに直流出力電圧が逆電圧となって直接かかるため素子のストレスが大きくなる。
本発明は、高昇圧コンバータのスイッチング素子にかかる電圧・電流ストレスを緩和し、スイッチングノイズとスイッチング損失を低減するようにしたソフトスイッチング回路を提案してハードスイッチングが抱える諸問題を解決しようとするものである。
図１の多重化した昇圧コンバータをソフトスイッチング化するために提案した図２のソフトスイッチング高昇圧コンバータの構成について説明する。
主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）のそれぞれに並列ダイオード（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ）と並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）を並列接続する。図２の点線枠内がソフトスイッチングのための補助回路であり、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）のアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルＬｃの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ）を接続し、それぞれの転流補助コンデンサの他端はそれぞれの第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）のアノードに繋ぎ、それぞれの第１転流ダイオードのカソードは一括して直流母線の正側に接続する。それぞれの第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）のカソードは第１転流ダイオードのそれぞれのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）のアノードは一括して転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、図１の多重化した昇圧コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高い直流出力電圧に変換することができる。
主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）のそれぞれに並列ダイオード（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ）と並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）を並列接続する。図２の点線枠内がソフトスイッチングのための補助回路であり、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）のアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルＬｃの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチＴｃの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ）を接続し、それぞれの転流補助コンデンサの他端はそれぞれの第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）のアノードに繋ぎ、それぞれの第１転流ダイオードのカソードは一括して直流母線の正側に接続する。それぞれの第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）のカソードは第１転流ダイオードのそれぞれのアノードに繋ぎ、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）のアノードは一括して転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、図１の多重化した昇圧コンバータのスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高い直流出力電圧に変換することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図２と図３を用いて説明する。
図２は本発明に関する第１の実施の形態を示すソフトスイッチング高昇圧コンバータの回路図である。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）は交互にオンするが、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がともにオフしている場合もあり得る。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がともにオフしている場合、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）には直流出力電圧Ｅｄが蓄積されている。この状態から転流スイッチＴｃをオンすると、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）の充電電圧Ｅｄは転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）を通して転流リアクトルＬｃにかかり、転流リアクトルＬｃと共振して放電し、エネルギーを転流リアクトルに移してゼロ電圧となる。転流スイッチＴｃのオン動作はゼロ電流スイッチングである。転流スイッチＴｃのオンにより、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）にかかる電圧は、Ｅｄの逆電圧が直接かかるのではなく、共振により正弦波形となるので素子のストレスが緩和される。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）が放電してゼロになると、転流リアクトルＬｃの電流は、Ｌｃ−Ｔｃ−（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ）−（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）−Ｌｃを通って循環する。この間に主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）の両方あるいは一方をオンすると、この動作は主スイッチのゼロ電圧スイッチングである。いま、ＴｒｕをオンしＴｒｖがオフのままの場合を考える。転流スイッチＴｃをオフすると、オフのままの主スイッチＴｒｖの並列コンデンサＣｔｖは一瞬ゼロ電圧となった後主リアクトルＬｒｖの電流によって直流出力電圧Ｅｄまで充電される。もう一方のオンする主スイッチＴｒｖの方は、転流スイッチＴｃをオフすると転流リアクトルＬｃの電流が第２転流ダイオードＤｃ２ｕ通して転流補助コンデンサＣｃｕを充電する。主スイッチＴｒｕがオンしているので、転流補助コンデンサＣｃｕの充電電圧は転流スイッチＴｃにかかる。転流補助コンデンサＣｃｕの初期電圧は、前回のＴｒｕのオフ動作で並列コンデンサＣｔｕが直流出力電圧Ｅｄまで充電され主ダイオードＤｒｕが導通したときにゼロ電圧まで放電しているので、転流スイッチＴｃのオフ動作はゼロ電圧スイッチングである。転流補助コンデンサＣｃｕ直流出力電圧Ｅｄまで充電されると、転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２ｕと第１転流ダイオードＤｃ１ｕを通してゼロになるまで負荷側へ流れる。
主スイッチＴｒｕがオンすると電源電圧は主リアクトルＬｒｕにかかり、リアクトル電流を増加する。主スイッチＴｒｕのオフ動作は並列コンデンサＣｔｕの電圧がゼロであるからゼロ電圧スイッチングとなる。つまり、それぞれの主スイッチは任意の時間間隔で個別にオフできるので、電源からの電流リプルを低減しながら負荷側に任意の直流出力を得るようにそれぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）を制御できる。このように、それぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）のオンの前に図２の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路を動作させ、個別に任意の時間間隔で主スイッチのオフを制御すれば、コンバータのソフトスイッチング動作が行える。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がオフすると並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）は充電され、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ）はＥｄから放電する。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）がＥｄまで充電されると主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）が導通して並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）の電圧はゼロとなり、主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ）の電流を負荷側へ流す。転流スイッチＴｃのオンからこの主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）の導通までがソフトスイッチング動作の一サイクルである。
ソフトスイッチング動作により、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）のストレスは緩和されるが、転流スイッチＴｃのオンにより第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）および転流スイッチＴｃが直流出力電圧Ｅｄの逆電圧を受けることになる。これの悪影響を回避するには第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）に高速ダイオードを用いる。第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）は転流動作時にパルス電流が流れるだけであるから小容量の高速ダイオードが採用できる。つまり、高速小容量ダイオード一個の採用により主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）、主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
このように、一連のソフトスイッチング動作においてゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。つまり、図２の回路は、ハードスイッチングの従来回路がもつ欠点である素子にかかるストレスが増加し、スイッチング損失が多くなってコンバータの変換効率が低下し、また、電磁ノイズが大きくなるという問題を解決したソフトスイッチング昇圧形コンバータである。
図２は本発明に関する第１の実施の形態を示すソフトスイッチング高昇圧コンバータの回路図である。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）は交互にオンするが、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がともにオフしている場合もあり得る。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がともにオフしている場合、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）には直流出力電圧Ｅｄが蓄積されている。この状態から転流スイッチＴｃをオンすると、並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）の充電電圧Ｅｄは転流補助ダイオード（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）を通して転流リアクトルＬｃにかかり、転流リアクトルＬｃと共振して放電し、エネルギーを転流リアクトルに移してゼロ電圧となる。転流スイッチＴｃのオン動作はゼロ電流スイッチングである。転流スイッチＴｃのオンにより、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）にかかる電圧は、Ｅｄの逆電圧が直接かかるのではなく、共振により正弦波形となるので素子のストレスが緩和される。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）が放電してゼロになると、転流リアクトルＬｃの電流は、Ｌｃ−Ｔｃ−（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ）−（Ｄｃｕ，Ｄｃｖ）−Ｌｃを通って循環する。この間に主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）の両方あるいは一方をオンすると、この動作は主スイッチのゼロ電圧スイッチングである。いま、ＴｒｕをオンしＴｒｖがオフのままの場合を考える。転流スイッチＴｃをオフすると、オフのままの主スイッチＴｒｖの並列コンデンサＣｔｖは一瞬ゼロ電圧となった後主リアクトルＬｒｖの電流によって直流出力電圧Ｅｄまで充電される。もう一方のオンする主スイッチＴｒｖの方は、転流スイッチＴｃをオフすると転流リアクトルＬｃの電流が第２転流ダイオードＤｃ２ｕ通して転流補助コンデンサＣｃｕを充電する。主スイッチＴｒｕがオンしているので、転流補助コンデンサＣｃｕの充電電圧は転流スイッチＴｃにかかる。転流補助コンデンサＣｃｕの初期電圧は、前回のＴｒｕのオフ動作で並列コンデンサＣｔｕが直流出力電圧Ｅｄまで充電され主ダイオードＤｒｕが導通したときにゼロ電圧まで放電しているので、転流スイッチＴｃのオフ動作はゼロ電圧スイッチングである。転流補助コンデンサＣｃｕ直流出力電圧Ｅｄまで充電されると、転流リアクトルＬｃの電流は第２転流ダイオードＤｃ２ｕと第１転流ダイオードＤｃ１ｕを通してゼロになるまで負荷側へ流れる。
主スイッチＴｒｕがオンすると電源電圧は主リアクトルＬｒｕにかかり、リアクトル電流を増加する。主スイッチＴｒｕのオフ動作は並列コンデンサＣｔｕの電圧がゼロであるからゼロ電圧スイッチングとなる。つまり、それぞれの主スイッチは任意の時間間隔で個別にオフできるので、電源からの電流リプルを低減しながら負荷側に任意の直流出力を得るようにそれぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）を制御できる。このように、それぞれの主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）のオンの前に図２の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路を動作させ、個別に任意の時間間隔で主スイッチのオフを制御すれば、コンバータのソフトスイッチング動作が行える。主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）がオフすると並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）は充電され、転流補助コンデンサ（Ｃｃｕ，Ｃｃｖ）はＥｄから放電する。並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）がＥｄまで充電されると主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）が導通して並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）の電圧はゼロとなり、主リアクトル（Ｌｒｕ，Ｌｒｖ）の電流を負荷側へ流す。転流スイッチＴｃのオンからこの主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）の導通までがソフトスイッチング動作の一サイクルである。
ソフトスイッチング動作により、主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）および主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）のストレスは緩和されるが、転流スイッチＴｃのオンにより第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）および転流スイッチＴｃが直流出力電圧Ｅｄの逆電圧を受けることになる。これの悪影響を回避するには第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）に高速ダイオードを用いる。第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）は転流動作時にパルス電流が流れるだけであるから小容量の高速ダイオードが採用できる。つまり、高速小容量ダイオード一個の採用により主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）、主ダイオード（Ｄｒｕ，Ｄｒｖ）、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
このように、一連のソフトスイッチング動作においてゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成されスイッチング損失を生じない。つまり、図２の回路は、ハードスイッチングの従来回路がもつ欠点である素子にかかるストレスが増加し、スイッチング損失が多くなってコンバータの変換効率が低下し、また、電磁ノイズが大きくなるという問題を解決したソフトスイッチング昇圧形コンバータである。
さらに高い昇圧比を得るために、オートトランス形のチョークコイルを用いた昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する多重化したソフトスイッチング昇圧形コンバータを提案する。高い昇圧比を得るためにオートトランスの巻数比を大きくする。図２のソフトスイッチング昇圧形コンバータの場合と同様に、主スイッチ（（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）には、それぞれ並列ダイオード（Ｄｔｕ，Ｄｔｖ）と並列コンデンサ（Ｃｔｕ，Ｃｔｖ）を並列接続し、図３の点線枠内に示すソフトスイッチングのための補助回路に接続する。一般に主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）は交互にオン・オフ動作を行う。主スイッチがオフしている並列コンデンサは直流出力電圧Ｅｄに充電され、オンしている並列コンデンサの電圧はゼロである。この状態で転流スイッチＴｃをオンすると、主スイッチがオフしている並列コンデンサの電圧が放電し、オンしている並列コンデンサの電圧は転流補助ダイオードが逆バイアスされるためゼロ電圧を保つ。以後の動作は図２で説明した一連のソフトスイッチング動作と同じであり、スイッチング損失を生じないゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングが達成される。ここでも、第１転流ダイオード（Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ）として高速小容量ダイオード二個を採用することにより主スイッチ（Ｔｒｕ，Ｔｒｖ）、正負の主ダイオード（Ｄｒｕ，ＤｒｖおよびＤ′ｒｕ，Ｄ′ｒｖ）、第２転流ダイオード（Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ）および転流スイッチＴｃ等の素子のストレスを緩和できる。
多重化した高昇圧比を持つコンバータをソフトスイッチング化することにより、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で電力変換することができるソフトスイッチング高昇圧コンバータは、燃料電池から電力を取り出す場合に望まれるようなリプルの少ない一定電流を取り出すとともに低電圧を高電圧に変換する高性能なコンバータとして、その効果を多いに期待できるものである。
１：直流電源
２：昇圧チョッパ
３：直流負荷回路
４：ソフトスイッチング補助回路
Ｔｒｕ，Ｔｒｖ：主スイッチ
Ｄｒｕ，Ｄｒｖ：主ダイオード
Ｌｒｕ，Ｌｒｖ：主リアクトル
Ｄｔｕ，Ｄｔｖ：並列ダイオード
Ｃｔｕ：並列コンデンサ
Ｄｃｕ，Ｄｃｖ：転流補助ダイオード
Ｃｃｕ，Ｃｃｖ：転流補助コンデンサ
Ｔｃ：転流スイッチ
Ｌｃ：転流リアクトル
Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ：第１転流ダイオード
Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ：第２転流ダイオード
Ｅｓ：直流電源電圧
Ｅｄ：出力直流電
２：昇圧チョッパ
３：直流負荷回路
４：ソフトスイッチング補助回路
Ｔｒｕ，Ｔｒｖ：主スイッチ
Ｄｒｕ，Ｄｒｖ：主ダイオード
Ｌｒｕ，Ｌｒｖ：主リアクトル
Ｄｔｕ，Ｄｔｖ：並列ダイオード
Ｃｔｕ：並列コンデンサ
Ｄｃｕ，Ｄｃｖ：転流補助ダイオード
Ｃｃｕ，Ｃｃｖ：転流補助コンデンサ
Ｔｃ：転流スイッチ
Ｌｃ：転流リアクトル
Ｄｃ１ｕ，Ｄｃ１ｖ：第１転流ダイオード
Ｄｃ２ｕ，Ｄｃ２ｖ：第２転流ダイオード
Ｅｓ：直流電源電圧
Ｅｄ：出力直流電
Claims (2)
- 直流電源からの電圧・電流リプルの低減と電力処理能力の増大のために、昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する多重化した昇圧形コンバータにおいて、主スイッチのそれぞれに並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続する。そして、ソフトスイッチングのための補助回路として、主スイッチのそれぞれの正端子に転流補助ダイオードのアノードを接続し、それぞれのダイオードのカソード側は一括して転流リアクトルの一端に接続する。転流リアクトルの他端は、転流スイッチの正端子に接続し、転流スイッチの負端子は直流母線の負側に繋ぐ。また、主スイッチのそれぞれの正端子には転流補助コンデンサを接続し、それぞれの転流補助コンデンサの他端はそれぞれの第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、それぞれの第１転流ダイオードのカソードは一括して直流母線の正側に接続する。第２転流ダイオードのカソードは第１転流ダイオードのアノードに繋ぎ、それぞれの第２転流ダイオードのアノードは一括して転流スイッチの正端子に接続する。
以上のように構成したソフトスイッチング回路を用いることにより、リプルの少ない一定電流を直流電源から取り出すとともに低電圧を高電圧に変換するコンバータとして、スイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で電力変換することができる高性能なソフトスイッチング昇圧形コンバータ。 - さらに高い昇圧比を得るために、オートトランス形のチョークコイルを用いた昇圧チョッパを直流電源に対して複数並列接続して構成する多重化した高昇圧形コンバータにおいて、主スイッチに、それぞれ並列ダイオードと並列コンデンサを並列接続し、請求項１で示したソフトスイッチングのための補助回路を接続することにより、昇圧チョッパスイッチ素子およびダイオードの電圧・電流ストレスを緩和し、また、電磁ノイズの発生を抑制しながら高効率で直流電力を処理することができるソフトスイッチング昇圧形コンバータ。
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