JP2007274778A - 双方向昇降圧チョッパ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制する。
【解決手段】双方向昇降圧チョッパ回路は、端子間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な４つのチョッパ部を備える。各チョッパ部は、それぞれ、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルと、一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続したスナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチの構成によってスナバ補助ＺＶＺＣＴ（Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper）チョッパ部を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、双方向昇降圧チョッパ回路に関し、特に、スイッチング損失の低減に関する。

燃料電池自動車等の電気自動車駆動用では１００kWの出力レンジで動作する高効率で大電力のチョッパ回路が用いられる。従来、この電気自動車の分野では、ハードスイッチングによる変換器が使用されている。

従来、リアクトルを用いて、電圧の昇圧や降圧を行う昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路が知られている。このリアクトルを用いた昇圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力を出力することで昇圧を行う。また、降圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力をダイオードを介して環流させることで降圧を行う。昇降圧チョッパ回路は、この昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路とを組み合わせることで構成している。

これらスイッチング素子の動作として、ハードスイッチング方式とソフトスイッチング方式が知られている。ハードスイッチング方式では、スイッチング素子のターンオンあるいはターンオフにおいて、過渡電圧と過渡電流が交差する時間が長いため、電力損失が大きいという問題が指摘されている。このスイッチング損失は、スイッチング周波数の高周波化に伴って増大する。ハードスイッチング方式を用いた燃料電池回路としては、例えば特許文献１が知られている。

これに対して、ソフトスイッチング方式では、共振現象等を利用して電圧又は電流をゼロとした状態でスイッチング動作を行うことによって、電力損失を低減させようとするものである。燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野では低損失が求められるため、ソフトスイッチングによるチョッパ回路が求められている。

従来、大電力用チョッパ回路としては、Ｃブリッジチョッパ回路が知られている（例えば、特許文献２）。Ｃブリッジチョッパ回路は、例えば２つのスイッチと１つのコンデンサを用いた構成であり、ロスレススナバ回路による大電流遮断が可能で、無損失である点で大電流用途に適している。

しかしながら、このＣブリッジチョッパ回路は、主スイッチとダイオードが主回路に直列接続されているため、全体の電力損失が大きいという課題があり、また、コンデンサで接続された二つの主スイッチを同時ターンオンすると、出力ダイオードの逆回復時のリカバリ電流により発生する過電圧と、スナバコンデンサの充電電圧が重畳することで、大きな過電圧が発生し、出力ダイオードが破損するおそれがあるという課題がある。

そこで、本出願の発明者らは、準共振形回生アクティブスナバ（Quasi-resonant Regenerating Active Snubber：ＱＲＡＳ）方式のチョッパ回路を提案している（例えば、非特許文献１、特許文献３参照）。ＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチと補助スイッチを備え、主スイッチにリアクトルを直列接続する構成によって、主スイッチに流れる電流を遅延させて、主スイッチのターンオン時に電流が零となるようにしている。

特開２００２−６３９２３号公報 特開２００４−２７４８７７号公報 特開２００５−２６１１２４号公報 電気学会産業応用部門大会講演論文集 弦田，神頭、河村「高効率大電力チョッパ回路ＱＲＡＳ」2004-6

上記したＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチにリアクトルを接続することでソフトスイッチングを実現しているが、リアクトルに電流が流れることによる内部抵抗で発生する熱損失によって変換効率が低下するという問題がある。

また、ＱＲＡＳチョッパ回路の主スイッチのターンオン時およびターンオフ時に、主スイッチも過電流過電圧が発生するという問題がある。この主スイッチのターンオフ過電圧は、スナバコンデンサのクランプ電圧が主スイッチに印加されることで発生する。また主スイッチのターンオン時に、出力ダイオードの逆回復により主スイッチに過大な電流が流れるという問題もある。

また、出力ダイオードの逆回復によって、出力ダイオードに大きな逆スパイク電圧が発生し、出力ダイオード自体が破損するおそれがあるという問題もある。

上記したように、従来提案されているソフトスイッチングによりスイッチング動作を行うチョッパ回路では、（ａ）リアクトルに流れる電流によって発生する熱損失の課題、（ｂ）主スイッチのターンオン時およびターンオフ時、あるいは出力ダイオードの逆回復による主スイッチの過電流過電圧や、出力ダイオードの逆回復の逆スパイク電圧による、主スイッチや出力ダイオードの破損の課題等の種々の課題を有している。

燃料電池電気自動車を高効率運転させるには、燃料電池、二次電池および負荷となるモータとの間において、双方向で昇降圧の電力変換を行う必要がある。ここで、双方向とは電源から負荷に向かう方向と、負荷から電源側に回生される方向である。燃料電池電気自動車等の負荷が種々に変動する場合には、電源側と負荷側の電圧関係も種々に変化し、双方向において昇圧と降圧を行う場合が生じる。

したがって、双方向昇降圧チョッパ回路では、電源側から負荷側に向かう昇圧動作、電源側から負荷側に向かう降圧動作、負荷側から電源側に向かう昇圧動作、負荷側から電源側に向かう降圧動作の４つの電力変換動作を行うことが求められる。主スイッチとリアクトルから成るチョッパ回路を用いて双方向昇降圧チョッパ回路を構成すると、例えば図１１に示される回路構成が想定される。図１１の回路構成では、双方向昇降圧チョッパ回路は、一つのリアクトルＬ₁を介在させて４つの主スイッチＳ₁〜Ｓ₄でブリッジを組むことで構成する例を示している。この構成例において、ハードスイッチングによってスイッチング動作させた場合には、前記したように電力損失が大きいという問題がある。

また、上記のソフトスイッチングを行うチョッパ回路を用いて、双方向昇降圧チョッパ回路を構成した場合においても、各チョッパ回路は上記した熱損失や素子破損の課題を有している。

したがって、低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路が求められているが、現在要求されるような低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路は提案されていない。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することを目的とする。

また、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることを目的とする。

また、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことを目的とする。

また、本発明は出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことを目的とする。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第１の端子と第２の端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路であり、両端子間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な４つのチョッパ部を備える。

４つのチョッパ部は、それぞれ、以下の構成によってスナバ補助ＺＶＺＣＴ（Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper）チョッパ部を構成する。各チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルと、一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続したスナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える。

主スイッチのターンオン時における電流を零とするために、従来はリアクトルを用いた構成とするのに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ部は、補助スイッチを備えた構成とする。この補助スイッチをオンさせることによってスナバコンデンサの電圧を零電圧として、主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成し、この零電圧となる時点で、主スイッチをオンさせることで、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、ターンオン時の主スイッチの電流及び電圧を零とする。

これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において、零電圧でかつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ部の変換効率を向上させ、また、過電流過電圧を防ぐ。

また、補助スイッチにより、出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ。

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルを備え、各チョッパ部は、この３つの主リアクトルを共有リアクトルとして有する。また、各チョッパ部は、各補助スイッチの一端をこの共有リアクトルに接続する。この共有リアクトルによって４つのチョッパ部を接続し、各チョッパ部による双方向の昇降圧動作を可能とする。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える４つのチョッパ部は、第１の端子から第２の端子へ昇圧動作を行う第１の昇圧チョッパ部と、第１の端子から第２の端子へ降圧動作を行う第１の降圧チョッパ部と、第２の端子から第１の端子へ昇圧動作を行う第２の昇圧チョッパ部と、第２の端子から第１の端子へ降圧動作を行う第２の降圧チョッパ部であり、各チョッパ回路を切り換えて動作させることで、一つの回路で双方向の昇降圧動作の４つの動作を行うことができる。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第１の端子に接続した第２の昇圧チョッパ部と第１の端子に接続した第１の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。

また、第２の端子に接続した第１の昇圧チョッパ部と第２の端子に接続した第２の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の、上記の主リアクトルと異なる１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。

本発明を昇圧型チョッパ回路に適用した場合の、より詳細な形態は、一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルの直列接続体と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える構成である。

本発明の補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、３つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに対して、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。これによって、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ他に、主リアクトルに通流させる方向を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。

本発明の主スイッチは、ターンオン時に、スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、３つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。この主リアクトルに通流させる回生電流を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。

主スイッチのターンオン時において、零電流かつ零電圧によるソフトスイッチングを行わせるために、補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させる。これによって、主スイッチを零電圧かつ零電流の状態からオン動作させることができる。

また、補助スイッチは、逆阻止型ＩＧＢＴ、又は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないＩＧＢＴとダイオードの直列接続で構成することができる。

以上説明したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することができる。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、補助スイッチをオンさせることによって、スナバコンデンサの電圧を零電圧として主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、この零電圧となる時点で、補助スイッチをオンさせることで、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成させ、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、主スイッチを零電圧、零電流の状態でターンオンさせることができる。

これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において零電圧で、かつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ回路の変換効率を向上させることができ、また、過電流過電圧を防ぐことができる。これにより、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることができる。

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことができ、補助スイッチによって出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

以下、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の構成例について、図１を用いて説明する。

図１において、双方向昇降圧チョッパ回路は、電源側と負荷側との間で、電源側から負荷側の方向、および負荷側から電源側の方向の双方向において、それぞれ昇圧動作および降圧動作の、計４つの動作態様について電力変換を行う。

図１では、電源側は直流電源Ｅと入力コンデンサＣ_inの並列接続で構成し、負荷側は負荷ＲＬと出力コンデンサＣ_outの並列接続で構成している。

双方向昇降圧チョッパ回路は、２つの昇圧チョッパ部と２つの降圧チョッパ部とによって、双方向かつ昇圧および降圧の４つの動作態様を実現する。

以下、図１において、電源側から負荷側に向かう方向を順方向とし、負荷側から電源側に向かう方向を逆方向として説明する。

各チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトル（Ｌ₁〜Ｌ₃）と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の一端（リアクトルＬ₁あるいはリアクトルＬ₃）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ₁〜Ｓ₄と、主スイッチＳ₁〜Ｓ₄の両極間に接続するスナバダイオードＤ₁〜Ｄ₄とスナバコンデンサＣ₁〜Ｃ₄の直列接続体と、スナバダイオードＤ₁〜Ｄ₄とスナバコンデンサＣ₁〜Ｃ₄との接続点と、２つの主リアクトル（Ｌ₁〜Ｌ₃）の直列接続体の接続点との間（リアクトルＬ₁とリアクトルＬ₂の間、あるいはリアクトルＬ₃とリアクトルＬ₁の間）に接続した補助スイッチＳ_1ａ〜Ｓ_4aとを備える。

電源側から負荷側に向かう順方向において昇圧動作を行う順方向昇圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ₂，Ｌ₃と、一方の極を主リアクトルＬ₂，Ｌ₃の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ₂に接続されるリアクトルＬ₁）に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチＳ₁と、主スイッチＳ₁の両極間に接続するスナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₁の直列接続体と、スナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₁との接続点と、２つの主リアクトルＬ₂とＬ₃の間に接続した補助スイッチＳ_1ａとにより構成される。

電源側から負荷側に向かう順方向において降圧動作を行う順方向降圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ₁，Ｌ₂と、一方の極を主リアクトルＬ₁，Ｌ₂の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ₂に接続されるリアクトルＬ₃）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ₄と、主スイッチＳ₄の両極間に接続するスナバダイオードＤ₄とスナバコンデンサＣ₄の直列接続体と、スナバダイオードＤ₄とスナバコンデンサＣ₄との接続点と、２つの主リアクトルＬ₁とＬ₂の間に接続した補助スイッチＳ_4aとにより構成される。

また、負荷側から電源側に向かう逆方向において昇圧動作を行う逆方向昇圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ₁，Ｌ₂と、一方の極を主リアクトルＬ₁，Ｌ₂の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ₂に接続されるリアクトルＬ₃）に接続し、他方の極を直流電源Ｅの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチＳ₃、主スイッチＳ₃の両極間に接続するスナバダイオードＤ₃とスナバコンデンサＣ₃の直列接続体と、スナバダイオードＤ₃とスナバコンデンサＣ₃との接続点と、２つの主リアクトルＬ₁とＬ₂の間に接続した補助スイッチＳ_3aとにより構成される。

負荷側から電源側に向かう逆方向において降圧動作を行う逆方向降圧チョッパ部は、等価的に１つのリアクトルを構成する２つの主リアクトルＬ₁，Ｌ₂と、一方の極を主リアクトルＬ₁，Ｌ₂の直列接続体の一端（ここでは、リアクトルＬ₃に接続されるリアクトルＬ₂）に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチＳ₂、主スイッチＳ₂の両極間に接続するスナバダイオードＤ₂とスナバコンデンサＣ₂の直列接続体と、スナバダイオードＤ₂とスナバコンデンサＣ₂との接続点と、２つの主リアクトルＬ₃とＬ₂の間に接続した補助スイッチＳ_2aとにより構成される。

双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃を備える。上記の順方向昇圧チョッパ部、順方向降圧チョッパ部、逆方向昇圧チョッパ部、および逆方向降圧チョッパ部は、３つの主リアクトルＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃のうちで、チョッパ回路の回路を構成する上において、主リアクトルＬ₂を共有する構成とすることで、一つの双方向昇降圧チョッパ回路を構成している。

上記各チョッパ部は、スナバ補助ＺＶＺＣＴ（Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper）チョッパ回路を構成している。

ここで、図２は、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図であり、図２（ａ）は、上記した各チョッパ部の内の昇圧動作を行う回路構成を切り出して示し、図２（ｂ）は、上記した各チョッパ部の内の降圧動作を行う回路構成を切り出して示している。図２（ａ），（ｂ）のチョッパ回路構成は、共に主スイッチＳ₁と補助スイッチＳ₂と、主リアクトルＬ₁,Ｌ₂と、スナバダイオードＤ₁及びスナバコンデンサＣ₂と、出力ダイオードＤ₅及び出力平滑コンデンサＣ₃とを備える。

図２（ａ）に示す昇圧チョッパ回路構成では、主リアクトルＬ₁，Ｌ₂は２分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に１つのリアクトルを構成し、一端を直流電源Ｅ₁の高電位側端子に接続している。主スイッチＳ₁は、一方の極を主リアクトルＬ₁，Ｌ₂の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源Ｅ₁の低電圧端子に直接に接続する。主スイッチＳ₁の両極間は、出力ダイオードＤ₅と出力平滑コンデンサＣ₃との直列接続体を並列に接続し、出力平滑コンデンサＣ₃には負荷が並列に接続される。また、主スイッチＳ₁の両極間にはスナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₂の直列接続体を接続している。補助スイッチＳ₂は、スナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₂との接続点と、２つの主リアクトルＬ₁とＬ₂の直列接続体の接続点との間に接続する。

次に、図２（ｂ）に示す降圧チョッパ回路構成では、主リアクトルＬ₁，Ｌ₂は２分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に１つのリアクトルを構成し、一端を負荷Ｒ_Lおよび平滑コンデンサＣ₃側端子に接続している。主スイッチＳ₁は、一方の極を主リアクトルＬ₁，Ｌ₂の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源Ｅ₁の高電圧端子に直接に接続する。主スイッチＳ₁の一方の極には、出力ダイオードＤ₅が接続され、主リアクトルＬ₂の一方の端部には出力平滑コンデンサＣ₃が負荷が並列に接続される。また、主スイッチＳ₁の両極間にはスナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₂の直列接続体を接続している。補助スイッチＳ₂は、スナバダイオードＤ₁とスナバコンデンサＣ₂との接続点と、２つの主リアクトルＬ₁とＬ₂の直列接続体の接続点との間に接続する。

なお、このチョッパ回路の構成において、前記したＱＲＡＳチョッパ回路とは、リアクトルに接続される回生ダイオードや、主スイッチングと補助スイッチの共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除した点、補助スイッチＳ₂は逆阻止型のIGBTである点、主スイッチに接続される電流遅延用のリアクトルを削除した点、主スイッチのターンオン時において零電流のみではなく、零電流でかつ零電圧によりスイッチングを行う点で相違している。

なお、補助スイッチＳ₂として逆阻止型のIGBTを用いることで、従来必要であった回生ダイオードを削除することができる。

また、このチョッパ回路構成の補助スイッチＳ₂は、ターンオフ動作が零電流スイッチングとなるため、主スイッチングＳ₁と補助スイッチＳ₂の共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除することができる。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチを介して主リアクトルの一部に出力ダイオードの蓄積電荷を通流させることで消滅させ、これにより逆回復電流を抑制することができる。

図２（ａ），（ｂ）において、補助スイッチＳ₂のターンオン時において、出力ダイオードＤ₅に蓄積していた電荷による電流Ｉ_R（図２（ａ），（ｂ）中の破線で示す）は、主リアクトルＬ₂を主リアクトルの主電流の方向とは逆方向に流れる。この電流Ｉ_Rは主リアクトルＬ₂の通電電流を減少させる。そのため、この主リアクトルＬ₂で発生する有効電力分ΔＰＲ＝Ｉ_R ²・Ｒ₂は、主リアクトルＬ₂の抵抗分Ｒ₂による損失分を減少させるものとして働く。なお、主スイッチＳ₁をオンとする前に補助スイッチＳ₂をオンとすることで、出力ダイオードＤ₅に蓄積された電荷を入力側に回生する。

したがって、このチョッパ回路構成によれば、出力ダイオードＤ₅の蓄積電荷が消滅する際の電流Ｉ_Rは主リアクトルの損失を減らす方向となり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。

従来のＱＲＡＳチョッパ回路では、リアクトルＬ₂が大きいため、出力ダイオードＤ₅の蓄積電荷を消滅することができず、出力ダイオードのターンオフ時に、蓄積電荷による大きな逆回復サージ電圧が発生する。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、効率を高める方向に作用する蓄積電荷消滅電流が流れるため逆回復電流抑制回路とし、出力ダイオードによる大きな逆回復サージ電圧は発生しない。

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、回生共振現象を利用することで零電圧零電流の状態を作り出してターンオンさせることでスイッチング損失を低減することができる。

従来のＱＲＡＳチョッパ回路では、主スイッチＳ₁のターンオン時に電流がゆっくり立ち上がるように、主スイッチＳ₁と電源の一体との間にリアクトルを接続している。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチＳ₂によって回生パスを形成することによって、このリアクトルを不要としている。この回生パスは、スナバコンデンサＣ₂の回生共振現象を利用するものであり、これによって主スイッチＳ₁に零電圧零電流の状態を作り出す。

これによって、従来ターンオン時に発生していた電源電圧を大幅に越えるスナバコンデンサのクランプ電圧を電源電圧までの低い電圧に抑制することができる。そのため、スナバコンデンサの容量を主スイッチのターンオン時間に合わせて小さく選択することができ、スナバ回生電力自体を小さくすることができ、チョッパ回路全体の効率を向上させることができる。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、主スイッチＳ₁のターンオフをソフトスイッチング化するためにスナバコンデンサＣ₂を設けているが、このスナバコンデンサＣ₂に蓄積されたエネルギーを主スイッチＳ₁のターンオン時に、補助スイッチＳ₂及び入力側を通って、主スイッチＳ₁に接続される逆並列ダイオードに流れることで主スイッチＳ₁に流れ込む電流を零とし、さらにスナバコンデンサＣ₂の放電によって主スイッチＳ₁の両端にかかる電圧を零とする。

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、回生電流Ｉs（図２（ａ），（ｂ）中の一点鎖線で示す）は、主リアクトルＬ₂の通電電流を減少させる方向で回生するため、回生作用時に発生する有効電力分ΔＰs＝Ｉ_S ²・Ｒ₂は、主リアクトルＬ₂の損失を減らす方向になり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。なお、Ｒ₂は主リアクトルＬ₂の内部抵抗である。

上記したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、出力ダイオードの蓄積電荷を消滅させる逆回復電流抑制回路として作用する他、回生共振を用いて回生リアクトルを不要とするソフトスイッチングとして作用する。

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、主リアクトルを分割した構成とすることで、回生リアクトルを不要とする他、出力ダイオードやスナバコンデンサの蓄積されるエネルギーを直接に電源側に回生するのではなく、主リアクトルの主電流を打ち消す方向で流すことで、主リアクトルでの電力損失を低減させることができる。

本発明のチョッパ回路は、スナバコンデンサのエネルギーを、補助的な回生コンデンサを用いることなく、直接に主リアクトル移行させることができる。例えば、配線のリアクトルの影響でスナバコンデンサの充電電圧が出力電圧よりも高く充電された場合でも、入力電源方向へは主リアクトルＬ₂に回生エネルギーを移行し、また、出力方向への回生エネルギーは、主リアクトルＬ₁にそれぞれ移行させて回生させることができる。そのため、主リアクトルと別にリアクトルを用いて主回路以外の補助回路パスを介して回生する方式よりも高い効率とすることができる。

次に、図３〜図５を用いて本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成の動作例について説明する。なお、図３は昇圧チョッパ回路構成の動作図であり、図４は降圧チョッパ回路構成の動作図であり、図５は各部の基本動作波形図である。

図３に示す昇圧チョッパ回路構成において、モード１（図３（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ₁がオフの状態において、-ｔ₂の時点で補助スイッチＳ₂がオンし、出力ダイオードＤ₅のキャリア消滅のモードが始まる。この瞬間、補助スイッチＳ₂は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ₂の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ₂の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードＤ₅のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。

なお、図３（ａ）において、実線は電源側から負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチＳ_2aがオンすることによって、出力ダイオードＤ₅に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。

モード２（図３（ｂ）のMode2）では、-ｔ₁の時点において、出力ダイオードＤ₅がオフし、スナバコンデンサＣ₂の電圧Ｖ_C2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図３（ｂ）中の破線は、この電流を示している。また、図３（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ₁に流れる電流が、出力ダイオードＤ₅がオフすることで補助スイッチＳ_2aを通して環流する電流を示している。

モード３（図３（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₂に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C2が零電圧となる時点ｔ₀において、主スイッチＳ₁がオンとなり、共振回生電流（図３（ｃ）中の破線）は、主スイッチＳ₁の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチＳ₁は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ₂にモード１及びモード２の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₁の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ₂を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。

モード４（図３（ｄ）のMode4）では、ｔ₁において、主リアクトルＬ₂の回生電流が減少して零となり、ダイオードＤ₁がオフし、主リアクトルＬ₁及びＬ₂の電流は、主スイッチＳ₁を介して再び直線状に増加に向かう。

モード５（図３（ｅ）のMode5）では、ｔ₂において、主スイッチＳ₁、補助スイッチＳ₂が同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₁はスナバコンデンサＣ₂による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ₂は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ₂は零電流となった時点で主スイッチＳ₁より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図３（ｆ）のMode6）では、ｔ₃において、出力ダイオードＤ₅がオンし、主リアクトルＬ₁,Ｌ₂に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。ｔ₄で補助スイッチＳ₂が再びオンし、モード１より次サイクルが開始される。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードＤ₅の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路では、昇圧チョッパ回路構成と降圧チョッパ回路構成の回路構成は対称性を有しているため、両チョッパ回路構成はほぼ同様の動作となる。

図４に示す降圧チョッパ回路構成において、モード１（図４（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ₁がオフの状態において、-ｔ₂の時点で補助スイッチＳ₂がオンし、出力ダイオードＤ₅のキャリア消滅のモードが始まる（図４（ａ）中破線で示す電流）。この瞬間、補助スイッチＳ₂は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ₂の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ₂の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードＤ₅のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。

なお、図４（ａ）において、実線は負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチＳ₂がオンすることによって、出力ダイオードＤ₅に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。

モード２（図４（ｂ）のMode2）では、-ｔ₁の時点において、出力ダイオードＤ₅がオフし、スナバコンデンサＣ₂の電圧Ｖ_C2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図４（ｂ）中の破線は、この電流を示している。また、図４（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ₁に流れる電流が、出力ダイオードＤ₅がオフすることで補助スイッチＳ₂を通して環流する電流を示している。

モード３（図４（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₂に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C2が零電圧となる時点ｔ₀において、主スイッチＳ₁がオンとなり、共振回生電流（図４（ｃ）中の破線）は、主スイッチＳ₁の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチＳ₁は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ₂にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₁の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ₂を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。

モード４（図４（ｄ）のMode4）では、ｔ₁において、主リアクトルＬ₂の回生電流が減少して零となり、ダイオードＤ₁がオフし、主リアクトルＬ₁及びＬ₂の電流は、主スイッチＳ₁を介して再び直線状に増加に向かう。

モード５（図４（ｅ）のMode5）では、ｔ₂において、主スイッチＳ₁、補助スイッチＳ₂が同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₁はスナバコンデンサＣ₂による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ₂は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ₂は零電流となった時点で主スイッチＳ₁より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図４（ｆ）のMode6）では、ｔ₃において、出力ダイオードＤ₅がオンし、主リアクトルＬ₁,Ｌ₂に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。ｔ₄で補助スイッチＳ₂が再びオンし、モード１より次サイクルが開始される。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードＤ₅の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

上記した、Mode１の補助スイッチＳ₂がオンすることによる出力ダイオードＤ₅の回復動作（リカバリ動作）、Mode２のスナバコンデンサＣ₂の放電動作（零電位に、蓄積エネルギーをリアクトルに遷移させるＺＶＴ動作（Zero Voltage Transition）、Mode３の主スイッチＳ₁の逆並列ダイオードに逆電流がながれ、主スイッチＳ₁の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching零電流）動作は、主スイッチＳ₁のターンオン時の部分共振動作を構成する。

なお、ＺＣＳ（Zero Current Switching零電流）動作は、補助スイッチＳ_1aのターンオン時には、Mode１においてリアクトルによって電流変化が抑制されることにより生じ、また、補助スイッチＳ_1aのターンオフ時には、Mode４において、エネルギー回生動作が終了した後、ダイオードによる逆阻止状態で零電流を保持した状態からの動作により生じる。

次に、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作について、図６〜図１０を用いて説明する。なお、図６は順方向昇圧動作の動作図であり、図８は順方向降圧動作の動作図であり、図９は逆方向昇圧動作の動作図であり、図１０は逆方向降圧動作の動作図であり、図７は、各動作における波形図である。以下では、各動作について、Mode1〜Mode6の６つの動作状態について示し、図８中に示す数１〜６は、このMode1〜Mode6の６つの動作状態に対応している。また、図６、８〜１０では、主に各昇降圧チョッパ部での動作説明を行うために、電源側および負荷側における動作を簡略し、電源側の入力コンデンサＣ_inと負荷側の出力コンデンサＣ_outとの間の電流状態によって動作状態を説明する。

はじめに、順方向昇圧動作について、図６、図７を用いて説明する。順方向昇圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ₁、補助スイッチＳ_1a等を備える順方向昇圧チョッパ部によって行われる。

順方向昇圧動作では、主スイッチＳ₄に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ₂、Ｓ₃、補助スイッチＳ_2a、Ｓ_3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。

図６に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、モード１（図６（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ₁および補助スイッチＳ_1aがオフの状態において、補助スイッチＳ_1aがオンすることによって、補助スイッチＳ_1a、主リアクトルＬ₃、主スイッチＳ₄ 、入力コンデンサＣ_in、出力コンデンサＣ_out、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード、スナバコンデンサＣ₁の経路が形成される。図６（ａ）中の実線はこの経路を示している。

主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード（ここでは出力ダイオードに相当する）に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチＳ_1aがオンとなった瞬間、補助スイッチＳ_1aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチＳ_1aがターンオンする間、スナバコンデンサＣ₁の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。

補助スイッチＳ_1aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチＳ₂の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード１は終了する。

また、図７中の“１”で示す状態は、主スイッチＳ₁に流れる電流が零、補助スイッチ1aの電圧が降下し、電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が減少する状態を示している。

モード２（図６（ｂ）のMode2）では、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード（出力ダイオードに相当）がオフし、スナバコンデンサＣ₁の電圧ＶＣ₁は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図６（ｂ）中の実線は、スナバコンデンサＣ₁、補助スイッチＳ_1a、主リアクトルＬ₃、主スイッチＳ₄ 、入力コンデンサＣinの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサＣ₁の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。

また、図７中の“２”で示す状態は、主スイッチＳ₁に流れる電流が増加し、補助スイッチ1aの電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。

モード３（図６（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₂に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C2が零電圧となる時点において、主スイッチＳ₁がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチＳ₁の主電流を打ち消す方向に通流する。

図６（ｃ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ₁、スナバダイオードＤ₁、主リアクトルＬ₃、主スイッチＳ₄、入力コンデンサＣ_in の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサＣ₁からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチＳ₁は電流零からのターンオンとなる。モード１及びモード２の期間中に主リアクトルＬ₃に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₁の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ_1aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチＳ₁の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching 零電流）動作である。

また、図７中の“３”で示す状態は、主スイッチＳ₁の電圧が零、補助スイッチ1aの電流が減少する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。

モード４（図６（ｄ）のMode4）では、主リアクトルＬ₃の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードＤ₁がオフし、主リアクトルＬ₃の電流は、主スイッチＳ₁を介して再び直線状に増加に向かう。図６（ｄ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ₁、主リアクトルＬ₃、主スイッチＳ₄、入力コンデンサＣ_in の経路を示している。また、図７中の“４”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。

モード５（図３（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ₁、補助スイッチＳ_1aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₁はスナバコンデンサＣ₁によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ_1aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図６（ｅ）の実線は、このモードにおける、入力コンデンサＣ_in、主スイッチＳ₄、主リアクトルＬ₃〜Ｌ₁、スナバダイオードＤ₁、スナバコンデンサＣ₁の経路を示している。また、図７中の“５”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ_1aは零電流となった時点で主スイッチＳ₁より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図６（ｆ）のMode6）では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルＬ₁〜Ｌ₃に蓄えられたエネルギーが負荷（出力コンデンサＣ_out）へ供給される。図６（ｆ）の実線は、このモードにおける、入力コンデンサＣ_in、主スイッチＳ₄、主リアクトルＬ₃〜Ｌ₁、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード、出力コンデンサＣ_outの経路を示している。また、図７中の“６”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。

このモード６の後、補助スイッチＳ_1aが再びオンすることによって、前記したモード１に戻って次サイクルが開始される。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード（ここでは、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

次に、順方向降圧動作について、図８を用いて説明する。順方向降圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ₄、補助スイッチＳ_4a等を備える順方向降圧チョッパ部によって行われる。

順方向降圧動作では、主スイッチＳ₂に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ₁、Ｓ₃、補助スイッチＳ_1a、Ｓ_3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ₃の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。

図８に示す降圧チョッパ部において、モード１（図８（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ₁，Ｓ₃がオフの状態において、補助スイッチＳ_4aがオンし、主スイッチＳ₂、主リアクトルＬ₁、補助スイッチＳ_4a、スナバコンデンサＤ₄、主スイッチＳ₃の逆並列ダイオード（環流ダイオードとして動作）、出力コンデンサＣ_outの経路が形成される。図６（ａ）中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード（主スイッチＳ₃の逆並列ダイオード）によるキャリア消滅が行われる。

補助スイッチＳ_4aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ₄の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ_4a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード（主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード１は終了する。

モード２（図８（ｂ）のMode2）では、出力ダイオード（主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）がオフし、スナバコンデンサＣ₄の電圧Ｖ_C4は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図８（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ₁に流れる電流が、出力ダイオード（主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）がオフすることで補助スイッチＳ_4aを通して環流する電流を示している。

このモードは、スナバコンデンサＣ₄の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。

モード３（図８（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₄に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C4が零電圧となる時点において、主スイッチＳ₄がオンとなり、主リアクトルＬ₁からの共振回生電流は、主スイッチＳ₄の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチＳ₄は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ₂にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₄の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ_4aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。

この動作は、主スイッチＳ₄の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching 零電流）動作である。

モード４（図８（ｄ）のMode4）では、主スイッチＳ₄はオン状態となり、主リアクトルＬ₁の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード（主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）がオフし、主リアクトルＬ₁の電流は、主スイッチＳ₄を介して再び直線状に増加に向かう。

モード５（図４（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ₄、補助スイッチＳ_4aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₄はスナバコンデンサＣ₄による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ_4aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。

図８（ｅ）の実線は、このモードにおける経路を示している。

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ₂は零電流となった時点で主スイッチＳ₁より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図８（ｆ）のMode6）では、主スイッチＳ₄、補助スイッチＳ_4aはオフ状態であり、出力ダイオード（主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）がオンし、主リアクトルＬ₁,Ｌ₂に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図８（ｆ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ₃、主リアクトルＬ₃〜Ｌ₁、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード、出力コンデンサＣ_outの経路を示している。

その後、補助スイッチＳ_4aが再びオンし、前記したモード１より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図７と同様であるのでここでの説明は省略する。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

次に、逆方向昇圧動作について、図９を用いて説明する。逆方向昇圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ₃、補助スイッチＳ_3a等を備える逆方向昇圧チョッパ部によって行われる。

逆方向昇圧動作では、主スイッチＳ₂に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ₁、Ｓ₄、補助スイッチＳ_1a、Ｓ_4aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。

図９に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ₃および補助スイッチＳ_3aがオフの状態において、主スイッチＳ₂は常時導通状態であるため、出力コンデンサＣ_outから主リアクトルＬ₃〜Ｌ₁、主スイッチＳ₄、入力コンデンサＣ_inの経路で流れる状態にある（Mode６の状態）。この状態において、モード１（図９（ａ）のMode1）において、補助スイッチＳ_3aがオンすることによって、補助スイッチＳ_3a、主リアクトルＬ₁、主スイッチＳ₂ 、出力コンデンサＣ_out、入力コンデンサＣ_in、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード、スナバダイオードＤ₃の経路が形成される。図９（ａ）中の実線はこの経路を示している。

主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード（ここでは出力ダイオードに相当する）に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチＳ_3aがオンとなった瞬間、補助スイッチＳ_3aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチＳ_3aがターンオンする間、スナバコンデンサＣ₃の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。

補助スイッチ_3aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチＳ₄の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード１は終了する。

モード２（図９（ｂ）のMode2）では、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード（出力ダイオードに相当）がオフし、スナバコンデンサＣ₃の電圧Ｖ_C1は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図９（ｂ）中の実線は、スナバコンデンサＣ₃、補助スイッチ_3a、主リアクトルＬ₁、主スイッチＳ₂ 、出力コンデンサＣ_outの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサＣ₃の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。

モード３（図６（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₃に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C3が零電圧となる時点において、主スイッチＳ₃がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチＳ₃の主電流を打ち消す方向に通流する。

図９（ｃ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ₃、スナバダイオードＤ₃、主リアクトルＬ₁、主スイッチＳ₂、出力コンデンサＣ_out の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサＣ₃からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチＳ₃は電流零からのターンオンとなる。モード１及びモード２の期間中に主リアクトルＬ₁に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₃の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ_3aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチＳ₃の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching 零電流）動作である。

モード４（図９（ｄ）のMode4）では、主リアクトルＬ₁の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードＤ₃がオフし、主リアクトルＬ₁の電流は、主スイッチＳ₃を介して再び直線状に増加に向かう。図９（ｄ）の実線は、このモードにおける、主スイッチS3、主リアクトルＬ₁、主スイッチＳ₂、出力コンデンサＣ_out の経路を示している。

モード５（図９（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ₃、補助スイッチＳ_3aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₃はスナバコンデンサＣ₃によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ_3aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図９（ｅ）の実線は、このモードにおける、出力コンデンサＣ_out、主スイッチＳ₂、主リアクトルＬ₁〜Ｌ₃、スナバダイオードＤ₃、スナバコンデンサＣ₃の経路を示している。

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ_3aは零電流となった時点で主スイッチＳ₃より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図９（ｆ）のMode6）では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルＬ₁〜Ｌ₃に蓄えられたエネルギーが入力側（入力コンデンサＣ_in）へ回生される。図９（ｆ）の実線は、このモードにおける、出力コンデンサＣ_out、主スイッチＳ₂、主リアクトルＬ₃〜Ｌ₁、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード、入力コンデンサＣ_inの経路を示している。

このモード６の後、補助スイッチＳ_3aが再びオンすることによって、前記したモード１に戻って次サイクルが開始される。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード（ここでは、主スイッチＳ₂の逆並列ダイオード）の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

次に、逆方向降圧動作について、図１０を用いて説明する。逆方向降圧動作は、前記図１に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチＳ₂、補助スイッチＳ_2a等を備える逆方向降圧チョッパ部によって行われる。

逆方向降圧動作では、主スイッチＳ₄に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチＳ₁、Ｓ₃、補助スイッチＳ_1a、Ｓ_3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチＳ₁の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。

図１０に示す降圧チョッパ部において、モード１（図１０（ａ）のMode1）では、主スイッチＳ₁， Ｓ₃がオフの状態において、補助スイッチＳ_2aがオンし、主スイッチＳ₄、主リアクトルＬ₃、補助スイッチＳ_2a、スナバコンデンサＤ₂、主スイッチＳ₁の逆並列ダイオード（環流ダイオードとして動作）、入力コンデンサＣ_inの経路が形成される。図１０（ａ）中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード（主スイッチＳ₁の逆並列ダイオード）によるキャリア消滅が行われる。

補助スイッチＳ_2aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサＣ₂の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチＳ_2a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード（主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード）のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード１は終了する。

モード２（図１０（ｂ）のMode2）では、入力ダイオード（主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード）がオフし、スナバコンデンサＣ₂の電圧Ｖ_C2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図１０（ｂ）中の実線は、主リアクトルＬ₃に流れる電流が、出力ダイオード（主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード）がオフすることで補助スイッチＳ_2aを通して環流する電流を示している。

このモードは、スナバコンデンサＣ₂の電圧を零電圧に遷移させるＺＶＴ動作である。

モード３（図１０（ｃ）のMode3）では、スナバコンデンサＣ₂に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧Ｖ_C2が零電圧となる時点において、主スイッチＳ₂がオンとなり、主リアクトルＬ₃からの共振回生電流は、主スイッチＳ₂の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチＳ₂は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルＬ₃にモード１の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチＳ₂の電流を相殺しつつ、補助スイッチＳ_2aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。

この動作は、主スイッチＳ₂の順電流を零とするＺＣＳ（Zero Current Switching 零電流）動作である。

モード４（図１０（ｄ）のMode4）では、主スイッチＳ₂はオン状態となり、主リアクトルＬ₁の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード（主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード）がオフし、主リアクトルＬ₃の電流は、主スイッチＳ₂を介して再び直線状に増加に向かう。

モード５（図１０（ｅ）のMode5）では、主スイッチＳ₂、補助スイッチＳ_2aが同時にオフされる。このとき、主スイッチＳ₂はスナバコンデンサＣ₂による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチＳ_2aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。

図１０（ｅ）の実線は、このモードにおける経路を示している。

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチＳ_2aは零電流となった時点で主スイッチＳ₂より先に、ターンオフしてもよい。

モード６（図１０（ｆ）のMode6）では、主スイッチＳ₂、補助スイッチＳ_2aはオフ状態であり、出力ダイオード（主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード）がオンし、主リアクトルＬ₃に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図１０（ｆ）の実線は、このモードにおける、主スイッチＳ₁、主リアクトルＬ₁〜Ｌ₃、主スイッチＳ₄の逆並列ダイオード、入力コンデンサＣ_inの経路を示している。

その後、補助スイッチＳ_2aが再びオンし、前記したモード１より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図７と同様であるのでここでの説明は省略する。

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。

なお、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路に各チョッパ部では、補助スイッチを主スイッチよりわずかに早くオンさせることでソフトスイッチングを行うが、主スイッチと補助スイッチを同時にもしくは補助スイッチを主スイッチよりも後にオンさせることでターンオンのソフトスイッチングを行わず、回生動作のみを行うように動作させることもできる。

また、本発明のチョッパ回路は、主スイッチと補助スイッチを直並列接続して構成する他に、電源システム全体を多重化構成としてもよい。

また、本発明のチョッパ回路の主リアクトルは分割構造としても、一体構造としてもよい。

また、本発明のチョッパ回路において、主スイッチの逆並列ダイオードは、零電圧零電流のソフトスイッチングを行わない場合には、削除してもよい。

また、本発明のチョッパ回路において、入力電源に回生する電流リプル吸収能力がある場合には、入力平滑コンデンサを削除してもよい。

また、本発明に係わるチョッパ回路では、昇圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が少ない場合（昇圧率が低く、主スイッチのオン期間が短い場合）、もしくは、降圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が大きい場合（降圧率が高く、主スイッチのオン期間が短い場合）、スナバコンデンサに電圧が残留する場合がある。この場合、ダイオードリカバリ電流消滅による低電流の効果と、残留電圧による低電圧の効果で、その分、低電圧・低電流からのターンオンとなり、電圧・電流の重なりが少なくなってスイッチング損失が低減される。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のチョッパ回路は、燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野に適用することができる。

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の一回路構成例を示す図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える昇圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える降圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の基本動作波形図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向昇圧動作を説明するための動作図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための動作波形図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向降圧動作を説明するための動作図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇圧動作を説明するための動作図である。 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇降動作を説明するための動作図である。 従来のチョッパ回路により想定される双方向昇降圧チョッパ回路を示す図である。

符号の説明

Ｅ，Ｅ１…直流電源
Ｓ₁〜Ｓ₄…主スイッチ
Ｓ_1a〜Ｓ_4a…補助スイッチ
Ｃ₁〜Ｃ₄…スナバコンデンサ
Ｄ₁〜Ｄ₄…スナバダイオード
Ｌ₁〜Ｌ₃，Ｌ₂…主リアクトル
Ｃ_in…入力コンデンサ
Ｃ_out…出力コンデンサ
Ｃ₀…平滑出力コンデンサ

Claims (10)

1. 第１の端子と第２の端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路において、
   両端子間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な４つのチョッパ部を備え、
   前記各チョッパ部は、
   等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルと、
   一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
   前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
   前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記３つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備えることを特徴とする、双方向昇降圧チョッパ回路。
2. 前記各チョッパ部は、前記３つの主リアクトルを共有リアクトルとして有し、当該３つの主リアクトル中の中間の主リアクトルの両端に前記各チョッパ回路の補助スイッチを対称に接続することを特徴とする、請求項１に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
3. 前記各チョッパ部は、各補助スイッチの一端を前記共有リアクトルに接続することを特徴とする、請求項２に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
4. 前記４つのチョッパ部は、
   第１の端子から第２の端子へ昇圧動作を行う第１の昇圧チョッパ部と、
   第１の端子から第２の端子へ降圧動作を行う第１の降圧チョッパ部と、
   第２の端子から第１の端子へ昇圧動作を行う第２の昇圧チョッパ部と、
   第２の端子から第１の端子へ降圧動作を行う第２の降圧チョッパ部であることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
5. 前記第１の端子に接続した第２の昇圧チョッパ部と前記第１の端子に接続した第１の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流し、
   前記第２の端子に接続した第１の昇圧チョッパ部と前記第２の端子に接続した第２の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する３つの主リアクトル中の、前記した主リアクトルと異なる１つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流すことを特徴とする、請求項４に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
6. 前記チョッパ部は、
   一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に１つのリアクトルを構成する３つの主リアクトルの直列接続体と、
   一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
   前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
   前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
   前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記２つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備え、
   当該補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧又は低電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧又は低電圧とすることを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
7. 前記補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記２つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項６に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
8. 前記主スイッチは、ターンオン時に、当該スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、前記２つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項６に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
9. 前記補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させることによって、主スイッチを零電圧かつ零電流もしくは低電圧かつ低電流の状態からオン動作させることを特徴とする、請求項５から請求項８いずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
10. 前記補助スイッチは、逆阻止型ＩＧＢＴ、又は、逆並列ダイオード付きＩＧＢＴとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないＩＧＢＴとダイオードの直列接続で構成することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。

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