JP2007325424A - 昇圧コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア成分除去用のノイズフィルタの小型化を可能とし、回路素子が少なく効率がよい昇圧コンバータ装置を提供する。
【効果】第１のインダクタ１２、第１の半導体スイッチング素子１１、第１の逆流阻止形半導体スイッチ１４、で構成された正電圧出力の昇圧コンバータ部と、第２のインダクタ１３、第２の半導体スイッチング素子１０、第２の逆流阻止形半導体スイッチ１５、で構成された負電圧出力の昇圧コンバータ部と、平滑用コンデンサ１６と、キャリア成分除去用のノイズフィルタ２１と、第１の半導体スイッチング素子１１と第２の半導体スイッチング素子１０を制御するゲートコントローラ１９と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、分散電源装置等に適用する昇圧コンバータ装置に関するものである。

燃料電池等の直流電源装置を家庭用電源装置として使用するためには、通常ＤＣ／ＡＣコンバータを使用して、例えばＡＣ１００Ｖなどのように交流電圧に変換する必要がある。
この場合、直流電源装置の電圧に比較して出力交流電圧は高い電圧が必要であるため、一般的に一度ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧後、ＤＣ／ＡＣインバータでＡＣ化している（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来技術を示す昇圧コンバータ装置の構成図である。
図３において、１は燃料電池等の出力である直流電源装置、２は昇圧用トランス、３、４は半導体スイッチング素子、５、６は二次側整流ダイオード、７は二次側平滑用インダクタ、８は二次側平滑用コンデンサ、９はブリッジ回路である。
以下、図３を用いて、従来技術の昇圧コンバータ装置の構成を説明する。
半導体スイッチング素子３、４は、昇圧用トランス２の一次側にスイッチングにより入力電圧と等しいパルス状電圧を印加するもので、一般的に昇圧用トランス２の一次側を中間タップとして、直流電源装置１を接続し、一次側コイルの両端を交互にスイッチングする。二次側整流ダイオード５、６は二次側の昇圧された電圧を整流し、二次側平滑用インダクタ７、二次側平滑用コンデンサ８により平滑する。この平滑された直流電源をブリッジ回路９によりＰＷＭ変調し正弦波電圧の出力を得る。
特開２００３−２０３６６３号公報（第１図）

しかしながら、従来技術による昇圧コンバータ装置は、一度ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧し、その後ＤＣ／ＡＣインバータで直流/交流変換をしているため、回路素子が多く、また、半導体スイッチング素子を何度も電流が経由するため、効率が悪いという問題があった。また、図３には記載していないが、同図のＡＣ出力端子にさらにキャリア成分を除去するノイズフィルタが必要になるが、このＤＣ／ＡＣ部は半導体スイッチング素子のブリッジ回路であるため、上下短絡防止用のデッドタイムが必要であり、スイッチング周波数、すなわち、キャリア周波数を速くできず、キャリア成分除去用のノイズフィルタも小形化が困難であると言う問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、キャリア成分除去用のノイズフィルタの小型化を可能とし、回路素子が少なく効率がよい昇圧コンバータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直流電源装置の電圧を昇圧して正および負の電圧を出力する昇圧コンバータ装置において、前記直流電源装置の正極側に接続された第１のインダクタと、一端が前記直流電源装置の負極側に接続され他端が前記第１のインダクタに直列接続された第１の半導体スイッチング素子と、前記第１のインダクタと前記第１の半導体スイッチング素子の直列接続部に電流流入端が接続された第１の逆流阻止形半導体スイッチと、を有する正電圧出力の昇圧コンバータ部と、前記直流電源装置の負極側に接続された第２のインダクタと、一端が前記直流電源装置の正極側に接続され他端が前記第２のインダクタに直列接続された第２の半導体スイッチング素子と、前記第２のインダクタと前記第２の半導体スイッチング素子の直列接続部に電流出力端が接続され電流流入端が前記第１の逆流阻止形半導体スイッチの電流出力端と接続された第２の逆流阻止形半導体スイッチと、を有する負電圧出力の昇圧コンバータ部と、前記第１の逆流阻止形半導体スイッチと前記第２の逆流阻止形半導体スイッチの接続部と前記直流電源装置の負極側との間に接続された平滑用コンデンサと、出力部に前記平滑用コンデンサと並列に設けられたキャリア成分除去用のノイズフィルタと、を備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の昇圧コンバータ装置において、前記平滑用コンデンサの出力電圧もしくは前記ノイズフィルタ通過後の出力電圧の電圧フィードバックと指令の正弦波電圧とを比較して前記第１の半導体スイッチング素子および前記第２の半導体スイッチング素子を前記出力電圧が正弦波出力となるよう制御するゲートコントローラを備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、少ない半導体スイッチング素子で任意の昇圧した出力電圧を得ることを可能にし、高効率で正、負の電圧を出力する昇圧コンバータを実現できる。

また、請求項２に記載の発明によると、少ない半導体スイッチング素子で昇圧した交流電圧を得ることを可能とし、高効率な正弦波電圧を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明を示す昇圧コンバータ装置の構成図である。
図１において、１は直流電源装置、１０、１１は半導体スイッチング素子、１２、１３、１７はインダクタ、１４、１５はＲＧＩＧＢＴなどの逆流阻止形半導体スイッチ、１６は平滑用コンデンサ、１８はコンデンサ、１９はゲートコントローラ、２０はフィードバック線、２１はキャリア成分除去用のノイズフィルタである。
本実施例の特徴とする点は以下のとおりである。
すなわち、正電圧出力の昇圧コンバータ部と負電圧出力の昇圧コンバータ部の出力を逆流素子半導体スイッチ１４，１５を用いて合成し、出力電圧を正にする場合は正電圧出力の昇圧コンバータ部を動作させ、出力電圧を負にする場合は正電圧出力の昇圧コンバータ部を動作させるようにしている点であり、さらに昇圧コンバータの出力電圧をフィードバックし、指令の正弦波電圧と比較し、半導体スイッチング素子１０、１１を制御するゲートコントローラ１９を備えるようにしている点である。
以下、図１を用いて本発明の昇圧コンバータ装置の構成をより具体的に説明する。
直流電源装置１の正極側に接続されたインダクタ１２と、一端が直流電源装置１の負極側に接続され他端がインダクタ１２に直列接続された半導体スイッチング素子１１と、インダクタ１２と半導体スイッチング素子１１の直列接続部に電流流入端が接続された逆流阻止形半導体スイッチ１４にて正電圧出力の昇圧コンバータ部を構成し、直流電源装置１の負極側に接続されたインダクタ１３と、一端が直流電源装置１の正極側に接続され他端がインダクタ１３に直列接続された半導体スイッチング素子１０と、インダクタ１３と半導体スイッチング素子１０の直列接続部に電流出力端が接続され電流流入端が逆流阻止形半導体スイッチ１４の電流出力端と接続された逆流阻止形半導体スイッチ１５にて負電圧出力の昇圧コンバータ部を構成し、逆流阻止形半導体スイッチ１４と逆流阻止形半導体スイッチ１５の接続部と直流電源装置１の負極側との間に接続された平滑用コンデンサ１６と、出力部に設けられたキャリア成分除去用のノイズフィルタ２１を備えた。ゲートコントローラ１９により半導体スイッチング素子１０，１１を制御し、正電圧出力と負電圧出力の昇圧コンバータ部を交互に動作することにより、所望の出力電圧を得ることができる。インダクタ１７及びコンデンサ１８はキャリア成分除去用のノイズフィルタ２１である。

図２は、本発明の昇圧コンバータ装置の動作を示すタイミング図である。
以下、図２を用いて本発明の昇圧コンバータ装置の動作を説明する。
上述した正電圧出力の昇圧コンバータ部と負電圧出力の昇圧コンバータ部の動作は相似であるため、正電圧出力の昇圧コンバータ部のみの動作について説明する。
正電圧出力の昇圧コンバータ部は上述したようにインダクタ１２、半導体スイッチング素子１１、逆流阻止形スイッチ１４、及び平滑用コンデンサ１６で構成されている。
図２に示す半導体スイッチング素子１１の波形は、図１における半導体スイッチング素子１１のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す。半導体スイッチング素子１１がＯＮの時、インダクタ１２に磁気エネルギが蓄積されるが、その値は図２に示す電流ｉＬ１で表される。このエネルギは半導体スイッチング素子１１がＯＦＦ時に、逆流阻止形半導体スイッチ１４を経由して平滑用コンデンサ１６に蓄積され、端子間電圧Ｖｃが上昇する。インダクタ１２からエネルギが供給されない期間は、平滑用コンデンサ１６から負荷へ電力を供給するため、平滑用コンデンサ１６の端子間電圧Ｖｃが低下する。この端子間電圧もしくはノイズフィルタ２１を通過後の出力電圧をフィードバック線２０を経由してゲートコントローラ１９へ帰還し、正弦波指令と比較することにより、その大小に応じて半導体スイッチング素子１０、及び半導体スイッチング素子１１のゲートＯＮ時間を制御することにより、所望の正弦波出力電圧波形を得ることができる。

以上述べたように、本実施例にかかわる昇圧コンバータ装置は、直結形昇圧コンバータとＲＢＩＧＢＴなどの逆流阻止形スイッチを組み合わせ、この組み合わせを正極側電圧と負極側電圧の２回路を結合する構成としているので、省エネ、小形化、部品点数の削減を実現可能とした。

本発明の昇圧コンバータ装置は、省エネ、小形化、部品点数の削減を実現可能としたので分散電源装置システムに好適である。

本発明を示す昇圧コンバータ装置の構成図 本発明の昇圧コンバータ装置の動作を示すタイミング図 従来技術を示す昇圧コンバータ装置の構成図

符号の説明

１ 直流電源装置
２ 昇圧用トランス
３、４、１０、１１ 半導体スイッチング素子
５、６ 二次側整流ダイオード
７ 二次側平滑用インダクタ
８ 二次側平滑用コンデンサ
９ ブリッジ回路
１２、１３、１７インダクタ
１４、１５ 逆流阻止形半導体スイッチ
１６ 平滑用コンデンサ
１８ コンデンサ
１９ ゲートコントローラ
２０ フィードバック線
２１ キャリア成分除去用のノイズフィルタ

Claims (2)

1. 直流電源装置（１）の電圧を昇圧して正および負の電圧を出力する昇圧コンバータ装置において、
   前記直流電源装置（１）の正極側に接続された第１のインダクタ（１２）と、一端が前記直流電源装置（１）の負極側に接続され他端が前記第１のインダクタ（１２）に直列接続された第１の半導体スイッチング素子（１１）と、前記第１のインダクタ（１２）と前記第１の半導体スイッチング素子（１１）の直列接続部に電流流入端が接続された第１の逆流阻止形半導体スイッチ（１４）と、を有する正電圧出力の昇圧コンバータ部と、
   前記直流電源装置（１）の負極側に接続された第２のインダクタ（１３）と、一端が前記直流電源装置（１）の正極側に接続され他端が前記第２のインダクタ（１３）に直列接続された第２の半導体スイッチング素子（１０）と、前記第２のインダクタ（１３）と前記第２の半導体スイッチング素子（１０）の直列接続部に電流出力端が接続され電流流入端が前記第１の逆流阻止形半導体スイッチ（１４）の電流出力端と接続された第２の逆流阻止形半導体スイッチ（１５）と、を有する負電圧出力の昇圧コンバータ部と、
   前記第１の逆流阻止形半導体スイッチ（１４）と前記第２の逆流阻止形半導体スイッチ（１５）の接続部と前記直流電源装置（１）の負極側との間に接続された平滑用コンデンサ（１６）と、
   出力部に平滑用コンデンサ（１６）と並列に設けられたキャリア成分除去用のノイズフィルタ（２１）と、を備えたことを特長とする昇圧コンバータ装置。
2. 前記平滑用コンデンサ（１６）の出力電圧もしくは前記ノイズフィルタ（２１）通過後の出力電圧の電圧フィードバックと指令の正弦波電圧とを比較して前記第１の半導体スイッチング素子（１１）および前記第２の半導体スイッチング素子（１０）を前記出力電圧が正弦波出力となるよう制御するゲートコントローラ（１９）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の昇圧コンバータ装置。

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