JP2009207292A

JP2009207292A - 電力変換装置

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Publication number: JP2009207292A
Application number: JP2008047706A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Gekinozu; 政和鷁頭
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: US20090219006A1; US8174849B2; US20110286246A1; JP5125607B2

Abstract

【課題】低コスト，低損失で、双方向動作においてソフトスイッチングが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】第１のスイッチング素子１５と並列にコンデンサ３１と、ダイオード７，変圧器２２の一次巻線および第３のスイッチング素子１７からなる直列回路とを接続し、第２のスイッチング素子１８と並列にコンデンサ７１と第４のスイッチング素子２０と変圧器２２の一次巻線およびダイオード１３からなる直列回路とを接続し、さらに直流出力端子間にダイオード１０と前記変圧器２２の二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段３０を接続し、双方向の電力変換を可能とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、スイッチング素子を用いて直流電源または交流電源から直流を作り出す電力変換装置、特に双方向の動作が可能な電力変換装置のソフトスイッチング機能に関する。

従来、この種の回路として、特許文献１に開示の図３のような回路がある。
これは単相交流電源の例で、ダイオード２〜５からなるダイオードブリッジ回路、リアクトル２１、ダイオード６およびスイッチング素子１５からなるチョッパ回路で整流回路が構成されている。
ここで、スイッチング素子１５をオンさせると、交流電源１はダイオードブリッジ回路とリアクトル２１を介して短絡され、リアクトル２１にはエネルギーが蓄えられるとともに交流入力電流は増加する。

次に、スイッチング素子１５をオフさせると、リアクトル２１に蓄えられたエネルギーは、ダイオード６を通して直流出力となるコンデンサ３３と負荷３４に供給される。
このように、スイッチング素子１５のオン・オフ制御によって、整流された交流電圧（直流電圧）を任意の直流電圧に変換する。また、コンデンサ３１、ダイオード７，９，１０、電圧クランプ素子３０、変圧器２２およびスイッチング素子１７により、チョッパ回路のソフトスイッチング回路が形成されている。

図３Ａに図３の動作波形例を示す。
いま、スイッチング素子１７をオンさせると、期間ｔ１ではリアクトル２１→ダイオード６→コンデンサ３３→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路で流れていた電流が、変圧器２２の漏れインダクタンスの影響により、リアクトル２１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路に徐々に転流する。このとき、スイッチング素子１７に流れる電流は零から徐々に増加するので、スイッチング素子１７のターンオン時のソフトスイッチングが行なわれる。

次に、スイッチング素子１７に流れる電流がリアクトル２１に流れる電流値と等しくなると期間ｔ２が始まり、ダイオード６がオフする。このとき、ダイオード６の電流は徐々に零となるので、逆回復時のサージ電圧や逆回復損失が低減される。同時に、コンデンサ３１（スイッチング素子１５の寄生容量でもよい）に蓄えられている電流が、コンデンサ３１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→コンデンサ３１の経路で放電し、コンデンサ３１に蓄えられていた電荷は、変圧器２２の二次巻線２２ｂとダイオード１０を介して出力側へ回生される。

さらに、期間ｔ３において、スイッチング素子１５の電圧が零になった後、スイッチング素子１５をオンすると、スイッチング素子１５には変圧器２２の一次巻線２２ａに流れる電流と、リアクトル２１に流れる電流との差分の電流が流れるので、スイッチング素子１５に流れる電流は寄生ダイオード１２が電流を流し、零以下の電流値から徐々に上昇する。従って、スイッチング素子１５ではターンオン時のソフトスイッチングが実現する。

その後、リアクトル２１→ダイオード７→変圧器２２の一次巻線２２ａ→スイッチング素子１７→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路で流れていた電流は、リアクトル２１→スイッチング素子１５→→ダイオードブリッジ回路４０→交流電源１→リアクトル２１の経路に徐々に転流するとともに、変圧器２２の漏れインダクタンスに蓄えられているエネルギーは、変圧器２２の二次巻線２２ｂとダイオード１０を介して出力側に供給され、スイッチング素子１７に流れる電流は徐々に低下して零になる。スイッチング素子１７は電流が零になってからオフするので、ターンオフ時のソフトスイッチングが実現する。

一方、スイッチング素子１５がオフするときには、コンデンサ３１に電流が流れることによって、スイッチング素子１５の電圧が徐々に上昇するので、ターンオフ損失は低減される。このように、スイッチング素子１５と１７のソフトスイッチングが行なわれる。
さらに、期間ｔ４では、変圧器２２の一次巻線２２ａに、電圧クランプ素子３０によってクランプされる電圧と等しいリセット電圧が発生し、変圧器２２の二次巻線２２ｂには一次巻線の巻数比倍の電圧が発生し、ダイオード１０には直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧との和が印加される。ここで、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することにより、ダイオード１０に印加される電圧を低減できる。

図４に、上記特許文献１に開示の別の従来例を示す。
図４ではリアクトル２１、ダイオード２〜５およびスイッチング素子１５，１６により整流回路が構成されている。整流回路のダイオード３には並列にスイッチング素子１５とコンデンサ３１が、ダイオード５には並列にスイッチング素子１６とコンデンサ３２が、またダイオード２，３の直列接続点とダイオード４，５の直列接続点との間にはリアクトル２１を介して交流電源１が、さらにダイオードブリッジ回路の直流端子間にはコンデンサ３３と負荷３４がそれぞれ接続されている。

ここで、ダイオード３はスイッチング素子１５の寄生ダイオードで、ダイオード５はスイッチング素子１６の寄生ダイオードでそれぞれ代用することができる。また、ダイオード７〜１０、スイッチング素子１７、変圧器２２、電圧クランプ素子３０で整流回路のソフトスイッチング回路が構成されている。

図４Ａに、図４の動作波形例を示す。
交流電源電圧が正の場合、スイッチング素子１５をオンすると、交流電源１→リアクトル２１→スイッチング素子１５→ダイオード５→交流電源１の経路で交流入力電流が増加し、リアクトル２１にエネルギーが蓄えられる。次に、スイッチング素子１５がオフすると、リアクトル２１→ダイオード２→コンデンサ３３→ダイオード５→交流電源１→リアクトル２１の経路でリアクトル２１のエネルギーが直流出力側に供給される。従って、交流電源電圧が正のときにはスイッチング素子１５をオン・オフ制御することにより、交流電源電圧を任意の直流電圧に変換することができる。同様に、交流電源電圧が負のときにはスイッチング素子１６をオン・オフさせることにより、交流電源電圧を任意の直流電圧に変換することができる。

ここで、図４では図３におけるダイオード７の代わりにダイオード７と８が接続され、交流電源電圧が正の時にはダイオード８が、交流電源電圧が負の時にはダイオード７が図３のダイオード７の役割を果たしている。交流電源電圧が正の時にはスイッチング素子１５がオン・オフするので、コンデンサ３１に蓄えられる電荷が図３の場合と同様の動作で、直流出力側に回生される。ただし、交流電源電圧が正の時にはダイオード５には常に電流が流れているので、コンデンサ３２には電荷は蓄えられない。

一方、交流電源電圧が負の時には同様に、コンデンサ３２に蓄えられる電荷が図３の場合と同様の動作で、負荷側に回生される。従って、図４に示す回路でも図３と同様の動作となり、スイッチング素子１５，１６，１７およびダイオード２，４はソフトスイッチング動作を行なう。さらに、図３と同様にダイオード１０には、直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧との和の電圧が印加されるので、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することによって、ダイオード１０に印加される電圧を低減することができる。

ところで、双方向の電力変換を行なうには、例えば特許文献２のように降圧チョッパと昇圧チョッパを組み合わせる方法があり、その昇圧チョッパとして例えば特許文献３のような補助スイッチを備えた昇圧チョッパを用いることも考えられるが、このようにすると
回路構成素子数が増え、大型かつ高価になる。
そこで、図３や図４の従来回路で双方向の電力変換を実現することが考えられるが、図３ではダイオード６、図４ではダイオード２，４をスイッチング素子に置き換える必要があり、置き換えられた素子のソフトスイッチング動作ができないという問題が生じる。

特開２００４−１４７４７５号公報特開昭６４−０６４５５７号公報特開平０５−３２８７１４号公報

したがって、この発明の課題は、双方向の電力変換回路においても、低コスト，低損失でソフトスイッチング動作を可能にすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流入力端子間にリアクトルと第１のスイッチング素子との直列回路を、この第１のスイッチング素子と並列に第２のスイッチング素子と両端が直流出力となる出力コンデンサとの直列回路を、この出力コンデンサと並列に負荷を、それぞれ接続した電力変換装置において、
前記第１のスイッチング素子と並列にコンデンサと、ダイオード，変圧器一次巻線および第３のスイッチング素子からなる直列回路とを接続し、前記第２のスイッチング素子と並列にコンデンサと、第４のスイッチング素子，前記変圧器一次巻線およびダイオードからなる直列回路とを接続し、さらに直流出力端子間にダイオードと前記変圧器二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、それぞれ接続したことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、２つのスイッチング素子の直列接続回路をN（２以上の自然数）個並列接続し、第１の直列接続回路の２つのスイッチング素子の内部接続点とＮ相の交流電源との間にリアクトルを、前記N個の直列接続回路の並列接続点間に両端が直流出力となる出力コンデンサを、この出力コンデンサと並列に負荷を、それぞれ接続した電力変換装置において、
コンデンサが並列接続された２つのスイッチング素子からなる直列接続回路の内部接続点の各々にダイオードのアノード端子を、これら各ダイオードのカソード端子を一括して接続し、これらダイオードのカソード端子と直流出力端子の一方との間に、変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、コンデンサが並列接続された２つのスイッチング素子からなる直列接続回路の内部接続点の各々にダイオードのカソード端子を、これら各ダイオードのアノード端子を一括して接続し、これらダイオードのアノード端子と直流出力端子の他方との間に、変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、直流出力端子間にダイオードと前記変圧器二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、それぞれ接続したことを特徴とする。

この発明によれば、双方向の電力変換回路においても、最小限の回路を付加するだけで、ソフトスイッチング動作が可能となり、損失を低減することができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図である。
図１のように、この例は交流電源１や整流回路４０の代わりに直流電源５１を用いた点が特徴である。また、ダイオード６と並列にスイッチング素子１８を接続し、直流電源５１、リアクトル２１、ダイオード６，１２およびスイッチング素子１５，１８でチョッパ回路を構成している。

上記チョッパ回路のスイッチング素子１５をオン・オフすることで、直流電源側から負荷側へ電力を供給し、スイッチング素子１８をオン・オフすることで負荷側から直流電源側へ電力を回生することができる。またダイオード７，９，１０，４１，４２、スイッチング素子１７，２０、変圧器２２、電圧クランプ素子３０により、ソフトスイッチング回路が構成されている。ここで、直流電源側から負荷側へ電力を供給する場合は、図３の従来例と同様に、スイッチング素子１５，１７およびダイオード６をソフトスイッチング動作させる。従来例と異なるのは、負荷側から直流電源側へ電力を回生する場合でも、わずかな部品点数を追加するだけでソフトスイッチング動作を可能にした点であり、以下にその動作を詳細に説明する。

図１において、スイッチング素子１８をオンさせると、コンデンサ３３の蓄積エネルギーは、コンデンサ３３→スイッチング素子１８→リアクトル２１→直流電源５１の経路でリアクトル２１に移るとともに、直流電源５１に回生される。次に、スイッチング素子１８をオフすると、リアクトル２１に移ったエネルギーは、リアクトル２１→直流電源５１→ダイオード１２の経路で直流電源５１に回生される。このように、スイッチング素子１８のオン・オフ制御によって、負荷側のコンデンサ蓄積エネルギーが直流電源側へ回生される。

また、コンデンサ７１、ダイオード９，１０，４１，４２、電圧クランプ素子３０、変圧器２２およびスイッチング素子２０により、負荷側から直流電源側へ電力を回生する動作モードのソフトスイッチング回路を構成している。この場合、図３と同様にダイオード９，１０、電圧クランプ素子３０および変圧器２２は、直流電源側から負荷側へ電力を供給するモードのソフトスイッチング回路としても兼用される。

図１Ａは、図１の動作説明図である。
いま、スイッチング素子２０をオンさせると、期間ｔ１でコンデンサ７１（スイッチング素子１８の寄生容量でも良い）に蓄えられていた電荷が、コンデンサ７１→スイッチング素子２０→変圧器２２の一次巻線→ダイオード４２の経路で放電し、コンデンサ７１に蓄えられていた電荷は変圧器２２の二次巻線とダイオード１０を介して出力側へ回生される。このとき、スイッチング素子２０に流れる電流は、変圧器２２の漏れインダクタンスにより零から徐々に増加するので、スイッチング素子２０のターンオフ時のソフトスイッチングが行なわれる。

次に、スイッチング素子２０に流れる電流がリアクトル２１に流れる電流値に等しくなると期間ｔ２が始まり、ダイオード１２がオフする。このとき、ダイオード１２の電流は徐々に零となるので、逆回復時のサージ電圧や逆回復損失が低減される。さらに、期間ｔ３においてスイッチング素子１８の電圧が零になった後にスイッチング素子１８をオンすると、スイッチング素子１８には変圧器２２の一次巻線に流れる電流とリアクトル２１に流れる電流との差分の電流が流れるので、スイッチング素子１８に流れる電流はダイオード６が電流を流し、零以下の電流値から徐々に上昇する。従って、スイッチング素子１８のターンオフ時のソフトスイッチングが実現する。

一方、スイッチング素子１５がオフするときには、コンデンサ３１に電流が流れることによって、徐々にスイッチング素子１５の電圧が上昇するので、ターンオフ損失は低減される。このように、スイッチング素子１５と１８のターンオフ時のソフトスイッチングが行なわれる。さらに、期間ｔ４では、変圧器２２の一次巻線に、電圧クランプ素子３０によってクランプされる電圧と等しいリセット電圧が発生し、変圧器２２の二次巻線には一次巻線の巻線比倍の電圧が発生し、ダイオード１０には直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧との和の電圧が印加される。ここで、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することで、ダイオード１０に印加される電圧を低減できる。

図２はこの発明の別の実施の形態を示す回路図である。
図示のように、図２ではリアクトル２１、ダイオード２〜５、スイッチング素子１５，１６，１８，１９で整流回路が構成される。ダイオード２〜５で構成されたダイオードブリッジ整流回路のダイオード２には、並列にスイッチング素子１８とコンデンサ７１が、ダイオード３には並列にスイッチング素子１５とコンデンサ３１が、ダイオード４には並列にスイッチング素子１９とコンデンサ７２が、ダイオード５には並列にスイッチング素子１６とコンデンサ３２が、ダイオード２と３との直列接続点とダイオード４と５との直列接続点との間にはリアクトル２１を介して交流電源１が、それぞれ接続される。ここで、ダイオード２〜５はスイッチング素子１５，１６，１８，１９の各寄生ダイオードで代用することができる。

また、ダイオード７〜１０，１３，４１〜４３、スイッチング素子１７，２０、変圧器２２および電圧クランプ素子３０により、ソフトスイッチング回路が構成されている。具体的には、ダイオード８のアノードをダイオード２と３との直列接続点に、ダイオード７のアノードをダイオード４と５との直列接続点に、ダイオード４２のカソードをダイオード２と３との直列接続点に、ダイオード４３のカソードをダイオード４と５との直列接続点に、ダイオード７と８のカソードとダイオード４１を並列接続したスイッチング素子２０のソース端子とを変圧器２２の一次巻線の一方の端子に、ダイオード４２と４３のアノードとダイオード１３を並列接続したスイッチング素子１７のドレイン端子とを変圧器２２の一次巻線の他方の端子に、スイッチング素子２０のドレイン端子を直流出力の正極端子に、スイッチング素子１７のソース端子を直流出力の負極端子に、ダイオード９と電圧クランプ素子３０の直列回路を変圧器２２の一次巻線と並列に、ダイオード１０と変圧器２２の二次巻線との直列回路を直流出力であるコンデンサ３３と並列に、それぞれ接続して構成される。ダイオード１３，４１はスイッチング素子１７，２０の各寄生ダイオードで代用することができる。

図２で交流電源側から負荷側へ電力供給する場合、第２の従来例図４と同様に、スイッチング素子１５，１６，１７およびダイオード２，４でソフトスイッチングが行なわれる。従来例との相違点は、負荷側から交流電源側へ電力を回生する場合でも、僅かな部品点数の追加でソフトスイッチングを行なうことができ、以下にその動作について説明する。

図２の構成で交流電源電圧が正の場合、スイッチング素子１６，１８をオンすると、コンデンサ３３の蓄積エネルギーは、コンデンサ３３→スイッチング素子１８→リアクトル２１→交流電源１→スイッチング素子１６の経路でリアクトル２１に移るとともに、交流電源１に回生される。次に、スイッチング素子１８をオフにすると、リアクトル２１に移ったエネルギーは、リアクトル２１→交流電源１→スイッチング素子１６→ダイオード３の経路で交流電源１に回生される。

また、交流電源電圧が負の場合、スイッチング素子１９，１５をオンすると、コンデンサ３３の蓄積エネルギーは、コンデンサ３３→スイッチング素子１９→交流電源１→リアクトル２１→スイッチング素子１５の経路でリアクトル２１に移るとともに、交流電源１に回生される。次に、スイッチング素子１９をオフにすると、リアクトル２１に移ったエネルギーは、リアクトル２１→交流電源１→スイッチング素子１５→ダイオード５の経路で交流電源１に回生される。このように、スイッチング素子１８または１９のオン・オフ制御により、負荷側の蓄積エネルギーが交流電源側に回生される。

また、コンデンサ７１，７２、ダイオード９，１０，４１，４２，４３、電圧クランプ素子３０、変圧器２２およびスイッチング素子２０は、負荷側から交流電源側へ電力を回生する動作モードのソフトスイッチング回路を形成している。ここで、図４について説明したように、ダイオード９，１０、電圧クランプ素子３０および変圧器２２は、交流電源側から負荷側へ電力を供給するモードのソフトスイッチング回路としても兼用される。

図２Ａは、図２の動作説明図である。
いま、交流電源電圧が正の場合は、スイッチング素子２０をオンすることにより、期間ｔ１でコンデンサ７１（スイッチング素子１８の寄生容量でも良い）に蓄えられた電荷が、コンデンサ７１→スイッチング素子２０→変圧器２２の一次巻線→ダイオード４２の経路で放電し、コンデンサ７１に蓄えられた電荷は変圧器２２の二次巻線とダイオード１０を介して出力側へ回生される。このとき、スイッチング素子２０に流れる電流は、変圧器２２の漏れインダクタンスにより零から徐々に増加するので、スイッチング素子２０ではターンオン時のソフトスイッチングが行なわれる。

次に、スイッチング素子２０に流れる電流がリアクトル２１に流れる電流と等しくなると期間ｔ２が始まり、ダイオード３がオフする。このとき、ダイオード３の電流は徐々に零となるので、逆回復時のサージ電圧や逆回復損失が低減される。さらに、期間ｔ３において、スイッチング素子１８の電圧が零になった後にスイッチング素子１８がオンすると、スイッチング素子１８には変圧器２２の一次巻線に流れる電流と、リアクトル２１に流れる電流との差分の電流が流れるので、スイッチング素子１８に流れる電流はダイオード２が電流を流し、零以下の電流値から徐々に上昇する。従って、スイッチング素子１８ではターンオン時のソフトスイッチングが行なわれる。

一方、スイッチング素子１８がオフするときには、コンデンサ７１に電流が流れることによって、徐々にスイッチング素子１８の電圧が上昇するので、ターンオフ損失は低減される。このように、スイッチング素子１８と２０のソフトスイッチングが行なわれる。
さらに、期間ｔ４では、変圧器２２の一次巻線に、電圧クランプ素子３０によってクランプされる電圧と等しいリセット電圧が発生し、変圧器２２の二次巻線には一次巻線の巻数比倍の電圧が発生し、ダイオード１０には直流出力電圧と変圧器２２の二次巻線電圧との和が印加される。ここで、電圧クランプ素子３０のクランプ電圧を低く設定することにより、ダイオード１０に印加される電圧を低減することができる。

交流電源電圧が負のときには、上記と同様にコンデンサ７２に蓄えられている電荷が負荷側に回生される。従って、図２の整流回路も図１と同様に動作し、スイッチング素子１５，１６，１７，１８，１９，２０およびダイオード２，３，４，５ではソフトスイッチング動作が行なわれることになる。

この発明の実施の形態を示す回路図図１の動作説明図この発明の他の実施の形態を示す回路図図２の動作説明図第１の従来例を示す回路図図３の動作説明図第２の従来例を示す回路図図４の動作説明図

符号の説明

１…交流電源、２〜１０，１２，１３，４１〜４３…ダイオード、１５〜２０…スイッチング素子、２１…リアクトル、２２ａ…変圧器一次巻線、２２ｂ…変圧器二次巻線、３０…電圧クランプ素子、３１，３２，７１，７２…コンデンサまたは寄生容量、３３…コンデンサ、３４…負荷、４０…ダイオードブリッジ回路、５１…直流電源。

Claims

直流入力端子間にリアクトルと第１のスイッチング素子との直列回路を、この第１のスイッチング素子と並列に第２のスイッチング素子と両端が直流出力となる出力コンデンサとの直列回路を、この出力コンデンサと並列に負荷を、それぞれ接続した電力変換装置において、
前記第１のスイッチング素子と並列にコンデンサと、ダイオード，変圧器一次巻線および第３のスイッチング素子からなる直列回路とを接続し、前記第２のスイッチング素子と並列にコンデンサと、第４のスイッチング素子，前記変圧器一次巻線およびダイオードからなる直列回路とを接続し、さらに直流出力端子間にダイオードと前記変圧器二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、それぞれ接続したことを特徴とする電力変換装置。
２つのスイッチング素子の直列接続回路をN（２以上の自然数）個並列接続し、第１の直列接続回路の２つのスイッチング素子の内部接続点とＮ相の交流電源との間にリアクトルを、前記N個の直列接続回路の並列接続点間に両端が直流出力となる出力コンデンサを、この出力コンデンサと並列に負荷を、それぞれ接続した電力変換装置において、
コンデンサが並列接続された２つのスイッチング素子からなる直列接続回路の内部接続点の各々にダイオードのアノード端子を、これら各ダイオードのカソード端子を一括して接続し、これらダイオードのカソード端子と直流出力端子の一方との間に、変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、コンデンサが並列接続された２つのスイッチング素子からなる直列接続回路の内部接続点の各々にダイオードのカソード端子を、これら各ダイオードのアノード端子を一括して接続し、これらダイオードのアノード端子と直流出力端子の他方との間に、変圧器の一次巻線とスイッチング素子との直列回路を、直流出力端子間にダイオードと前記変圧器二次巻線との直列回路を、前記変圧器一次巻線と並列に電圧クランプ手段を、それぞれ接続したことを特徴とする電力変換装置。