JP2010057236A - 昇圧チョッパ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ソフトスイッチングによってスイッチング損失を低減して、高効率を図ることができる昇圧チョッパ回路。
【解決手段】スイッチQ1とスイッチQ2との第1直列回路、Q1とQ2との接続点と直流電源VDCの正極との間に接続されるリアクトルL1、Q2の両端に接続されるコンデンサC1、Q2の両端に接続され、リアクトルL2とスイッチQ3との第2直列回路、L2の両端に接続され、ダイオードD2とコンデンサC2との第3直列回路、第１直列回路の両端に接続されるコンデンサC3、一端がダイオードD2とコンデンサC2との接続点に接続され、他端がコンデンサC3の一端に接続されるダイオードD1と、スイッチQ1とスイッチQ2とを交互にオン／オフさせてVDCからの直流電圧を昇圧させると共に、スイッチQ3をオンさせてリアクトルL2とコンデンサC1とによる共振動作を行わせ、スイッチQ2をソフトスイッチングさせる制御回路10を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率な昇圧チョッパ回路に関する。

昇圧チョッパ回路は、入力電圧を昇圧して出力する直流−直流変換回路である。この昇圧チョッパ回路は、直流電源の両端に接続されたリアクトルとＭＯＳＦＥＴからなるスイッチとからなる第１直列回路と、スイッチのドレイン−ソース間に接続されたダイオードと平滑用のコンデンサとからなる第２直列回路とで構成され、平滑用のコンデンサの両端から昇圧された出力電圧を取り出す。

また、この昇圧チョッパ回路の関連技術として、昇圧チョッパ回路を有するＤＣ−ＤＣコンバータも知られている（特許文献１）。
特開平０９−１０３０７１号公報

従来の昇圧チョッパ回路にあっては、簡単な構成で導通損失は低いと考えられる。しかし、昇圧に必要なスイッチのスイッチングによる損失と、ダイオードの順方向電圧Ｖｆによる損失は、高周波でスイッチングを行うほど大きくなる。このため、昇圧チョッパ回路の変換効率は、スイッチング損失によって大きく低下し、高い変換効率が得られない。

本発明の課題は、ソフトスイッチングによってスイッチング損失を低減して、高効率を図ることができる昇圧チョッパ回路を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１は、第１スイッチと第２スイッチとからなる第１直列回路と、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの接続点と直流電源の正極との間に接続される第１リアクトルと、前記第２スイッチの両端に接続される第１コンデンサと、前記第２スイッチの両端に接続され、第２リアクトルと第３スイッチとからなる第２直列回路と、前記第２リアクトルの両端に接続され、第１ダイオードと第２コンデンサとからなる第３直列回路と、前記第１直列回路の両端に接続される第３コンデンサと、一端が前記第１ダイオードと前記第２コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記第３コンデンサの一端に接続される第２ダイオードと、前記第１スイッチと前記第２スイッチとを交互にオン／オフさせて前記直流電源からの直流電圧を昇圧させると共に、前記第３スイッチをオンさせて前記第２リアクトルと前記第１コンデンサとによる共振動作を行わせ、前記第２スイッチをソフトスイッチングさせる制御回路とを有することを特徴とする。

請求項２の発明は、第１整流素子と第２スイッチとからなる第１直列回路と、前記第１整流素子と前記第２スイッチとの接続点と直流電源の正極との間に接続される第１リアクトルと、前記第２スイッチの両端に接続される第１コンデンサと、前記第２スイッチの両端に接続され、第２リアクトルと第３スイッチとからなる第２直列回路と、前記第２リアクトルの両端に接続され、第１ダイオードと第２コンデンサとからなる第３直列回路と、前記第１直列回路の両端に接続される第３コンデンサと、一端が前記第１ダイオードと前記第２コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記第３コンデンサの一端に接続される第２ダイオードと、前記第２スイッチをオン／オフさせて前記直流電源からの直流電圧を昇圧させると共に、前記第３スイッチをオンさせて前記第２リアクトルと前記第１コンデンサとによる共振動作を行わせ、前記第２スイッチをソフトスイッチングさせる制御回路とを有することを特徴とする。

請求項１，２の発明によれば、昇圧チョッパ回路の共振回路において、第３スイッチがオンする時には第２リアクトルによりゼロ電流スイッチングを行い、第３スイッチがオフする時には第１ダイオードを介して第２コンデンサに電荷が移動するため、第３スイッチのスイッチング損失が発生しない。

また、第２コンデンサに蓄えられた電荷は、第２スイッチがオフして昇圧動作に入った直後に第３コンデンサに第２ダイオードを介して全て放出されるため、共振回路の損失が小さくなる。また、第２スイッチはソフトスイッチングによって、スイッチング損失が低減され、第１スイッチは還流ダイオードが導通している時にゲートをオンすることによって同期整流となり、損失が低減される。このため、高効率を図ることができる。

以下、本発明の昇圧チョッパ回路の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１の昇圧チョッパ回路を示す図である。図１において、スイッチＱ１〜Ｑ３は、還流ダイオードを備えたＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子からなる。スイッチＱ１（第１スイッチ）とスイッチＱ２（第２スイッチ）とは直列に接続され、第１直列回路を構成している。スイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点と太陽電池や燃料電池等の直流電源ＶＤＣの正極との間に昇圧用のリアクトルＬ１（第１リアクトル）が接続されている。

逆流防止兼同期整流を行うスイッチＱ１とスイッチＱ２とリアクトルＬ１とは、直流電源ＶＤＣの直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成し、直流電源ＶＤＣの直流電圧をリアクトルＬ１とスイッチＱ１とスイッチＱ２により昇圧動作させる。スイッチＱ１は、同期整流動作を行うことで損失を低減する。

スイッチＱ２の両端には、スイッチＱ２のスイッチングロスを低減させるためのコンデンサＣ１（第１コンデンサ）が接続されている。スイッチＱ２の両端には、共振用のリアクトルＬ２（第２リアクトル）と共振用のスイッチＱ３（第３スイッチ）との第２直列回路が接続されている。スイッチＱ３とリアクトルＬ２とコンデンサＣ１とで共振回路を構成している。

リアクトルＬ２の両端には、ダイオードＤ２（第１ダイオード）とコンデンサＣ２（第２コンデンサ）との第３直列回路が接続されている。ダイオードＤ１とダイオードＤ２とコンデンサＣ２とは、共振用のスイッチＱ３のスナバ回路を構成している。

第１直列回路の両端には、コンデンサＣ３（第３コンデンサ）が接続されている。

制御回路１０は、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを交互にオン／オフさせて直流電源ＶＤＣからの直流電圧を昇圧させると共に、スイッチＱ３をオンさせてリアクトルＬ２とコンデンサＣ１とによる共振動作を行わせ、スイッチＱ２をソフトスイッチングさせる。

スイッチＱ２がオンした時、リアクトルＬ１にエネルギーを蓄え、スイッチＱ２がオフした時にエネルギーをコンデンサＣ３に放出する。エネルギーを放出した時には、スイッチＱ２に印加される電圧はコンデンサＣ３の電圧になるため、高電圧がスイッチＱ２に印加される。

この電圧をスイッチＱ２がターンオンする時にゼロ電圧とするために、スイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点にリアクトルＬ２の一端が接続され、リアクトルＬ２の他端と直流電源ＶＤＣの負極である０Ｖライン（基準電位）とにスイッチＱ３が接続されている。

スイッチＱ３のターンオフ時の損失を低減させるために、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２とでリアクトルＬ２のエネルギーをコンデンサＣ２に蓄える。コンデンサＣ２の電圧はダイオードＤ１によってコンデンサＣ３の電圧（出力電圧Ｖ）にクランプされ、スイッチＱ２がオンからオフになった時にコンデンサＣ２の電荷はコンデンサＣ３に放出される。

次に、図３に示す昇圧チョッパ回路の共振動作遷移図及び図４に示す昇圧チョッパ回路の共振動作の概略図を参照しながら昇圧チョッパ回路の共振動作を説明する。

まず、図３（ａ）に示すモードＭ１では、スイッチＱ１がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３がオフし、ＶＤＣ正極→Ｌ１→Ｑ１→Ｃ３→ＶＤＣ負極の経路で電流が流れる。このため、リアクトルＬ１のエネルギーがスイッチＱ１を介してコンデンサＣ３に放出される。

次に、図３（ｂ）に示すモードＭ２では、スイッチＱ３がオンする（時刻ｔ１）。このとき、ＶＤＣ正極→Ｌ１→Ｑ１→Ｃ３→ＶＤＣ負極の経路と、ＶＤＣ正極→Ｌ１→Ｌ２→Ｑ３→ＶＤＣ負極の経路とに電流が流れる。即ち、リアクトルＬ１のエネルギーがスイッチＱ１を介してコンデンサＣ３に放出されるとともに、リアクトルＬ２に電流が流れる。リアクトルＬ２に流れる電流は、リアクトルＬ１に流れる電流までＶ／Ｌ２の傾きで上昇していく。

次に、図３（ｃ）に示すモードＭ３では、リアクトルＬ２の電流がリアクトルＬ１の電流に達した時に、スイッチＱ１に流れる電流がオフする。

次に、図３（ｄ）に示すモードＭ４では、リアクトルＬ２の電流がリアクトルＬ１の電流に達した後、リアクトルＬ２（インダクタンス値をＬ２とする）とコンデンサＣ１（容量をＣ１とする）とで共振動作が起こる。このときには、｛π√（Ｌ２×Ｃ１）｝／２の周期でコンデンサＣ１の電圧、即ちスイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｑ２Ｖdsが０Ｖに低下する（時刻ｔ２）。

次に、図３（ｅ）に示すモードＭ５では、スイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｑ２Ｖｄｓが共振動作によって０Ｖに低下した後にスイッチＱ２をオンする（時刻ｔ３）。この時、スイッチＱ２のゼロ電圧スイッチング（ソフトスイッチング）を実現できる。

次に、図３（ｆ）に示すモードＭ６では、スイッチＱ３をオフする（時刻ｔ４）。この時、リアクトルＬ２に流れる電流は、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２に流れリアクトルＬ２の電流は減衰していき時刻ｔ５でゼロとなる。このため、スイッチＱ３はソフトスイッチングによるターンオフとなる。

次に、図３（ｇ）に示すモードＭ７では、リアクトルＬ１のエネルギーをコンデンサＣ３に放出するため、スイッチＱ２をオフする。このとき、リアクトルＬ２によって蓄えられたコンデンサＣ２の電荷がダイオードＤ１を介して放出される。

次に、図３（ｈ）に示すモードＭ８では、スイッチＱ１の還流ダイオードに電流が流れ、コンデンサＣ３にリアクトルＬ１のエネルギーを放出する。このとき、スイッチＱ１をオンすることによって、スイッチＱ１は同期整流となり、低損失となる。

このように実施例１の昇圧チョッパ回路によれば、スイッチＱ３がオンする時にはリアクトルＬ２によりゼロ電流スイッチング（ソフトスイッチング）を行い、スイッチＱ３がオフする時にはダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２に電荷が移動するため、スイッチＱ３のスイッチング損失が発生しない。

また、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷は、スイッチＱ２がオフして昇圧動作に入った直後にコンデンサＣ３にダイオードＤ１を介して全て放出されるため、共振回路の損失が小さくなる。また、スイッチＱ２はソフトスイッチングによって、スイッチング損失が低減され、スイッチＱ１は還流ダイオードが導通している時にゲートをオンすることによって同期整流となり、導通損失が低減される。このため、高効率を図ることができる。

（制御回路の構成及び動作）
次に、図２に示す制御回路１０の詳細について説明する。制御回路１０は、端子Ｔ１〜Ｔ６を有し、端子Ｔ１はリアクトルＬ１に流れる電流を検出する電流センサ１２に接続されている。

端子Ｔ２はスイッチＱ１のゲートに接続され、端子Ｔ３はスイッチＱ２のゲートに接続され、端子Ｔ４はスイッチＱ３のゲートに接続されている。端子Ｔ５はコンデンサＣ３の一端に接続され、端子Ｔ６はコンデンサＣ３の他端と直流電源ＶＤＣの負極との接続点に接続されている。

まず、共振周期の演算について説明する。電流センサ１２は、リアクトルＬ１に流れる電流を検出して端子Ｔ１に出力する。演算部２４は、端子Ｔ１を介して入力される電流検出値ＩとリアクトルＬ２のインダクタンス値（Ｌ２）とを乗算して、乗算出力Ｌ２×Ｉを除算器２５に出力する。

電圧検出器２１は、端子Ｔ５と端子Ｔ６との電圧、即ち出力電圧Ｖを検出し、除算器２５に出力する。除算器２５は、演算部２４からの乗算出力Ｌ２×Ｉを電圧検出器２１からの出力電圧Ｖで除算して、除算出力Ｔ₁＝Ｌ２×Ｉ／Ｖ、即ち時間Ｔ₁を求め、加算器２６に出力する。

即ち、共振電流がリアクトルＬ１の電流に達するまではＶ／Ｌ２の傾きで上昇するため、その時の時間Ｔ₁はＬ２×Ｉ／Ｖによって演算する。コンデンサＣ１とリアクトルＬ２との共振時の時間Ｔ₂は｛π√（Ｌ２×Ｃ１）｝／２と表される。

搬送波信号（周期Ｔ）のリセット前にＴ₁+Ｔ₂＝Ｌ２×Ｉ／Ｖ＋｛π√（Ｌ２×Ｃ１）｝／２が反映される共振スイッチ指令イを演算し、搬送波信号のリセット後には、Ｔ₁＝Ｌ２×Ｉ／Ｖが反映される共振スイッチ指令ロを計算し、それを共振周期とする。

このため、加算器２６は、除算器２５からの時間（第１周期）Ｔ₁と時間（第２周期）Ｔ₂＝｛π√（Ｌ２×Ｃ１）｝／２とを加算する。加算器２６ａは、搬送波信号の振幅を２とすると、２［１−｛（Ｔ₁＋Ｔ₂）／Ｔ｝］の演算を行い、その演算結果を図４に示すような共振スイッチ指令イとしてコンパレータ２７ａに出力する。また、除算器２５からの時間Ｔ₁は、２／Ｔ倍されて、図４に示すような共振スイッチ指令ロとしてコンパレータ２７ｂに出力される。

搬送波部３０は搬送波信号をコンパレータ２７ａ，２７ｂに出力する。ここで、図４に示す時刻ｔ１において、搬送波部３０からの搬送波信号の値が共振スイッチ指令イの値に達する。このため、コンパレータ２７ａがＨレベルをオア回路２８に出力するので、スイッチＱ３がオンする。

すると、リアクトルＬ２に流れる電流は、リアクトルＬ１に流れる電流と同量になるまでＶ／Ｌ２の傾きで上昇する。このときの時間Ｔ₁は(時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間)、Ｌ２×Ｉ／Ｖとなる。その後、リアクトルＬ２とコンデンサＣ１との共振動作となり、その周期は｛π√（Ｌ２×Ｃ１）｝／２となる。

そして、時刻ｔ３において、搬送波信号の値が共振スイッチ指令ロの値に達し、時刻ｔ４において、コンパレータ２７ａ，２７ｂが共にＬレベルをオア回路２８に出力すので、スイッチＱ３がオフして、リアクトルＬ２の電流は、Ｖ／Ｌ２の傾きで減少していく。

次にスイッチＱ１とスイッチＱ２との制御（昇圧制御）について説明する。加算器３４は、電圧検出器２１からの出力電圧Ｖと直流電圧基準値３１との偏差を求め、ＰＩ部３５に出力する。

ＰＩ部３５は、加算器３４からの偏差出力を比例積分してその出力を指令値としてコンパレータ３８に出力する。コンパレータ３８は、ＰＩ部３５からの指令値が搬送波部３０からの搬送波信号の値以上であるときにＨレベルをデットタイム部４１を介してスイッチＱ２のゲートに出力してオンさせ、Ｈレベルをインバータ４０で反転してＬレベルをデットタイム部４１を介してスイッチＱ１のゲートに出力してオフさせる。

コンパレータ３８は、ＰＩ部３５からの指令値が搬送波部３０からの搬送波信号の値未満であるときにＬレベルをデットタイム部４１を介してスイッチＱ２のゲートに出力してオフさせ、Ｌレベルをインバータ４０で反転してＨレベルをデットタイム部４１を介してスイッチＱ１のゲートに出力してオンさせる。

このように、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを交互にオン／オフさせて直流電圧ＶＤＣからの直流電圧を昇圧し、コンデンサＣ３から昇圧された電圧（出力電圧Ｖ）を出力する。

図５は本発明の実施例２の昇圧チョッパ回路を示す図である。図５に示す実施例２の昇圧チョッパ回路は、図１に示す実施例１の昇圧チョッパ回路に対して、スイッチＱ１に代えて、ダイオード（第１整流素子）Ｄ３を接続したことを特徴とする。ダイオードＤ３のアノードはリアクトルＬ１とリアクトルＬ２との接続点とスイッチＱ２のドレインとコンデンサＣ２の一端とに接続されている。ダイオードＤ３のカソードはダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ３の一端とに接続されている。

このような実施例２の昇圧チョッパ回路によれば、実施例１の昇圧チョッパ回路の動作と略同様に動作し、同様な効果が得られる。

本発明の実施例１の昇圧チョッパ回路を示す図である。 本発明の実施例１の昇圧チョッパ回路に設けられた制御回路の詳細を示す図である。 本発明の実施例１の昇圧チョッパ回路の共振動作の遷移図である。 本発明の実施例１の昇圧チョッパ回路の共振動作の概略図である。 本発明の実施例２の昇圧チョッパ回路を示す図である。

符号の説明

ＶＤＣ 直流電源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ２ リアクトル
Ｑ１〜Ｑ３ スイッチ
Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード
１０ 制御回路
１２ 電流センサ
２１ 電圧検出器
２５ 除算器
２６，３４ 加算器
２７ａ，２７ｂ，３８ コンパレータ
２８ オア回路
３０ 搬送波部
３５ ＰＩ部
４０ インバータ
４１ デットタイム部

Claims (2)

1. 第１スイッチと第２スイッチとからなる第１直列回路と、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチとの接続点と直流電源の正極との間に接続される第１リアクトルと、
   前記第２スイッチの両端に接続される第１コンデンサと、
   前記第２スイッチの両端に接続され、第２リアクトルと第３スイッチとからなる第２直列回路と、
   前記第２リアクトルの両端に接続され、第１ダイオードと第２コンデンサとからなる第３直列回路と、
   前記第１直列回路の両端に接続される第３コンデンサと、
   一端が前記第１ダイオードと前記第２コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記第３コンデンサの一端に接続される第２ダイオードと、
   前記第１スイッチと前記第２スイッチとを交互にオン／オフさせて前記直流電源からの直流電圧を昇圧させると共に、前記第３スイッチをオンさせて前記第２リアクトルと前記第１コンデンサとによる共振動作を行わせ、前記第２スイッチをソフトスイッチングさせる制御回路と、
   を有することを特徴とする昇圧チョッパ回路。
2. 第１整流素子と第２スイッチとからなる第１直列回路と、
   前記第１整流素子と前記第２スイッチとの接続点と直流電源の正極との間に接続される第１リアクトルと、
   前記第２スイッチの両端に接続される第１コンデンサと、
   前記第２スイッチの両端に接続され、第２リアクトルと第３スイッチとからなる第２直列回路と、
   前記第２リアクトルの両端に接続され、第１ダイオードと第２コンデンサとからなる第３直列回路と、
   前記第１直列回路の両端に接続される第３コンデンサと、
   一端が前記第１ダイオードと前記第２コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記第３コンデンサの一端に接続される第２ダイオードと、
   前記第２スイッチをオン／オフさせて前記直流電源からの直流電圧を昇圧させると共に、前記第３スイッチをオンさせて前記第２リアクトルと前記第１コンデンサとによる共振動作を行わせ、前記第２スイッチをソフトスイッチングさせる制御回路と、
   を有することを特徴とする昇圧チョッパ回路。

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