JP2011097740A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチのターンオフ時のテール電流に起因する電力損失を低減して、電力変換装置の電力効率を向上する。
【解決手段】メインスイッチ５３のオン期間に、直流電源５１からメインスイッチ５３へ流れる主電流の一部を共振させた共振電流によって電荷を充電する充電回路１６，２１，１８と、メインスイッチ５３がオフされる際に、当該充電回路１６，２１，１８に充電された電荷を前記主電流とは逆方向にメインスイッチ５３へ放電する放電回路１７，２１，１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電流共振現象を利用したソフトスイッチングにより電力変換を行なう電力変換装置に関する。

燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）及び電気自動車（ＥＶ）等の電気自動車関連分野では、燃料電池の出力電圧やバッテリの出力電圧を例えばＤＣ／ＤＣコンバータのような電力変換装置を用いて制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータには、パワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor；ＦＥＴ）等の半導体パワーデバイス（半導体スイッチ）をオン／オフ制御して電圧変換を行なうものがある。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子機器の省電力化、小型化及び高性能化に伴い、低損失、高効率及び低ノイズ化が望まれており、中でも、スイッチのスイッチング動作に伴うスイッチング損失やスイッチングサージの低減が望まれている。

このようなスイッチング損失、スイッチングサージを低減して、小型、軽量で高効率、高周波の電力変換を可能にする回路技術の１つにソフトスイッチング技術がある。ソフトスイッチング技術は、電流共振現象を利用してスイッチの電圧及び／又は電流をゼロとした状態でスイッチをスイッチングすることにより、スイッチング時の電力損失（スイッチング損失）を低減しようとする技術である。なお、電圧がゼロの状態でのスイッチングはＺＶＳ(Zero Voltage Switching)と呼ばれ、電流がゼロの状態でのスイッチングはＺＣＳ(Zero Current Switching)と呼ばれる。

特開２００１−２２４１６５号公報

ソフトスイッチング技術において、スイッチにはＩＧＢＴを用いることができるが、現存するＩＧＢＴは、バイポーラ素子であるため、通電状態から遮断状態に遷移する時（ターンオフ時）に原理的に電流がすぐにはゼロにならない（過渡的にテール電流が流れる）特性を有する。結果的に、ＩＧＢＴのターンオフは、ＺＣＳとならず、テール電流の影響によりスイッチング損失（以下、「ターンオフ損失」又は「テール損失」ともいう）が生じる。

ソフトスイッチング技術を用いた装置（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置）が大電力用途に適用された場合、大電流をターンオフするため、テール損失も増大する。例えば、１００ｋＷ（キロワット）級のチョッパの実験結果では、ターンオン時の電力損失５％、導通損失１９％に対し、ターンオフ損失は７６％にも達する場合がある。

本発明の目的の一つは、スイッチのターンオフ時のテール電流に起因する電力損失を低減して、スイッチングによる電力変換効率を向上することにある。

なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。

本発明の電力変換装置の一態様は、直流電源からの入力電圧を、電流共振現象を利用したソフトスイッチングにより所定の出力電圧に変換する電力変換装置であって、前記直流電源の高電位側に一端が電気的に接続されたメインリアクトルと、前記メインリアクトルの他端に電気的に接続され、周期的なスイッチング制御を受けて前記メインリアクトルに前記直流電源の電気エネルギーを周期的に蓄積し解放することにより、前記入力電圧を前記出力電圧に変換するメインスイッチと、前記メインスイッチのオン期間に、前記直流電源から前記メインスイッチへ流れる主電流の一部を共振させた共振電流によって電荷を充電する充電回路と、前記メインスイッチがオフされる際に、前記充電回路に充電された電荷を前記主電流とは逆方向に前記メインスイッチへ放電する放電回路と、を備える。

ここで、前記充電回路は、前記メインスイッチのオン期間に一時的にオン制御される第１の補助スイッチと、前記第１の補助スイッチのオン制御により、前記主電流の一部が通流する補助共振リアクトル及びコンデンサと、を備え、前記直流電源、前記第１の補助スイッチ、前記補助共振リアクトル、及び前記コンデンサが成す共振回路を流れる共振電流によって前記コンデンサに前記電荷を充電する、こととしてもよい。

また、前記放電回路は、前記メインスイッチのオフタイミングに先行して一時的にオン制御される第２の補助スイッチを備え、前記第２の補助スイッチのオン制御により、前記コンデンサの充電電荷を、前記補助共振リアクトル、前記直流電源、前記メインスイッチ、前記第２の補助スイッチ及び前記コンデンサが成す共振回路に放電する、こととしてもよい。

さらに、前記第１及び第２の補助スイッチの一方又は双方は、逆阻止型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであってもよいし、逆導通型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードとの直列接続体であってもよい。

また、前記第１の補助スイッチと前記コンデンサとの間に補助リアクトルが直列に接続されてもよい。

さらに、前記メインスイッチは、逆導通型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、当該メインスイッチのコレクタに可飽和リアクトルが直列に接続されてもよい。

また、前記充電回路における前記リアクトルは、可飽和特性を有する、こととしてもよい。

さらに、前記補助共振リアクトルは、前記メインリアクトルを分割したときの一部に相当する、こととしてもよい。

ＩＧＢＴ等のスイッチのテール電流によるターンオフ損失を低減することができる。したがって、電力変換装置の電力変換効率の向上を図ることができる。

一実施形態に係る電力変換装置の一例としてのソフトスイッチングコンバータを示す電気回路図である。 図１に例示するコンバータにおける電圧／電流の時間変化を例示する波形図である。 （ａ）〜（ｆ）はそれぞれ図１に例示するコンバータの動作モード１〜６における等価回路図である。 図１に例示するコンバータの変形例１を示す電気回路図である。 図１に例示するコンバータの変形例２を示す電気回路図である。 図１に例示するコンバータのメインスイッチに生じる逆方向リカバリ過渡電流によって電力損失が生じることを説明する電流／電圧波形図である。 図１に例示するコンバータのメインスイッチに生じる逆方向リカバリ過渡電流が抑制されることを説明する電流／電圧波形図である。 図１に例示するコンバータの変形例３を示す電気回路図である。 図１に例示するコンバータの変形例４を示す電気回路図である。 図１に例示するコンバータの変形例５を示す電気回路図である。 一実施形態に係る電力変換装置の他の一例としてのハードスイッチングコンバータを示す電気回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形（各実施例を組み合わせる等）して実施することができる。

〔１〕一実施形態
図１は、一実施形態に係る電力変換装置の一例としてのソフトスイッチングコンバータを示す電気回路図である。図１に示すコンバータ１は、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、直流電源５１からの入力電圧を所定の出力電圧に昇圧し、昇圧後電圧を負荷６０に供給することができる。コンバータ１を電気機器の一例としての燃料電池自動車に適用する場合、直流電源５１は例えば燃料電池（ＦＣスタック）に相当し、負荷６０は例えば直流電源５１から供給される電力を受けて動作可能な機器（トラクションモータやディファレンシャル等）に相当する。

コンバータ１は、例示的に、（入力）コンデンサ５２と、（メイン）スイッチ５３と、（出力）ダイオード５４と、（メイン）リアクトル５６と、（出力）コンデンサ５７とを備える。これらの要素５２、５３、５４、５６及び５７は、直流電源５１からの入力電圧を昇圧する主回路（昇圧部）の一例を成す。

メインスイッチ５３のオン及びオフが周期的に制御されることにより、リアクトル５６に流れる電流（以下、「主電流」ともいう。）量に応じたリアクトル５６の電気エネルギーの蓄積及び蓄積エネルギーの解放が周期的に繰り返される。解放された電気エネルギーが出力ダイオード５４を介して出力コンデンサ５７の両端電圧に重畳されることで、入力電圧が昇圧される。

例示的に、入力コンデンサ５２は、平滑コンデンサであり、その両端が直流電源５１の両極に接続されている。これにより、直流電源５１から入力される電流のリプルを低減することが可能である。

リアクトル５６の一端は、直流電源５１の高電位側に電気的に接続され、リアクトル５６の他端は、出力ダイオード５４のアノードに直列接続されている。出力ダイオード５４のカソードには、出力コンデンサ５７の一端が並列に接続されている。出力ダイオード５４のカソード電圧（出力コンデンサ５７の両端電圧）が昇圧後電圧に相当し、当該電圧が負荷６０に印加される。出力コンデンサ５７は、例示的に、平滑コンデンサであり、昇圧後電圧を平滑化して変動を低減する。

メインスイッチ５３には、非限定的な一例として、逆導通型のＩＧＢＴ（半導体スイッチ）を適用可能であり、一方の極（例えばコレクタ）がリアクトル５６と出力ダイオード５４との間の電気経路に並列接続されるとともに、他方の極（例えばエミッタ）が、直流電源５１の低電位側（例えばＧＮＤ）に接続されている。なお、「逆導通型」のＩＧＢＴ５３は、コレクタ−エミッタ間に接続された逆並列ダイオード（「フライホイールダイオード」とも呼ばれる。）Ｄ１を有し、当該ダイオードＤ１経由でＩＧＢＴ５３のコレクタ電流とは逆方向に電流を流すことが可能である。

ＩＧＢＴ５３は、ゲートに与えられるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号（以下、「ゲート電圧」ともいう）に応じてオン／オフ制御することができる。スイッチ制御信号のデューティ比を制御することで、直流電源５１から出力ダイオード５４へ向かう方向にリアクトル５６に流れる平均的な電流量を制御して、コンバータ１の昇圧率を制御することができる。

スイッチ制御信号は、図示を省略したコントローラにおいて生成することができる。コントローラは、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えることができる。コンバータ１が燃料電池自動車に適用される場合、コントローラは、電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一部又は全部に相当すると考えることができる。

また、コンバータ１は、上述した主回路に加え、例示的に、スナバ回路を成す（スナバ）ダイオード１４及び（スナバ）コンデンサ１５と、（補助共振）リアクトル１６と、可飽和リアクトル１６ａと、補助スイッチ１７と、（回生）ダイオード１９と、（スナバ逆流防止）ダイオード２０と、を備えることができる。これらの要素１４〜１６、１６ａ、１７及び１９は、主回路（メインスイッチ５３）のソフトスイッチングを実現する補助回路の一例として位置付けられる。なお、補助スイッチ１７は、後述するもう１つの補助スイッチ１８を第１の補助スイッチと位置付けた場合の第２の補助スイッチに相当する。

補助スイッチ１７には、例示的に、逆阻止型のＩＧＢＴ（半導体スイッチ）を適用することができる。「逆阻止型」のＩＧＢＴ１７は、コレクタ電流の向きとは逆方向（スナバコンデンサ１５側）に電流が流れることを阻止する。

補助スイッチ１７も、メインスイッチ５３と同様に、例えば前記コントローラからゲートに与えられるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号に応じてオン／オフ制御される。例示的に、補助スイッチ１７は、メインスイッチ５３のオンタイミングの直前に一時的にオン制御される。

補助スイッチ１７がターンオンすると、スナバコンデンサ１５、補助スイッチ１７、補助共振リアクトル１６及び直流電源５１を経由する閉回路（Ｌ１６・Ｃ１５共振回路）が形成される。当該Ｌ１６・Ｃ１５共振回路に、スナバコンデンサ１５に充電された電荷が放電されることで電流共振現象を発生させて、メインスイッチ５３のソフトスイッチングを実現することができる。

例示的に、スナバ回路を成すスナバダイオード１４及びスナバコンデンサ１５の直列接続体は、メインスイッチ５３の両極（コレクタ−エミッタ間）に並列に接続され、メインスイッチ５３がオフされた時の両端電圧の過渡的な上昇速度をスナバコンデンサ１５の充電によって緩和する。

すなわち、スナバコンデンサ１５に充電された電荷は、補助スイッチ１７がオンになると、前記Ｌ１６・Ｃ１５共振回路に放電される。当該放電によりスナバコンデンサ１５の両端電圧、すなわちメインスイッチ５３にかかる電圧（素子電圧）がゼロに向かって正弦波状に減衰してゆく。メインスイッチ５３にかかる電圧がゼロになった状態でメインスイッチ５３をターンオンすることでＺＶＳが実現される。

スナバダイオード１４のカソードとスナバコンデンサ１５とが直列接続された電気経路には、補助スイッチ１７の両極の一方（例えばコレクタ）が接続され、補助スイッチ１７の両極の他方（例えばエミッタ）はスナバ逆流防止ダイオード２０のアノードに接続されている。

入力コンデンサ５２とリアクトル５６との間には、可飽和リアクトル１６ａ、補助共振リアクトル１６及び回生ダイオード１９の直列接続体が、直流電源５１に対して並列に接続されている。当該直列接続体のうちの補助共振リアクトル１６と回生ダイオード１９との間に、前記スナバ逆流防止ダイオード２０のカソードが接続されている。

スナバ逆流防止ダイオード２０は、上述したＬ１６・Ｃ１５共振回路の共振電流が補助共振リアクトル１６からスナバコンデンサ１５に向けて逆流することを阻止する。回生ダイオード１９は、上述した電流共振現象に伴ってスナバコンデンサ１５の放電が完了して両端電圧がゼロになるとオンとなる。これにより、共振電流により蓄積された補助共振リアクトル１６の電気エネルギーを直流電源５１側へ回生することができる。

可飽和リアクトル１６ａは、通流する電流の急激な（過渡的な）変化に対し高いインダクタンス値を示し、定常的な電流通流状態では容易に飽和して低いインダクタンス値を示す。可飽和リアクトル１６ａを補助共振リアクトル１６に直列に接続することで、補助共振リアクトル１６を経由して流れる電流がソフトスイッチング動作の過程で遮断されたときのサージ電圧の発生を抑制することができる。

さらに、コンバータ１は、付加的に、例えば、補助スイッチ１８とコンデンサ２１とを備えることができる。補助スイッチ１８にも、例示的に、補助スイッチ１７と同様に逆阻止型のＩＧＢＴ（半導体スイッチ）を適用することができる。

補助スイッチ１８の両極は、補助スイッチ１７のエミッタと直流電源５１の低電位側とに接続される。コンデンサ２１は、補助共振リアクトル１６と補助スイッチ１７のエミッタとの間に直列接続（ダイオード２０に対して並列接続）されている。

補助スイッチ１８も、メインスイッチ５３及び補助スイッチ１７と同様に、例えば前記コントローラからゲートに与えられるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号等のスイッチ制御信号に応じてオン／オフ制御される。例示的に、補助スイッチ１８は、メインスイッチ５３のオン期間中に一時的にオン制御される。

補助スイッチ１８がターンオンすると、補助共振リアクトル１６、コンデンサ２１、補助スイッチ１８及び直流電源５１を経由する閉回路（Ｌ１６・Ｃ２１共振回路）が形成される。別言すれば、補助共振リアクトル１６は、コンデンサ２１との直列接続によりＬ１６・Ｃ２１共振回路を成し、コンデンサ１５との直列接続により既述のＬ１６・Ｃ１５共振回路を成す。

ここで、Ｌ１６・Ｃ２１共振回路を流れる共振電流によってコンデンサ２１を充電することができる。つまり、Ｌ１６・Ｃ２１共振回路は、メインスイッチ５３のオン期間に直流電源５１からメインスイッチ５３へ流れる主電流の一部を共振させた共振電流によって電荷を充電する充電回路の一例である。

コンデンサ２１に充電された電荷は、メインスイッチ５３のコレクタ電流（主電流）とは逆方向に電流を流すのに用いることができる。例えば、コンデンサ２１の充電後に、補助スイッチ１７をターンオンすると、コンデンサ２１の放電によって、補助共振リアクトル１６、入力コンデンサ５２、メインスイッチ５３（の逆並列ダイオードＤ１）、スナバダイオード１４及び補助スイッチ１７を経由する閉回路（共振回路）に電流を流すことができる。別言すると、当該閉回路は、メインスイッチ５３がオフされる際に、充電回路を成すコンデンサ２１に充電された電荷を主電流とは逆方向にメインスイッチ５３へ放電する放電回路の一例である。

したがって、メインスイッチ５３のターンオフ時に、コンデンサ２１の放電電流によってメインスイッチ５３のコレクタ電流（テール電流）を相殺することができ、メインスイッチ５３のターンオフ時のテール損失を低減することが可能である。

（動作説明）
上述のごとく構成された本例のコンバータ１は、例示的に、補助スイッチ１７、メインスイッチ５３及び補助スイッチ１８がそれぞれ図２の（１）、（２）及び（３）に示すタイミングで周期的にオン／オフ制御されることで、モード１〜モード６（図２ではＭ１〜Ｍ６と表記している）の動作を繰り返し行なう。

なお、図３（ａ）〜図３（ｆ）は、それぞれコンバータ１の動作モード（以下、単に「モード」と称する）１〜６における等価回路を示している。また、図２はコンバータ１における電圧／電流の時間変化を例示する波形図であり、（１）は補助スイッチ１７のゲート電圧、（２）はメインスイッチ５３のゲート電圧、（３）は補助スイッチ１８のゲート電圧の時間波形をそれぞれ示している。また、図２において、（４）はメインスイッチ５３にかかる電圧（素子電圧）Ｖ₅₃の時間波形を表わし、（５）はメインスイッチ５３を通流する電流（素子電流）Ｉ₅₃の時間波形を表わしている。さらに、図２において、（６）は補助スイッチ１７にかかる電圧（素子電圧）Ｖ₁₇の時間波形を表わし、（７）は補助スイッチ１７を通流する電流（素子電流）Ｉ₁₇の時間波形を表わしている。また、図２において、（８）はコンデンサ２１にかかる電圧Ｖ₂₁の時間波形を表わし、（９）は補助スイッチ１８を通流する電流Ｉ₁₈の時間波形を表わしている。

［モード１；図３（ａ）］
まず、メインスイッチ５３をターンオンするタイミングｔ０の直前に、補助スイッチ１７をターンオンさせる〔図２の（１）のタイミング−ｔ１〕。この時、補助スイッチ１７は、ゼロ電流からのオンとなり〔図２の（７）参照〕、ソフトスイッチングでターンオンする。

補助スイッチ１７がオンすると、出力コンデンサ５７の高電位側、出力ダイオード５４、スナバダイオード１４、補助スイッチ１７、補助共振リアクトル１６、可飽和リアクトル１６ａ、直流電源５１の高電位側から低電位側を経由し、出力コンデンサ５７の低電位側へ戻る閉回路が形成される。当該閉回路内を通流する電流で出力ダイオード５４の電流を相殺して、出力ダイオード５４の蓄積電荷を最小（理想的にはゼロ）にすることができる。

その後、直流電源５１の入力電圧で充電されたスナバコンデンサ１５の電荷（蓄積エネルギー）の放電が開始され、補助スイッチ１７、補助共振リアクトル１６、可飽和リアクトル１６ａ及び直流電源５１で形成されるＬ１６・Ｃ１５共振回路に共振電流が通流する〔図３（ａ）参照〕。

これにより、スナバコンデンサ１５の電圧Ｖ₁₅は、正弦波状に共振を起こして正から零に向かって減少する。スナバコンデンサ１５にかかる電圧がゼロとなった時に、メインスイッチ５３をターンオンすることにより、メインスイッチ５３をゼロ電圧からターンオン（ＺＶＳ）させることができる〔図２の（２）及び（４）のタイミングｔ０〕。なお、補助共振リアクトル１６の一端に、ダイオード２０が接続されているため、ＬＣ共振は半波で止まる。したがって、スナバコンデンサ１５の両端電圧は、放電後に０Ｖに維持される。

［モード２；図３（ｂ）］
メインスイッチ５３がオンになると、それまで導通していたダイオード５４がオフとなり、リアクトル５６の電流がメインスイッチ５３を通流するようになる。この時、スナバコンデンサ１５の電圧Ｖ₁₅（＝メインスイッチ５３にかかる電圧Ｖ₅₃）はゼロに維持されており、回生ダイオード１９がオンとなるので、補助共振リアクトル１６の蓄積エネルギーが直流電源５１に回生される状態となる。

メインスイッチ５３は、スナバコンデンサ１５の電圧がゼロに維持されているから、ゼロ電圧からのターンオンとなり、ソフトスイッチング（ＺＶＳ）でオンする。なお、補助スイッチ１７は、メインスイッチ５３のターンオンにより電流が通流しなくなるので、タイミングｔ０から補助スイッチ１８がオンとなるタイミングｔ２までの間の適当なタイミング〔例えば図２の（１）のタイミングｔ１〕でターンオフ（ＺＶＳ及びＺＣＳ）される。

［モード３；図３（ｃ）］
その後、図２の（３）に示すように、メインスイッチ５３のターンオン（タイミングｔ０）から所定時間経過後のタイミングｔ２で補助スイッチ１８がターンオンされると、回生ダイオード１９がオフし、直流電源５１、可飽和リアクトル１６ａ、補助共振リアクトル１６、コンデンサ２１及び補助スイッチ１８を経由する閉回路（Ｌ１６・Ｃ２１共振回路）が形成される。

これにより、図２の（８）に示すように、直流電源５１から可飽和リアクトル１６ａ及び補助共振リアクトル１６を介し、コンデンサ２１が共振電流によって充電される。コンデンサ２１に蓄えられた電荷（電気エネルギー）は、メインスイッチ５３を流れる主電流（コレクタ電流）を相殺する電流供給に用いることができる。このとき、コンデンサ２１は、共振電流によって直流電源５１の電圧を超える電圧、例えば、直流電源５１の電圧（Ｅ₅₁）の２倍（−Ｅ₅₁〜＋Ｅ₅₁）の電圧（２Ｅ₅₁）にまで充電可能である。

［モード４；図３（ｄ）］
ここで、補助スイッチ１８は、逆阻止型のＩＧＢＴであるため、コンデンサ２１を充電するＬＣ共振は半波で止まり、図２の（９）に示すように、補助スイッチ１８には例えばオフされるタイミングｔ３よりも前に電流が通流しなくなる。したがって、補助スイッチ１８は、後に補助スイッチ１７がオンされるタイミングｔ４までの適当なタイミング〔例えば図２の（３）のタイミングｔ３〕でターンオフ（ＺＣＳ）すればよい。

［モード５；図３（ｅ）］
次に、メインスイッチ５３をターンオフするタイミングｔ５よりも前のタイミングｔ４で、補助スイッチ１７がターンオンすると、コンデンサ２１、補助共振リアクトル１６、可飽和リアクトル１６ａ、直流電源５１、メインスイッチ５３の逆並列ダイオードＤ１、スナバダイオード１４及び補助スイッチ１７を経由する閉回路（Ｌ１６・Ｃ２１共振回路）に、コンデンサ２１の充電電荷がＬＣ共振モードで放電されて共振電流（Ｉ₁₇）が流れる〔例えば図２の（７）及び（８）におけるタイミングｔ４−ｔ６の期間参照）。したがって、図２の（５）に示すように、当該共振電流によってメインスイッチ５３のコレクタ電流が相殺されて減少する。

そして、図２の（２）に示すように、当該共振電流（Ｉ₁₇）がピーク値（Ｉ_17P）に達するタイミングｔ５で、メインスイッチ５３をターンオフする。この時、メインスイッチ５３は、図２の（５）に示すように、逆並列ダイオードＤ１に負の電流が通流した状態でターンオフするので、テール損失が低減される。

［モード６；図３（ｆ）］
その後、補助スイッチ１７を通流する電流Ｉ₁₇は、図２の（７）に示すように、ほぼ正弦半波状に減少し、ほぼゼロとなるタイミングｔ６で、図２の（１）に示すように補助スイッチ１７をターンオフする。これにより、出力ダイオード５４がオンし、次の周期の開始まで負荷６０へ電力が供給される。なお、モード１、３及び５のいずれにおいても共振電流は直流電源５１へ回生されるので、電力損失は最小限に抑えられる。

以上のモード１〜６の動作によって、メインスイッチ５３のターンオフ時のテール電流を、コンデンサ２１に充電しておいた電荷の放電により相殺することができる。したがって、メインスイッチ５３のターンオフ損失を最小にすることができ、コンバータ１の電力変換効率の向上を図ることができる。

また、テール電流によるターンオフ損失が抑制されることによって、メインスイッチ５３のスイッチング周期を短くすることもできる。スイッチング周期を短くできれば、同じ出力電圧を得るのにメインリアクトル５６に要求されるインダクタンス値を低減することができ、メインリアクトル５６の小型化、ひいてはコンバータ１の小型化及び低コスト化を図ることができる。

（コンデンサ２１及びスナバコンデンサ１５の容量設計）
コンデンサ２１の容量Ｃ₂₁は、図２に例示したタイミングｔ４〜ｔ６の期間（モード６）において、メインスイッチ５３のターンオフ電流のピーク値Ｉ_53Pを打ち消すのに十分な電流を通流できる値に設定するのが好ましい。

例えば、下記の式（１）により、Ｌ１６・Ｃ２１共振回路の電流ピーク値Ｉ_17P〔図２の（７）参照〕を求めることができるから、当該電流ピーク値Ｉ_17Pでターンオフ電流のピーク値Ｉ_53Pを打ち消すことができるよう、コンデンサ２１の容量を適切な値に設定する。

なお、式（１）において、Ｖ_21Pはコンデンサ２１の充電電圧（ピーク値）、Ｅ₅₁は直流電源５１の電圧、Ｌ₁₆は補助共振リアクトル１６のインダクタンス値をそれぞれ表わす。

一方、スナバコンデンサ１５の容量Ｃ₁₅は、メインスイッチ５３のターンオフ時にスナバコンデンサ１５を充電してゆく電圧であるメインスイッチ電圧Ｖ₅₃の立ち上がりの傾斜（ｄｖ／ｄｔ）を緩やかにし、補助スイッチ１７を通流する電流Ｉ₁₇が減衰してゆくような減衰条件を満足すべく、下記の式（２）より、適切な値に設定するのが好ましい。

なお、式（２）において、ｔｃはメインスイッチ５３にかかる電圧が０から直流電源５１の電圧Ｅ₅₁に達するまでの時間（例えば図７参照）、Ｉ_C15はコンデンサ１５の充電電流、Ｅ₅₁は直流電源５１の電圧、Ｃ₁₅はコンデンサ１５の容量をそれぞれ表わす。

（タイミングｔ１〜ｔ６の設定例）
図２中に示したタイミングｔ１〜ｔ６は、下記の諸条件を考慮して決定することができる。

まず、メインスイッチ５３のデューティ制御範囲の下限を基に、補助スイッチ１８をターンオフするタイミングｔ３を設定する。次に、補助スイッチ１７をターンオフするタイミングｔ１は、補助スイッチ１７が時点−ｔ１にターンオンした後、テール相殺電流を供給するコンデンサ２１を充電する補助スイッチ１８がタイミングｔ２でターンオンする前にオフしているように、その時間差を確保して余裕をみて適当に決める。

タイミングｔ２〜ｔ３の時間差で決まる補助スイッチ１８のオン期間ｔ_18-onは、テール相殺電流を供給するコンデンサ２１の充電時間を十分に確保可能なパルス幅となるように、補助共振リアクトル１６及びコンデンサ２１を流れる共振電流Ｉ₁₈の共振周期ω₀を考慮して、例えば下記の式（３）により決定する。

補助スイッチ１７をターンオンするタイミングｔ４は、Ｌ１６・Ｃ２１共振回路によって生成される、メインスイッチ５３の電流を打ち消す共振電流Ｉ_17P〔式（１）参照〕の共振パルス幅ｔ_w〔下記の式（４）参照〕を考慮して、メインスイッチ５３のターンオフタイミングｔ５よりもごく僅かな時間だけ前に設定する。

このとき、ＩＧＢＴのターンオフ遅れ時間やターンオフ降下時間も考慮して、実際のターンオフ時に、メインスイッチ５３が主電流を遮断してしまわないように、素子特性を十分考慮して設定するとよい。

タイミングｔ６は、補助スイッチ１７の電流Ｉ₁₇が、既述の減衰条件式（２）により、減衰する時点に設定する。

〔２〕変形例
（変形例１；図４）
上述したコンバータ１において、例えば図４に示すように、補助スイッチ１７は、逆阻止型のＩＧＢＴに代えて、逆導通型のＩＧＢＴ１７ａと、当該ＩＧＢＴ１７ａのエミッタにカソードが接続されたダイオード１７ｂとの直列接続体としてもよい。また、補助スイッチ１８についても、逆阻止型のＩＧＢＴに代えて、逆導通型のＩＧＢＴ１８ａと、当該ＩＧＢＴ１８ａのコレクタにカソードが接続されたダイオード１８ｂとの直列接続体としてもよい。

このような逆導通型のＩＧＢＴとダイオードとの直列接続体は、１チップの半導体パワーデバイスとして構成することが容易であり低コストであるため、補助スイッチ１７及び１８の一方又は双方に当該チップを適用することで、コンバータ１の部品点数及びコストの削減を図ることができる。

（変形例２；図５）
また、上述したコンバータ１において、例えば図５に示すように、補助スイッチ１８のコレクタと補助スイッチ１７のエミッタとの間に、補助リアクトル１８Ｌを接続してもよい。当該補助リアクトル１８Ｌにより、既述のモード３〔図３（ｃ）参照〕においてコンデンサ２１を充電する際の電流ピーク値を、補助リアクトル１８Ｌを用いない場合に比して低減することが可能となる。

したがって、コンデンサ２１の小型化、ひいてはコンバータ１の小型化、低コスト化を図ることができる。

なお、補助リアクトル１８Ｌは、図４に例示する構成に適用することもできるし、図８〜図１０により後述する構成に適用することもできる。

（変形例３；図６〜図８）
上述したコンバータ１においては、メインスイッチ５３のコレクタ電流（Ｉ₅₃）がコンデンサ２１の充電電荷の放電によって相殺された後、メインスイッチ５３に適用した逆導通型のＩＧＢＴにおける逆並列ダイオード（フライホイールダイオード）Ｄ１に、例えば図６の斜線領域１００で示すように、逆方向リカバリ過渡電流が生じ、電力損失が発生し得る。

そこで、例えば図８に示すように、メインスイッチ５３のコレクタに、可飽和リアクトル５３ａを直列に接続してもよい。可飽和リアクトル５３ａは、通流する電流の急激な（過渡的な）変化に対し高いインダクタンス値を示し、定常的な電流通流状態では容易に飽和して低いインダクタンス値を示す。

したがって、逆並列ダイオードＤ１の逆方向リカバリ過渡電流は、高いインダクタンス値を示す可飽和リアクトル５３ａによって、例えば図７に符号２００で示すようにブロックあるいは抑制することができる。よって、メインスイッチ５３の逆並列ダイオードＤ１に流れる逆方向リカバリ過渡電流による電力損失を最小にすることができる。

なお、可飽和リアクトル５３ａは、図４及び図５に例示した構成に適用することもできるし、図９及び図１０により後述する構成に適用することもできる。

（変形例４；図９）
また、図１に例示したコンバータ１において、補助共振リアクトル１６及び可飽和リアクトル１６ａは、例えば図９に示すように、一体化して可飽和特性をもたせた１つの補助可飽和リアクトル１６ｃとしてもよい。これにより、コンバータ１の部品点数及びコストを削減することが可能である。なお、補助可飽和リアクトル１６ｃは、図４、図５及び図８に例示した構成に適用することもできるし、図１０により後述する構成に適用することもできる。

（変形例５；図１０）
さらに、図１に例示したコンバータ１において、補助共振リアクトル１６の機能は、例えば図１０に例示するように、等価的に１つのリアクトル５６を成すリアクトル５６ａ及び５６ｂの直列接続体の一部（リアクトル５６ｂ）を利用して実現することとしてもよい。すなわち、リアクトル５６ｂとリアクトル５６ａとの接続点に、可飽和リアクトル１６ａ及び回生ダイオード１９の直列接続体を並列に接続する。

これにより、既述のモード１においては、直流電源５１側のリアクトル５６ｂが補助共振リアクトル１６として機能してＬＣ共振の共振電流を直流電源５１の高電位側へ回生する。モード２、モード４及びモード６においては、リアクトル５６ｂ及びリアクトル５６ａが１つのリアクトル５６として機能して出力ダイオード５４側へ電流を流す。

モード３及びモード５においては、リアクトル５６ｂが補助共振リアクトル１６として機能してコンデンサ２１への充電電流及びコンデンサ２１からの放電電流を流すとともに、リアクトル５６ａがリアクトル５６として機能してメインスイッチ５３へ電流を流す。

ここで、直流電源５１に近い側のリアクトル５６ｂのインダクタンス値は、補助共振リアクトル１６単独のインダクタンス値と同等に設定しておくとよい。直流電源５１から遠い側のリアクトル５６ａのインダクタンス値は、リアクトル５６ｂのインダクタンス値との合計で既述のメインリアクトル５６と同等のインダクタンス値を実現する場合、個別のリアクトル５６の容量よりも小さな容量で済む。したがって、リアクトル５６ａの小型化可能な程度にもよるが、リアクトル５６と補助共振リアクトル１６とを個別に設ける場合に比して、コンバータ１の小型化及び低コスト化を図ることができる。

（変形例６；図１１）
メインスイッチ５３のテール電流をブロックあるいは抑制する方法は、既述のように主電流を相殺する電流を主回路に流す方法に限定されない。例えば図１１に示すように、直流電源５１とは別に補助回路の一例として可飽和リアクトル５３ａを用いたリセット回路７０によって同等の方法を実現することも可能である。なお、図１１において既述の符号を付して示す要素は、既述の要素と同一若しくは同様の要素である。

可飽和リアクトル５３ａは、例示的に、メインスイッチ５３のコレクタに直列接続されており、リセット回路７０は、メインスイッチ５３がターンオフする際に、可飽和リアクトル５３ａをリセットする。当該リセットは、例えば、既述の電子制御ユニット（ＥＣＵ）等のコントローラによって制御できる。

これにより、メインスイッチ５３のテール電流をブロックあるいは抑制して、メインスイッチ５３のテール損失を低減もしくはゼロにすることができる。なお、リセット回路７０を用いる場合、メインスイッチ５３のスイッチング方式は、ソフトスイッチングに限定されない。スイッチング方式は、図１１に示すハードスイッチング方式でも既述のソフトスイッチング方式でも構わない。

１４…（スナバ）ダイオード、１５…（スナバ）コンデンサ、１６…（補助共振）リアクトル、１６ａ…可飽和リアクトル、１６ｃ…補助可飽和リアクトル、１７…補助スイッチ（第２のスイッチ）、１７ｂ…ダイオード、１８…補助スイッチ（第１のスイッチ）、１８Ｌ…補助リアクトル、１８ｂ…ダイオード、１９…（回生）ダイオード、２０…（スナバ逆流防止）ダイオード、２１…コンデンサ、５１…直流電源、５２…（入力）コンデンサ、５３…（メイン）スイッチ、５３ａ…可飽和リアクトル、５４…（出力）ダイオード、５６…（メイン）リアクトル、５６ａ，５６ｂ…リアクトル、５７…（出力）コンデンサ、６０…負荷、７０…リセット回路、Ｄ１…逆並列ダイオード

Claims (12)

1. 直流電源からの入力電圧を、電流共振現象を利用したソフトスイッチングにより所定の出力電圧に変換する電力変換装置であって、
   前記直流電源の高電位側に一端が電気的に接続されたメインリアクトルと、
   前記メインリアクトルの他端に電気的に接続され、周期的なスイッチング制御を受けて前記メインリアクトルに前記直流電源の電気エネルギーを周期的に蓄積し解放することにより、前記入力電圧を前記出力電圧に変換するメインスイッチと、
   前記メインスイッチのオン期間に、前記直流電源から前記メインスイッチへ流れる主電流の一部を共振させた共振電流によって電荷を充電する充電回路と、
   前記メインスイッチがオフされる際に、前記充電回路に充電された電荷を前記主電流とは逆方向に前記メインスイッチへ放電する放電回路と、
   を備えた、電力変換装置。
2. 前記充電回路は、
   前記メインスイッチのオン期間に一時的にオン制御される第１の補助スイッチと、
   前記第１の補助スイッチのオン制御により、前記主電流の一部が通流する補助共振リアクトル及びコンデンサと、を備え、
   前記直流電源、前記第１の補助スイッチ、前記補助共振リアクトル、及び前記コンデンサが成す共振回路を流れる共振電流によって前記コンデンサに前記電荷を充電する、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記放電回路は、
   前記メインスイッチのオフタイミングに先行して一時的にオン制御される第２の補助スイッチを備え、
   前記第２の補助スイッチのオン制御により、前記コンデンサの充電電荷を、前記補助共振リアクトル、前記直流電源、前記メインスイッチ、前記第２の補助スイッチ及び前記コンデンサが成す共振回路に放電する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の補助スイッチは、逆阻止型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
5. 前記第２の補助スイッチは、逆阻止型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記第１の補助スイッチは、逆導通型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードとの直列接続体である、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
7. 前記第２の補助スイッチは、逆導通型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードとの直列接続体である、請求項３に記載の電力変換装置。
8. 前記第１の補助スイッチと前記コンデンサとの間に補助リアクトルが直列に接続された、請求項２〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記メインスイッチは、逆導通型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、
   当該メインスイッチのコレクタに可飽和リアクトルが直列に接続された、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記補助共振リアクトルは、可飽和特性を有する、請求項２〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記補助共振リアクトルは、前記メインリアクトルを分割したときの一部に相当する、請求項２〜８及び１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. メインスイッチと、
    前記メインスイッチと直列に接続された可飽和リアクトルと、
    前記可飽和リアクトルのリセット手段と、を備え、
    前記メインスイッチがターンオフする際に、前記可飽和リアクトルをリセットする、電力変換装置。

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