JP2012010514A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源装置1aは、スイッチ素子Q1〜Q4を単相フルブリッジ接続してなるスイッチング部2aと、直列リアクトルL1、L2および線間コンデンサCからなる共振部3と、制御部4aとを備え、制御部4aが、同一のアームに含まれるスイッチ素子(例えば、Q1とQ2)の導通状態を逆位相となるように切り替えるとともに、一のアームに含まれるスイッチ素子(例えば、Q1とQ2)および他のアームに含まれるスイッチ素子(例えば、Q3とQ4)の導通状態を所定の時間差をつけて切り替えることにより、スイッチング部2aは、スイッチ素子Q1〜Q4の導通状態が異なる4つの状態に順次切り替えられ、所定の時間差は共振部3の共振周期の1/2である。
【選択図】図1
Description
同図に示すように、電源装置1cは、スイッチング部2cと、その出力側に設けられた共振部3と、スイッチング部2cを制御する制御部4cとを備え、スイッチング部2cで得た中間電圧V2による交流電力を、共振部3を通じて負荷6に供給する。
また、制御部4cは、負荷6に流れる電流の零点位相と共振部3の共振周期とを考慮して、各スイッチ素子の導通状態を変化させるタイミングを決定する。
しかしながら、上記の電源装置1cは、制御部4cによるスイッチ素子の制御が複雑であり、より簡易な制御で同等の効果を得ることができる電源装置が望まれていた。
第1〜第4スイッチ素子からなる4つのスイッチ素子を単相フルブリッジ接続し、一方のアームを第1および第2スイッチ素子から構成し、他方のアームを第3および第4スイッチ素子から構成するとともに、第1〜第4スイッチ素子の各々に第1〜第4ダイオードを逆並列接続し、4つのスイッチ素子を用いて入力直流電力をスイッチングするスイッチング部と、スイッチング部の出力側に接続され、直列リアクトルおよび線間コンデンサからなる共振部と、4つのスイッチ素子の導通状態を各々切り替える制御部とを備え、スイッチング部で得た交流電力を、共振部を通じて負荷に供給する電源装置であって、
上記制御部の制御下で第1および第2スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングに対して、第3および第4スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングを、直列リアクトルおよび線間コンデンサの共振周期の1/2だけずらすことにより、
(1)第1スイッチ素子をオン、第2スイッチ素子をオフにした状態で、第3スイッチ素子をオフ、第4スイッチ素子をオンにし、入力直流電力を第1および第4スイッチ素子を介して負荷に向けて供給する第1モードと、
(2)第3スイッチ素子をオフ、第4スイッチ素子をオンにした状態で、第1スイッチ素子をオフ、第2スイッチ素子をオンにし、負荷電流を第4スイッチ素子および第2ダイオードからなる経路で還流させる第2モードと、
(3)第1スイッチ素子をオフ、第2スイッチ素子をオンにした状態で、第3スイッチ素子をオン、第4スイッチ素子をオフにし、入力直流電力を第2および第3スイッチ素子を介して負荷に向けて供給する第3モードと、
(4)第3スイッチ素子をオン、第4スイッチ素子をオフにした状態で、第1スイッチ素子をオン、第2スイッチ素子をオフにし、負荷電流を第1スイッチ素子および第4ダイオードからなる経路で還流させる第4モードと
に順次切り替わることを特徴としている。
第1直流電源と第1スイッチ素子とを含む第1チョッパ回路と、第2直流電源と第2スイッチ素子とを含む第2チョッパ回路とを直列接続してなり、各チョッパ回路の出力電圧の和電圧を負荷に対して出力するスイッチング部と、スイッチング部の出力側に接続され、直列リアクトルおよび線間コンデンサからなる共振部と、第1および第2スイッチ素子の導通状態を各々切り替える制御部とを備え、和電圧による電力を、共振部を通じて負荷に供給する電源装置であって、
上記制御部の制御下で第1スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングに対して、第2スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングを、直列リアクトルおよび線間コンデンサの共振周期の1/2だけずらすことにより、
(1)第1スイッチ素子をオンにした状態で、第2スイッチ素子をオンにし、第1直流電源からの直流電圧と第2直流電源からの直流電圧との和電圧を負荷に向けて供給する第1モードと、
(2)第2スイッチ素子をオンにした状態で、第1スイッチ素子をオフにし、第2直流電源からの直流電圧を負荷に向けて供給する第2モードと、
(3)第1スイッチ素子をオフにした状態で、第2スイッチ素子をオフにし、負荷に対する電圧供給を停止する第3モードと、
(4)第2スイッチ素子をオフにした状態で、第1スイッチ素子をオンにし、第1直流電源からの直流電圧を負荷に向けて供給する第4モードと
に順次切り替わることを特徴としている。
つまり、上記構成では、スイッチング部から出力される電圧が2段階のステップ状に変化し、1段階目の変化により出力電圧に発生する振動と2段階目の変化により出力電圧に発生する振動が逆位相となって互いに打ち消し合う。
したがって、上記構成によれば、比較的簡易な構成で、出力電圧の振動を抑制することができる。
図1に、本発明の第1実施形態に係る電源装置を示す。
同図に示すように、電源装置1aは、外部直流電源5から供給されるE[V]の直流電圧を交流の中間電圧V2に変換するスイッチング部2aと、その出力側に設けられた共振部3と、スイッチング部2aを制御する制御部4aとを備え、スイッチング部2aで得た中間電圧V2による交流電力を、共振部3を通じて負荷6に供給する。
電源装置1aは種々の分野で利用可能であるが、例えば、物理学研究やがん治療の目的で使用される荷電粒子加速器の電源として利用することができる。
例えば、第1スイッチ素子Q1と第4スイッチ素子Q4をオン状態とし、第2スイッチ素子Q2と第3スイッチ素子Q3をオフ状態とした場合(後述する第1モード)、中間電圧V2はE[V](高電圧値)となる。
また、第2スイッチ素子Q2と第3スイッチ素子Q3をオン状態とし、第1スイッチ素子Q1と第4スイッチ素子Q4をオフ状態とした場合(後述する第3モード)、中間電圧V2は−E[V](低電圧値)となる。
直列リアクトルL1、L2のインダクタンス値をLs、線間コンデンサCのコンダクタンス値をCsとすると、共振部3の共振周期Tsは次式で求めることができる。
同図に示すように、第1アームを構成する第1および第2スイッチ素子Q1、Q2は、逆位相となるように導通状態が切り替えられる。つまり、第1スイッチ素子Q1のオン状態からオフ状態(オフ状態からオン状態)への切り替えと、第2スイッチ素子Q2のオフ状態からオン状態(オン状態からオフ状態)への切り替えが同時に行われる。
同様に、第2アームを構成する第3および第4スイッチ素子Q3、Q4も逆位相となるように導通状態が切り替えられ、第3スイッチ素子Q3のオン状態からオフ状態(オフ状態からオン状態)への切り替えと、第4スイッチ素子Q4のオフ状態からオン状態(オン状態からオフ状態)への切り替えも同時に行われる。
時間差Δtは共振部3の共振周期Tsの1/2であり、具体的には、次式で表される。
すなわち、スイッチング部2aは、
(1)第1スイッチ素子Q1をオン、第2スイッチ素子Q2をオフにした状態で、第3スイッチ素子Q3をオフ、第4スイッチ素子Q4をオンにし、外部直流電源5の電力を第1および第4スイッチ素子Q1、Q4を介して負荷6に向けて供給する第1モード(図3(A))と、
(2)第3スイッチ素子Q3をオフ、第4スイッチ素子Q4をオンにした状態で、第1スイッチ素子Q1をオフ、第2スイッチ素子Q2をオンにし、負荷電流を第4スイッチ素子Q4および第2ダイオードD2(または、第2スイッチ素子Q2と第4ダイオードD4)からなる経路で還流させる第2モード(図3(B))と、
(3)第1スイッチ素子Q1をオフ、第2スイッチ素子Q2をオンにした状態で、第3スイッチ素子Q3をオン、第4スイッチ素子Q4をオフにし、外部直流電源5の電力を第2および第3スイッチ素子Q2、Q3を介して負荷6に向けて供給する第3モード(図3(C))と、
(4)第3スイッチ素子Q3をオン、第4スイッチ素子Q4をオフにした状態で、第1スイッチ素子Q1をオン、第2スイッチ素子Q2をオフにし、負荷電流を第1スイッチ素子Q1および第3ダイオードD3(または、第3スイッチ素子Q3と第1ダイオードD1)からなる経路で還流させる第4モード(図3(D))と
に順次切り替えられる。
すなわち、図4に示すように、第2および第3スイッチ素子Q2、Q3がオンして中間電圧V2と出力電圧V3の電圧値が−E[V]となっている第3モードから、第1スイッチ素子Q1がオン、第2スイッチ素子Q2がオフして中間電圧V2が0[V](第4モード)になると、出力電圧V3に振幅約2E[V]、振動周期Tsの振動Xが発生する。
その後、第3スイッチ素子Q3がオフ、第4スイッチ素子Q4がオンして中間電圧V2がE[V](第1モード)になると、出力電圧V3に振動Xと同一振幅、同一周期の振動Yが発生する。
したがって、第3モードから第4モードに移行するタイミングおよび第4モードから第1モードに移行するタイミングをΔtだけずらすことで、振動Xと振動Yがちょうど逆位相となって互いに打ち消し合い、両振動を合成してなる出力電圧V3の振動を抑制することができる。
また、時間差Δtを3Ts/4とした場合は、振動Xと振動Yのピーク位置がずれるために、やはり出力電圧V3に振動が発生する(図5(C)参照)。これに対して、時間差Δtを振動周期Tsのちょうど1/2とした場合は、図5(A)に示すように、出力電圧V3にはほとんど振動は発生しない。
続いて本発明の第2実施形態について説明する。図6に示すように、電源装置1bは、2つの外部直流電源(第1直流電源5、および第2直流電源5’)から供給されるE[V]の直流電圧を交流の中間電圧V2に変換するスイッチング部2bと、その出力側に設けられた共振部3と、スイッチング部2aを制御する制御部4bとを備え、スイッチング部2bで得た中間電圧V2による交流電力を、共振部3を通じて負荷6に供給する。
同図に示すように、第1直流電源5の−端子、第2直流電源5’の+端子、第1ダイオードD1’のアノードおよび第2ダイオードD2’のカソードは、同一ラインに接続されている。
第1直流電源5の+端子と負荷6とを繋ぐラインには、第1直流電源5から負荷6に向かって電流を流し得るように第1スイッチ素子Q1’が介装され、第2直流電源5’の−端子と負荷6とを繋ぐラインには、負荷6から第2直流電源5’に向かって電流を流し得るように第2スイッチ素子Q2’が介装されている。
また、第1ダイオードD1’のカソードは第1スイッチ素子Q1’のエミッタに接続され、第2ダイオードD2’のアノードは第2スイッチ素子Q2’のコレクタに接続されている。
すなわち、スイッチング部2bは、
(1)第1スイッチ素子Q1’がオンした状態で、第2スイッチ素子Q2’がオンし、第1直流電源5からの直流電圧と第2直流電源5’からの直流電圧との和電圧を負荷6に向けて供給する状態(図7の第1モード)と、
(2)第2スイッチ素子Q2’がオンした状態で、第1スイッチ素子Q1’がオフし、第2直流電源5’からの直流電圧を負荷6に向けて供給する状態(図7の第2モード)と、
(3)第1スイッチ素子Q1’がオフした状態で、第2スイッチ素子Q2’がオフし、負荷6に対する電圧供給を停止する状態(図7の第3モード)と、
(4)第2スイッチ素子Q2’がオフした状態で、第1スイッチ素子Q1’がオンし、第1直流電源5からの直流電圧を負荷6に向けて供給する状態(図7の第4モード)と
に順次切り替えられる。
すなわち、第1および第2スイッチQ1’、Q2’をオン状態とした場合(第1モード)、中間電圧V2は2E[V](高電圧値)となる。両スイッチ素子Q1’、Q2’をオフ状態とした場合(第3モード)、中間電圧V2は0[V](低電圧値)となる。また、いずれか一方のスイッチ素子のみをオン状態とした場合(第2モード、第4モード)、中間電圧V2はE[V](中間値)となる。
すなわち、中間電圧V2が0[V](低電圧値)である第3モードと中間電圧V2が2E[V](高電圧値)の第1モードの間に、中間電圧V2がE[V](中間値)の第4モードを設け、さらに第4モードの幅を共振周期Tsの1/2とすることにより、第1実施形態の場合と同様、第3モードから第4モードに移行する際に発生する出力電圧V3の振動と、第4モードから第1モードに移行する際に発生する出力電圧V3の振動がちょうど逆位相となって互いに打ち消し合い、出力電圧V3の振動を抑制することができる。
2a、2b スイッチング部
3 共振部
4a、4b 制御部
5、5’ 直流電源
6 負荷
C 線間コンデンサ
L1、L2 直列リアクトル
Q1〜Q4、Q1’、Q2’ スイッチ素子
D1〜D4、D1’、D2’ ダイオード
Claims (2)
- 第1〜第4スイッチ素子からなる4つのスイッチ素子を単相フルブリッジ接続し、一方のアームを前記第1および前記第2スイッチ素子から構成し、他方のアームを前記第3および前記第4スイッチ素子から構成するとともに、前記第1〜第4スイッチ素子の各々に第1〜第4ダイオードを逆並列接続し、前記4つのスイッチ素子を用いて入力直流電力をスイッチングするスイッチング部と、
前記スイッチング部の出力側に接続され、直列リアクトルおよび線間コンデンサからなる共振部と、
前記4つのスイッチ素子の導通状態を各々、切り替える制御部と
を備え、前記スイッチング部で得た交流電力を、前記共振部を通じて負荷に供給する電源装置であって、
前記制御部の制御下で前記第1および第2スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングに対して、前記第3および第4スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングを、前記直列リアクトルおよび前記線間コンデンサの共振周期の1/2だけずらすことにより、
前記第1スイッチ素子をオン、前記第2スイッチ素子をオフにした状態で、前記第3スイッチ素子をオフ、前記第4スイッチ素子をオンにし、前記入力直流電力を前記第1および第4スイッチ素子を介して前記負荷に向けて供給する第1モードと、
前記第3スイッチ素子をオフ、前記第4スイッチ素子をオンにした状態で、前記第1スイッチ素子をオフ、前記第2スイッチ素子をオンにし、負荷電流を前記第4スイッチ素子および前記第2ダイオードからなる経路で還流させる第2モードと、
前記第1スイッチ素子をオフ、前記第2スイッチ素子をオンにした状態で、前記第3スイッチ素子をオン、前記第4スイッチ素子をオフにし、前記入力直流電力を前記第2および第3スイッチ素子を介して前記負荷に向けて供給する第3モードと、
前記第3スイッチ素子をオン、前記第4スイッチ素子をオフにした状態で、前記第1スイッチ素子をオン、前記第2スイッチ素子をオフにし、負荷電流を前記第1スイッチ素子および前記第4ダイオードからなる経路で還流させる第4モードと
に順次切り替わることを特徴とする電源装置。 - 第1直流電源と第1スイッチ素子とを含む第1チョッパ回路と、第2直流電源と第2スイッチ素子とを含む第2チョッパ回路とを直列接続してなり、各チョッパ回路の出力電圧の和電圧を負荷に対して出力するスイッチング部と、
前記スイッチング部の出力側に接続され、直列リアクトルおよび線間コンデンサからなる共振部と、
前記第1および第2スイッチ素子の導通状態を切り替える制御部と
を備え、前記和電圧による電力を、前記共振部を通じて前記負荷に供給する電源装置であって、
前記制御部の制御下で前記第1スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングに対して、前記第2スイッチ素子の導通状態の切り替えタイミングを、前記直列リアクトルおよび前記線間コンデンサの共振周期の1/2だけずらすことにより、
前記第1スイッチ素子をオンにした状態で、前記第2スイッチ素子をオンにし、前記第1直流電源からの直流電圧と前記第2直流電源からの直流電圧との和電圧を前記負荷に向けて供給する第1モードと、
前記第2スイッチ素子をオンにした状態で、前記第1スイッチ素子をオフにし、前記第2直流電源からの直流電圧を前記負荷に向けて供給する第2モードと、
前記第1スイッチ素子をオフにした状態で、前記第2スイッチ素子をオフにし、前記負荷に対する電圧供給を停止する第3モードと、
前記第2スイッチ素子をオフにした状態で、前記第1スイッチ素子をオンにし、前記第1直流電源からの直流電圧を前記負荷に向けて供給する第4モードと
に順次切り替わることを特徴とする電源装置。
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