JP2012120387A - Step up/down circuit, and power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、昇降圧回路及び電力変換装置に関し、特に力率改善機能を有する昇降圧回路及び電力変換装置に関する。 The present invention relates to a step-up / down circuit and a power conversion device, and more particularly to a step-up / down circuit and a power conversion device having a power factor improving function.
一般家庭の交流電力を用いて電気自動車(EV:Electric Vehicle)及びプラグイン方式のハイブリッドカー(HV:Hybrid Vehicle)等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。 2. Description of the Related Art Power converters for charging driving main batteries such as electric vehicles (EV) and plug-in hybrid vehicles (HV) using ordinary household AC power have been developed.
すなわち、電気自動車及びプラグイン方式のハイブリッドカーの特長の一つは、家庭用コンセント等の外部電源を用いて主電池である車載バッテリを充電できることである。そして、AC100V又はAC200Vの家庭用コンセントを用いて車載バッテリを充電するには、交流電圧(AC)をバッテリ用の直流電圧(DC)に変換するためのAC/DCコンバータが必要となる。 That is, one of the features of an electric vehicle and a plug-in hybrid car is that an in-vehicle battery as a main battery can be charged using an external power source such as a household outlet. And in order to charge a vehicle-mounted battery using the household outlet of AC100V or AC200V, the AC / DC converter for converting an alternating voltage (AC) into the direct current voltage (DC) for a battery is needed.
下記特許文献1には、スイッチングによりデューティ比を変えることで、出力する直流電圧の昇圧又は降圧が可能なAC/DCコンバータが開示されている。当該AC/DCコンバータによれば、昇降圧回路において、AC入力に対して全波整流を行った後、スイッチングによるチョッパ制御によってリアクトルに蓄積されたエネルギーの放出をオンオフすることで、昇圧又は降圧が可能なDC出力を得る。また、このオンオフの制御により、リアクトルに流れる電流の波形を入力電圧の波形と相似形となるように制御すれば、当該AC/DCコンバータの電力変換時における力率の改善を行うことができる。
上記特許文献1に開示されたAC/DCコンバータには、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路によって電圧の昇降圧を行うものがある。昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、入力電圧がリアクトルに印加されるか否かの切り替えをスイッチ素子のスイッチングによって行い、リアクトルに磁気エネルギーを蓄積する。そして、スイッチ素子の切り替えによりリアクトルに蓄積したエネルギーを放出することで、昇圧又は降圧された電圧を出力する。
Some of the AC / DC converters disclosed in
しかし、この昇降圧チョッパ方式を用いる昇降圧回路は、スイッチ素子のスイッチングにより入力電流をオフにする期間があるため、入力電流をオフにする期間がない昇圧チョッパ方式の回路に比べ、同レベルの出力電流を得ようとすると入力電流を大きく設定する必要がある。そして、入力電流が大きくなると、昇降圧回路内でのリップル電流も大きくなるため、回路素子での損失が大きくなってしまう。 However, the step-up / step-down circuit using this step-up / step-down chopper method has a period in which the input current is turned off by switching of the switching element, so that it is at the same level as a step-up chopper type circuit without a period in which the input current is turned off. In order to obtain the output current, it is necessary to set a large input current. When the input current increases, the ripple current in the step-up / step-down circuit also increases, so that the loss in the circuit element increases.
また、大きな入力電流に対応するため、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、昇圧チョッパ方式の回路と比べ、回路素子に高い電力容量が求められる。よって、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路は、昇圧チョッパ方式の回路と比べて装置のサイズが増大してしまう。 In order to cope with a large input current, a step-up / step-down chopper type step-up / step-down circuit is required to have a higher power capacity in circuit elements than a step-up chopper type circuit. Therefore, the step-up / step-down chopper type step-up / step-down circuit increases the size of the device as compared with the step-up chopper type circuit.
さらに、昇降圧チョッパ方式の昇降圧回路では、リアクトルに流れる入力電流をスイッチ素子によってオフにする期間があるので、入力電流と入力電圧との波形の相似性が崩れることにより力率が悪化するという問題点もある。 Furthermore, in the buck-boost circuit of the buck-boost chopper method, there is a period in which the input current flowing through the reactor is turned off by the switch element, so that the power factor deteriorates due to the collapse of the waveform similarity between the input current and the input voltage. There are also problems.
本発明は、かかる事情に鑑みて成されたものであり、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路及び電力変換装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to obtain a step-up / step-down circuit and a power conversion device capable of improving the power factor while reducing the size and the loss.
本発明の第1の態様に係る昇降圧回路は、電源から入力される入力電圧を昇圧又は降圧して負荷に供給するための昇降圧回路であって、前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、互いに磁気結合した第1の巻線及び第2の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第1の巻線に印加される巻線部と、前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、を備え、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第1の巻線を流れることを特徴とする。 The step-up / step-down circuit according to the first aspect of the present invention is a step-up / step-down circuit for stepping up or stepping down an input voltage input from a power source and supplying the input voltage to a load, wherein the input voltage is a voltage having a predetermined polarity. A rectifying unit that rectifies the first winding and a second winding that are magnetically coupled to each other, and a winding unit that applies a voltage rectified by the rectifying unit to the first winding; A path switching unit that switches a path of a current flowing through the step-up / down circuit in order to perform a step-up operation in which the winding unit outputs a boosted voltage or a step-down operation in which the winding unit outputs a step-down voltage. In the step-up operation and the step-down operation, the current flowing from the power source flows through the first winding.
第1の態様に係る昇降圧回路によれば、整流部は、入力電圧が所定の極性の電圧となるよう整流を行う。巻線部は、第1の巻線に整流された電圧を受けることで、互いに磁気結合した第1の巻線と第2の巻線とに磁気エネルギーを蓄積する。経路切替部が電流の経路を切り替えることで、第1の巻線と第2の巻線とに蓄積された磁気エネルギーの放出タイミングを制御することにより、昇圧動作を行う場合は巻線部から昇圧された電圧を出力し、降圧動作を行う場合は巻線部から降圧された電圧を出力する。したがって、電流の経路を切り替えることで昇圧動作と降圧動作とを個別に行えるため、当該昇圧動作を行う場合には、同一の経路で昇降圧を行う昇降圧チョッパ方式の回路に比べ損失を軽減できる。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を少なくすることができるので、回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。また、当該昇圧動作を行う場合に、入力電流を遮断せず、かつ入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行えば、力率の改善を行うことができる。さらに、整流部が入力電圧を所定の極性の電圧に整流するので、入力電圧の極性によって回路の動作を変える必要がなく、簡単な制御で動作させることが可能である。 According to the step-up / step-down circuit according to the first aspect, the rectifier performs rectification so that the input voltage becomes a voltage having a predetermined polarity. The winding unit receives the voltage rectified by the first winding, and accumulates magnetic energy in the first winding and the second winding that are magnetically coupled to each other. The path switching unit switches the current path, thereby controlling the release timing of the magnetic energy accumulated in the first winding and the second winding. When the stepped down operation is performed, the stepped down voltage is output from the winding portion. Therefore, since the step-up operation and the step-down operation can be performed separately by switching the current path, the loss can be reduced when performing the step-up operation as compared with the step-up / step-down chopper type circuit that performs step-up / step-down with the same route. . Further, since the current input to the circuit element can be reduced as compared with the step-up / step-down chopper method, the power capacity required for the circuit element can be reduced, and the circuit can be reduced in size. In addition, when performing the boosting operation, the power factor can be improved by switching the path by the path switching unit so that the input current is not interrupted and the waveform of the input current is similar to the waveform of the input voltage. It can be carried out. Furthermore, since the rectifier rectifies the input voltage to a voltage having a predetermined polarity, it is not necessary to change the operation of the circuit depending on the polarity of the input voltage, and the operation can be performed with simple control.
本発明の第2の態様に係る昇降圧回路によれば、第1の態様に係る昇降圧回路において特に、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記降圧動作においては、前記第2の巻線から出力された電流が前記負荷に供給されることを特徴とする。 According to the step-up / step-down circuit according to the second aspect of the present invention, in the step-up / step-down circuit according to the first aspect, in particular, in the step-down operation, the path switching unit switches the current path. The current output from the second winding is supplied to the load.
第2の態様に係る昇降圧回路によれば、降圧動作においては、経路切替部が電流の経路を切り替えることにより、第1の巻線に入力電流が流れることで第1の巻線と第2の巻線とに蓄積された磁気エネルギーを、第2の巻線からの誘導電流として負荷に供給する。よって、第2の巻線に直接入力電流を流さずに降圧動作を行うことができるので、第2の巻線への電流供給回路を省くことで、回路をさらに小型化することが可能となる。 According to the step-up / step-down circuit according to the second aspect, in the step-down operation, when the path switching unit switches the current path, the input current flows through the first winding, so that the first winding and the second winding The magnetic energy stored in the second winding is supplied to the load as an induced current from the second winding. As a result, the step-down operation can be performed without directly supplying the input current to the second winding, so that the circuit can be further miniaturized by omitting the current supply circuit to the second winding. .
本発明の第3の態様に係る昇降圧回路は、第1又は第2の態様に係る昇降圧回路において特に、前記経路切替部は、前記第1の巻線を介しかつ前記負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする第1のスイッチ素子と、前記第1の巻線及び前記負荷を介して流れる電流をオンオフする第2のスイッチ素子と、を含むことを特徴とする。 The step-up / step-down circuit according to a third aspect of the present invention is the step-up / step-down circuit according to the first or second aspect, in particular, the path switching unit is a path that passes through the first winding and does not pass through the load. And a second switch element for turning on and off the current flowing through the first winding and the load.
第3の態様に係る昇降圧回路によれば、第1のスイッチ素子は、第1の巻線を介しかつ負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする。第2のスイッチ素子は、第1の巻線及び負荷を介して流れる電流をオンオフする。よって、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子とを制御することで、巻線部に磁気エネルギーを蓄積するタイミングと、その蓄積した磁気エネルギーを負荷に供給するタイミングとを制御することができる。したがって、これらのスイッチ素子の切り替えを適切に行えば、簡単な回路で昇圧動作又は降圧動作を行うことが可能となる。 According to the step-up / step-down circuit according to the third aspect, the first switch element turns on and off the current flowing through the path through the first winding and not through the load. The second switch element turns on and off the current flowing through the first winding and the load. Therefore, by controlling the first switch element and the second switch element, it is possible to control the timing for accumulating magnetic energy in the winding portion and the timing for supplying the accumulated magnetic energy to the load. . Therefore, if these switching elements are appropriately switched, it is possible to perform a step-up operation or a step-down operation with a simple circuit.
本発明の第4の態様に係る昇降圧回路は、第3の態様に係る昇降圧回路において特に、前記昇圧動作は、前記第1のスイッチ素子がオンかつ前記第2のスイッチ素子がオフである状態と、前記第1のスイッチ素子がオフかつ前記第2のスイッチ素子がオンである状態とを切り替えることで行われ、前記降圧動作は、前記第1のスイッチ素子がオフかつ前記第2のスイッチ素子がオンである状態と、前記第1のスイッチ素子がオフかつ前記第2のスイッチ素子がオフである状態とを切り替えることで行われることを特徴とする。 The step-up / step-down circuit according to the fourth aspect of the present invention is the step-up / step-down circuit according to the third aspect, in particular, the step-up operation is such that the first switch element is on and the second switch element is off. The step-down operation is performed by switching between a state and a state where the first switch element is off and the second switch element is on, and the step-down operation is performed when the first switch element is off and the second switch element is off It is performed by switching between a state in which an element is on and a state in which the first switch element is off and the second switch element is off.
第4の態様に係る昇降圧回路によれば、これらのスイッチ素子による状態の切り替えにより、昇圧動作において、巻線部に磁気エネルギーを蓄積し、その磁気エネルギーによって第1の巻線に生じた誘導電圧を入力電圧に加増して負荷に出力するので、簡易なスイッチ制御により負荷に昇圧された電圧を出力することができる。この昇圧動作を行っている間、第1の巻線に流れる入力電流は遮断されないので、入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行うことで、力率の改善が可能である。また、降圧動作において、巻線部に磁気エネルギーを蓄積し、その磁気エネルギーによって発生した誘導電圧を第2の巻線から出力するので、簡易なスイッチ制御により負荷に降圧された電圧を出力することができる。 According to the step-up / step-down circuit according to the fourth aspect, magnetic energy is accumulated in the winding portion in the step-up operation by switching the state by these switch elements, and the induction generated in the first winding by the magnetic energy is generated. Since the voltage is increased to the input voltage and output to the load, the boosted voltage can be output to the load by simple switch control. Since the input current flowing through the first winding is not interrupted during this boosting operation, the path switching unit switches the path so that the waveform of the input current is similar to the waveform of the input voltage. The power factor can be improved. Also, in the step-down operation, magnetic energy is accumulated in the winding part, and the induced voltage generated by the magnetic energy is output from the second winding, so that the voltage stepped down to the load is output by simple switch control. Can do.
本発明の第5の態様に係る昇降圧回路は、第3又は第4の態様に係る昇降圧回路において特に、前記第1の巻線は、前記整流部の出力端の一方に接続される第1端、及び第2端を有し、前記第2の巻線は、第1端、及び前記負荷の一方端側とに接続される第2端を有し、前記第1のスイッチ素子は、前記第1の巻線の第2端と前記第2のスイッチとの接続ノード、及び前記整流部の出力端の他方と前記第2の巻線の第2端と前記負荷の一方端側との接続ノードの間に接続され、前記第2のスイッチ素子は、前記第1の巻線の第2端と前記第1のスイッチとの接続ノード、及び前記第2の巻線の第1端と前記負荷の他方端側との接続ノードの間に接続されることを特徴とする。 The buck-boost circuit according to the fifth aspect of the present invention is the buck-boost circuit according to the third or fourth aspect, in particular, the first winding is connected to one of the output ends of the rectifier. The first winding element has a first end and a second end, the second winding has a first end and a second end connected to one end side of the load. A connection node between the second end of the first winding and the second switch, and the other of the output ends of the rectifying unit, the second end of the second winding, and one end side of the load The second switch element is connected between connection nodes, and the second switch element includes a connection node between a second end of the first winding and the first switch, and a first end of the second winding and the It is connected between the connection nodes with the other end side of the load.
第5の態様に係る昇降圧回路によれば、これらの回路構成により、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子のオンオフを制御するという容易なスイッチ制御を行うだけで、巻線部が昇圧した電圧を負荷に出力する昇圧動作と、巻線部が降圧した電圧を負荷に出力する降圧動作とを行うことができる。よって、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路を簡単な回路構成で実現することが可能である。 According to the step-up / step-down circuit according to the fifth aspect, with these circuit configurations, the winding portion can be boosted only by performing easy switch control of controlling on / off of the first switch element and the second switch element. The step-up operation for outputting the voltage to the load and the step-down operation for outputting the voltage stepped down by the winding to the load can be performed. Therefore, it is possible to realize a step-up / step-down circuit capable of improving the power factor with a simple circuit configuration while reducing the size and reducing the loss.
本発明の第6の態様に係る電力変換装置は、電源から入力電圧が入力される入力端と、出力端と、前記入力電圧を昇圧又は降圧し、前記出力端から負荷へ昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、を備え、前記昇降圧回路は、前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、互いに磁気結合した第1の巻線及び第2の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第1の巻線に印加される巻線部と、前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、を備え、前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第1の巻線を流れることを特徴とする。 A power conversion device according to a sixth aspect of the present invention includes an input terminal to which an input voltage is input from a power supply, an output terminal, and a voltage obtained by stepping up or stepping down the input voltage and stepping up or stepping down the load from the output end to a load. A step-up / step-down circuit that outputs a rectifying unit that rectifies the input voltage to a voltage having a predetermined polarity, and a first winding and a second winding that are magnetically coupled to each other. A winding portion that includes a wire and the voltage rectified by the rectifying portion is applied to the first winding, and a step-up operation that outputs a boosted voltage from the winding portion, or the winding portion is stepped down. A path switching unit that switches a path of a current flowing through the step-up / step-down circuit in order to perform a step-down operation that outputs the generated voltage, and by switching the current path by the path switching unit, the step-up operation and In the step-down operation, the Current flows from the source, characterized in that the flow through the first winding.
第6の態様に係る電力変換装置によれば、整流部は、電源から入力された入力電圧が所定の極性の電圧となるよう整流を行う。巻線部は、第1の巻線に整流部によって整流された電圧を受けることで、互いに磁気結合した第1の巻線と第2の巻線とに磁気エネルギーを蓄積する。そして、経路切替部が電流の経路を切り替えることで、第1の巻線と第2の巻線とに蓄積された磁気エネルギーの放出タイミングを制御することにより、昇圧動作を行う場合は巻線部から昇圧された電圧を出力端に出力し、降圧動作を行う場合は巻線部から降圧された電圧を出力端に出力する。したがって、電流の経路を切り替えることで昇圧動作と降圧動作とを個別に行うため、当該昇圧動作を行う場合には、同一の経路で昇降圧を行う昇降圧チョッパ方式の回路に比べ損失を軽減できる。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を少なくすることができるので、回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。また、当該昇圧動作を行う場合に、入力電流を遮断せず、かつ入力電流の波形が入力電圧の波形と相似形となるように経路切替部による経路の切り替えを行えば、力率の改善を行うことができる。さらに、整流部が入力電圧を所定の極性の電圧とすることで、入力電圧の極性によって回路の動作を変える必要がないため、簡単な制御で動作させることが可能である。 According to the power conversion device of the sixth aspect, the rectifier performs rectification so that the input voltage input from the power supply becomes a voltage of a predetermined polarity. The winding unit receives the voltage rectified by the rectifying unit in the first winding, and accumulates magnetic energy in the first winding and the second winding that are magnetically coupled to each other. When the step-up operation is performed by controlling the release timing of the magnetic energy accumulated in the first winding and the second winding by the path switching unit switching the current path, the winding unit When the voltage is stepped down, the voltage stepped down from the winding unit is output to the output terminal. Therefore, since the step-up operation and the step-down operation are performed separately by switching the current path, the loss can be reduced compared to the step-up / step-down chopper circuit that performs the step-up / step-down operation using the same route. . Further, since the current input to the circuit element can be reduced as compared with the step-up / step-down chopper method, the power capacity required for the circuit element can be reduced, and the circuit can be reduced in size. In addition, when performing the boosting operation, the power factor can be improved by switching the path by the path switching unit so that the input current is not interrupted and the waveform of the input current is similar to the waveform of the input voltage. It can be carried out. Furthermore, since the rectifier unit sets the input voltage to a voltage having a predetermined polarity, it is not necessary to change the operation of the circuit depending on the polarity of the input voltage, and therefore it can be operated with simple control.
本発明によれば、小型化及び低損失化を行いつつ、力率改善が可能な昇降圧回路及び電力変換装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a step-up / step-down circuit and a power conversion device capable of improving the power factor while reducing the size and reducing the loss.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、異なる図面において同一の符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the element which attached | subjected the same code | symbol in different drawing shall show the same or corresponding element.
〈第1の実施形態〉
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置101の構成を概略的に示した図である。電力変換装置101は、ノイズフィルタ51、昇降圧回路52、電力伝達用絶縁回路53、入力端54、及び出力端55を備える。昇降圧回路52は、巻線部11、経路切替部12、整流部13、平滑部14、制御部15、及びコンデンサC2を含む。経路切替部12は、スイッチ素子Q1〜Q4、及びダイオードD1,D2を含む。整流部13は、ダイオードD3〜D6を含む。平滑部14は、コンデンサC1を含む。巻線部11は、共通のコアを有し、互いに磁気結合された巻線L1と巻線L2とを含む。巻線部11は、例えば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Q1〜Q4は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a power conversion device 101 according to the first embodiment of the present invention. The power conversion device 101 includes a
ノイズフィルタ51の出力側の一方端は、巻線L1の第1端に接続される。ノイズフィルタ51の出力側の他方端には、スイッチ素子Q2のコレクタとダイオードD2のカソードとスイッチ素子Q4のコレクタとの接続ノードであるノードP1に接続される。
One end of the output side of the
スイッチ素子Q1は、制御部15からの制御信号を受けるゲートと、巻線L1の第2端とダイオードD1のカソードとスイッチ素子Q3のコレクタとの接続ノードであるノードP2に接続されるコレクタと、ダイオードD1のアノードとスイッチ素子Q2のエミッタとダイオードD2のアノードと電力伝達用絶縁回路53の入力側の一方端との接続ノードであるノードP3に接続されたエミッタとを有する。
The switch element Q1 has a gate connected to the node P2 that is a connection node between the gate that receives the control signal from the
スイッチ素子Q2は、制御部15からの制御信号を受けるゲートと、ノードP1に接続されたコレクタと、ノードP3に接続されたエミッタとを有する。
Switch element Q2 has a gate for receiving a control signal from
スイッチ素子Q3は、制御部15からの制御信号を受けるゲートと、ノードP2に接続されたコレクタと、スイッチ素子Q4のエミッタと電力伝達用絶縁回路53の入力側の他方端との接続ノードであるノードP4に接続されたエミッタとを有する。
Switch element Q3 is a connection node between a gate that receives a control signal from
スイッチ素子Q4は、制御部15からの制御信号を受けるゲートと、ノードP1に接続されたコレクタと、ノードP4に接続されたエミッタとを有する。
Switch element Q4 has a gate for receiving a control signal from
整流部13のダイオードD3〜D6は、巻線L2から出力される電流が、負荷202の極性に従って流れるようにダイオードブリッジを構成している。なお、負荷202の極性とは、ノードP3とノードP4との電位を比べ、ノードP4の方が電位が高い状態の極性である。
The diodes D3 to D6 of the rectifying unit 13 configure a diode bridge so that the current output from the winding L2 flows according to the polarity of the
コンデンサC1は電力伝達用絶縁回路53の入力側の一方端と他方端との間に接続される。コンデンサC2はノイズフィルタ51の出力側の一方端と他方端との間に接続される。
Capacitor C1 is connected between one end and the other end of the input side of power
電力変換装置101は、交流電源201から供給された交流電圧を直流電圧に変換して負荷202に供給する。負荷202は、例えばEV及びプラグイン方式のHV等の駆動用の主電源(バッテリ)である。
The power conversion device 101 converts the AC voltage supplied from the
入力端54には、交流電源201から交流電圧が入力される。入力端54に電気的に接続されたノイズフィルタ51は、当該交流電圧のノイズを除去して昇降圧回路52へ出力する。
An AC voltage is input from the
昇降圧回路52に入力された交流電圧は、コンデンサC2によってノイズの除去が行われる。昇降圧回路52は、当該交流電圧を任意のレベルの直流電圧に変圧し、電力伝達用絶縁回路53へ出力する。電力伝達用絶縁回路53は、昇降圧回路52と出力端55との間の絶縁を行いながら出力端55へ任意のレベルに設定された直流電圧を出力する。出力端55からは、当該直流電圧が出力電圧として出力される。このとき、電力伝達用絶縁回路53は、昇降圧回路52に対する負荷として機能する。
The AC voltage input to the step-up / step-down circuit 52 is subjected to noise removal by the capacitor C2. The step-up / down circuit 52 transforms the AC voltage into a DC voltage of an arbitrary level and outputs it to the power
昇降圧回路52が行う変圧について、より具体的に説明する。昇降圧回路52において、制御部15は、スイッチ素子Q1〜Q4に制御信号を入力することで、スイッチ素子Q1〜Q4のオンオフを制御する。このスイッチングの制御により、昇降圧回路52は、巻線L1に流れる電流がコンデンサC1及び電力伝達用絶縁回路53を介さない経路で流れる状態と、巻線L1に流れる電流がコンデンサC1及び電力伝達用絶縁回路53を介する経路で流れる状態と、巻線L1に電流が流れない状態との切り替えを行う。この電流の流れる経路の切り替えによって、昇降圧回路52は、昇圧された出力電圧を出力する昇圧動作と、降圧された出力電圧を出力する降圧動作とを行う。
The voltage transformation performed by the step-up / step-down circuit 52 will be described more specifically. In the step-up / step-down circuit 52, the
まず、昇降圧回路52が行う昇圧動作の説明を行う。昇降圧回路52は、交流電源201からの入力電圧が第1の極性であるときに昇圧動作を行う場合は第1極性昇圧動作を行い、当該入力電圧が第2の極性であるときに昇圧動作を行う場合は第2極性昇圧動作を行う。なお、第1の極性とは、ノードP1とノードP2との電位を比べ、ノードP2の方が電位が高い状態となるような入力電圧の極性である。また、第2の極性とは、ノードP1とノードP2との電位を比べ、ノードP1の方が電位が高い状態となるような入力電圧の極性である。
First, the boosting operation performed by the step-up / down circuit 52 will be described. The step-up / step-down circuit 52 performs the first polarity boosting operation when performing the boosting operation when the input voltage from the
第1極性昇圧動作を行うとき、制御部15は、スイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q4がオフとなるように制御を行う。そして、制御部15がスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q3のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路52は電力伝達用絶縁回路53に昇圧された電圧を出力する。この第1極性昇圧動作におけるスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q3のスイッチング制御とは、スイッチ素子Q1がオンかつスイッチ素子Q3がオフである状態と、スイッチ素子Q1がオフかつスイッチ素子Q3がオンである状態との切り替えを行うものである。
When performing the first polarity boosting operation, the
図2は、第1極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin1は昇降圧回路52の入力電圧である。電圧Vout1は昇降圧回路52の出力電圧である。電流Iin1は、昇降圧回路52の入力電流である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a current flow path in the first polarity boosting operation. The voltage Vin1 is an input voltage of the step-up / step-down circuit 52. The voltage Vout1 is an output voltage of the step-up / step-down circuit 52. The current Iin1 is an input current of the step-up / step-down circuit 52.
スイッチ素子Q1がオンかつスイッチ素子Q3がオフである状態のとき、電圧Vin1が昇降圧回路52に印加されることによって電流Iin1が発生する。この電流Iin1は、巻線L1、スイッチ素子Q1、及びダイオードD2を介する経路に流れる。つまり、図2において太実線矢印にて示した経路に電流Iin1が流れる。このとき、電流Iin1が巻線L1に流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L1と磁気結合している巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。 When the switch element Q1 is on and the switch element Q3 is off, the voltage Vin1 is applied to the step-up / down circuit 52 to generate a current Iin1. This current Iin1 flows through a path through the winding L1, the switching element Q1, and the diode D2. That is, the current Iin1 flows through the path indicated by the thick solid arrow in FIG. At this time, when the current Iin1 flows through the winding L1, a magnetic flux Φ is generated in the winding L1, and magnetic energy is accumulated in the winding L1 and the winding L2 magnetically coupled to the winding L1.
そして、スイッチ素子Q1がオフかつスイッチ素子Q3がオンである状態のとき、電流Iin1は、巻線L1及びスイッチ素子Q3を介してコンデンサC1と電力伝達用絶縁回路53とに供給される。コンデンサC1によって昇降圧回路52の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路53には直流電圧が出力される。このとき、図2において点線矢印にて示した経路に電流Iin1が流れる。この電流Iin1は、巻線L1を介して流れるため、巻線L1と巻線L2とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
When the switch element Q1 is off and the switch element Q3 is on, the current Iin1 is supplied to the capacitor C1 and the power
図3は、第1極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図3において、電流IQ1は、スイッチ素子Q1に流れる電流である。電流IQ3は、スイッチ素子Q3に流れる電流である。なお、図3においては、スイッチ素子Q1がオンかつスイッチ素子Q3がオフである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q1がオフかつスイッチ素子Q3がオンである期間を期間Toffとしている。 FIG. 3 is a diagram showing a relationship between current and voltage in the first polarity boosting operation. In FIG. 3, a current IQ1 is a current flowing through the switch element Q1. The current IQ3 is a current that flows through the switch element Q3. In FIG. 3, a period in which the switch element Q1 is on and the switch element Q3 is off is a period Ton, and a period in which the switch element Q1 is off and the switch element Q3 is on is a period Toff.
期間Tonと期間Toffとが切り替わっても、巻線L1に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Tonでは電流Iin1が電力伝達用絶縁回路53を介して流れず、期間Toffでは電流Iin1が電力伝達用絶縁回路53を介して流れるので、電流Iin1は電圧Vin1の増減に追随しつつ、期間Tonで増加し、期間Toffで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Iin1は電圧Vin1の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路52の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。
Even when the period Ton and the period Toff are switched, the magnetic flux Φ generated in the winding L1 continuously changes. Further, since the current Iin1 does not flow through the power
またこのとき、期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦ1と入力電圧Vin1の実効電圧Vein1との関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
さらに、期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2と入力電圧Vin1の実効電圧Vein1と出力電圧Vout1の実効電圧Veout1との関係は、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路52の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、実効電圧Vein1と実効電圧Veout1との関係は、
よって、第1極性昇圧動作における昇降圧回路52の入出力電圧比Veout1/Vein1は、スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q3のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路52の出力電圧は任意のレベルに昇圧され電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、第1極性昇圧動作が行われる。
Therefore, the input / output voltage ratio Veout1 / Vein1 of the step-up / step-down circuit 52 in the first polarity boosting operation is set by the ratio between the on time and the off time in switching of the switch element Q1 and the switch element Q3. In accordance with this setting, the output voltage of the step-up / step-down circuit 52 is boosted to an arbitrary level and output to the power
また、昇降圧回路52が第2極性昇圧動作を行うとき、制御部15は、スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q3がオフとなるように制御を行う。そして、制御部15がスイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q4のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路52は電力伝達用絶縁回路53に昇圧された電圧を出力する。この第2極性昇圧動作におけるスイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q4のスイッチング制御とは、スイッチ素子Q2がオンかつスイッチ素子Q4がオフである状態と、スイッチ素子Q2がオフかつスイッチ素子Q4がオンである状態との切り替えを行うものである。
Further, when the step-up / step-down circuit 52 performs the second polarity boosting operation, the
図4は、第2極性昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin2は昇降圧回路52の入力電圧である。電圧Vout2は昇降圧回路52の出力電圧である。電流Iin2は、昇降圧回路52の入力電流である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a current flow path in the second polarity boosting operation. The voltage Vin2 is an input voltage of the step-up / step-down circuit 52. The voltage Vout2 is an output voltage of the step-up / down circuit 52. The current Iin2 is an input current of the buck-boost circuit 52.
スイッチ素子Q2がオンかつスイッチ素子Q4がオフである状態のとき、電圧Vin2が昇降圧回路52に印加されることによって電流Iin2が発生する。この電流Iin2は、巻線L1、スイッチ素子Q2、及びダイオードD1を介する経路に流れる。つまり、図4において太実線矢印にて示した経路に電流Iin2が流れる。このとき、電流Iin2が巻線L1に流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。 When the switch element Q2 is on and the switch element Q4 is off, the voltage Vin2 is applied to the step-up / down circuit 52 to generate a current Iin2. This current Iin2 flows through a path through the winding L1, the switch element Q2, and the diode D1. That is, the current Iin2 flows through the path indicated by the thick solid arrow in FIG. At this time, when the current Iin2 flows through the winding L1, a magnetic flux Φ is generated in the winding L1, and magnetic energy is accumulated in the winding L1 and the winding L2.
スイッチ素子Q2がオフかつスイッチ素子Q4がオンである状態のとき、電流Iin2は、巻線L1及びスイッチ素子Q4を介してコンデンサC1と電力伝達用絶縁回路53とに供給される。コンデンサC1によって昇降圧回路52の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路53には直流電圧が出力される。このとき、図4において点線矢印にて示した経路に電流Iin2が流れる。この電流Iin2は、巻線L1を介して流れるため、巻線L1と巻線L2とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
When the switch element Q2 is off and the switch element Q4 is on, the current Iin2 is supplied to the capacitor C1 and the power
図5は、第2極性昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図5において、電流IQ2は、スイッチ素子Q2に流れる電流である。電流IQ4は、スイッチ素子Q4に流れる電流である。なお、図5においては、スイッチ素子Q2がオンかつスイッチ素子Q4がオフである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q2がオフかつスイッチ素子Q4がオンである期間を期間Toffとしている。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between current and voltage in the second polarity boosting operation. In FIG. 5, a current IQ2 is a current flowing through the switch element Q2. The current IQ4 is a current that flows through the switch element Q4. In FIG. 5, a period in which the switch element Q2 is on and the switch element Q4 is off is a period Ton, and a period in which the switch element Q2 is off and the switch element Q4 is on is a period Toff.
期間Tonと期間Toffとが切り替わっても、巻線L1に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Tonでは電流Iin2が電力伝達用絶縁回路53を介して流れず、期間Toffでは電流Iin2が電力伝達用絶縁回路53を介して流れるので、電流Iin2は電圧Vin2の増減に追随しつつ、期間Tonで増加し、期間Toffで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Iin2は電圧Vin2の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路52の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。
Even when the period Ton and the period Toff are switched, the magnetic flux Φ generated in the winding L1 continuously changes. In addition, since the current Iin2 does not flow through the power
またこのとき、期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦ1と入力電圧Vin2の実効電圧Vein2との関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
さらに、期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2と入力電圧Vin2の実効電圧Vein2と出力電圧Vout2の実効電圧Veout2との関係は、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路52の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、実効電圧Vein2と実効電圧Veout2との関係は、
よって、第2極性昇圧動作における昇降圧回路52の入出力電圧比Veout2/Vein2は、スイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q4のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路52の出力電圧は任意のレベルに昇圧され電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、第2極性昇圧動作が行われる。
Therefore, the input / output voltage ratio Veout2 / Vein2 of the step-up / step-down circuit 52 in the second polarity boosting operation is set by the ratio between the on time and the off time in switching of the switch element Q2 and the switch element Q4. In accordance with this setting, the output voltage of the step-up / step-down circuit 52 is boosted to an arbitrary level and output to the power
次に、昇降圧回路52が行う降圧動作の説明を行う。昇降圧回路52は、交流電源201からの入力電圧が第1の極性であるときに降圧動作を行う場合は第1極性降圧動作を行い、当該入力電圧が第2の極性であるときに降圧動作を行う場合は第2極性降圧動作を行う。
Next, the step-down operation performed by the step-up / down circuit 52 will be described. The step-up / step-down circuit 52 performs the first polarity step-down operation when performing the step-down operation when the input voltage from the
第1極性降圧動作を行うとき、制御部15は、スイッチ素子Q1,Q2,及びQ4がオフとなるように制御を行う。そして、制御部15がスイッチ素子Q3のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路52は電力伝達用絶縁回路53に降圧された電圧を出力する。
When performing the first polarity step-down operation, the
図6は、第1極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin3は昇降圧回路52の入力電圧である。電圧Vout3は昇降圧回路52の出力電圧である。電流Iin3は、昇降圧回路52の入力電流である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a current flow path in the first polarity step-down operation. The voltage Vin3 is an input voltage of the step-up / step-down circuit 52. The voltage Vout3 is an output voltage of the step-up / step-down circuit 52. The current Iin3 is an input current of the step-up / step-down circuit 52.
スイッチ素子Q3がオンである状態のとき、電圧Vin3が昇降圧回路52に印加されることによって電流Iin3が発生する。この電流Iin3は、巻線L1、スイッチ素子Q3、コンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53、及びダイオードD2を介する経路に流れる。つまり、図6において太実線矢印にて示した経路に電流Iin3が流れる。このとき、巻線L1に電流Iin3が流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。
When the switch element Q3 is on, the voltage Vin3 is applied to the step-up / step-down circuit 52 to generate a current Iin3. The current Iin3 flows through a path through the winding L1, the switch element Q3, the capacitor C1, the power
そして、スイッチ素子Q3がオフである期間は電流Iin3が遮断されるので、巻線L2には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図6で示す点線矢印の向きに電流ICが流れる。すなわち、巻線L2に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードD5、コンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53、及びダイオードD4を介する経路に電流ICが流れる。この電流ICによりコンデンサC1の蓄電と電力伝達用絶縁回路53への電力供給が行われ、昇降圧回路52の出力電圧は平滑化される。
Since the current Iin3 is interrupted while the switch element Q3 is off, an induced voltage is generated in the winding L2 by self-induction. With this induced voltage, a current IC flows in the direction of the dotted arrow shown in FIG. That is, the current IC flows through the path through the diode D5, the capacitor C1, the power
図7は、第1極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図7においては、スイッチ素子Q3がオンである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q3がオフである期間を期間Toffとしている。 FIG. 7 is a diagram showing a relationship between current and voltage in the first polarity step-down operation. In FIG. 7, a period in which the switch element Q3 is on is a period Ton, and a period in which the switch element Q3 is off is a period Toff.
図7を参照して、期間Tonの間、電流Iin3は交流電圧である電圧Vin3に応じて流れるので、電流Iin3は電圧Vin3に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Iin3は、電圧Vin3の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路52の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。 Referring to FIG. 7, during the period Ton, the current Iin3 flows according to the voltage Vin3 that is an AC voltage, and thus the current Iin3 has a waveform that follows the voltage Vin3. Therefore, by performing switching with adjusted frequency, the current Iin3 becomes a waveform similar to the waveform of the voltage Vin3, and the power factor of the step-up / step-down circuit 52 is improved. The switching frequency at this time is, for example, several kHz to several tens of kHz.
電流ICは、スイッチ素子Q3がオフの間に巻線L2の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ICも減少する。磁束Φは、巻線L1と巻線L2とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Q3のスイッチングによってオンオフされず、電流Iin3と電流ICとに応じて連続的に変化する。出力電圧Vout3は、コンデンサC1によって平滑化され、直流電圧として出力される。 The current IC flows according to the induced voltage of the winding L2 while the switch element Q3 is off. Therefore, as the induced voltage decreases, the current IC also decreases. Since the magnetic flux Φ is a magnetic flux shared by the winding L1 and the winding L2, it is not turned on / off by switching of the switch element Q3, but continuously changes according to the current Iin3 and the current IC. The output voltage Vout3 is smoothed by the capacitor C1 and output as a DC voltage.
このとき、入力電圧Vin3の実効電圧Vein3と出力電圧Vout3の実効電圧Veout3と期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦ1との関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
また、入力電圧Vout3の実効電圧Veout3と期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2との関係は、巻線L2の巻数n2を用いて表すと、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路52の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Vein3と出力電圧の実効電圧Veout3との関係は、
巻数n1と巻数n2とは、巻線L1及び巻線L2それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路52の入出力電圧比Veout3/Vein3は、スイッチ素子Q3のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路52の出力電圧は任意のレベルに降圧され電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、第1極性降圧動作が行われる。
Since the number of turns n1 and the number of turns n2 are constants determined based on the specifications of the winding L1 and the winding L2, the input / output voltage ratio Veout3 / Vein3 of the buck-boost circuit 52 is an on-time in switching of the switch element Q3. And the off time ratio. According to this setting, the output voltage of the step-up / step-down circuit 52 is stepped down to an arbitrary level and output to the power
また、第2極性降圧動作を行うとき、制御部15は、スイッチ素子Q1〜Q3がオフとなるように制御を行う。そして、制御部15がスイッチ素子Q4のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路52は電力伝達用絶縁回路53に降圧された電圧を出力する。
Further, when performing the second polarity step-down operation, the
図8は、第2極性降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin4は昇降圧回路52の入力電圧である。電圧Vout4は昇降圧回路52の出力電圧である。電流Iin4は、昇降圧回路52の入力電流である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a path through which a current flows in the second polarity step-down operation. The voltage Vin4 is an input voltage of the buck-boost circuit 52. The voltage Vout4 is an output voltage of the step-up / step-down circuit 52. A current Iin4 is an input current of the step-up / step-down circuit 52.
スイッチ素子Q4がオンである状態のとき、電圧Vin4が昇降圧回路52に印加されることによって電流Iin4が発生する。この電流Iin4は、巻線L1、スイッチ素子Q4、コンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53、及びダイオードD1を介する経路に流れる。つまり、図8において太実線矢印にて示した経路に電流Iin4が流れる。このとき、巻線L1に電流Iin4が流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。
When the switch element Q4 is in an on state, the voltage Vin4 is applied to the step-up / down circuit 52 to generate a current Iin4. The current Iin4 flows through a path through the winding L1, the switching element Q4, the capacitor C1, the power
そして、スイッチ素子Q4がオフである期間は電流Iin4が遮断されるので、巻線L2には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図8で示す点線矢印の向きに電流ICが流れる。すなわち、巻線L2に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードD6、コンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53、及びダイオードD3を介する経路に電流ICが流れる。この電流ICによりコンデンサC1の蓄電と電力伝達用絶縁回路53への電力供給が行われ、昇降圧回路52の出力電圧は平滑化される。
Since the current Iin4 is interrupted while the switch element Q4 is off, an induced voltage is generated in the winding L2 by self-induction. Due to this induced voltage, a current IC flows in the direction of the dotted arrow shown in FIG. That is, the current IC flows through a path through the diode D6, the capacitor C1, the power
図9は、第2極性降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図9においては、スイッチ素子Q4がオンである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q4がオフである期間を期間Toffとしている。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between current and voltage in the second polarity step-down operation. In FIG. 9, a period in which the switch element Q4 is on is a period Ton, and a period in which the switch element Q4 is off is a period Toff.
図9を参照して、期間Tonの間、電流Iin4は交流電圧である電圧Vin4に応じて流れるので、電流Iin4は電圧Vin4に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Iin4は、電圧Vin4の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路52の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。 Referring to FIG. 9, during the period Ton, the current Iin4 flows according to the voltage Vin4 that is an AC voltage, and thus the current Iin4 has a waveform that follows the voltage Vin4. Therefore, by performing switching with adjusted frequency, the current Iin4 becomes a waveform similar to the waveform of the voltage Vin4, and the power factor of the step-up / step-down circuit 52 is improved. The switching frequency at this time is, for example, several kHz to several tens of kHz.
電流ICは、スイッチ素子Q4がオフの間に巻線L2の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ICも減少する。磁束Φは、巻線L1と巻線L2とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Q4のスイッチングによってオンオフされず、電流Iin4と電流ICとに応じて連続的に変化する。出力電圧Vout4は、コンデンサC1によって平滑化され、直流電圧として出力される。 The current IC flows according to the induced voltage of the winding L2 while the switch element Q4 is off. Therefore, as the induced voltage decreases, the current IC also decreases. Since the magnetic flux Φ is a magnetic flux shared by the winding L1 and the winding L2, it is not turned on / off by switching of the switch element Q4, but continuously changes according to the current Iin4 and the current IC. The output voltage Vout4 is smoothed by the capacitor C1 and output as a DC voltage.
このとき、入力電圧Vin4の実効電圧Vein4と出力電圧Vout4の実効電圧Veout4と期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦとの関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
また、入力電圧Vout4の実効電圧Veout4と期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2との関係は、巻線L2の巻数n2を用いて表すと、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路52の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Vein4と出力電圧の実効電圧Veout4との関係は、
巻数n1と巻数n2とは、巻線L1及び巻線L2それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路52の入出力電圧比Veout4/Vein4は、スイッチ素子Q4のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路52の出力電圧は任意のレベルに降圧され、電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、第2極性降圧動作が行われる。
Since the number of turns n1 and the number of turns n2 are constants determined based on the specifications of the winding L1 and the winding L2, the input / output voltage ratio Veout4 / Vein4 of the buck-boost circuit 52 is the on-time in switching of the switch element Q4. And the off time ratio. In accordance with this setting, the output voltage of the step-up / step-down circuit 52 is stepped down to an arbitrary level and output to the power
なお、昇降圧回路52は第1極性昇圧動作、第2極性昇圧動作、第1極性降圧動作、及び第2極性降圧動作のいずれかを行うので、出力電圧を所定値に設定する場合、交流電源202からの入力電圧の極性及び大きさによって、これらの動作状態を切り替える。図10は、昇降圧回路52の出力電圧Voutが所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。図10において、昇降圧回路52の入力電圧を電圧Vin及び出力電圧を電圧Voutとし、第1の極性を縦軸正方向として表示している。 The step-up / step-down circuit 52 performs any one of the first polarity step-up operation, the second polarity step-up operation, the first polarity step-down operation, and the second polarity step-down operation. Therefore, when the output voltage is set to a predetermined value, the AC power supply These operating states are switched according to the polarity and magnitude of the input voltage from 202. FIG. 10 is a diagram showing the switching timing of the operation of the step-up / step-down circuit when the output voltage Vout of the step-up / step-down circuit 52 is a predetermined value. In FIG. 10, the input voltage of the step-up / step-down circuit 52 is represented as voltage Vin, the output voltage is represented as voltage Vout, and the first polarity is displayed as the positive direction of the vertical axis.
図10を参照して、期間T1においては、第1の極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより第1極性昇圧動作を行うことで、昇降圧回路52は入力電圧Vinを昇圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
Referring to FIG. 10, in period T1, the absolute value of input voltage Vin having the first polarity is equal to or less than the absolute value of output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, by performing the first polarity boosting operation by controlling the switching by the
また、期間T2においては、第1極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値より大きい。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより第1極性降圧動作を行うことで、昇降圧回路52は入力電圧Vinを降圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
In the period T2, the absolute value of the input voltage Vin having the first polarity is larger than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, by performing the first polarity step-down operation by controlling the switching by the
また、期間T3において、第1の極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、期間T1と同様に第1極性昇圧動作を行うことにより昇降圧回路52は所定値の出力電圧Voutを出力する。 In the period T3, the absolute value of the input voltage Vin having the first polarity is equal to or less than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, the step-up / step-down circuit 52 outputs the output voltage Vout having a predetermined value by performing the first polarity boosting operation similarly to the period T1.
また、期間T4において、第2の極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより第2極性昇圧動作を行うことで、昇降圧回路52は入力電圧Vinを昇圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
In the period T4, the absolute value of the input voltage Vin having the second polarity is equal to or less than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, the step-up / step-down circuit 52 boosts the input voltage Vin and outputs the output voltage Vout having a predetermined value by performing the second polarity boosting operation by controlling the switching by the
また、期間T5においては、第2極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値より大きい。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより第2極性降圧動作を行うことで、昇降圧回路52は入力電圧Vinを降圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
In the period T5, the absolute value of the input voltage Vin having the second polarity is larger than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, by performing the second polarity step-down operation by controlling the switching by the
また、期間T6において、第2の極性である入力電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、期間T4と同様に第2極性昇圧動作を行うことにより昇降圧回路52は所定値の出力電圧Voutを出力する。 In the period T6, the absolute value of the input voltage Vin having the second polarity is equal to or less than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, the step-up / step-down circuit 52 outputs the output voltage Vout having a predetermined value by performing the second polarity boosting operation similarly to the period T4.
このように、交流電源201から入力される入力電圧Vinの極性、及び入力電圧Vinと出力電圧Voutとの絶対値の大小関係により、昇降圧回路52が昇圧動作を行うか降圧動作を行うかを切り替えることで、入力電圧Vinが増減しても昇降圧回路52は所定値である出力電圧の出力を行う。
Thus, depending on the polarity of the input voltage Vin input from the
なお、昇降圧回路52への入力電圧が正弦波である場合を例示したが、本発明において入力電圧は正弦波に限定されるものではない。昇降圧回路52は、入力電圧の極性及び入力電圧と出力電圧と絶対値の大小関係により昇降圧回路52の動作を切り替えることで、入力電圧が他の波形であっても所定値である出力電圧を出力する。 Although the case where the input voltage to the step-up / step-down circuit 52 is a sine wave is illustrated, the input voltage is not limited to a sine wave in the present invention. The buck-boost circuit 52 switches the operation of the buck-boost circuit 52 according to the polarity of the input voltage and the magnitude relationship between the input voltage, the output voltage, and the absolute value, so that the output voltage is a predetermined value even if the input voltage has another waveform. Is output.
以上のように、昇降圧回路52は、交流電源201からの入力電圧の極性が、第1の極性であっても第2の極性であっても、制御部15によりスイッチ素子Q1〜Q4のスイッチングを制御することで、電力伝達用絶縁回路53に昇圧又は降圧された直流電圧を出力することが可能となる。よって、電力変換装置101は、電力伝達用絶縁回路53を介して負荷202に当該直流電圧を出力することで、入力された交流電力を直流電力に電力変換することができる。したがって、本発明の実施の形態に係る電力変換装置101は、入力電圧の昇降圧を行う際、全波整流回路を用いる必要がないため、全波整流回路を用いる場合と比べ損失の軽減を行うことが可能である。
As described above, the step-up / down circuit 52 switches the switching elements Q1 to Q4 by the
なお、電力変換装置101に入力される電力は交流電力に限らず、直流電力が入力されてもよい。この場合、本実施の形態で説明した、交流電源201の極性が第1の極性の場合又は第2の極性の場合のいずれかの動作を行い、出力する直流電圧を任意のレベルに設定することができる。
Note that the power input to the power conversion apparatus 101 is not limited to AC power, and DC power may be input. In this case, the operation of either the first polarity or the second polarity of the
本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置101は、磁気結合された巻線L1と巻線L2とを用いることにより簡単な回路構成によって、いわゆる昇圧チョッパ方式により昇圧を行う昇圧動作と、いわゆる降圧チョッパ方式により降圧を行う降圧動作とを切り替えることができる。したがって、同レベルの出力電流を得ようとする場合、昇降圧回路52は、いわゆる昇降圧チョッパ方式にて昇圧を行う回路よりも入力する電流が少なくて済む。よって、昇降圧回路52のスイッチングによって発生するリプル電流が少なくなり、損失を軽減することが可能である。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を小さくすることができるので、各回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。 The power conversion device 101 according to the first embodiment of the present invention includes a boosting operation for boosting by a so-called boosting chopper method with a simple circuit configuration by using the magnetically coupled winding L1 and winding L2. It is possible to switch between a step-down operation for performing step-down by a so-called step-down chopper method. Therefore, in order to obtain the same level of output current, the step-up / step-down circuit 52 requires less current to input than a circuit that performs boosting by the so-called step-up / step-down chopper method. Therefore, the ripple current generated by the switching of the step-up / down circuit 52 is reduced, and the loss can be reduced. Further, since the current input to the circuit element can be reduced as compared with the step-up / step-down chopper method, the power capacity required for each circuit element can be reduced, and the circuit can be miniaturized.
さらに、昇圧動作を行うときに入力電流が遮断される期間がないため、経路切替部12のスイッチ素子のスイッチング周波数を適切に設定することで、昇降圧チョッパ方式の回路に比べ、入力電流の波形と入力電圧の波形とがより相似した波形となるので、力率の改善を行うことが可能である。
Furthermore, since there is no period during which the input current is cut off when the boosting operation is performed, the waveform of the input current can be compared with the step-up / step-down chopper circuit by appropriately setting the switching frequency of the switch element of the
また、入力電圧の極性ごとに、スイッチ素子により電流が流れる経路を切り替えて動作するので、入力電圧の昇降圧を行う際、全波整流回路を用いる必要がない。よって、全波整流回路による損失がないため、全波整流回路を用いる昇降圧回路と比べ、損失の軽減を行うことが可能である。特に、回路素子に高い電流が流れる昇圧動作を行うときには、巻線L1と巻線L2とに磁気エネルギーが蓄積される期間において、入力電流が通過する素子の数が少ない。すなわち、第1極性昇圧動作においては、磁気エネルギーを蓄積する巻線L1、スイッチ素子Q1、及びダイオードD2だけに電流が流れる。第2極性昇圧動作においては、磁気エネルギーを蓄積する巻線L1、スイッチ素子Q2、及びダイオードD1だけに電流が流れる。よって、大きな入力電流を必要とする磁気エネルギーの蓄積を行う期間において、入力電流が通過する素子の数が少なく、さらに損失が軽減される。 Further, since the switching element operates by switching the path through which the current flows for each polarity of the input voltage, it is not necessary to use a full-wave rectifier circuit when the input voltage is stepped up or down. Therefore, since there is no loss due to the full-wave rectifier circuit, it is possible to reduce the loss as compared with a step-up / down circuit using the full-wave rectifier circuit. In particular, when performing a step-up operation in which a high current flows through a circuit element, the number of elements through which an input current passes is small during a period in which magnetic energy is accumulated in the winding L1 and the winding L2. That is, in the first polarity boosting operation, current flows only through the winding L1, the switch element Q1, and the diode D2 that store magnetic energy. In the second polarity boosting operation, a current flows only through the winding L1, the switch element Q2, and the diode D1 that store magnetic energy. Therefore, the number of elements through which the input current passes is small and the loss is further reduced in the period in which the magnetic energy requiring a large input current is accumulated.
また、第1極性降圧動作及び第2極性降圧動作を行うときには、巻線L1と磁気結合された巻線L2から降圧された電圧を出力するので、巻線L1に入力電流を供給すれば巻線L2に入力電流を直接供給しなくてもよい。よって、巻線L2への入力電流供給回路が不要となり、更に回路の小型化を行うことができる。 In addition, when the first polarity step-down operation and the second polarity step-down operation are performed, the stepped-down voltage is output from the winding L2 magnetically coupled to the winding L1, so that if the input current is supplied to the winding L1, the winding The input current may not be directly supplied to L2. Therefore, an input current supply circuit for the winding L2 becomes unnecessary, and the circuit can be further reduced in size.
また、巻線L2から電流が出力されるとき、整流部13はダイオードD3〜D6によってダイオードブリッジを構成し、電流ICが負荷の極性に合わせて供給されるように整流を行う。したがって、巻線L2から出力される電流が、負荷の極性に反する方向に流れることを防ぎ、巻線L2に発生した誘導電圧を負荷に適切に印加することが可能となる。この整流部13のダイオードD3〜D6に電流が流れるときには、損失が発生するが、降圧動作であるため、出力電圧のレベルを調整すれば入力電流を大きくする必要はない。 When a current is output from the winding L2, the rectifying unit 13 forms a diode bridge with the diodes D3 to D6, and performs rectification so that the current IC is supplied in accordance with the polarity of the load. Therefore, it is possible to prevent the current output from the winding L2 from flowing in a direction opposite to the polarity of the load, and to appropriately apply the induced voltage generated in the winding L2 to the load. When a current flows through the diodes D3 to D6 of the rectifying unit 13, a loss occurs. However, since the operation is a step-down operation, it is not necessary to increase the input current by adjusting the output voltage level.
〈第2の実施形態〉
図11は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置102の構成を概略的に示した図である。電力変換装置102は、ノイズフィルタ51、昇降圧回路56、電力伝達用絶縁回路53、入力端54、及び出力端55を備える。昇降圧回路56は、巻線部11、経路切替部12、平滑部14、制御部15、全波整流部16、遮断部17、及びコンデンサC2を含む。経路切替部12は、スイッチ素子Q5,Q6を含む。平滑部14は、コンデンサC1を含む。全波整流部16は、ダイオードD7〜D10を含む。遮断部17は、ダイオードD11を含む。巻線部11は、共通のコアを有し、互いに磁気結合された巻線L1と巻線L2とを含む。巻線部11は、例えば二巻線リアクトルである。スイッチ素子Q5,Q6は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
<Second Embodiment>
FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of the
ノイズフィルタ51の出力側は、全波整流部16であるダイオードD7〜D10によって構成されたダイオードブリッジに接続される。全波整流部16の出力側の一方端は、巻線L1の第1端に接続される。
The output side of the
スイッチ素子Q5は、制御部15からの制御信号を受けるゲート、巻線L1の第2端とスイッチ素子Q6のコレクタとに接続されるコレクタ、及び全波整流部16の出力側の他方端とダイオードD11のアノードと電力伝達用絶縁回路53の入力側の一方端とに接続されるエミッタを有する。
Switch element Q5 has a gate for receiving a control signal from
スイッチ素子Q6は、制御部15からの制御信号を受けるゲート、巻線L1の第2端とスイッチ素子Q5のコレクタとに接続されるコレクタ、及び巻線L2の第1端と電力伝達用絶縁回路53の入力側の他方端とに接続されるエミッタを有する。
The switch element Q6 includes a gate for receiving a control signal from the
コンデンサC1は電力伝達用絶縁回路53の入力側の一方端と他方端との間に接続される。コンデンサC2は全波整流部16の出力側の一方端と他方端との間に接続される。
Capacitor C1 is connected between one end and the other end of the input side of power
電力変換装置102は、交流電源201から供給された交流電圧を直流電圧に変換して負荷202に供給する。負荷202は、例えばEV及びプラグイン方式のHV等の駆動用の主電源(バッテリ)である。
The
入力端54には、交流電源201から交流電圧が入力される。入力端54に電気的に接続されたノイズフィルタ51は、当該交流電圧のノイズを除去して昇降圧回路56へ出力する。
An AC voltage is input from the
昇降圧回路56は、ノイズフィルタ51から受けた交流電圧を全波整流部16によって全波整流する。全波整流された入力電圧はコンデンサC2によってノイズの除去が行われる。そして、昇降圧回路56は、全波整流された入力電圧を任意のレベルの直流電圧に変換して、電力伝達用絶縁回路53に出力する。電力伝達用絶縁回路53は、昇降圧回路56と出力端55との間の絶縁を行いながら出力端55へ任意のレベルに設定された直流電圧を出力する。出力端55からは当該直流電圧が出力電圧として出力される。このとき、電力伝達用絶縁回路53は、昇降圧回路52に対する負荷として機能する。
The step-up / down
昇降圧回路56が行う電力変換について、より具体的に説明する。昇降圧回路56において、制御部15は、スイッチ素子Q5,Q6に制御信号を入力することで、スイッチ素子Q5,Q6のオンオフを制御する。このスイッチングの制御により、昇降圧回路56は、巻線L1に流れる電流がコンデンサC1及び電力伝達用絶縁回路53を介さない経路で流れる状態と、巻線L1に流れる電流がコンデンサC1及び電力伝達用絶縁回路53を介する経路で流れる状態と、巻線L1に電流が流れない状態との切り替えを行う。この電流の流れる経路の切り替えによって、昇降圧回路56は、昇圧された出力電圧を出力する昇圧動作と、降圧された出力電圧を出力する降圧動作とを行う。
The power conversion performed by the step-up / down
まず、昇降圧回路56が行う昇圧動作の説明を行う。昇圧動作を行うとき、制御部15がスイッチ素子Q5及びスイッチ素子Q6のスイッチングの制御を行うことにより、昇降圧回路56は電力伝達用絶縁回路53に昇圧された電圧を出力する。この昇圧動作におけるスイッチ素子Q5及びスイッチ素子Q6のスイッチングとは、スイッチ素子Q5がオンかつスイッチ素子Q6がオフである状態と、スイッチ素子Q5がオフかつスイッチ素子Q6がオンである状態との切り替えを行うものである。
First, the boosting operation performed by the step-up / down
図12は、昇圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin5は交流電源201から昇降圧回路56に入力され、全波整流部16によって全波整流された電圧である。電圧Vout5は昇降圧回路56の出力電圧である。電流Iin5は、昇降圧回路56の入力電流である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a path through which a current flows in the boosting operation. The voltage Vin <b> 5 is input from the
スイッチ素子Q5がオンかつスイッチ素子Q6がオフである状態のとき、電圧Vin5が巻線L1に入力されることによって電流Iin5が発生する。この電流Iin5は、巻線L1、スイッチ素子Q5、及び全波整流部16を介する経路に流れる。つまり、図12において太実線矢印にて示した経路に電流Iin5が流れる。このとき、電流Iin5が巻線L1に流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L1と磁気結合している巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。
When switch element Q5 is on and switch element Q6 is off, voltage Vin5 is input to winding L1 to generate current Iin5. This current Iin5 flows through a path through the winding L1, the switch element Q5, and the full-
スイッチ素子Q5がオフかつスイッチ素子Q6がオンである状態のとき、電流Iin5は、巻線L1及びスイッチ素子Q6を介してコンデンサC1と電力伝達用絶縁回路53とに供給される。コンデンサC1によって昇降圧回路56の出力電圧は平滑化され、電力伝達用絶縁回路53には直流電圧が出力される。このとき、図12において点線矢印にて示した経路に電流Iin5が流れる。この電流Iin5は、巻線L1を介して流れるため、巻線L1と巻線L2とに発生している磁束Φに基づいた電流値となる。
When the switch element Q5 is off and the switch element Q6 is on, the current Iin5 is supplied to the capacitor C1 and the power
図13は、昇圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。図13において、電流IQ5は、スイッチ素子Q5に流れる電流である。電流IQ6は、スイッチ素子Q6に流れる電流である。なお、図13においては、スイッチ素子Q5がオンかつスイッチ素子Q6がオフである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q5がオフかつスイッチ素子Q6がオンである期間を期間Toffとしている。 FIG. 13 is a diagram showing the relationship between current and voltage in the boosting operation. In FIG. 13, a current IQ5 is a current flowing through the switch element Q5. The current IQ6 is a current that flows through the switch element Q6. In FIG. 13, a period in which the switch element Q5 is on and the switch element Q6 is off is a period Ton, and a period in which the switch element Q5 is off and the switch element Q6 is on is a period Toff.
期間Tonと期間Toffとが切り替わっても、巻線L1に発生している磁束Φは連続的に変化する。また、期間Tonでは電流Iin5が電力伝達用絶縁回路53を介して流れず、期間Toffでは電流Iin5が電力伝達用絶縁回路53を介して流れるので、電流Iin5は電圧Vin5の増減に追随しつつ、期間Tonで増加し、期間Toffで減少する波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより、電流Iin5は電圧Vin5の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路56の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。
Even when the period Ton and the period Toff are switched, the magnetic flux Φ generated in the winding L1 continuously changes. Further, since the current Iin5 does not flow through the power
またこのとき、期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦ1と入力電圧Vin5の実効電圧Vein5との関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
さらに、期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2と入力電圧Vin5の実効電圧Vein5と出力電圧Vout5の実効電圧Veout5との関係は、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路56の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、実効電圧Vein5と実効電圧Veout5との関係は、
よって、昇圧動作における昇降圧回路56の入出力電圧比Veout5/Vein5は、スイッチ素子Q5及びスイッチ素子Q6のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路56の出力電圧は任意のレベルに昇圧され、電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、昇圧動作が行われる。
Therefore, the input / output voltage ratio Veout5 / Vein5 of the step-up / step-
次に、昇降圧回路56が行う降圧動作の説明を行う。降圧動作を行うとき、制御部15は、スイッチ素子Q5がオフとなるように制御を行う。そして、制御部15がスイッチ素子Q6のスイッチング制御を行うことにより、昇降圧回路56は電力伝達用絶縁回路53に降圧された電圧を出力する。
Next, the step-down operation performed by the step-up / step-
図14は、降圧動作における電流の流れる経路を示す図である。電圧Vin6は交流電源201から昇降圧回路56に入力され、全波整流部16によって整流された電圧である。電圧Vout6は昇降圧回路56の出力電圧である。電流Iin6は、昇降圧回路56の入力電流である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a path through which a current flows in the step-down operation. The voltage Vin6 is a voltage that is input from the
スイッチ素子Q6がオンである状態のとき、電圧Vin6が巻線L1に入力されることによって電流Iin6が発生する。この電流Iin6は、巻線L1、スイッチ素子Q6、コンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53、及び全波整流部16を介する経路に流れる。つまり、図14において太実線矢印にて示した経路に電流Iin6が流れる。このとき、巻線L1に電流Iin6が流れることにより巻線L1に磁束Φが発生し、巻線L1及び巻線L2に磁気エネルギーが蓄積される。
When the switch element Q6 is in the on state, the voltage Vin6 is input to the winding L1 to generate the current Iin6. The current Iin6 flows through a path through the winding L1, the switching element Q6, the capacitor C1, the power
そして、スイッチ素子Q6がオフである期間は電流Iin6が遮断されるので、巻線L2には自己誘導により誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、図14で示す点線矢印の向きに電流ICが流れる。すなわち、巻線L2に蓄えられた磁気エネルギーによって、ダイオードD11とコンデンサC1並びに電力伝達用絶縁回路53とを介する経路に電流ICが流れる。この電流ICによりコンデンサC1の蓄電と電力伝達用絶縁回路53への電力供給が行われ、昇降圧回路56の出力電圧は平滑化される。
Then, since the current Iin6 is cut off while the switch element Q6 is off, an induced voltage is generated in the winding L2 by self-induction. With this induced voltage, a current IC flows in the direction of the dotted arrow shown in FIG. That is, the current IC flows through the path through the diode D11, the capacitor C1, and the power
図15は、降圧動作における電流と電圧との関係を示した図である。なお、図15においては、スイッチ素子Q6がオンである期間を期間Tonとし、スイッチ素子Q6がオフである期間を期間Toffとしている。 FIG. 15 is a diagram showing the relationship between current and voltage in the step-down operation. In FIG. 15, a period in which the switch element Q6 is on is a period Ton, and a period in which the switch element Q6 is off is a period Toff.
図15を参照して、期間Tonの間、電流Iin6は全波整流電圧である電圧Vin6に応じて流れるので、電流Iin6は電圧Vin6に追随するような波形となる。よって、周波数を調整したスイッチングを行うことにより電流Iin6は、電圧Vin6の波形と相似形の波形となり、昇降圧回路56の力率が改善する。このときのスイッチングの周波数は、例えば数kHzから数十kHzである。
Referring to FIG. 15, during period Ton, current Iin6 flows in accordance with voltage Vin6, which is a full-wave rectified voltage, and thus current Iin6 has a waveform that follows voltage Vin6. Therefore, by performing switching with the frequency adjusted, the current Iin6 becomes a waveform similar to the waveform of the voltage Vin6, and the power factor of the step-up / step-
電流ICは、スイッチ素子Q6がオフの間に巻線L2の誘導電圧に応じて流れる。よって、誘導電圧が減少するのに応じて電流ICも減少する。磁束Φは、巻線L1と巻線L2とで共有の磁束であるため、スイッチ素子Q3のスイッチングによってオンオフされず、電流Iin6と電流ICとに応じて連続的に変化する。出力電圧Vout6は、コンデンサC1によって平滑化され、直流電圧として出力される。 The current IC flows according to the induced voltage of the winding L2 while the switch element Q6 is off. Therefore, as the induced voltage decreases, the current IC also decreases. Since the magnetic flux Φ is a magnetic flux shared by the winding L1 and the winding L2, it is not turned on / off by switching of the switch element Q3, but continuously changes according to the current Iin6 and the current IC. The output voltage Vout6 is smoothed by the capacitor C1 and output as a DC voltage.
このとき、入力電圧Vin6の実効電圧Vein6と出力電圧Vout6の実効電圧Veout6と期間Tonにおける磁束Φの変化量ΔΦ1との関係は、巻線L1の巻数n1を用いて表すと、
また、入力電圧Vout6の実効電圧Veout6と期間Toffにおける磁束Φの変化量ΔΦ2との関係は、巻線L2の巻数n2を用いて表すと、
そして、期間Tonと期間Toffとの切り替えが繰り返し行われ、昇降圧回路56の回路動作が定常状態となったとき、変化量ΔΦ1と変化量ΔΦ2とは同量と見なせるので、入力電圧の実効電圧Vein6と出力電圧の実効電圧Veout6との関係は、
巻数n1と巻数n2とは、巻線L1及び巻線L2それぞれの諸元に基づいて決まる定数であるので、昇降圧回路56の入出力電圧比Veout6/Vein6は、スイッチ素子Q6のスイッチングにおけるオン時間とオフ時間との比によって設定される。この設定に従い、昇降圧回路56の出力電圧は任意のレベルに降圧され、電力伝達用絶縁回路53に出力される。このようにして、降圧動作が行われる。
Since the number of turns n1 and the number of turns n2 are constants determined based on the specifications of the winding L1 and the winding L2, the input / output voltage ratio Veout6 / Vein6 of the buck-
昇降圧回路56は昇圧動作及び降圧動作のいずれか一方を行うので、出力電圧を所定値に設定する場合、交流電源202からの入力電圧の大きさによって、昇圧動作と降圧動作との切り替えを行う。図16は、昇降圧回路56の出力電圧Voutが所定値の場合における昇降圧回路の動作の切り替えタイミングを示した図である。図16において、電圧Vinは交流電源201から昇降圧回路56に入力され、全波整流部16によって整流された電圧である。
Since the step-up / step-
図16を参照して、期間T7においては、電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより昇圧動作を行うことで、昇降圧回路56は入力電圧を昇圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
Referring to FIG. 16, in period T7, the absolute value of voltage Vin is equal to or less than the absolute value of output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, by performing the boosting operation by controlling the switching by the
また、期間T8においては、電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値より大きい。よって、制御部15によってスイッチングの制御をすることにより降圧動作を行うことで、昇降圧回路56は入力電圧を降圧し、所定値の出力電圧Voutを出力する。
In the period T8, the absolute value of the voltage Vin is larger than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, by performing a step-down operation by controlling switching by the
また、期間T9において、電圧Vinの絶対値は、所定値に設定された出力電圧Voutの絶対値以下である。よって、期間T7と同様に昇圧動作を行うことにより昇降圧回路56は所定値の出力電圧Voutを出力する。
In the period T9, the absolute value of the voltage Vin is equal to or less than the absolute value of the output voltage Vout set to a predetermined value. Therefore, the step-up / step-
このように、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの絶対値の大小関係により、昇降圧回路56が昇圧動作を行うか降圧動作を行うかを切り替えることで、入力電圧Vinが増減しても昇降圧回路56は所定値である出力電圧の出力を行う。
In this way, by switching between the step-up / step-
なお、昇降圧回路56への入力電圧が正弦波である場合を例示したが、本発明において入力電圧は正弦波に限定されるものではない。昇降圧回路56は、入力電圧と出力電圧との絶対値の大小関係により昇降圧回路56の動作を切り替えることで、入力電圧が他の波形であっても所定値である出力電圧を出力する。
In addition, although the case where the input voltage to the step-up / step-
以上のように、昇降圧回路56は、制御部15によりスイッチ素子Q5,Q6のスイッチングを制御することで、電力伝達用絶縁回路53に昇圧又は降圧された直流電圧を出力することが可能となる。よって、電力変換装置102は、電力伝達用絶縁回路53を介して負荷202に当該直流電圧を出力することで、入力された交流電力を直流電力に電力変換することができる。また、全波整流部16が入力電圧を全波整流することにより、入力電圧の極性によって回路の制御を変える必要がなく、スイッチ素子Q5,Q6のオンオフを切り替える簡単なスイッチング制御を行うだけで、昇圧又は降圧された出力電圧を出力することが可能である。なお、電力変換装置102に入力される電力は交流電力に限らず、直流電力が入力されてもよい。
As described above, the step-up / step-
本発明の第2の実施形態に係る電力変換装置102は、磁気結合された巻線L1と巻線L2とを用いることにより簡単な回路構成によって、いわゆる昇圧チョッパ方式により昇圧を行う昇圧動作と、いわゆる降圧チョッパ方式により降圧を行う降圧動作とを切り替えることができる。したがって、同レベルの出力電流を得ようとする場合、昇降圧回路56は、いわゆる昇降圧チョッパ方式にて昇圧を行う回路よりも入力する電流が少なくて済む。よって、昇降圧回路56のスイッチングによって発生するリプル電流が少なくなり、損失を軽減することが可能である。また、昇降圧チョッパ方式に比べ回路素子に入力される電流を小さくすることができるので、各回路素子に必要な電力容量が少なくて済み、回路の小型化を行うことが可能である。
The
さらに、昇圧動作を行うときに入力電流が遮断される期間がないため、経路切替部12のスイッチ素子のスイッチング周波数を適切に設定することで、昇降圧チョッパ方式の回路に比べ、入力電流の波形と入力電圧の波形とがより相似した波形となるので、力率の改善を行うことが可能である。
Furthermore, since there is no period during which the input current is cut off when the boosting operation is performed, the waveform of the input current can be compared with the step-up / step-down chopper circuit by appropriately setting the switching frequency of the switch element of the
また、降圧動作を行うときには、巻線L1と磁気結合された巻線L2から降圧された電圧を出力するので、巻線L1に入力電流を供給すれば巻線L2に入力電流を直接供給しなくてもよい。よって、巻線L2への入力電流供給回路が不要となり、更に回路の小型化を行うことができる。 When the step-down operation is performed, the stepped-down voltage is output from the winding L2 magnetically coupled to the winding L1, so that if the input current is supplied to the winding L1, the input current is not directly supplied to the winding L2. May be. Therefore, an input current supply circuit for the winding L2 becomes unnecessary, and the circuit can be further reduced in size.
また、遮断部17のダイオードD11は、巻線L2に発生した誘導電圧によって発生した電流が、負荷及びコンデンサC1の極性とは逆方向に流れることを防ぐ。よって、巻線L2に発生した誘導電圧を負荷及びコンデンサC1に適切に印加することが可能となる。 In addition, the diode D11 of the cutoff unit 17 prevents the current generated by the induced voltage generated in the winding L2 from flowing in the direction opposite to the polarity of the load and the capacitor C1. Therefore, it is possible to appropriately apply the induced voltage generated in the winding L2 to the load and the capacitor C1.
なお、本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態において、巻線部11が二巻線リアクトルの場合を例示したが、本発明において、巻線部11はトランスなどであってもよく、共通のコアを有し互いに磁気結合された複数の巻線を含めばよい。
In the first and second embodiments of the present invention, the case where the winding
また、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the meanings described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
11 巻線部
12 経路切替部
13 整流部
14 平滑部
15 制御部
16 全波整流部
17 遮断部
51 ノイズフィルタ
52,56 昇降圧回路
101,102 電力変換装置
201 交流電源
202 負荷
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、
互いに磁気結合した第1の巻線及び第2の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第1の巻線に印加される巻線部と、
前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、
を備え、
前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第1の巻線を流れる、昇降圧回路。 A step-up / step-down circuit for boosting or stepping down an input voltage input from a power supply and supplying the load to a load,
A rectifying unit that rectifies the input voltage to be a voltage of a predetermined polarity;
A winding portion including a first winding and a second winding magnetically coupled to each other, and a voltage rectified by the rectifying portion is applied to the first winding;
A path switching unit that switches a path of a current flowing through the step-up / down circuit in order to perform a step-up operation in which the winding unit outputs a boosted voltage or a step-down operation in which the winding unit outputs a step-down voltage; ,
With
A step-up / step-down circuit in which a current flowing from the power source flows through the first winding in the step-up operation and the step-down operation by switching a current path by the path switching unit.
前記第1の巻線を介しかつ前記負荷を介さない経路に流れる電流をオンオフする第1のスイッチ素子と、
前記第1の巻線及び前記負荷を介して流れる電流をオンオフする第2のスイッチ素子と、
を含む、請求項1又は2に記載の昇降圧回路。 The route switching unit
A first switch element that turns on and off a current flowing through a path that passes through the first winding and does not pass through the load;
A second switch element for turning on and off a current flowing through the first winding and the load;
The step-up / step-down circuit according to claim 1, comprising:
前記降圧動作は、前記第1のスイッチ素子がオフかつ前記第2のスイッチ素子がオンである状態と、前記第1のスイッチ素子がオフかつ前記第2のスイッチ素子がオフである状態とを切り替えることで行われる、請求項3に記載の昇降圧回路。 The step-up operation switches between a state in which the first switch element is on and the second switch element is off and a state in which the first switch element is off and the second switch element is on. Is done,
The step-down operation switches between a state in which the first switch element is off and the second switch element is on, and a state in which the first switch element is off and the second switch element is off. The step-up / step-down circuit according to claim 3, wherein
前記第2の巻線は、第1端、及び前記負荷の一方端側とに接続される第2端を有し、
前記第1のスイッチ素子は、前記第1の巻線の第2端と前記第2のスイッチとの接続ノード、及び前記整流部の出力端の他方と前記第2の巻線の第2端と前記負荷の一方端側との接続ノードの間に接続され、
前記第2のスイッチ素子は、前記第1の巻線の第2端と前記第1のスイッチとの接続ノード、及び前記第2の巻線の第1端と前記負荷の他方端側との接続ノードの間に接続される、請求項3又は4に記載の昇降圧回路。 The first winding has a first end connected to one of the output ends of the rectification unit, and a second end,
The second winding has a first end and a second end connected to one end side of the load,
The first switch element includes a connection node between the second end of the first winding and the second switch, the other output end of the rectifying unit, and a second end of the second winding. Connected between connection nodes to one end of the load,
The second switch element includes a connection node between the second end of the first winding and the first switch, and a connection between the first end of the second winding and the other end of the load. The step-up / step-down circuit according to claim 3 or 4 connected between nodes.
出力端と、
前記入力電圧を昇圧又は降圧し、前記出力端から負荷へ昇圧又は降圧した電圧を出力する昇降圧回路と、
を備え、
前記昇降圧回路は、
前記入力電圧が所定の極性の電圧となるように整流する整流部と、
互いに磁気結合した第1の巻線及び第2の巻線を含み、前記整流部によって整流された電圧が前記第1の巻線に印加される巻線部と、
前記巻線部が昇圧された電圧を出力する昇圧動作、又は前記巻線部が降圧された電圧を出力する降圧動作を行うために、前記昇降圧回路に流れる電流の経路を切り替える経路切替部と、
を備え、
前記経路切替部によって電流の経路が切り替えられることにより、前記昇圧動作及び前記降圧動作においては、前記電源から流入した電流が前記第1の巻線を流れる、電力変換装置。 An input terminal to which an input voltage is input from a power source; and
An output end;
A step-up / step-down circuit for stepping up or stepping down the input voltage and outputting a voltage stepped up or stepped down from the output end to a load;
With
The step-up / down circuit is
A rectifying unit that rectifies the input voltage to be a voltage of a predetermined polarity;
A winding portion including a first winding and a second winding magnetically coupled to each other, and a voltage rectified by the rectifying portion is applied to the first winding;
A path switching unit that switches a path of a current flowing through the step-up / down circuit in order to perform a step-up operation in which the winding unit outputs a boosted voltage or a step-down operation in which the winding unit outputs a step-down voltage; ,
With
A power conversion device in which a current flowing from the power source flows through the first winding in the step-up operation and the step-down operation by switching a current path by the path switching unit.
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JP2010269943A JP2012120387A (en) | 2010-12-03 | 2010-12-03 | Step up/down circuit, and power converter |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019161694A (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-19 | シャープ株式会社 | Power factor improvement circuit |
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2010
- 2010-12-03 JP JP2010269943A patent/JP2012120387A/en active Pending
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