JP2013027162A - Dc power supply device - Google Patents

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Tetsuo Kojima
徹郎 児島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce switching loss and diode loss specifically to achieve a higher frequency operation of a semiconductor switch, in a DC power supply device in which input and output are electrically insulated by a transformer.SOLUTION: A DC power supply device includes: a DC power supply (101); a power conversion circuit (Q1-Q4) capable of generating AC from DC; a transformer (T) including a primary winding connected to the output of the power conversion circuit; a rectification diode bridge circuit (D5-D8) connected to a secondary winding of the transformer (T) via a resonance reactor (Lz); and a filter circuit (102) comprising a filter reactor (LD) and a filter capacitor (FC) and connected to the output side of the rectification diode bridge circuit. In the DC power supply device, a circuit element (SR) is provided on the input side of the rectification diode bridge circuit, the circuit element having low impedance in a current direction until just before the occurrence of recovery of rectification diodes (D5-D8) comprising the rectification diode bridge circuit, and having high impedance in the reverse direction of the current direction.

Description

本発明は、絶縁型のDC−DCコンバータに関わり、その中でもリアクトルLとコンデンサCの共振によって半導体スイッチング損失の低減の機能を有する回路において、整流回路のダイオードで発生する電圧の変動抑制と損失低減に関するものである。   The present invention relates to an insulation type DC-DC converter, and in particular, in a circuit having a function of reducing semiconductor switching loss by resonance of a reactor L and a capacitor C, suppression of fluctuation in voltage and loss reduction generated in a diode of a rectifier circuit. It is about.

不安定な直流電源の安定化や、直流電圧を変更する場合、あるいは入力と電気的に絶縁された直流電源を出力する必要がある場合にはDC−DCコンバータが用いられる。その中でも、入力と出力が電気的に絶縁された直流電源装置では、絶縁に使用するトランスは、使用するスイッチング周波数の上昇に比例して小型化される。一方、半導体スイッチのスイッチング損失による発熱によって、スイッチング周波数の上昇には限界がある。こうしたスイッチング損失を低減するために、共振回路を利用した転流回路を設けたソフトスイッチングという手法がある。こうしたソフトスイッチングとして、トランスの二次側に転流回路を設けた先行技術が、下記の特許文献1と非特許文献1に記載されている。   A DC-DC converter is used when stabilizing an unstable DC power supply, changing a DC voltage, or outputting a DC power supply that is electrically insulated from the input. Among them, in a DC power supply device in which the input and the output are electrically insulated, the transformer used for insulation is downsized in proportion to the increase in the switching frequency used. On the other hand, there is a limit to the increase in switching frequency due to heat generation due to switching loss of the semiconductor switch. In order to reduce such switching loss, there is a technique called soft switching provided with a commutation circuit using a resonance circuit. As such soft switching, prior art in which a commutation circuit is provided on the secondary side of a transformer is described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below.

図2には、これらの公知例に記載されている転流回路を有する回路の構成を示す。
101には入力直流電源、102はフィルタリアクトルLdとフィルタコンデンサFCで構成されるフィルタ回路、103は共振回路、104は各半導体スイッチのオン・オフを制御するゲート制御部である。
図2の回路動作について説明する。入力直流電源101に接続された半導体スイッチQ1〜Q4はインバータ回路を構成する半導体スイッチで、半導体スイッチQ1〜Q4には、それぞれフリーホイールダイオードD1〜D4が並列に接続されている。半導体スイッチQ1とQ2との接続点aと半導体スイッチQ3とQ4との接続点bとの間に、トランスTの一次巻線が接続され、二次巻線は共振リアクトルLzを介して、整流ダイオードD5〜D8よりなる整流ブリッジの接続点cと接続点dに接続される。この整流ブリッジの出力はフィルタ回路102を介して負荷RLに与えられる。
なお、共振スイッチ回路103は、整流ブリッジの出力側とフィルタ回路102との間に挿入されている。
FIG. 2 shows the configuration of a circuit having a commutation circuit described in these known examples.
101 is an input DC power source, 102 is a filter circuit composed of a filter reactor Ld and a filter capacitor FC, 103 is a resonance circuit, and 104 is a gate control unit for controlling on / off of each semiconductor switch.
The circuit operation of FIG. 2 will be described. Semiconductor switches Q1 to Q4 connected to the input DC power supply 101 are semiconductor switches constituting an inverter circuit, and free wheel diodes D1 to D4 are connected in parallel to the semiconductor switches Q1 to Q4, respectively. A primary winding of the transformer T is connected between a connection point a between the semiconductor switches Q1 and Q2 and a connection point b between the semiconductor switches Q3 and Q4, and the secondary winding is connected to the rectifier diode via the resonance reactor Lz. It is connected to the connection point c and the connection point d of the rectification bridge composed of D5 to D8. The output of this rectification bridge is given to the load RL via the filter circuit 102.
The resonant switch circuit 103 is inserted between the output side of the rectifier bridge and the filter circuit 102.

ゲート制御部104は、半導体スイッチQ1〜Q4と共振回路制御用半導体スイッチQzにオンとオフの指令を与える。これらの半導体スイッチとしては、バイポーラトランジスタ・MOSFET・サイリスタ・ゲートターンオフサイリスタ・IGBTなどが考えられるが、ここでは代表例としてIGBTを使用して説明する。
図3は、図2の従来例を説明するための動作波形の時間変化を表したものである。Iabは接続点a、b間に流れる電流、Vabは接続点a、b間の電圧、Izは共振回路に流れる電流、Vzは共振コンデンサCzの両端の電圧である。また、Vrは整流ブリッジを構成するダイオードD5の両端の電圧、Irは同じくダイオードD5の順方向の電流をそれぞれ示す。
The gate control unit 104 gives ON / OFF commands to the semiconductor switches Q1 to Q4 and the resonance circuit control semiconductor switch Qz. As these semiconductor switches, bipolar transistors, MOSFETs, thyristors, gate turn-off thyristors, IGBTs, and the like can be considered. Here, IGBTs will be described as typical examples.
FIG. 3 shows the time change of the operation waveform for explaining the conventional example of FIG. Iab is a current flowing between the connection points a and b, Vab is a voltage between the connection points a and b, Iz is a current flowing in the resonance circuit, and Vz is a voltage across the resonance capacitor Cz. Vr represents the voltage across the diode D5 constituting the rectifier bridge, and Ir represents the forward current of the diode D5.

回路動作について以上の記号を用いて説明する。
図2において、ゲート制御装置104から半導体スイッチQ1とQ4にオン信号が与えられて、インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4が導通状態であるとする。電流IabがトランスTの一次巻線に流れることにより、直流電源101から、トランスT、共振リアクトルLz、整流ブリッジ、フィルタ回路102を介して負荷RLにエネルギーを伝達している。
インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4をターンオフする前の時刻t0において、ゲート制御装置104から共振スイッチ回路103の共振回路制御用半導体スイッチQzをターンオンする信号を与えると、共振コンデンサCzの充電電流が入力直流電源101より流れ込む。この充電電流が、共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの直列共振電流Izとなる。
The circuit operation will be described using the above symbols.
In FIG. 2, it is assumed that ON signals are given from the gate control device 104 to the semiconductor switches Q1 and Q4, and the semiconductor switches Q1 and Q4 of the inverter circuit are in a conductive state. When the current Iab flows through the primary winding of the transformer T, energy is transmitted from the DC power supply 101 to the load RL via the transformer T, the resonant reactor Lz, the rectifier bridge, and the filter circuit 102.
When a signal for turning on the resonant circuit control semiconductor switch Qz of the resonant switch circuit 103 is given from the gate control device 104 at time t0 before the semiconductor switches Q1 and Q4 of the inverter circuit are turned off, the charging current of the resonant capacitor Cz is input. It flows from the DC power supply 101. This charging current becomes the series resonance current Iz of the resonance reactor Lz and the resonance capacitor Cz.

半導体スイッチQ1とQ4に流れる電流Iabは、ここでは、トランスTの巻数比を1:1とすると、負荷側に流れる電流Idと直列共振電流Izの和であり、正弦波状に増加してゆく。また、整流ダイオードD5の電流Irも同じ波形となる。その時、共振コンデンサCzには電圧Vzが発生し、共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの共振により、この電圧Vzは、トランスTの二次電圧より高い電圧となる。
時刻t1にて、共振コンデンサCzの充電が完了し、電圧Vzは最大値に達する。その後、共振コンデンサCzの放電が始まり、フリーホイールダイオードD9と共振コンデンサCzの経路で放電電流が直列共振電流Izとして流れ出す。トランスTの巻数比を1:1としているので、フィルタリアクトルLdへの電流Idは、電流Iabと直列共振電流Izの和で一定となるように流れ、直列共振電流Izが増加すると電流Iabは減少することになる。
Here, the current Iab flowing through the semiconductor switches Q1 and Q4 is the sum of the current Id flowing through the load side and the series resonance current Iz when the turns ratio of the transformer T is 1: 1, and increases in a sine wave shape. The current Ir of the rectifier diode D5 has the same waveform. At this time, a voltage Vz is generated in the resonance capacitor Cz, and the voltage Vz becomes higher than the secondary voltage of the transformer T due to resonance between the resonance reactor Lz and the resonance capacitor Cz.
At time t1, charging of the resonance capacitor Cz is completed, and the voltage Vz reaches the maximum value. Thereafter, discharge of the resonance capacitor Cz starts, and a discharge current flows out as a series resonance current Iz through a path between the free wheel diode D9 and the resonance capacitor Cz. Since the turns ratio of the transformer T is 1: 1, the current Id to the filter reactor Ld flows so as to be constant as the sum of the current Iab and the series resonance current Iz, and the current Iab decreases as the series resonance current Iz increases. Will do.

時刻t2で、直列共振電流Izと電流Idが等しくなり、この時点で電流Iabが0となる。放電が進み、やがて時刻t4で共振コンデンサCzは完全に放電し、直列共振電流Izは0となる。この間の時刻t3に、半導体スイッチQ1とQ4をターンオフさせる。一方、フィルタリアクトルLdに流れる電流Idは連続した値であるから、共振コンデンサCzの放電電流Izが0となった時点で、電流Idは整流ダイオードD5〜D8からの電流に切り替わって流れる。この時、電流Idは、ダイオードD5に流れるダイオード電流Irと、ダイオードD7を流れるIoとが合流したものとなるため、ダイオードD5に流れるダイオード電流Irの値は、Idの半分の値となり、電流Idの連続性は保たれる。   At time t2, the series resonance current Iz and the current Id become equal, and the current Iab becomes 0 at this time. As the discharge progresses, the resonance capacitor Cz is completely discharged at time t4, and the series resonance current Iz becomes zero. At time t3 during this period, the semiconductor switches Q1 and Q4 are turned off. On the other hand, since the current Id flowing through the filter reactor Ld is a continuous value, when the discharge current Iz of the resonant capacitor Cz becomes 0, the current Id switches to the current from the rectifier diodes D5 to D8 and flows. At this time, since the current Id is the sum of the diode current Ir flowing through the diode D5 and the current Io flowing through the diode D7, the value of the diode current Ir flowing through the diode D5 is half the value of Id. The continuity of is maintained.

直列共振電流IzがフリーホイールダイオードD9を流れ、トランス一次側電流Iabが0となる、時刻t2〜t4の間の時刻t3において、ゲート制御装置104から半導体スイッチQ1とQ4にターンオフ信号を送り、これらをターンオフさせると、トランス一次側電圧Vabは0となり、半導体スイッチQ1とQ4には入力直流電源電圧Eに等しい程度の電圧が印加される。これは僅かに残るトランスの励磁電流分がダイオードD3と直流電源101、ダイオードD2の経路でフリーホイールするためである。半導体スイッチQ1とQ4の電流は、時刻t3の時点でほぼ0となるから、半導体スイッチQ1とQ4のターンオフの過程ではスイッチング損失はほとんど発生しない。   At time t3 between time t2 and t4 when the series resonance current Iz flows through the freewheel diode D9 and the transformer primary current Iab becomes 0, a turn-off signal is sent from the gate control device 104 to the semiconductor switches Q1 and Q4. Is turned off, the transformer primary side voltage Vab becomes 0, and a voltage equal to the input DC power supply voltage E is applied to the semiconductor switches Q1 and Q4. This is because a slight amount of the exciting current of the transformer freewheels along the path of the diode D3, the DC power supply 101, and the diode D2. Since the currents of the semiconductor switches Q1 and Q4 become almost zero at the time t3, almost no switching loss occurs in the process of turning off the semiconductor switches Q1 and Q4.

一方、時刻t0の時点で半導体スイッチQzがターンオンするときは、共振リアクトルLzによって共振電流Izの時間変化率は小さく制限され、直列共振電流Izは徐々に増加するから、ターンオンの過渡状態ではスイッチング損失は小さい。また、フリーホイールダイオードD9が導通し、直列共振電流Izが正である期間に、半導体スイッチQzをターンオフさせると、Qzの電流はすでに0であるので、ターンオフの過程ではスイッチング損失は発生しない。   On the other hand, when the semiconductor switch Qz is turned on at time t0, the time rate of change of the resonance current Iz is limited by the resonance reactor Lz, and the series resonance current Iz gradually increases. Is small. Further, when the semiconductor switch Qz is turned off while the free wheel diode D9 is conducting and the series resonance current Iz is positive, the current of Qz is already 0, so that no switching loss occurs during the turn-off process.

時刻t5にはゲート制御装置104から、半導体スイッチQ2とQ3にターンオン指令が出され、ターンオンを開始する。この時はフィルタリアクトルLdに流れる電流Idは、整流ダイオードD5〜D8を環流している電流Irと等しい。この時、半導体スイッチQ2とQ3にターンオンにより、共振リアクトルLzを通して電流Iabが流れ始めるため、急激な増加はできず、また、電流Idは一定と見なせるため、電流Iabと電流Irとの和がIdとなるように変化する。したがって、電流Iabは電流Irの減少分で増加してゆき、半導体スイッチQ2とQ3のターンオン過渡状態ではほとんど電流は流れない。このことからターンオン損失は小さい。この電流Iabはだんだんと増加し、時刻t6には電流Idと等しくなり、電流Irは0となる。この後の時刻t0’から時刻t6’までの半周期に関しては、以上と同様の原理で対アーム(半導体スイッチQ2及びQ3)が動作する。   At time t5, the gate control device 104 issues a turn-on command to the semiconductor switches Q2 and Q3 to start turn-on. At this time, the current Id flowing through the filter reactor Ld is equal to the current Ir circulating through the rectifier diodes D5 to D8. At this time, since the current Iab starts to flow through the resonant reactor Lz by turning on the semiconductor switches Q2 and Q3, it cannot increase rapidly, and since the current Id can be considered constant, the sum of the current Iab and the current Ir is Id It changes to become. Therefore, the current Iab increases as the current Ir decreases, and almost no current flows in the turn-on transient state of the semiconductor switches Q2 and Q3. For this reason, the turn-on loss is small. The current Iab gradually increases, becomes equal to the current Id at time t6, and the current Ir becomes zero. For the subsequent half cycle from time t0 'to time t6', the paired arms (semiconductor switches Q2 and Q3) operate on the same principle as described above.

図4には、実際に図2に示した回路を動作させた場合の、整流ダイオードD5の電圧Vrと電流Irの波形を示す。なお、図4中には図3の時刻t0〜t6に対応する時刻を明示してある。
理想的な場合の図3と実測波形である図4を比較する。順方向に流れていたダイオード電流Irがゼロとなる時刻t2及びt6での電圧波形には、理想的な図3ではサージ(跳ね上がり)は発生しないが、図4の実動作波形を見ると、この時刻でサージ電圧が発生することが分かる。
理想ダイオードでは、アノードとカソードの間が順方向にバイアスされ順方向に電流が流れている状態から、ダイオードが逆バイアスされたり、他の影響によって順方向電流が減少したりして、その電流値がゼロとなった場合にも逆方向に流れることはない。
FIG. 4 shows waveforms of the voltage Vr and current Ir of the rectifier diode D5 when the circuit shown in FIG. 2 is actually operated. In FIG. 4, times corresponding to times t0 to t6 in FIG. 3 are clearly shown.
FIG. 3 in an ideal case is compared with FIG. 4 which is an actually measured waveform. In the ideal voltage waveform at time t2 and t6 when the diode current Ir flowing in the forward direction becomes zero, no surge (bounce) occurs in the ideal FIG. 3, but when the actual operation waveform in FIG. It can be seen that a surge voltage is generated at the time.
In an ideal diode, the current value is obtained when the diode is reverse-biased or the forward current decreases due to other effects from the state where the current is flowing forward between the anode and the cathode. Even if becomes zero, it does not flow in the reverse direction.

しかし、現実のダイオードでは、アノード・カソード間が順バイアスされて順方向電流が流れている状態から、上記のような理由で電流が止められたり、もしくはゼロになったりした場合、PN接合間に蓄積された少数キャリアが消滅するまでにある程度の時間がかかることから、この間に逆方向のサージ状の電流が流れる。この現象はリカバリ(逆回復)と呼ばれており、実測波形である図4の時刻t2及びt6を見ると、電流Irは瞬間的に負方向に流れていることからも明かである。   However, in an actual diode, if the current is stopped or becomes zero for the above reason from the state in which the forward current is flowing between the anode and the cathode, the current between the PN junction is reduced. Since it takes a certain amount of time for the accumulated minority carriers to disappear, a reverse surge current flows during this time. This phenomenon is called recovery (reverse recovery), and it is apparent from the fact that the current Ir instantaneously flows in the negative direction when the time t2 and t6 in FIG.

この逆方向サージ電流であるリカバリ電流によってダイオードの端子間には逆方向にサージ電圧が生じる。また、前述のリカバリ電流とこのサージ電圧の積がリカバリ損失であり、これが、ダイオードのスイッチング損失として扱われる。さらに、このサージ電圧が同ダイオードの逆方向耐電圧を超えると、ダイオードが破壊に至ることもあり、急峻な時間変化をするために、高周波の電磁ノイズが発生し他の機器へ悪影響を与えることもある。   A surge voltage is generated in the reverse direction between the terminals of the diode by the recovery current which is the reverse surge current. Further, the product of the above-described recovery current and this surge voltage is a recovery loss, and this is treated as a switching loss of the diode. In addition, if this surge voltage exceeds the reverse withstand voltage of the diode, the diode may break down, causing a rapid change in time, causing high-frequency electromagnetic noise and adversely affecting other devices. There is also.

このようなダイオードのリカバリ現象への対策としては、特許文献2で述べられているように、各整流ダイオードへCRスナバの取付けが一般的である。また、特許文献2、特許文献3では、各整流ダイオードへ可飽和リアクトルを導入している。
これらの先行技術の目的は、サージ電圧による電磁ノイズの発生を抑制することである。
また、RCスナバの導入は、サージ電圧が発生したときにそのエネルギーをスナバ回路に吸収させ、サージ電圧の発生を抑えるためであり、可飽和リアクトルの導入は、リカバリ現象を発生させる逆方向のサージ電流の発生を抑え、ダイオード内部の少数キャリアの消滅を遅くさせることでリカバリ自体を遅くし、サージ電圧の抑制効果を生むものである。
As a countermeasure against such a diode recovery phenomenon, as described in Patent Document 2, a CR snubber is generally attached to each rectifier diode. In Patent Documents 2 and 3, a saturable reactor is introduced into each rectifier diode.
The purpose of these prior arts is to suppress the generation of electromagnetic noise due to surge voltage.
The RC snubber is used to absorb the energy generated by the snubber circuit when the surge voltage is generated and suppress the generation of the surge voltage. The introduction of the saturable reactor is a reverse surge that generates a recovery phenomenon. By suppressing the generation of current and delaying the disappearance of minority carriers inside the diode, the recovery itself is delayed, and the surge voltage is suppressed.

特開平4−368464号公報JP-A-4-368464 特開平10−262371号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-262371 特開2002−223568号公報JP 2002-223568 A

O. Deblecker, A Moretti, and F. Vallee: “Comparative Analysis of Two Zero-Current Switching Isolated DC-DCConverters for Auxiliary Railway Supply,” SPEEDAM 2008.O. Deblecker, A Moretti, and F. Vallee: “Comparative Analysis of Two Zero-Current Switching Isolated DC-DCConverters for Auxiliary Railway Supply,” SPEEDAM 2008.

さて、実際に回路を動作させた場合の結果である図4に示した整流ダイオードD5の電圧Vrと電流Irを用いて、時刻t6及びt2のリカバリで発生する損失を計算すると、それぞれ、およそ110Wと50Wとなる。
整流ダイオードD5を流れる電流から判断すると、時刻t6で発生する整流ダイオードD5のリカバリは、共振スイッチ回路103の有無にかかわらず、DC−DCコンバータの動作として発生するが、時刻t2のリカバリは、一次側の半導体スイッチQ1〜Q4で発生するスイッチング損失を低減するための共振電流を流し、一次側電流IabをトランスTの励磁電流のみに減少させることによって発生する。
つまり、共振スイッチ回路103を導入することで、一次側半導体スイッチのターンオフ損失は大幅に減少可能となるが、トランスTの二次側に接続される整流ダイオードブリッジD5〜D8には新たなリカバリ損失が発生することとなる。上記の動作例であれば、共振スイッチ回路103の有無によってリカバリ損失が約1.5倍に増加する。これは、整流ダイオードブリッジの発熱によってDC−DCコンバータ自体の動作周波数に制約がかかることを意味する。
Now, using the voltage Vr and current Ir of the rectifier diode D5 shown in FIG. 4 which is the result of actually operating the circuit, the loss generated in the recovery at times t6 and t2 is calculated to be about 110 W, respectively. And 50W.
Judging from the current flowing through the rectifier diode D5, the recovery of the rectifier diode D5 that occurs at time t6 occurs as an operation of the DC-DC converter regardless of the presence or absence of the resonant switch circuit 103, but the recovery at time t2 is primary. It is generated by flowing a resonance current for reducing the switching loss generated in the semiconductor switches Q1 to Q4 on the side and reducing the primary side current Iab to only the exciting current of the transformer T.
That is, by introducing the resonant switch circuit 103, the turn-off loss of the primary-side semiconductor switch can be greatly reduced, but new recovery loss is added to the rectifier diode bridges D5 to D8 connected to the secondary side of the transformer T. Will occur. In the above operation example, the recovery loss increases by about 1.5 times depending on the presence or absence of the resonant switch circuit 103. This means that the operating frequency of the DC-DC converter itself is limited by the heat generated by the rectifier diode bridge.

このように、この時刻t2で発生する整流ダイオードのリカバリは、図2のようなソフトスイッチング機能を有するDC−DCコンバータにおける新たな課題となる。
ここで、図4の時刻t6とt2で発生するサージ電圧値を見ると、それらには差があることが分かる。これは、二次側の整流ダイオードブリッジで発生する2種類のリカバリの原因が異なるためと考えられる。
まず、時刻t6で発生するリカバリを考える。時刻t5の直前までは、負荷電流Idが整流ダイオードD5〜D8を環流している。時刻t5で一次側の半導体スイッチQ2とQ3がターンオンするから、トランスTの端子間には電圧が発生し、整流ダイオードD5とD8に逆バイアスがかかる。そのため、時刻t5〜t6にかけて電流Irが、トランスTの電流Iabの増加に従い減少する。その後、時刻t6において電流Irはゼロに達し、電圧Vrが発生する。この動作は「リカバリ」の典型的な動作であり、このリカバリはトランスTを介し、一次側から直接、二次側の整流ダイオードブリッジを構成する整流ダイオードに逆バイアスが印加されて発生することが分かる。
As described above, the recovery of the rectifying diode generated at time t2 becomes a new problem in the DC-DC converter having the soft switching function as shown in FIG.
Here, when the surge voltage values generated at times t6 and t2 in FIG. 4 are viewed, it can be seen that there is a difference between them. This is probably because the two types of recovery that occur in the secondary-side rectifier diode bridge are different.
First, consider the recovery that occurs at time t6. Until just before time t5, the load current Id is circulating through the rectifier diodes D5 to D8. Since the primary side semiconductor switches Q2 and Q3 are turned on at time t5, a voltage is generated between the terminals of the transformer T, and a reverse bias is applied to the rectifier diodes D5 and D8. Therefore, the current Ir decreases from the time t5 to the time t6 as the current Iab of the transformer T increases. Thereafter, at time t6, the current Ir reaches zero, and the voltage Vr is generated. This operation is a typical operation of “recovery”, and this recovery may occur when a reverse bias is applied to the rectifier diode constituting the secondary rectifier diode bridge directly from the primary side via the transformer T. I understand.

次に、時刻t2で発生するリカバリに関して考える。時刻t1からt2において整流ダイオードD5を流れる電流Irは、共振電流Izとの和が負荷電流Idで一定であり、電流Izが徐々に増加するため、それに従い減少し、時刻t2で電流Irはゼロに達する。この時、同時に一次側からトランスTに流れ込む電流Iabもゼロとなるため、一次側からのエネルギーは供給されないが、電流Irが流れていた電流経路のインダクタンス分によって電流は流れ続けようとするため、キャリア消滅分の逆方向サージ電流が流れることでリカバリが発生する。   Next, consider the recovery that occurs at time t2. The current Ir flowing through the rectifier diode D5 from the time t1 to the time t2 decreases with the sum of the resonance current Iz and the load current Id, and the current Iz gradually increases, so that the current Ir becomes zero at the time t2. To reach. At this time, since the current Iab flowing into the transformer T from the primary side also becomes zero, energy from the primary side is not supplied, but the current continues to flow due to the inductance of the current path through which the current Ir flows. Recovery occurs when a reverse surge current corresponding to the carrier disappearance flows.

このように、一次側から逆バイアスを強制的にかけられるリカバリが時刻t6で発生し、電流が自然消滅し、配線インダクタンス分などに蓄えられた磁気エネルギーのみで発生するのが時刻t2のリカバリである。つまり、このことは、時刻t6でリカバリを発生させるエネルギーは大きく、時刻t2ではそれが小さいと言うことを意味する。すなわち、時刻t2のリカバリが持つエネルギーは、電流Irが流れていた電流経路のインダクタンスによる磁気エネルギー程度であるから、大容量のエネルギー吸収素子を追加することなしに、リカバリ損失を抑えることが可能である。   As described above, recovery at which the reverse bias is forcibly applied from the primary side occurs at the time t6, and the current disappears spontaneously, and the recovery at the time t2 occurs only with the magnetic energy stored in the wiring inductance. . In other words, this means that the energy for generating recovery at time t6 is large and that it is small at time t2. That is, since the energy of recovery at time t2 is about the magnetic energy due to the inductance of the current path through which the current Ir flows, recovery loss can be suppressed without adding a large-capacity energy absorbing element. is there.

そこで、本発明は、特に時刻t2(及びt5で半導体スイッチQ2とQ3がターンオンしてからIabがゼロとなるt2’)で、電流Irの方向が急激に変化しないように、電流が流れている方向に小さなインピーダンス、その逆方向には大きなインピーダンスを持つ回路要素を導入することで、時刻t2(及びt2’)でリカバリ損失を減少させた直流電源装置を提供することを目的としている。   Therefore, in the present invention, the current flows so that the direction of the current Ir does not change abruptly, especially at the time t2 (and t2 ′ when Iab becomes zero after the semiconductor switches Q2 and Q3 are turned on at t5). An object of the present invention is to provide a DC power supply device in which recovery loss is reduced at time t2 (and t2 ′) by introducing a circuit element having a small impedance in the direction and a large impedance in the opposite direction.

そこで、本発明の特流電源装置では、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
(1)直流電源と、直流から交流を生成可能な電力変換回路と、一次巻線が前記電力変換回路の出力と接続されたトランスと、該トランスの二次巻線に、共振リアクトルを介して接続された整流ダイオードブリッジ回路と、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサで構成され、前記整流ダイオードブリッジ回路の出力側に接続されるフィルタ回路とを有し、環流ダイオード(D9)が逆並列に接続された共振回路制御用半導体スイッチ(Qz)と、共振コンデンサ(Cz)からなる共振スイッチ回路(103)を、前記整流ダイオードブリッジの出力側に並列接続することにより、前記共振リアクトル(Lz)と、共振スイッチ回路(103)の共振コンデンサ(Cz)とで直列共振回路を構成する直流電源装置において、前記整流ダイオードブリッジ回路の入力側に接続されるトランスの一次側または二次側に、該整流ダイオードブリッジ回路を構成する整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けた。
Therefore, the following technical means have been taken in the special flow power supply device of the present invention. That is,
(1) A DC power source, a power conversion circuit capable of generating AC from DC, a transformer whose primary winding is connected to the output of the power conversion circuit, and a secondary winding of the transformer via a resonant reactor A resonant circuit comprising a connected rectifier diode bridge circuit, a filter circuit composed of a filter reactor and a filter capacitor and connected to the output side of the rectifier diode bridge circuit, and a freewheeling diode (D9) connected in antiparallel A resonant switch circuit (103) including a circuit control semiconductor switch (Qz) and a resonant capacitor (Cz) is connected in parallel to the output side of the rectifier diode bridge, so that the resonant reactor (Lz) and the resonant switch circuit are connected. In the DC power supply device that forms a series resonant circuit with the resonant capacitor (Cz) of (103), the rectifier diode On the primary or secondary side of the transformer connected to the input side of the bridge circuit, the impedance is low in the current direction until the recovery of the rectifier diode constituting the rectifier diode bridge circuit occurs, and in the opposite direction Provided circuit elements with high impedance.

(2)上記の直流電源装置において、前記回路要素として、可飽和リアクトルを利用した。 (2) In the DC power supply device described above, a saturable reactor is used as the circuit element.

(3)上記の直流電源装置において、前記可飽和リアクトルを、前記トランスの一次側電圧及び二次側電圧のうち、電圧の低い側に配置した。 (3) In the DC power supply device described above, the saturable reactor is arranged on a lower voltage side of the primary voltage and secondary voltage of the transformer.

(4)上記の直流電源装置において、前記回路要素によって、前記トランスの一次側に接続される電力変換回路を構成する半導体スイッチのスイッチング損失を小さくする機能を持つようにした。 (4) In the above DC power supply device, the circuit element has a function of reducing the switching loss of the semiconductor switch constituting the power conversion circuit connected to the primary side of the transformer.

(5)上記の直流電源装置において、前記電力変換回路を構成する半導体スイッチを流れる電流がほぼゼロとなったときに、該半導体スイッチをオフさせるようにした。 (5) In the DC power supply device described above, the semiconductor switch is turned off when the current flowing through the semiconductor switch constituting the power conversion circuit becomes almost zero.

(6)上記の直流電源装置において前記電力変換回路を構成する半導体スイッチと、前記共振回路制御用半導体スイッチのオン/オフの制御は、ゲート制御装置によって制御されるようにした。 (6) The on / off control of the semiconductor switch constituting the power conversion circuit and the semiconductor switch for resonance circuit control in the DC power supply device described above is controlled by a gate control device.

(7)上記の直流電源装置において、前記共振リアクトルは、トランスの漏れインダクタンスとその配線インダクタンスの合計で構成されるようにした。 (7) In the DC power supply device described above, the resonance reactor is configured by the sum of the leakage inductance of the transformer and its wiring inductance.

本発明によれば、トランス絶縁式のDC−DCコンバータにおいて、整流ダイオードブリッジ回路の入力側に接続されるトランスの一次側または二次側に、該整流ダイオードブリッジ回路を構成する整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けることにより、一次側半導体スイッチのスイッチング損失を低減するとともに、トランス二次側の整流ダイオードで発生するリカバリによる損失を低減するという優れた効果を奏することができる。
このことは、DC−DCコンバータの廃熱が減少し、効率の向上による省エネルギー化、冷却装置の小型化だけでなく、駆動周波数の上昇によってトランスの小型化も実現可能であり、装置全体の小型化や信頼性向上に寄与する。
According to the present invention, in the transformer-insulated DC-DC converter, the recovery of the rectifier diode constituting the rectifier diode bridge circuit can be performed on the primary side or the secondary side of the transformer connected to the input side of the rectifier diode bridge circuit. By providing a circuit element with low impedance for the current direction up to just before generation and high impedance in the opposite direction, the switching loss of the primary-side semiconductor switch is reduced and the transformer secondary-side rectifier diode is used. An excellent effect of reducing loss due to the generated recovery can be achieved.
This means that the waste heat of the DC-DC converter is reduced, and not only energy saving by improving efficiency and downsizing of the cooling device, but also downsizing of the transformer can be realized by increasing the driving frequency. This contributes to the improvement of reliability and reliability.

本発明による直流電源装置の実施例1を示す。1 shows a first embodiment of a DC power supply device according to the present invention. 従来例の回路構成を示す。The circuit structure of a prior art example is shown. 従来例での理想的な電圧電流と半導体スイッチ指令の時間変化を示す。The ideal voltage current in a prior art example and the time change of semiconductor switch command are shown. 図2の構成で、整流ダイオードD5の電圧Vrと電流Irの実測波形を示す。2 shows measured waveforms of the voltage Vr and current Ir of the rectifier diode D5 in the configuration of FIG. 本発明の実施例1で利用する可飽和リアクトルの磁気特性(BHカーブ)を示す。The magnetic characteristic (BH curve) of the saturable reactor used in Example 1 of this invention is shown. 従来例回路で測定した図4の時刻t2付近を拡大した波形を示す。The waveform which expanded the time t2 vicinity of FIG. 4 measured with the circuit of the prior art example is shown. 図6の動作回路に本発明の実施例を施した場合の波形を示す。FIG. 7 shows waveforms when the embodiment of the present invention is applied to the operation circuit of FIG. 本発明の実施例2として、一次側半導体スイッチをハーフブリッジで構成した場合の回路を示す。As a second embodiment of the present invention, a circuit in the case where the primary side semiconductor switch is constituted by a half bridge is shown. 本発明の実施例1,2で使用する可飽和リアクトルSRの例を示す。The example of the saturable reactor SR used in Example 1, 2 of this invention is shown.

本発明は、特に一次側半導体スイッチのターンオフ損失を減少させる回路が発生する電流によって整流ダイオードの損失が増加するという課題を解決するが、整流ダイオードの全リカバリ損失を減少させる効果を持つ。
以下では本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
The present invention solves the problem that the loss of the rectifier diode increases due to the current generated by the circuit that reduces the turn-off loss of the primary side semiconductor switch, but has the effect of reducing the total recovery loss of the rectifier diode.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[実施例1]
まず、本発明の実施例1として、その構成と動作原理を図1により説明する。
101には入力直流電源、102はフィルタリアクトルLdとフィルタコンデンサFCで構成されるフィルタ回路、103は共振回路、104は各半導体スイッチのゲート制御装置である。Q1〜Q4はインバータ回路を構成する半導体スイッチで、それぞれの半導体スイッチにはD1〜D4のフリーホイールダイオードが付属する。半導体スイッチQ1とQ2との接続点aと半導体スイッチQ3とQ4との接続点bとの間にトランスTの一次巻線が接続され、二次巻線は整流ダイオードD5〜D8よりなる整流ダイオードブリッジの接続点cとdに接続される。この整流ダイオードブリッジの出力はフィルタ回路102を介して負荷RLに与えられる。
[Example 1]
First, as Embodiment 1 of the present invention, its configuration and operation principle will be described with reference to FIG.
101 is an input DC power source, 102 is a filter circuit composed of a filter reactor Ld and a filter capacitor FC, 103 is a resonance circuit, and 104 is a gate control device for each semiconductor switch. Q1 to Q4 are semiconductor switches constituting an inverter circuit, and free wheel diodes D1 to D4 are attached to the respective semiconductor switches. A primary winding of the transformer T is connected between a connection point a between the semiconductor switches Q1 and Q2 and a connection point b between the semiconductor switches Q3 and Q4, and the secondary winding is a rectifier diode bridge composed of rectifier diodes D5 to D8. Are connected to connection points c and d. The output of this rectifier diode bridge is given to the load RL via the filter circuit 102.

ゲート制御装置104は半導体スイッチQ1〜Q4と共振回路103内の半導体スイッチQzにオンとオフの指令を与える。半導体スイッチとしては、バイポーラトランジスタ・MOSFET・サイリスタ・ゲートターンオフサイリスタ・IGBTなどが考えられるが、本実施例では代表例としてIGBTを使用して説明する。
図1に示す構成では、トランスTの持つ漏れインダクタンスと配線によるインダクタンスの和を共振リアクトルLzとして記し、共振回路103の共振コンデンサCzと共に直列共振回路を構成する。
整流ダイオードD5〜D8の出力側e,fに半導体スイッチQzで制御可能なコンデンサCzよりなる共振回路103を直列に接続している。共振回路103はより具体的には、フリーホイールダイオードD9が逆並列に接続された半導体スイッチQzと、共振コンデンサCzとが直列に接続された回路である。共振回路103は整流ダイオードブリッジの出力側とフィルタ回路102との間に、整流ダイオードブリッジ回路と並列に挿入されている。
The gate control device 104 gives ON / OFF commands to the semiconductor switches Q1 to Q4 and the semiconductor switch Qz in the resonance circuit 103. As the semiconductor switch, a bipolar transistor, a MOSFET, a thyristor, a gate turn-off thyristor, an IGBT, and the like can be considered. In this embodiment, an IGBT will be described as a representative example.
In the configuration shown in FIG. 1, the sum of the leakage inductance of the transformer T and the inductance due to the wiring is described as a resonance reactor Lz, and a series resonance circuit is configured together with the resonance capacitor Cz of the resonance circuit 103.
A resonance circuit 103 including a capacitor Cz that can be controlled by the semiconductor switch Qz is connected in series to the output sides e and f of the rectifier diodes D5 to D8. More specifically, the resonance circuit 103 is a circuit in which a semiconductor switch Qz to which a free wheel diode D9 is connected in antiparallel and a resonance capacitor Cz are connected in series. The resonance circuit 103 is inserted in parallel with the rectifier diode bridge circuit between the output side of the rectifier diode bridge and the filter circuit 102.

また、ここではトランスTの巻数比はN:1(Nはゼロを含まない自然数)で、一次側電圧V1は二次側電圧V2よりも大または等しいとして、トランスTの出力である二次側に、整流ダイオードにリカバリが発生する直前までの電流が流れる方向には低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素として、本実施例では可飽和リアクトルSRを設ける。
図1の動作は図2と同一であり、電圧・電流波形は技術背景で述べた図3と同一である。ここでは図3を用いながら可飽和リアクトルSRの動作と効果のみを説明する。図5は可飽和リアクトルSRの持つ磁気特性(BHカーブ)を示す。図5中において、Bは可飽和リアクトルの磁束密度、Hは磁界の強さを表す。
Here, the turn ratio of the transformer T is N: 1 (N is a natural number not including zero), and the primary side voltage V1 is greater than or equal to the secondary side voltage V2. In addition, in this embodiment, a saturable reactor SR is provided as a circuit element having a low impedance in the direction in which a current flows until just before recovery occurs in the rectifier diode and a high impedance in the opposite direction.
The operation of FIG. 1 is the same as FIG. 2, and the voltage / current waveforms are the same as those of FIG. 3 described in the technical background. Here, only the operation and effect of the saturable reactor SR will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the magnetic characteristics (BH curve) of the saturable reactor SR. In FIG. 5, B represents the magnetic flux density of the saturable reactor, and H represents the strength of the magnetic field.

時刻t5’では制御装置104から半導体スイッチQ1とQ4にオン信号が与えられて(図3参照)、インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4が導通状態となり、トランスTの一次側である点a,b間の電圧Vabには電源電圧Eと等しい電圧が発生する。この時刻t5’では可飽和リアクトルの磁気特性上の動作点は図5の点H3付近となっているため、可飽和リアクトルSRは大きなインダクタンスとしてみなせるから、時刻t5’になった瞬間では可飽和リアクトルSRにはトランスTの二次側に発生する電圧V2と等しい電圧が発生する。このときの電流Iabを考えると、従来例の図2と比較すると、共振リアクトルLzのインダクタンス値が大きい場合と等価であるから、さらにゆっくりと流れ出す。したがって、一次側の半導体スイッチQ1とQ4が発生するターンオン損失は、図2の場合のそれよりさらに小さくなる。   At time t5 ′, an ON signal is given from the control device 104 to the semiconductor switches Q1 and Q4 (see FIG. 3), and the semiconductor switches Q1 and Q4 of the inverter circuit become conductive, and points a and b that are primary sides of the transformer T A voltage equal to the power supply voltage E is generated in the voltage Vab between. At this time t5 ′, the operating point on the magnetic characteristics of the saturable reactor is near the point H3 in FIG. 5, and therefore, the saturable reactor SR can be regarded as a large inductance. Therefore, at the instant when the time t5 ′ is reached, the saturable reactor. In SR, a voltage equal to the voltage V2 generated on the secondary side of the transformer T is generated. Considering the current Iab at this time, compared with the conventional example of FIG. 2, it is equivalent to the case where the inductance value of the resonance reactor Lz is large, and therefore flows more slowly. Therefore, the turn-on loss generated by the semiconductor switches Q1 and Q4 on the primary side is further smaller than that in the case of FIG.

ここで、可飽和リアクトルSRの磁束Φは数式1で表せる。数1において、nは可飽和リアクトルSRの巻数、Vは可飽和リアクトルSRに発生する電圧を示す。この数式1はファラデーの電磁誘導の法則に基づく。

Figure 2013027162
Here, the magnetic flux Φ of the saturable reactor SR can be expressed by Equation 1. In Equation 1, n represents the number of turns of the saturable reactor SR, and V represents a voltage generated in the saturable reactor SR. Equation 1 is based on Faraday's law of electromagnetic induction.
Figure 2013027162

また、磁束Φと磁束密度Bには次の数式2の関係がある。数式2において、Sは磁束密度Bの通過する面の面積を示し、nはその面積に対する単位法線ベクトルを示すが、数式2の右辺はさらに磁束密度Bとその通過する面が垂直の時を示している。

Figure 2013027162
上記、数式1と数式2の関係から、可飽和リアクトルSRの磁束密度Bは、時間変化しない電圧Vに対して次の数式3の関係を持つ。すなわち、磁束密度Bは通過する面積が一定の時、電圧Vとその発生時間tに比例する。
Figure 2013027162
Further, the magnetic flux Φ and the magnetic flux density B have the relationship of the following formula 2. In Equation 2, S indicates the area of the surface through which the magnetic flux density B passes, and n indicates the unit normal vector with respect to the area, but the right side of Equation 2 further indicates when the magnetic flux density B and the surface through which it passes are perpendicular. Show.
Figure 2013027162
From the relationship between Equation 1 and Equation 2, the magnetic flux density B of the saturable reactor SR has the relationship of Equation 3 below with respect to the voltage V that does not change over time. That is, the magnetic flux density B is proportional to the voltage V and the generation time t thereof when the passing area is constant.
Figure 2013027162

このように、可飽和リアクトルSRに電圧Vが発生すると、その時間tが経つにつれて磁束密度Bが増加する。この時、時刻t5’〜t6’にかけて図5に示す可飽和リアクトルの動作点は、点H3から点H0を経て点H1に向かって移動する。
そして、時刻t6’では可飽和リアクトルSRは飽和して、動作点は図5中の点H1に達すると、可飽和リアクトルSRの透磁率が極端に小さくなるため、可飽和リアクトルのインダクタンスはほとんどゼロとなる。このように、可飽和リアクトルは、その磁気特性上の動作点が図5の点H1周辺に存在するとき、トランスTの電流Iabが正の方向にはインダクタンスがなく、低インピーダンス状態となっている。
Thus, when the voltage V is generated in the saturable reactor SR, the magnetic flux density B increases as the time t elapses. At this time, the operating point of the saturable reactor shown in FIG. 5 moves from the point H3 to the point H1 through the point H0 from time t5 ′ to t6 ′.
At time t6 ′, the saturable reactor SR is saturated, and when the operating point reaches the point H1 in FIG. 5, the permeability of the saturable reactor SR becomes extremely small, so that the inductance of the saturable reactor is almost zero. It becomes. As described above, the saturable reactor has a low-impedance state with no inductance in the positive direction of the current Iab of the transformer T when the operating point on its magnetic characteristics exists around the point H1 in FIG. .

やがて、時刻t0に達し、共振スイッチQzがオンして共振電流がIabを流れるが、時刻t2に至るまでその電流の方向は変化しないため、可飽和リアクトルSRは低インピーダンス状態である。
時刻t2では背景技術でも述べたとおり、電流Irが瞬間的に逆方向に流れようとするが、可飽和リアクトルSRはこの時は逆方向電流に対して大きなインダクタンスを持ち、高インピーダンス状態である。この時、可飽和リアクトルSRは時刻t6’で蓄えられた磁気エネルギーを放出することで逆方向電流を妨げる方向に電圧を発生し、その動作点は時刻t6’時の数式3に基づき、図5上の点H1から点H2方向へ移動するが、時刻t2でリカバリを発生するエネルギーは前述のとおり小さいため、図5の動作点は点H1付近に留まる。また、リカバリ電流がサージ状に流れられず、リカバリ電流は時刻t6’の電流Iabのように徐々に流れ出し、整流ダイオードD5のキャリアがゆっくりと消滅するため、サージ電圧の発生も伴わない。
Eventually, at time t0, the resonance switch Qz is turned on and the resonance current flows through Iab. However, since the direction of the current does not change until time t2, the saturable reactor SR is in a low impedance state.
At time t2, as described in the background art, the current Ir instantaneously tries to flow in the reverse direction, but the saturable reactor SR has a large inductance with respect to the reverse current at this time, and is in a high impedance state. At this time, the saturable reactor SR generates a voltage in a direction that prevents the reverse current by releasing the magnetic energy stored at time t6 ′, and its operating point is based on Equation 3 at time t6 ′. Although moving from the upper point H1 toward the point H2, the energy that causes recovery at time t2 is small as described above, and therefore the operating point in FIG. 5 remains near the point H1. In addition, the recovery current does not flow in a surge state, the recovery current gradually flows out like the current Iab at time t6 ′, and the carrier of the rectifier diode D5 disappears slowly, so that no surge voltage is generated.

図6は可飽和リアクトルを導入しない図2の回路図で動作試験を行い、時刻t2の時の整流ダイオードの電圧Vrと電流Irである。図中に示してあるように、逆方向のリカバリ電流が流れている際に電圧が発生し、損失が発生していることが分かる。図7は、本発明の実施例である可飽和リアクトルを導入した図1に示す回路での電圧Vrと電流Irの測定結果である。整流ダイオードのリカバリ時に、逆方向に電流が流れることなく、サージ電流の発生も起こることなくリカバリが終了し、その後、ゆっくりと電圧Vrが回復してゆく。   FIG. 6 shows the voltage Vr and current Ir of the rectifier diode at time t2 when the operation test is performed with the circuit diagram of FIG. 2 without introducing the saturable reactor. As shown in the figure, it can be seen that a voltage is generated and a loss is generated when a recovery current in the reverse direction flows. FIG. 7 shows measurement results of the voltage Vr and current Ir in the circuit shown in FIG. 1 in which the saturable reactor according to the embodiment of the present invention is introduced. At the time of recovery of the rectifier diode, no current flows in the reverse direction and no recovery of surge current occurs, and the recovery ends, and then the voltage Vr slowly recovers.

その後、時刻t5で半導体スイッチQ3とQ4がターンオンし、時刻t5’とは逆の電圧がトランスTの二次側電圧V2に発生する。このときは時刻t5’と同様に一次側からエネルギーが印加され、可飽和リアクトルSRの動作点を図5の点H1付近から点H2を通り点H3まで動かすことで、電流Iabが徐々に流れ出し、時刻t6では磁気飽和し可飽和リアクトルSRは低インピーダンス状態となる。
時刻t0’〜t5’までは一次側半導体スイッチの対アームが動作するため、時刻t0〜t5までと電圧・電流が逆方向となるだけで、同じ原理で動作が繰り返される。
なお、時刻t6及びt6’においても整流ダイオードにリカバリが発生するが、このリカバリのエネルギーは前述のとおり一次側から供給されるために大きく、可飽和リアクトルの動作点を点H1からH3(またはその逆)まで移動させるまでは、リカバリで発生するサージ電流を抑えられるため多少の効果はあるが、それ以上は途中でリアクトルの効果がなくなるため、リカバリ電流によるサージ電圧と損失が発生する。
Thereafter, the semiconductor switches Q3 and Q4 are turned on at time t5, and a voltage opposite to that at time t5 ′ is generated in the secondary side voltage V2 of the transformer T. At this time, energy is applied from the primary side in the same manner as at time t5 ′, and the current Iab gradually flows out by moving the operating point of the saturable reactor SR from the vicinity of the point H1 in FIG. 5 to the point H3 through the point H2. At time t6, the magnetic saturation occurs and the saturable reactor SR enters a low impedance state.
Since the paired arm of the primary side semiconductor switch operates from time t0 'to t5', the operation is repeated according to the same principle, only in the reverse direction of voltage and current from time t0 to t5.
Note that although recovery occurs in the rectifier diode at times t6 and t6 ′, the energy of this recovery is large because it is supplied from the primary side as described above, and the operating point of the saturable reactor is changed from points H1 to H3 (or its Until it is moved to the reverse), the surge current generated in the recovery can be suppressed, so there is some effect, but beyond that, the effect of the reactor is lost and the surge voltage and loss due to the recovery current are generated.

本発明によれば、図2の回路においては時刻t6で110W、時刻t2で50Wの合計160W発生したリカバリ損失が発生していたが、図1の可飽和リアクトルSRを導入することで、時刻t6で80W、時刻t2で0Wの合計80Wとリカバリ損失が半減する効果が得られる。   According to the present invention, in the circuit of FIG. 2, a recovery loss of 110 W at time t6 and 50 W at time t2 in total of 160 W has occurred, but by introducing the saturable reactor SR of FIG. 80W and 0W at time t2, a total of 80W, and the effect of reducing the recovery loss by half is obtained.

[実施例2]
また、本発明は、図8の形態においても実現可能である。これは、一次側の半導体スイッチの構成をハーフブリッジで構成した例である。電力変換回路の半導体スイッチの動作としては、図1の半導体スイッチQ1とQ4の動作を図8の半導体スイッチQ1が受け持ち、同様に図1の半導体スイッチQ2とQ3の動作を半導体スイッチQ2が受け持つ。また、半導体スイッチQ1とQ2の接続点aと分圧コンデンサC1とC2の接続点bとの間にトランスTの一次側が接続される。スイッチング損失低減の動作と可飽和リアクトルSRの動作及び電圧電流波形の形状は実施例1と同一である。
ただし、一次側の半導体スイッチがハーフブリッジで構成されるため、トランスTの一次側電圧V1はE/2となる。したがって、実施例1とは異なり昇圧トランスとし、巻数比を1:N(Nはゼロを含まない自然数)と構成する。
[Example 2]
The present invention can also be realized in the form of FIG. This is an example in which the configuration of the semiconductor switch on the primary side is configured with a half bridge. As operations of the semiconductor switch of the power conversion circuit, the operations of the semiconductor switches Q1 and Q4 of FIG. 1 are handled by the semiconductor switch Q1 of FIG. 8, and similarly, the operations of the semiconductor switches Q2 and Q3 of FIG. The primary side of the transformer T is connected between the connection point a of the semiconductor switches Q1 and Q2 and the connection point b of the voltage dividing capacitors C1 and C2. The operation of reducing the switching loss, the operation of the saturable reactor SR, and the shape of the voltage / current waveform are the same as those in the first embodiment.
However, since the primary-side semiconductor switch is formed of a half bridge, the primary-side voltage V1 of the transformer T is E / 2. Therefore, unlike the first embodiment, a step-up transformer is used, and the turn ratio is 1: N (N is a natural number not including zero).

そのため、トランスTが巻数比1:Nの昇圧トランスの場合に、実施例1と同様に可飽和リアクトルSRをトランスTの二次側に導入すると、整流ダイオードのリカバリ時に可飽和リアクトルSRで発生する電圧が実施例1と比較し高くなる。これは、数3に従うと可飽和リアクトルSRが飽和するまでの時間が短くなるから、リカバリのサージ電流を抑えるための高インピーダンスの期間が短くなる。
このことから、可飽和リアクトルSRはトランスTの巻線のうち低電圧である一次側に導入する。
Therefore, when the transformer T is a step-up transformer having a turns ratio of 1: N, if the saturable reactor SR is introduced to the secondary side of the transformer T as in the first embodiment, it occurs in the saturable reactor SR when the rectifier diode is recovered. The voltage is higher than that in Example 1. According to Equation 3, since the time until the saturable reactor SR is saturated is shortened, the period of high impedance for suppressing the recovery surge current is shortened.
For this reason, the saturable reactor SR is introduced into the primary side which is a low voltage among the windings of the transformer T.

[実施例3]
図9は実施例1や実施例2で示した可飽和リアクトルSRとして、磁性材料がリング状で構成される可飽和コアをトランスTの一次側に入れた構成例である。通常このような形状をしたコアは、電磁ノイズ防止のためにコモンモード(往復線路)で用いられるが、本発明では、ノーマルモードで用いることによって整流ダイオードのリカバリ損失を抑える効果が得られる。
なお、図9の点a、bは図1ないし図8の接続点a、bにそれぞれ対応する。
[Example 3]
FIG. 9 is a configuration example in which a saturable core made of a magnetic material in a ring shape is placed on the primary side of the transformer T as the saturable reactor SR shown in the first and second embodiments. Normally, the core having such a shape is used in a common mode (round-trip line) to prevent electromagnetic noise. However, in the present invention, an effect of suppressing the recovery loss of the rectifier diode can be obtained by using the normal mode.
Note that the points a and b in FIG. 9 correspond to the connection points a and b in FIGS. 1 to 8, respectively.

以上説明したように、本発明によれば、直流電源装置の整流ダイオードブリッジ回路の入力側に、整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けることにより、コストアップを招くことなく、リカバリに伴うサージ電圧の発生を効果的に抑制して電力損失を低減するとともに、整流ダイオードの破壊や電磁ノイズの発生を防止することができるので、直流電源装置の省エネルギー対策手段、高信頼性対策手段として広く利用されることが期待できる。   As described above, according to the present invention, the input side of the rectifier diode bridge circuit of the DC power supply device has a low impedance for the current direction until the recovery of the rectifier diode occurs, and a high impedance for the reverse direction. By providing a circuit element with impedance, it is possible to effectively suppress the generation of surge voltage associated with recovery and reduce power loss without incurring cost increase, and prevent rectifier diode breakdown and electromagnetic noise generation. Therefore, it can be expected to be widely used as an energy saving measure means and a high reliability measure means of the DC power supply device.

101: 直流電源
102: フィルタ回路
103: 共振スイッチ回路
104: ゲート制御装置
105: リング状の磁性体材料で構成された可飽和コア
C1, C2: 分圧コンデンサ
Cz: 共振コンデンサ
D1〜D4, D9: フリーホイールダイオード
D5〜D8: 整流ダイオード
E: 入力直流電源電圧
FC: フィルタコンデンサ
Ld: フィルタリアクトル
Lz: 共振リアクトル
Q1〜Q4: 半導体スイッチ
Qz: 共振回路制御用半導体スイッチ
RL: 負荷
SR: 可飽和リアクトル
T: トランス
V1: トランスTの一次側電圧
V2: トランスTの二次側電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101: DC power supply 102: Filter circuit 103: Resonance switch circuit 104: Gate control apparatus 105: Saturable core comprised with the ring-shaped magnetic material C1, C2: Voltage dividing capacitor Cz: Resonance capacitor D1-D4, D9: Freewheel diodes D5 to D8: Rectifier diode E: Input DC power supply voltage FC: Filter capacitor Ld: Filter reactor Lz: Resonance reactor Q1 to Q4: Semiconductor switch Qz: Semiconductor switch for resonance circuit control RL: Load SR: Saturable reactor T : Transformer V1: Primary voltage of transformer T V2: Secondary voltage of transformer T

Claims (7)

直流電源と、直流から交流を生成可能な電力変換回路と、一次巻線が前記電力変換回路の出力と接続されたトランスと、
該トランスの二次巻線に、共振リアクトルを介して接続された整流ダイオードブリッジ回路と、
フィルタリアクトルとフィルタコンデンサで構成され、前記整流ダイオードブリッジ回路の出力側に接続されるフィルタ回路とを有し、
環流ダイオード(D9)が逆並列に接続された共振回路制御用半導体スイッチ(Qz)と、共振コンデンサ(Cz)からなる共振スイッチ回路(103)を、前記整流ダイオードブリッジの出力側に並列接続することにより、
前記共振リアクトル(Lz)と、共振スイッチ回路(103)の共振コンデンサ(Cz)とで直列共振回路を構成する直流電源装置において、
前記整流ダイオードブリッジ回路の入力側に接続されるトランスの一次側または二次側に、該整流ダイオードブリッジ回路を構成する整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けたことを特徴とする直流電源装置。
A DC power source, a power conversion circuit capable of generating AC from DC, a transformer having a primary winding connected to the output of the power conversion circuit,
A rectifier diode bridge circuit connected to the secondary winding of the transformer via a resonant reactor;
Comprising a filter reactor and a filter capacitor, and having a filter circuit connected to the output side of the rectifier diode bridge circuit,
A resonant switch control semiconductor switch (Qz) having a freewheeling diode (D9) connected in antiparallel and a resonant switch circuit (103) comprising a resonant capacitor (Cz) are connected in parallel to the output side of the rectifier diode bridge. By
In the DC power supply device that forms a series resonance circuit with the resonance reactor (Lz) and the resonance capacitor (Cz) of the resonance switch circuit (103),
Low impedance in the current direction until the recovery of the rectifier diode constituting the rectifier diode bridge circuit occurs on the primary side or secondary side of the transformer connected to the input side of the rectifier diode bridge circuit, A DC power supply device characterized in that a circuit element having a high impedance is provided in the reverse direction.
請求項1に記載の直流電源装置において、前記回路要素として、可飽和リアクトルを利用することを特徴とした直流電源装置。   2. The DC power supply device according to claim 1, wherein a saturable reactor is used as the circuit element. 請求項2に記載の直流電源装置において、前記可飽和リアクトルは電圧が高い場合に高インピーダンス状態である時間が短くなるよう、前記トランスの一次側電圧及び二次側電圧のうち、電圧の低い側に配置したことを特徴とする直流電源装置。   3. The DC power supply device according to claim 2, wherein the saturable reactor has a low voltage side among the primary side voltage and the secondary side voltage of the transformer so that the time in which the saturable reactor is in a high impedance state is short when the voltage is high. DC power supply device characterized by being arranged in 請求項1に記載の直流電源装置において、前記回路要素によって、前記トランスの一次側に接続される電力変換回路を構成する半導体スイッチのスイッチング損失を小さくする機能を持つことを特徴とする直流電源装置。   2. The DC power supply device according to claim 1, wherein the circuit element has a function of reducing a switching loss of a semiconductor switch constituting a power conversion circuit connected to a primary side of the transformer. . 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の直流電源装置において、前記電力変換回路を構成する半導体スイッチを流れる電流がほぼゼロとなったときに、該半導体スイッチをオフさせることを特徴とする直流電源装置。   5. The DC power supply device according to claim 1, wherein the semiconductor switch is turned off when a current flowing through the semiconductor switch constituting the power conversion circuit becomes almost zero. DC power supply. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の直流電源装置において、前記電力変換回路を構成する半導体スイッチと、前記共振回路制御用半導体スイッチのオン/オフの制御は、ゲート制御装置によって制御されることを特徴とする直流電源装置。   6. The DC power supply device according to claim 1, wherein on / off control of the semiconductor switch constituting the power conversion circuit and the semiconductor switch for resonance circuit control is controlled by a gate control device. A direct current power supply device. 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の直流電源装置において、前記共振リアクトルは、トランスの漏れインダクタンスとその配線インダクタンスの合計で構成されることを特徴とする直流電源装置。   7. The DC power supply device according to claim 1, wherein the resonance reactor is configured by a total of a leakage inductance of the transformer and a wiring inductance thereof.
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