JP2013046445A

JP2013046445A - 交流−交流変換回路

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Publication number: JP2013046445A
Application number: JP2011181066A
Authority: JP
Inventors: Jiro Toyosaki; 次郎豊崎; Hisashi Fujimoto; 久藤本
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: JP5858217B2

Abstract

【課題】フルブリッジ／ハーフブリッジ型コンバータを切り替えて使用する交流−交流変換回路において、全ての双方向スイッチの直列回路を活用して回路部品の有効利用、回路の高性能化、高機能化を図る。
【解決手段】交流電源に、コンデンサ直列回路と第１，第２の双方向スイッチ直列回路とを並列に接続し、切替スイッチＳ_０によりフルブリッジ型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータを切り替えて交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と第２の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、スイッチＳ_５を接続し、ハーフブリッジ型コンバータの構成時に前記スイッチＳ_５をオンする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の双方向スイッチを備えた交流−交流変換回路に関し、例えば、商用周波数の交流電圧を高周波の交流電圧に変換する交流−交流変換技術に関するものである。

図５は、特許文献１に記載された交流−交流−直流変換回路（図５（ａ））とその動作波形（同（ｂ））を示している。
この従来技術は、商用周波数の交流電圧を高周波変圧器により高周波交流電圧に絶縁変換し、更に、高周波変圧器の二次側にダイオード整流回路とフィルタ回路とを接続して交流−直流変換を行っている。

図５（ａ）において、交流電源Ｖ_ｉには、コンデンサＣ_１，Ｃ_２が直列接続されたコンデンサ直列回路と、第１，第２の双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２が直列接続された第１の双方向スイッチ直列回路と、第３，第４の双方向スイッチＳ_３，Ｓ_４が直列接続された第２の双方向スイッチ直列回路と、が並列に接続されている。ここで、Ｓ_１ａ，Ｓ_１ｂ，Ｓ_２ａ，Ｓ_２ｂ，Ｓ_３ａ，Ｓ_３ｂ，Ｓ_４ａ，Ｓ_４ｂは、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４をそれぞれ構成する単方向スイッチであり、例えば逆阻止型ＩＧＢＴが用いられている。

第１の双方向スイッチ直列回路の接続点は、高周波変圧器ＴＲの一次巻線の一端に接続され、第２の双方向スイッチ直列回路の接続点は、切替スイッチＳ_０の第２の切替接点ｂに接続されている。また、コンデンサ直列回路の接続点は、切替スイッチＳ_０の第１の切替接点ａに接続されており、切替スイッチＳ_０の共通接点ｃは高周波変圧器ＴＲの一次巻線の他端に接続されている。
高周波変圧器ＴＲの二次巻線はダイオードＤ_１〜Ｄ_４からなる整流回路ＤＲの交流入力側に接続され、整流回路ＤＲの直流出力側はリアクトルＬ_ｏ及び平滑コンデンサＣ_ｏからなるフィルタ回路Ｆに接続されており、フィルタ回路Ｆの出力側には直流負荷ＬＤが接続されている。

このような構成において、交流電源Ｖ_ｉの電圧が低い（例えば１００［Ｖ］）時には、切替スイッチＳ_０を第２の切替接点ｂ側に接続し、交流電源Ｖ_ｉの電圧が高い（例えば２００［Ｖ］）時には、切替スイッチＳ_０を第１の切替接点ａ側に接続する。
切替スイッチＳ_０を第２の切替接点ｂ側に接続した状態では、高周波変圧器ＴＲの一次巻線に交流電源電圧そのものが印加され、切替スイッチＳ_０を第１の切替接点ａ側に接続した状態では、高周波変圧器ＴＲの一次巻線に交流電源電圧の１／２の電圧が印加される。ここで、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の容量は等しく、図５（ａ）における電圧Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２は等しいものとする。

切替スイッチＳ_０を第２の切替接点ｂ側に接続した場合には、双方向スイッチＳ_１〜Ｓ_４によってフルブリッジ型のコンバータが構成される。図５（ｂ）は、このときの動作波形図である。
例えば、交流電源Ｖ_ｉの電圧が正（コンデンサＣ_１側が正）の時、時刻ｔ_１で単方向スイッチＳ_１ａ，Ｓ_４ａをオンすると、高周波変圧器ＴＲの一次巻線にはコンデンサＣ_１の電圧Ｖ_ｃ１とコンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２との和、すなわち交流電源Ｖ_ｉの電圧（Ｖ_ｐ−Ｖ_ｎ間の電圧）が正方向に印加される。また、時刻ｔ_２で単方向スイッチＳ_１ａ，Ｓ_４ａをオフすると、高周波変圧器ＴＲの一次巻線の電圧は変圧器ＴＲの漏れインダクタンスの電流が零になるまで負になり、その後、整流回路ＤＲ内のダイオードがオンしている期間は零電圧となる。この時、漏れインダクタンスの電流が負から零になる期間（時刻ｔ_２〜ｔ_３）は、漏れインダクタンスの電流をコンデンサＣ_１，Ｃ_２に回生するために、単方向スイッチＳ_２ｂ，Ｓ_３ｂをオンする必要がある。

次に、時刻ｔ_３で単方向スイッチＳ_２ａ，Ｓ_３ａをオンすると、高周波変圧器ＴＲの一次巻線には、電圧Ｖ_ｃ１，Ｖ_ｃ２の和が負方向に印加される。その後、時刻ｔ_４において単方向スイッチＳ_２ａ，Ｓ_３ａをオフすると同時に、回生電流の経路を確保するために単方向スイッチＳ_１ｂ，Ｓ_４ｂをオンする。
これらの動作を高周波にて繰り返すと、高周波変圧器ＴＲの二次側からは交流電源Ｖ_ｉよりも高周波の交流電圧が出力されることになり、この高周波交流電圧を整流回路ＤＲによりパルス状の直流電圧に変換し、その後、フィルタ回路Ｆにより平滑して得た直流電圧を直流負荷ＬＤに供給することができる。
また、交流電源Ｖ_ｉの電圧極性が負の場合は、双方向スイッチＳ_１〜Ｓ_４の動作が変わるだけで基本的には同一である。

一方、切替スイッチＳ_０を第１の切替接点ａ側に接続した場合には、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２と、コンデンサＣ_１，Ｃ_２からなるコンデンサ直列回路によってハーフブリッジ型のコンバータが構成される。
交流電源Ｖ_ｉの電圧が正（コンデンサＣ_１側が正）の時、単方向スイッチＳ_１ａをオンすると、高周波変圧器ＴＲの一次巻線にはコンデンサＣ_１の電圧Ｖ_ｃ１が正方向に印加され、単方向スイッチＳ_２ａをオンすると、高周波変圧器ＴＲの一次巻線にはコンデンサＣ_２の電圧Ｖ_ｃ２が負方向に印加される。動作波形については、前述したフルブリッジ型コンバータの場合と同様である。

また、高周波変圧器ＴＲの漏れインダクタンスの電流をコンデンサＣ_１，Ｃ_２に回生するために、単方向スイッチＳ_１ａをオフする時には単方向スイッチＳ_２ｂを、単方向スイッチＳ_２ａをオフする時には単方向スイッチＳ_１ｂを、それぞれオンさせる。
これらの動作を高周波で繰り返すことにより、高周波変圧器ＴＲの二次側からは交流電源Ｖ_ｉよりも高周波の交流電圧が出力され、以後はフルブリッジ型コンバータの場合と同様である。また、交流電源Ｖ_ｉの電圧極性が負の場合は、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２の動作が変わるだけで基本的には同一である。

特許第３８０５８４４号公報（段落［００２２］〜［００２６］、図３等）

上述したように、図５に示した従来技術は、交流電源電圧の大きさに応じてフルブリッジ型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータを切り替えて構成するようになっている。
しかしながら、この従来技術においてハーフブリッジ型コンバータとして使用する場合には、双方向スイッチＳ_３，Ｓ_４からなる双方向スイッチ直列回路を使用していない状態となり、回路部品を有効利用しておらず装置の性能を十分に発揮できないという問題があった。また、一方の双方向スイッチ直列回路の責務が大きくなるため、素子の劣化や破損等により装置全体の寿命が短くなるおそれがあった。

従って、本発明の解決課題は、交流電源電圧の大きさに応じてフルブリッジ型コンバータとハーフブリッジ型コンバータとを切り替えて使用する交流−交流変換回路において、ハーフブリッジ型コンバータとしての動作時に全ての双方向スイッチを使用できるようにして回路部品の有効利用、回路の高性能化、高機能化、装置の寿命延長を可能にした交流−交流変換回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、コンデンサを２個直列接続したコンデンサ直列回路と、第1，第２の双方向スイッチを２個直列接続した第１の双方向スイッチ直列回路と、第３，第４の双方向スイッチを２個直列接続した第２の双方向スイッチ直列回路と、を交流電源に対して並列に接続し、
前記第１の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第２の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第２の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第１の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記切替スイッチを前記第２の切替接点側に接続したときに前記第１，第２の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第１の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記第１の双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第２の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第５のスイッチを接続したものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した交流−交流変換回路において、前記第５のスイッチを、前記ハーフブリッジ型コンバータを構成するときにオンするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した交流−交流変換回路において、前記第５のスイッチのオン／オフを、温度検出値に基づいて制御するものである。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載した交流−交流変換回路において、前記第５のスイッチのオン／オフを、電流検出値または電流指令値に基づいて制御するものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した交流−交流変換回路において、前記第５のスイッチをオンにした状態で、前記第1の双方向スイッチ直列回路と前記第２の双方向スイッチ直列回路との何れか一方を使用するものである。

本発明によれば、交流−交流変換回路をハーフブリッジ型コンバータとして使用する際に、従来、使用できなかった双方向スイッチ直列回路内の双方向スイッチを使用することができるようになり、交流電源から流入する電流容量の増大、電流分担による温度上昇の低減や分散が可能になる。また、一方の双方向スイッチ直列回路に責務が集中するのを防ぎ、素子や回路の損耗を防いで装置の長寿命化を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。本発明の第２実施形態を示す回路図である。本発明の第３実施形態を示す回路図である。本発明の第４実施形態を示す回路図である。従来技術を示す回路図（図５（ａ））及びその動作波形図（図５（ｂ））である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る交流−交流変換回路の回路図であり、請求項１，２に係る発明に相当する。図１において、図５（ａ）と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付してあり、以下では図５（ａ）と異なる部分を中心に説明する。

すなわち、図１の第１実施形態では、第１，第２の双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２からなる第１の双方向スイッチ直列回路の接続点と、第３，第４の双方向スイッチＳ_３，Ｓ_４からなる第２の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第５のスイッチＳ_５が接続されている。
このような構成において、図５（ａ）と同様に切替スイッチＳ_０を第１の切替接点ａ側に接続してハーフブリッジ型コンバータを構成する場合には、スイッチＳ_５をオンすることにより、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_３を互いに並列に接続し、かつ、双方向スイッチＳ_２，Ｓ_４を互いに並列に接続することができる。つまり、図５（ａ）においてハーフブリッジ型コンバータを構成した際の双方向スイッチＳ_１の機能を、図１では並列接続された双方向スイッチＳ_１，Ｓ_３により分担し、同じく図５（ａ）における双方向スイッチＳ_２の機能を、図１では並列接続された双方向スイッチＳ_２，Ｓ_４により分担することとなる。

このため、
（１）双方向スイッチが並列接続される分だけ、交流電源から流入する電流容量が増大する、
（２）並列接続される双方向スイッチが電流を分担することにより、個々の双方向スイッチの温度上昇を抑制、分散する、
（３）スイッチングパターンを調整して第１，第２の双方向スイッチ直列回路を交互に使用することにより、個々の双方向スイッチの使用頻度や責務を平準化させて装置の寿命を延長させる、
等の作用効果を得ることができる。
なお、交流電源電圧の大きさに応じて切替スイッチＳ_０を切り替えることにより、フルブリッジ型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータとして動作させる点は、図５（ａ）の従来技術と同様であるため、重複を避けるために説明を省略する。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図であり、請求項３に係る発明に相当する。
この第２実施形態は、図１の回路に、温度検出回路１０と、第５のスイッチＳ_５に対するオン／オフ制御信号生成回路２０とを追加したものである。ここで、温度検出回路１０は、例えば双方向スイッチＳ_１〜Ｓ_４の近傍やケーシング等の温度を検出するものであり、その温度検出値に基づいて、生成回路２０がスイッチＳ_５に対するオン／オフ制御信号を生成する。

上記構成によれば、例えば装置温度が低い場合には生成回路２０を介してスイッチＳ_５をオフ状態にすることにより、図５（ａ）の従来技術と同様の回路を構成することができる。このとき、切替スイッチＳ_０を第１の切替接点ａ側に接続すればコンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列回路と双方向スイッチＳ_１，Ｓ_２の直列回路とからなるハーフブリッジ型コンバータが構成され、第１，第２の双方向スイッチ直列回路が並列接続された場合に比べて、電流バランスの調整やゲートパルス供給に伴う煩雑さを解消また低減することができる。

また、装置温度が高い場合には、生成回路２０を介してスイッチＳ_５をオン状態にすることにより、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_３が互いに並列に接続され、かつ、双方向スイッチＳ_２，Ｓ_４が互いに並列に接続されることになる。このため、例えば双方向スイッチＳ_１に流れていた電流が双方向スイッチＳ_３にも分流するので、熱分散が可能になり、装置温度を低下させることができる。
従って、この実施形態によれば、温度検出値に応じてスイッチＳ_５のオン／オフを切り替えることにより、必要な時だけ、双方向スイッチＳ_１，Ｓ_３の並列回路及び双方向スイッチＳ_２，Ｓ_４の並列回路を構成することができ、より効率的な動作が可能となる。

図３は、本発明の第３実施形態を示す回路図であり、請求項４に係る発明に相当する。
この第３実施形態は、図２における温度検出回路１０に代えて電流検出回路３０を接続したものであり、電流検出値に基づいて生成回路２０が第５のスイッチＳ_５をオンまたはオフさせるオン／オフ制御信号を生成する。
電流値と温度上昇値とはほぼ比例関係にあると考えられるので、温度検出値の代わりに電流検出値を用いても、第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。ここで、電流の検出箇所は特に限定されず、高圧変圧器ＴＲの一次側または二次側の電流値、あるいは、装置の最終出力段の直流出力電流値でも良い。
また、電流検出値の代わりに電流指令値を用いても良い。

次に、図４は、本発明の第４実施形態を示す回路図であり、請求項５に係る発明に相当する。
この第４実施形態は、双方向スイッチＳ_１〜Ｓ_４を駆動するための制御回路４０の構成に特徴がある。すなわち、制御回路４０は、双方向スイッチＳ_１〜Ｓ_４を構成する各素子（単方向スイッチＳ_１ａ〜Ｓ_４ｂ）のオンパルス出力積算時間演算回路４１と、各素子のオンパルス出力積算時間に基づいて第１，第２の双方向スイッチ直列回路のうち何れを使用するかを決定する各素子出力切替信号生成回路４３と、各素子のスイッチングパターンを生成する各素子パルスパターン生成回路４２と、各素子出力切替信号生成回路４３の出力と各素子パルスパターン生成回路４２の出力とから各素子の最終的なパルスパターンを出力する各素子最終パルスパターン生成回路４４と、を備えている。

この実施形態によれば、本回路をハーフブリッジ型コンバータとして動作させる場合に、各素子オンパルス出力積算時間演算回路４１により演算した各素子のこれまでの出力積算時間に基づき、各素子出力切替信号生成回路４３が、使用頻度の低い双方向スイッチ直列回路内の素子を選択してこれに切り替えるための切替信号を出力する。そして、各素子パルスパターン生成回路４２及び各素子最終パルスパターン生成回路４４により、前記選択された素子に対するパルスパターンを生成してこれらの素子を駆動することが可能になる。
よって、二つの双方向スイッチ直列回路の責務をバランスさせることができ、結果的に回路や装置全体の長寿命化が可能になる。
なお、この第４実施形態は、第２実施形態または第３実施形態と併用しても良い。

本発明は、例えば商用電源電圧を高周波交流電圧に変換して負荷に供給する各種の交流電源装置として利用することができる。また、交流−交流変換後の変圧器の二次側電圧を整流・平滑して蓄電池等の直流負荷に供給する直流電源装置、充電器等への応用も勿論可能である。

Ｖ_ｉ：交流電源
Ｃ_１，Ｃ_２：コンデンサ
Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４：双方向スイッチ
Ｓ_１ａ，Ｓ_１ｂ，Ｓ_２ａ，Ｓ_２ｂ，Ｓ_３ａ，Ｓ_３ｂ，Ｓ_４ａ，Ｓ_４ｂ：単方向スイッチ
Ｓ_５：スイッチ
Ｓ_０：切替スイッチ
ａ，ｂ：切替接点
ｃ：共通接点
ＤＲ：整流回路
Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，Ｄ_４：ダイオード
Ｆ：フィルタ回路
Ｌ_ｏ：リアクトル
Ｃ_ｏ：平滑コンデンサ
ＬＤ：直流負荷
１０：温度検出回路
２０：Ｓ_５オン／オフ制御信号生成回路
３０：電流検出回路
４０：制御回路
４１：各素子オンパルス出力積算時間演算回路
４２：各素子パルスパターン生成回路
４３：各素子出力切替信号生成回路
４４：各素子最終パルスパターン生成回路

Claims

コンデンサを２個直列接続したコンデンサ直列回路と、第1，第２の双方向スイッチを２個直列接続した第１の双方向スイッチ直列回路と、第３，第４の双方向スイッチを２個直列接続した第２の双方向スイッチ直列回路と、を交流電源に対して並列に接続し、
前記第１の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第２の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第２の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第１の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記切替スイッチを前記第２の切替接点側に接続したときに前記第１，第２の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第１の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記第１の双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第２の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第５のスイッチを接続したことを特徴とする交流−交流変換回路。
請求項１に記載した交流−交流変換回路において、
前記第５のスイッチを、前記ハーフブリッジ型コンバータを構成するときにオンすることを特徴とする交流−交流変換回路。
請求項１または２に記載した交流−交流変換回路において、
前記第５のスイッチのオン／オフを、温度検出値に基づいて制御することを特徴とする交流−交流変換回路。
請求項１または２に記載した交流−交流変換回路において、
前記第５のスイッチのオン／オフを、電流検出値または電流指令値に基づいて制御することを特徴とする交流−交流変換回路。
請求項１〜４の何れか１項に記載した交流−交流変換回路において、
前記第５のスイッチをオンにした状態で、前記第1の双方向スイッチ直列回路と前記第２の双方向スイッチ直列回路との何れか一方を使用することを特徴とする交流−交流変換回路。