JP2013128373A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1、第2チョッパ回路15、16に対し、第1要素であるダイオードDa1、第2要素であるコンデンサCaおよび第3要素であるダイオードDa2からなる第1ターンオフスナバ回路17を備える。IGBTQ1がターンオフする時にIGBTQ2がオンの状態となるようにゲート信号S1、S2を制御する。IGBTQ1、Q2がオンした状態からIGBTQ1がターンオフすると、ダイオードDa1を介してコンデンサCaが充電される。IGBTQ2がターンオフすると、ダイオードDa2を介してコンデンサCaが放電される。これによりコンデンサCaに蓄えられたスナバエネルギーが負荷3に回生される。
【選択図】図1
Description
(1)並列接続されたチョッパ回路の対称性から、MOSトランジスタQ1、Q2のデューティ比が50%でなくてはならず、昇圧比は2に固定される。
(2)リアクトルL1、L2の電流が0以下に低下する期間が必要であるため、チョッパ回路は電流境界モードで駆動することが必要である。しかし、電流境界モードは、出力電力が大きくなるにつれてリアクトルL1、L2のリップル電流が増大する特徴があるため、入力電流のリップルが増大し易く並列接続の利点を損なう恐れがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、並列接続された複数のチョッパ回路が広範な昇圧比および電流連続モードで動作してもスナバエネルギーを回生することができるターンオフスナバ回路を備えた電力変換装置を提供することにある。
請求項17に記載した手段によれば、第1要素および第3要素はダイオードから構成され、第2要素はコンデンサから構成されている。
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図4を参照しながら説明する。
図1に示す単方向の昇圧コンバータ11は、直流電源2から入力した電圧Vinをより高い電圧Voutまで昇圧し、高電位側電源線12と低電位側電源線13を介して負荷3に対し出力する電力変換装置である。低電位側電源線13はグランド線である。入力電源線14と低電位側電源線13との間には入力コンデンサCiが接続されており、高電位側電源線12と低電位側電源線13との間には出力コンデンサCoが接続されている。
D=(Vout−Vin)/Vout=1−1/(Vout/Vin) …(1)
次に、第2の実施形態について図5および図6を参照しながら説明する。図5に示す単方向の降圧コンバータ21は、例えば直流モータからなる負荷3が発電した電圧Voutを入力して電圧Vinまで降圧し、例えばバッテリからなる直流電源2を充電する電力変換装置である。
D=1/(Vout/Vin) …(2)
次に、第3の実施形態について図7および図8を参照しながら説明する。図7に示す単方向の昇圧コンバータ31は、図1に示した2相の昇圧コンバータ11を3相に変更したものである。チョッパ回路32は、中間ノードn11に接続されたダイオードD11、IGBTQ11およびリアクトルL1から構成されている。チョッパ回路33は、中間ノードn12に接続されたダイオードD12、IGBTQ12およびリアクトルL2から構成されている。チョッパ回路34は、中間ノードn13に接続されたダイオードD13、IGBTQ13およびリアクトルL3から構成されている。ここで、IGBTQ11、Q12、Q13は半導体スイッチに相当し、それぞれ同一パッケージ内に逆並列ダイオードDp11、Dp12、Dp13が設けられている。
次に、第4の実施形態について図9ないし図11を参照しながら説明する。図9に示す双方向のコンバータ41は、例えば車両のハイブリッドシステムに用いられている。高電位側電源線12と低電位側電源線13との間には、同一構成を有する2つのチョッパ回路42、43が並列に接続されている。
次に、第5の実施形態について図12を参照しながら説明する。図12に示す双方向のコンバータ51は、2つのチョッパ回路42、43、第1ターンオフスナバ回路47および第2ターンオフスナバ回路52を備えている。第1ターンオフスナバ回路47は、第4の実施形態で説明したものである(図11参照)。第2ターンオフスナバ回路52は、そのブランチAにダイオードDb1と直列に逆導通性スイッチであるIGBTQ7を備えている。ダイオードDb1とIGBTQ7との直列接続回路は要素1に相当する。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
第4の実施形態では双方向コンバータの第1ターンオフスナバ回路45、47にそれぞれIGBTQ5、Q6を設けたが、双方向コンバータに第2ターンオフスナバ回路を備えているときには、同様にしてブランチA〜Fの何れか1箇所にスイッチ回路を設ければよい。ブランチEまたはFにコンデンサCbと直列にIGBTを設ける場合、当該IGBTがオフの状態においてコンデンサCbとダイオードDb2とからなる電流経路において何れの向きにも電流が流れないように当該IGBTを配置すると、第2チョッパ回路のリアクトル電流が切り替わる瞬間にコンデンサCbの短絡が発生する可能性が回避できるので、効率の観点でより好ましい。ただし、電流の切り替わり頻度が著しく低い場合など、この問題を許容しうる場合にはそれに限らない。
Claims (17)
- 半導体スイッチが中間ノードを挟んで直列に接続され、その中間ノードに磁気部品の巻線が接続されて構成される複数のチョッパ回路が、高電位側電源線と低電位側電源線との間に並列に接続された電力変換装置であって、
前記複数のチョッパ回路のうちの1つを第1チョッパ回路、他の1つを第2チョッパ回路として組み合わせたときの1組以上について、それぞれ第1ターンオフスナバ回路および第2ターンオフスナバ回路の何れか一方または両方を備え、
前記第1ターンオフスナバ回路は、
前記第1チョッパ回路の中間ノードと当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードとの間に設けられ、前記第1チョッパ回路の中間ノードから当該内部ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第1要素と、
当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記第2チョッパ回路の中間ノードとの間に設けられ、電荷を蓄積可能な第2要素と、
当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記高電位側電源線との間に設けられ、当該内部ノードから前記高電位側電源線に向かう一方向にのみ電流を流し得る第3要素とを備え、
前記第2ターンオフスナバ回路は、
前記第1チョッパ回路の中間ノードと当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードとの間に設けられ、当該内部ノードから前記第1チョッパ回路の中間ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第1要素と、
当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記第2チョッパ回路の中間ノードとの間に設けられ、電荷を蓄積可能な第2要素と、
当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記低電位側電源線との間に設けられ、前記低電位側電源線から当該内部ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第3要素とを備え、
前記第1チョッパ回路の低電位側の半導体スイッチがターンオフする時に前記第2チョッパ回路の低電位側の半導体スイッチがオンしている動作モードもしくは、前記第1チョッパ回路の高電位側の半導体スイッチがターンオフする時に前記第2チョッパ回路の高電位側の半導体スイッチがオンしている動作モードが存在することを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成され、
前記第2要素は、コンデンサまたはコンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成され、
前記第3要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成されていることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記逆阻止性を有するスイッチは、ダイオードと逆導通性を有する半導体スイッチの直列接続回路から構成され、
前記逆導通性を有するスイッチは、逆導通性を有する半導体スイッチから構成されていることを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記第2要素がコンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成されている場合、その逆導通性を有するスイッチは、オフの状態において前記第2要素と前記第3要素とからなる電流経路において何れの向きにも電流が流れないように設けられていることを特徴とする請求項2または3記載の電力変換装置。
- 前記第1ターンオフスナバ回路および前記第2ターンオフスナバ回路は、それぞれ前記第1要素、第2要素および第3要素を合わせた中に1つのスイッチ回路を備えていることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記第1ターンオフスナバ回路の前記第2要素は、コンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成され、その逆導通性を有するスイッチの一端は前記第2チョッパ回路の中間ノードに接続されており、
前記第2ターンオフスナバ回路の前記第1要素は、逆阻止性を有する半導体スイッチもしくはダイオードと逆導通性を有する半導体スイッチの直列接続回路から構成され、その半導体スイッチの一端は前記第1チョッパ回路の中間ノードに接続されていることを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。 - 前記第1ターンオフスナバ回路のスイッチ回路は、前記第1チョッパ回路および前記第2チョッパ回路の各半導体スイッチがそれぞれターンオフするときに前記磁気部品の巻線から各中間ノードに電流が流れ込む場合を除きオフに制御され、
前記第2ターンオフスナバ回路のスイッチ回路は、前記第1チョッパ回路および前記第2チョッパ回路の各半導体スイッチがそれぞれターンオフするときに各中間ノードから前記磁気部品の巻線に電流が流れ出す場合を除きオフに制御されることを特徴とする請求項5または6記載の電力変換装置。 - ダイオードと半導体スイッチが逆向きの通電方向となるように中間ノードを挟んで直列に接続され、その中間ノードに磁気部品の巻線が接続されて構成される複数のチョッパ回路が、高電位側電源線と低電位側電源線との間に高電位側にダイオードが配されるように並列に接続された電力変換装置であって、
前記複数のチョッパ回路のうちの1つを第1チョッパ回路、他の1つを第2チョッパ回路として組み合わせたときの1組以上について、それぞれ第1ターンオフスナバ回路を備え、
前記第1ターンオフスナバ回路は、
前記第1チョッパ回路の中間ノードと当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードとの間に設けられ、前記第1チョッパ回路の中間ノードから当該内部ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第1要素と、
当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記第2チョッパ回路の中間ノードとの間に設けられ、電荷を蓄積可能な第2要素と、
当該第1ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記高電位側電源線との間に設けられ、当該内部ノードから前記高電位側電源線に向かう一方向にのみ電流を流し得る第3要素とを備え、
前記第1チョッパ回路の半導体スイッチがターンオフする時に前記第2チョッパ回路の半導体スイッチがオンしている動作モードが存在することを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1ターンオフスナバ回路は、前記第1要素、第2要素および第3要素の少なくとも1つにスイッチ回路を備えており、
前記第1要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成され、
前記第2要素は、コンデンサまたはコンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成され、
前記第3要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成されていることを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。 - 前記第1ターンオフスナバ回路の前記第2要素は、コンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成され、その逆導通性を有するスイッチの一端は前記第2チョッパ回路の中間ノードに接続されていることを特徴とする請求項9記載の電力変換装置。
- 前記第1ターンオフスナバ回路のスイッチ回路は、前記第1チョッパ回路および前記第2チョッパ回路の各半導体スイッチがそれぞれターンオフするときに前記磁気部品の巻線から各中間ノードに電流が流れ込む場合を除きオフに制御されることを特徴とする請求項9または10記載の電力変換装置。
- 半導体スイッチとダイオードが逆向きの通電方向となるように中間ノードを挟んで直列に接続され、その中間ノードに磁気部品の巻線が接続されて構成される複数のチョッパ回路が、高電位側電源線と低電位側電源線との間に低電位側にダイオードが配されるように並列に接続された電力変換装置であって、
前記複数のチョッパ回路のうちの1つを第1チョッパ回路、他の1つを第2チョッパ回路として組み合わせたときの1組以上について、それぞれ第2ターンオフスナバ回路を備え、
前記第2ターンオフスナバ回路は、
前記第1チョッパ回路の中間ノードと当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードとの間に設けられ、当該内部ノードから前記第1チョッパ回路の中間ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第1要素と、
当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記第2チョッパ回路の中間ノードとの間に設けられ、電荷を蓄積可能な第2要素と、
当該第2ターンオフスナバ回路の内部ノードと前記低電位側電源線との間に設けられ、前記低電位側電源線から当該内部ノードに向かう一方向にのみ電流を流し得る第3要素とを備え、
前記第1チョッパ回路の半導体スイッチがターンオフする時に前記第2チョッパ回路の半導体スイッチがオンしている動作モードが存在することを特徴とする電力変換装置。 - 前記第2ターンオフスナバ回路は、前記第1要素、第2要素および第3要素の少なくとも1つにスイッチ回路を備えており、
前記第1要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成され、
前記第2要素は、コンデンサまたはコンデンサと逆導通性を有するスイッチとの直列接続回路から構成され、
前記第3要素は、ダイオードまたは逆阻止性を有するスイッチから構成されていることを特徴とする請求項12記載の電力変換装置。 - 前記第2ターンオフスナバ回路の前記第1要素は、逆阻止性を有する半導体スイッチもしくはダイオードと逆導通性を有する半導体スイッチの直列接続回路から構成され、その半導体スイッチの一端は前記第1チョッパ回路の中間ノードに接続されていることを特徴とする請求項13に記載の電力変換装置。
- 前記第2ターンオフスナバ回路のスイッチ回路は、前記第1チョッパ回路および前記第2チョッパ回路の各半導体スイッチがそれぞれターンオフするときに各中間ノードから前記磁気部品の巻線に電流が流れ出す場合を除きオフに制御されることを特徴とする請求項13または14に記載の電力変換装置。
- 前記第1チョッパ回路と前記第2チョッパ回路のうち少なくとも一方のチョッパ回路は、ダイオードに替えて半導体スイッチを備えていることを特徴とする請求項8ないし15の何れかに記載の電力変換装置。
- 前記第1要素および前記第3要素はダイオードから構成され、
前記第2要素はコンデンサから構成されていることを特徴とする請求項2、8および12の何れかに記載の電力変換装置。
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