JP2013243874A - フルブリッジ電力変換装置 - Google Patents
フルブリッジ電力変換装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013243874A JP2013243874A JP2012116202A JP2012116202A JP2013243874A JP 2013243874 A JP2013243874 A JP 2013243874A JP 2012116202 A JP2012116202 A JP 2012116202A JP 2012116202 A JP2012116202 A JP 2012116202A JP 2013243874 A JP2013243874 A JP 2013243874A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- switch element
- output
- state
- switch
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 27
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 71
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 41
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 14
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)-N-[3-oxo-3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)propyl]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C(=O)NCCC(N1CC2=C(CC1)NN=N2)=O VZSRBBMJRBPUNF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
- H02M1/15—Arrangements for reducing ripples from dc input or output using active elements
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/1552—Boost converters exploiting the leakage inductance of a transformer or of an alternator as boost inductor
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
- H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
- H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
【解決手段】スイッチ制御部20は、フルブリッジ回路10を構成する各スイッチ素子のオン・オフ動作を制御する制御信号をスイッチ素子毎に生成して、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12とを交互にオン・オフさせると共にスイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14とを交互にオン・オフさせて、フルブリッジ回路10から負荷21へ供給する供給電流を出力させ、供給電流が出力されない期間に、スイッチ素子(Q1)11及びスイッチ素子(Q3)13を共にオン状態としてフルブリッジ回路10の出力点間第3を接続して慣性電流を流すことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
上記の装置は正弦波の交流電力に相当するパルス出力を行うものであるが、直流電力を出力する場合には、フルブリッジ回路の出力側に整流素子等を備え、また平滑コンデンサを接続挿入して出力電力の平滑化を図っている。
このような電力変換措置は、フルブリッジ回路においてスイッチングを行う電力が大きい場合や出力端に接続される負荷が重い場合には、相当のリップル成分が出力電流に含まれる。このようなリップル電流を除去するために上記の平滑コンデンサが備えられており、当該平滑コンデンサにはリップル電流を流すための耐量が必要になり、大電力を出力する装置においては大きなリップル電流が流れても、また経年変化についても十分な信頼性のある平滑コンデンサを備える必要がある。
ここで、オンデューティをD、スイッチング周期をT、入力電圧の値をVpとしたとき、
出力電圧Eoは、Eo=(2D−1)Vpとなる。
また、フルブリッジ回路の出力側に接続される平滑インダクタをL、フルブリッジ回路の出力瞬時電圧をVb(t)としたとき、
出力電流Ioは、Io=1/L∫(Vb(t)−Eo)dtとなる。
特に入力側には、直流の出力電流と同じ実効値を有する非常に大きなリップル電流が発生するため、コンデンサの並列数を増大することが必要になり、装置が大型化しコストも大きくなるという問題点があった。
(実施例1)
図1は、この発明の実施例1によるフルブリッジ電力変換装置の概略構成を示す回路図である。図示したフルブリッジ電力変換装置1は、4つのスイッチ素子(Q1)11〜(Q4)14によって構成されるフルブリッジ回路10を備えている。
スイッチ素子(Q1)〜(Q4)14として、nチャネルMOSFETを使用した場合には、スイッチ素子(Q1)11およびスイッチ素子(Q2)13のドレイン同志が接続され、スイッチ素子(Q1)11のソースとスイッチ素子(Q2)12のドレインが接続される。また、スイッチ素子(Q3)13のソースがスイッチ素子(Q4)14のドレインに接続され、スイッチ素子(Q2)12およびスイッチ素子(Q4)14のソース同志が接続される。また、スイッチ素子11〜14の各ゲートは、スイッチ制御部20に各々接続されて、フルブリッジ回路10が構成されている。
ここではMOSFETをスイッチ素子として用いたフルブリッジ回路10を例示して説明するが、フルブリッジ回路10に流れる電流容量、耐圧特性、スイッチング速度などを満足するものであれば、バイポーラトランジスタやIGBTなどをスイッチ素子として使用してもよい。
上記のフルブリッジ回路10の2つの入力点の間には入力電流の平滑を行う入力コンデンサ15が接続される。
スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12との接続点、および、スイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14との接続点は、フルブリッジ回路10の出力点となる。
出力コンデンサ17の両端は、当該フルブリッジ電力変換装置1の出力端子に接続され、この出力端子には負荷21が接続される。
ここでは、フルブリッジ回路10の出力点と負荷21とを接続する出力ラインのうち、一方の出力ラインにのみインダクタ16を直列に挿入(直列接続)しているが、出力ラインの両側にそれぞれインダクタを直列に挿入してもよい。このように2つのインダクタを備える場合には、インダクタ16の他に、図示されない第2のインダクタの一端をスイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14の接続点に接続し、上記の第2のインダクタの他端を出力コンデンサ17の一端に接続する。また、このとき、負荷21は、インダクタ16と出力コンデンサ17との接続点と、第2のインダクタと出力コンデンサ17との接続点の間に接続される。即ち、負荷21は出力コンデンサ17の両端に接続される。
負荷21は、例えば、充電を繰り返すことが可能な二次電池であり、具体的には車両用、ESS(エネルギー貯蔵システム)用などのバッテリーセル、バッテリーモジュール、バッテリーパック等である。
また、負荷21として、他の装置の直流バスなどがフルブリッジ電力変換装置1に接続される。
フルブリッジ回路10の2つの入力点間には、外部から直流の電圧V1が印加される。
フルブリッジ電力変換装置1が負荷21へ電力を供給するとき、スイッチ制御部20は、電圧V1が供給されている状態でスイッチ素子(Q1)11〜(Q4)14のスイッチング動作を後述するように制御し、フルブリッジ回路10の出力点から直流電流を出力させる。
図2は、一般的なスイッチ素子の動作を示す説明図である。この図は、フルブリッジ回路の一般的な動作を例示したもので、当該フルブリッジ回路を構成する4つのスイッチ素子の動作タイミングを示したタイミングチャートである。図中、ハイレベルを示している期間がオン状態、ローレベルを示している期間がオフ状態である。
ここで図示したオン・オフ動作は、図1のスイッチ素子11に相当するスイッチ素子Q1、スイッチ素子12に相当するスイッチ素子Q2、スイッチ素子13に相当するスイッチ素子Q3、スイッチ素子14に相当するスイッチ素子Q4の各動作を表している。
図2(b)は、スイッチ素子Q1のオンデューティを50%よりも大きく制御した場合の各スイッチ素子Q2〜Q4のオン・オフ動作を示している。また、図2(c)は、スイッチ素子Q1のオンデューティを50%よりも小さく制御した場合の各スイッチ素子Q2〜Q4のオン・オフ動作を示している。
負荷21として例えばバッテリーセルをフルブリッジ回路10の出力点間に接続し、当該バッテリーセルの充電と放電を任意の時点(タイミング)で切り替えて行う場合には、フルブリッジ回路10のスイッチング動作を適当に制御して上記の出力点間に生じる電位の高低を反転させ、フルブリッジ回路10からバッテリーセルへ充電電流を流す状態と、バッテリーセルからフルブリッジ回路10へ放電電流を流す状態とを生じさせている。
また、フルブリッジ回路10に接続される負荷の機能や種類に応じて、電流の逆流を防ぐためにフルブリッジ回路10の出力点に整流回路が接続される場合もある。
図3(a)は、各スイッチ素子11〜14のオンデューティを50%とした場合を示している。
また、図3(c)は、スイッチ素子(Q1)11のオンデューティを50%よりも小さくした場合の各スイッチ素子の動作を示している。詳しくは、上記のスイッチ素子(Q1)11と共にスイッチ素子(Q4)14のオンデューティを50%よりも小さくし、スイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q3)13のオンデューティを50%よりも大きくした場合の動作を示している。
なお、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12が共にオン状態となる期間と、スイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14が共にオン状態となる期間は存在しない。また、負荷21へ電力を供給する目的などに応じて、図3(b)に示したスイッチング動作のみを行う場合、図3(c)に示したスイッチング動作のみを行う場合、また図3(b)と図3(c)のスイッチング動作を組み合わせて行う場合などがある。
フルブリッジ回路10が入力V1から出力にエネルギーを伝達するには、例えば図3(b)または図3(c)に示したように、スイッチ素子(Q1)11,(Q2)12と、スイッチ素子(Q3)13,(Q4)14との間において、オンからオフへの遷移タイミング、またはオフからオンへの遷移タイミングのいずれか、あるいは全ての遷移タイミングが同期しないように各スイッチ素子を動作させる。
また、このスイッチング動作では、スイッチ素子(Q1)11およびスイッチ素子(Q3)13のオフ状態からオン状態へ遷移するタイミングを同期させ、さらにスイッチ素子(Q2)12およびスイッチ素子(Q4)14のオン状態からオフ状態へ遷移するタイミングを同期させている。
スイッチ制御部20は、上記のように正電圧を出力する場合には、スイッチ素子(Q1)11のオンデューティをスイッチ素子(Q3)のオンデューティよりも大きくし、後述する負電圧を出力する場合には逆に小さくする。
例えば、各スイッチ素子にnチャネルMOSFETを使用し、図1に示した電圧V1の高電位側電圧をスイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13の接続点(第1入力点)に印加し、また電圧V1の低電位側電圧をスイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q4)14の接続点(第2入力点)に電圧V1の低電位側電圧を印加した場合、図3(b)に示した“伝達期間”のように各スイッチ素子がオン・オフしているときには、スイッチ素子(Q1)11のドレイン側から当該スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12の接続点(フルブリッジ回路10の第1出力点)へ電流が流れ、インダクタ16を介して負荷21へ供給電流が流れる。また、負荷21から帰還する電流がスイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14の接続点(フルブリッジ回路10の第2出力点)へ流れ込み、さらに当該スイッチ素子(Q4)14のソース側へ流れる。
また、スイッチ素子(Q1)11およびスイッチ素子(Q3)13のオフ状態からオン状態へ遷移するタイミングを同期させ、さらにスイッチ素子(Q2)12およびスイッチ素子(Q4)14のオン状態からオフ状態へ遷移するタイミングを同期させている。
スイッチ制御部20は、上記のように各スイッチ素子のスイッチング動作を制御するとき、スイッチ素子(Q3)13のオンデューティを、スイッチ素子(Q1)11のオンデューティよりも大きくしている。このとき、出力電圧は負電圧となる。
上記のように、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13の接続点に電圧V1の高電位側の電圧を印加し、またスイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q4)14の接続点に低電位側の電圧を印加している場合、図3(c)に示した“伝達期間”のように各スイッチ素子がオン・オフしているときには、スイッチ素子(Q3)13のドレイン側から当該スイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14の接続点(フルブリッジ回路10の第2出力点)へ電流が流れ、この接続点から負荷21へ供給電流が流れる。また、負荷21から帰還する電流がインダクタ16を介してスイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12の接続点(フルブリッジ回路10の第1出力点)へ流れ込み、さらに当該スイッチ素子(Q2)12のソース側へ流れる。
また、負荷21としてバッテリーモジュールを接続したときには、出力点間の電圧を60[V]として最大で500[A]の電流を出力する。
また、負荷21としてバッテリーパックを接続したときには、出力点間の電圧を500[V]として最大で500[A]の電流を出力する。
図4(a)は、例えば図1のスイッチ素子(Q1)11のスイッチング動作を示している。図4(b)は、図4(a)に示したスイッチ素子(Q1)11の動作に対応させて、例えばスイッチ素子(Q3)13を図2に示したようにオン・オフさせる動作を表している。図4(c)は、図4(a)のスイッチ素子(Q1)11の動作に対応させて、例えばスイッチ素子(Q3)13を図3に示したようにオン・オフさせる動作を表している。
実施例1のフルブリッジ電力変換装置1においては、上記のようにスイッチ素子(Q3)13のオンデューティを小さくするとき、図4(c)に破線で示したように、オン状態からオフ状態へ遷移するタイミング(立ち下がりのタイミング)を早めた制御信号がスイッチ素子(Q3)13へ出力される。
これに対して、フルブリッジ電力変換装置1では、図4(a)と図4(c)に示したように、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13との間において、また、スイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q4)14との間において、オン状態が重なる期間を発生させるとともに、オフ状態が重なる期間を発生させて慣性電流が流れる期間を設けている。
スイッチ制御部20は、2つの出力点に低電位側の電圧と高電位側の電圧とを選択的に入れ替えて供給し、2つの出力点の電圧極性を反転させる伝達期間と、当該出力点間をショートして0[V]とする休止期間とを設けることにより、+Vo、−Vo、0[V]の3レベルの電圧を制御している。なお、上記のVoは、出力点間に生じる電圧である。
図5(a)は、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13がオン状態になり、スイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q4)14がオフ状態になっているときに流れる、インダクタ16による慣性電流を示している。また、図5(b)は、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13がオフ状態になり、スイッチ素子(Q2)12とスイッチ素子(Q4)14がオン状態になっているときに流れる、インダクタ16による慣性電流を示している。
図中、破線の矢印で示した慣性電流は、インダクタ16において発生して負荷21の一端へ流れ、負荷21の他端からスイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14とが接続された、フルブリッジ回路10の第2出力点へ流れ込み、オン状態のスイッチ素子(Q3)13の接点間を流れる。さらにオン状態のスイッチ素子(Q1)11の接点間を流れて、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12とが接続されている第1出力点に達する。そして、第1出力点からインダクタ16へ流れる。
図中、破線の矢印で示した慣性電流は、インダクタ16から負荷21の一端へ流れ込み、負荷21の他端からスイッチ素子(Q3)13とスイッチ素子(Q4)14とが接続されている第2出力点へ流れ込み、オン状態のスイッチ素子(Q4)14の接点間を流れ、さらにオン状態のスイッチ素子(Q2)12の接点間を流れてスイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q2)12とが接続されている第1出力点に達する。そして、第1出力点からインダクタ16へ流れる。
図6に示した各状態は、ハイレベルの部分がオン状態を表し、ローレベルの部分がオフ状態を表している。
また、状態遷移Aは例えばスイッチ素子(Q1)11のオン・オフ動作を表し、状態遷移Bはスイッチ素子(Q3)13のオン・オフ動作を表している。状態遷移Aと状態遷移Bは、スイッチ素子(Q1)11とスイッチ素子(Q3)13のオン・オフ状態が反転して遷移することを表している。
図6(a)に例示したスイッチング動作は、各スイッチ素子がオン状態からオフ状態へ遷移する際、またはオフ状態からオン状態へ遷移する際に生じる遅延時間(前述のデッドタイム)は微小であり、「0」とみなしてよい程度である。ここで、状態遷移Aの中でローレベルになっている期間と、状態遷移Bの中でハイレベルになっている期間をそれぞれTmとしたとき、期間Tdを「0」とみなすことにより、ドライブ重なり率RdはTd/Tm=0になり、図5に示した慣性電流が流れる期間は生じない。
図6(b)は、実施例1によるフルブリッジ回路10のスイッチング動作の一例を示している。図6(a)と同様に、図6(b)の状態遷移Aは例えばスイッチ素子(Q1)11の動作パターンを表すもので、状態遷移Bはスイッチ素子(Q3)13の動作パターンを表すものである。
このように入力電圧(電圧V1)をスイッチングして電流を出力する期間を抑えてリップル成分の大きさを抑制し、また、電流出力を行わない期間に慣性電流を流し、負荷21へ流れ込む直流電流を維持する。
また、電流が出力されるオンデューティを“D”としたとき、ドライブ重なり率Rdを100%(Td=Tm)とした動作では、リップル電流の実効値IrmsはI×(1−2D)に比例したものになる。
入力コンデンサ15(平滑コンデンサ)においては、従来のようにRd=0%で動作するとリップル耐量が360[A]必要となる場合でも、Rd=100%で動作させることにより、36[A]程度のリップル耐量を有するものでも使用することが可能になる。
図7(a)は、図2(a)に示したスイッチング動作を行った場合の、入力電圧および出力電流を示し、図7(b)は、例えば図3(b)に示したスイッチング動作を行った場合の入力電圧および出力電流を示している。
図3(b)に例示したスイッチング動作では、電圧V1を用いて電流が出力される期間(図中ハイレベルの期間)は、当該電流が出力されない期間(図中ローレベルの期間)に比べて短い。即ち、リップル電流が増加する期間を短く抑えているので、図7(b)に示した出力電流のように、図7(a)に示したものに比べてピーク値が小さいリップル電流が発生する。
また、図3(c)に示したスイッチング動作においても、図3(b)に示したスイッチング動作と同様にリップル電流が増加する期間を短く抑えているので、図7(b)に示した出力電流のようにピーク値の小さなリップル電流が発生する。
上記のようにフルブリッジ回路10が動作するとき、負荷21として、例えばバッテリーセルなどの2次電池を接続した場合には、フルブリッジ電力変換装置1から負荷21へ電流を供給して充電を行うことができる。この場合には、例えば、フルブリッジ回路10の第1出力点に負荷21(2次電池)の高電位側電極を接続し、第2出力点に負荷21の低電位側電極を接続する。そして、フルブリッジ回路10の第1および第2入力点の間に、前述のように電圧V1入力して、フルブリッジ電力変換装置1から充電電流を出力する。
負荷21(2次電池)からフルブリッジ電力変換装置1へ放電電流を流す場合には、例えば負荷21(2次電池)の高電位側の電極をフルブリッジ回路10の第1出力点に接続し、また負荷21(2次電池)の低電位側の電極をフルブリッジ回路10の第2出力点に接続する。
このように負荷21(2次電池)とフルブリッジ回路10が接続されているときに、例えば図3(b)に示したスイッチング動作を行い、フルブリッジ回路10の第1入力点に高電位側の電圧を生じさせ、第2入力点に低電位側の電圧を生じさせて、第1入力点と第2入力点の間に接続された例えば他の負荷に、負荷21(2次電池)から放出された電力を供給する。
フルブリッジ電力変換装置1の出力電流Ioは、
Io=1/L∫{Vb(t)−Eo}dt+Ii ・・・(1)
(ここで、Iiは積分定数:出力電流の初期値、Lはインダクタ16のインダクタンス)という(1)式で表され、フルブリッジ回路10の出力瞬時電圧Vb(t)の積分にて与えられる。
フルブリッジ電力変換装置1の出力電圧Eoは、
Eo=V1(2D−1) ・・・(2)
という(2)式で表され、フルブリッジ回路10の動作におけるデューティ比(オンデューティ)の値Dは1次式で与えられる。オンデューティが50%以上では正の電圧となり、50%以下になると負の電圧になる。このように、フルブリッジ電力変換装置1が制御する電圧範囲は正負に及ぶ。
詳しい説明を省略したが、図2、図3のドライブロジックの違いによらず、出力電流電圧極性の各象限において回路動作が可能であるが、上記の図2,3にそれぞれ示した3つの技術(図中の(a),(b),(c))はどの象限においても入力側と出力側のリップル電流を低減することが可能である。
負荷21として2次電池を前述のようにフルブリッジ電力変換装置1に接続しているとき、図3(c)に示したスイッチング動作を行って負荷21(2次電池)に負電圧を印加し、例えば放電特性を測定することができる。また、負荷21(2次電池)を活性化させるときには、初めに図3(c)に示したスイッチング動作を行って負電圧を印加してから、正電圧を印加して(図3(b)のスイッチング動作を行って)充電を行う。
また、フルブリッジ回路10の入力側に発生するリップル電流を小さく抑えることができ、リップル耐量の小さい入力コンデンサ15を使用することが可能になり、さらには周辺回路のコストの抑制、電力ロスの低減による効率化、装置の小型化、などを図ることができる。
実施例1によるフルブリッジ電力変換装置1では、フルブリッジ回路10のスイッチ素子がオン状態に遷移するタイミングや、オフ状態に遷移するタイミングを基準にして、各スイッチ素子のオン状態やオフ状態が重なるように制御している。
各スイッチ素子のスイッチング動作を制御するとき、オン制御期間の中心時点、またオフ制御期間の中心時点を基準にした場合においても、実施例1で説明したように各スイッチ素子のオン状態やオフ状態を重ねることができ、発生するリップル電流を小さく抑えることができる。
また、実施例2によるフルブリッジ電力変換装置は、実施例1で説明したものと概ね同様に動作する。ここでは、実施例1で説明した動作と同様な部分について重複説明を省略し、実施例2のフルブリッジ電力変換装置の特徴となる動作を説明する。
図8(a)に示したスイッチング動作と図8(b)に示したスイッチング動作は、各オン状態の期間の中心時点、ならびにオフ状態の期間の中心時点を基準に同期させたものである。
実施例2のスイッチ制御部20は、オン状態の期間ならびにオフ状態の期間の中心時点を基準にして、図中破線で示したように各遷移タイミングを、遅延または早めることにより、実施例1で説明した“伝達期間”を設け、また、“休止期間”に慣性電流が流れる期間を設けて、各スイッチ素子のスイッチング動作を制御する。
詳しくは、オン状態の期間ならびにオフ状態の期間の中心時点を固定しておき、オン状態からオフ状態へ遷移するタイミングを遅らせている。また、オフからオンへ遷移するタイミングを早めている。
図8(b)に示したスイッチング動作では、オン状態とする期間を短縮するとともに、オフ状態とする期間を長くしてオンデューティを50%未満とし、オフデューティを50%よりも大きくしている。
詳しくは、オン状態の期間ならびにオフ状態の期間の中心時点を固定しておき、オフ状態からオン状態へ遷移するタイミングを遅らせている。また、オン状態からオフ状態へ遷移するタイミングを早めている。
また、各スイッチ素子のスイッチングスピードの差異やばらつきなどの影響を小さくして、高い精度で所望のドライブ重なり率Rdを有するスイッチング動作を行うことができる。
10フルブリッジ回路
11,12,13,14スイッチ素子
15入力コンデンサ
16インダクタ
17出力コンデンサ
20スイッチ制御部
21負荷
上記の装置は正弦波の交流電力に相当するパルス出力を行うものであるが、直流電力を出力する場合には、フルブリッジ回路の出力側に整流素子等を備え、また平滑コンデンサを接続挿入して出力電力の平滑化を図っている。
このような電力変換装置は、フルブリッジ回路においてスイッチングを行う電力が大きい場合や出力端に接続される負荷が重い場合には、相当のリップル成分が出力電流に含まれる。このようなリップル電流を除去するために上記の平滑コンデンサが備えられており、当該平滑コンデンサにはリップル電流を流すための耐量が必要になり、大電力を出力する装置においては大きなリップル電流が流れても、また経年変化についても十分な信頼性のある平滑コンデンサを備える必要がある。
スイッチ素子(Q1)11〜(Q4)14として、nチャネルMOSFETを使用した場合には、スイッチ素子(Q1)11およびスイッチ素子(Q3)13のドレイン同志が接続され、スイッチ素子(Q1)11のソースとスイッチ素子(Q2)12のドレインが接続される。また、スイッチ素子(Q3)13のソースがスイッチ素子(Q4)14のドレインに接続され、スイッチ素子(Q2)12およびスイッチ素子(Q4)14のソース同志が接続される。また、スイッチ素子11〜14の各ゲートは、スイッチ制御部20に各々接続されて、フルブリッジ回路10が構成されている。
上記のようにフルブリッジ回路10が動作するとき、負荷21として、例えばバッテリーセルなどの2次電池を接続した場合には、フルブリッジ電力変換装置1から負荷21へ電流を供給して充電を行うことができる。この場合には、例えば、フルブリッジ回路10の第1出力点に負荷21(2次電池)の高電位側電極を接続し、第2出力点に負荷21の低電位側電極を接続する。そして、フルブリッジ回路10の第1および第2入力点の間に、前述のように電圧V1を入力して、フルブリッジ電力変換装置1から充電電流を出力する。
Claims (4)
- 第1スイッチ素子の一端と第2スイッチ素子の一端とを直列接続し、第3スイッチ素子の一端と第4スイッチ素子の一端とを直列接続し、前記直列接続された第1及び第2スイッチ素子と前記直列接続された第3及び第4スイッチ素子とを並列接続してなるフルブリッジ回路と、
前記第1スイッチ素子から前記第4スイッチ素子のオン・オフ動作を各々制御するスイッチ制御部と、
前記第1スイッチ素子の他端と第3スイッチ素子の他端とを接続する第1接続点、及び、前記第2スイッチ素子の他端と第4スイッチ素子の他端とを接続する第2接続点、の間に接続された入力コンデンサと、
前記第1スイッチ素子の一端と第2スイッチ素子の一端とを接続する第3接続点に一端を接続する第1インダクタと、
前記第1インダクタの他端に一端を接続し、前記第3スイッチ素子の一端と第4スイッチ素子の一端とを接続する第4接続点に他端を接続する出力コンデンサと、
を備え、
前記第1接続点と第2接続点との間に直流電圧が入力され、前記出力コンデンサの両端に負荷が接続されたとき、
前記スイッチ制御部は、
各スイッチ素子のオン・オフ動作を制御する制御信号をスイッチ素子毎に生成して、
前記第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを交互にオン・オフさせると共に前記第3スイッチ素子と第4スイッチ素子とを交互にオン・オフさせて、前記フルブリッジ回路から前記負荷へ供給する供給電流を出力させ、
前記供給電流が出力されない期間に、前記第1スイッチ素子及び第3スイッチ素子を共にオン状態として前記第3接続点と第4接続点との間を接続して慣性電流を流す、
ことを特徴とするフルブリッジ電力変換装置。 - 前記スイッチ制御部は、
前記第1スイッチ素子と前記第3スイッチ素子のうちで、オン状態となる時間幅が狭い方の該時間幅をTm、オン状態の時間幅が広い方のスイッチ素子のオン・オフ状態と前記オン状態の時間幅が狭い方のスイッチ素子のオン・オフ状態とが同一になる重なり期間をTd、前記時間幅Tmに対する前記重なり期間Tdの割合を示すドライブ重なり率をRd=(Td/Tm)×100%としたとき、前記ドライブ重なり率Rdが50%以上100%以下となるように前記各スイッチ素子の動作を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載のフルブリッジ電力変換装置。 - 前記スイッチ制御部は、
スイッチ素子をオン状態とする期間の中心時点、ならびにオフ状態とする期間の中心時点を基準にしてスイッチング動作の遷移タイミングを定める、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のフルブリッジ電力変換装置。 - 前記第4接続点と前記出力コンデンサの他端との間に直列接続された第2インダクタをさらに備える
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のフルブリッジ電力変換装置。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012116202A JP5250818B1 (ja) | 2012-05-22 | 2012-05-22 | フルブリッジ電力変換装置 |
CN201380001115.6A CN103718444A (zh) | 2012-05-22 | 2013-04-15 | 全桥电力变换装置 |
US14/130,216 US20140133206A1 (en) | 2012-05-22 | 2013-04-15 | Full-bridge power converter |
EP13794292.6A EP2854273A4 (en) | 2012-05-22 | 2013-04-15 | FULL BRIDGE CURRENT TRANSFORMERS |
PCT/JP2013/061692 WO2013175915A1 (ja) | 2012-05-22 | 2013-04-15 | フルブリッジ電力変換装置 |
KR1020137027264A KR20150014349A (ko) | 2012-05-22 | 2013-04-15 | 풀브릿지 전력 변환 장치 |
TW102115378A TW201409918A (zh) | 2012-05-22 | 2013-04-30 | 全橋電力變換裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012116202A JP5250818B1 (ja) | 2012-05-22 | 2012-05-22 | フルブリッジ電力変換装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP5250818B1 JP5250818B1 (ja) | 2013-07-31 |
JP2013243874A true JP2013243874A (ja) | 2013-12-05 |
Family
ID=49041925
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012116202A Active JP5250818B1 (ja) | 2012-05-22 | 2012-05-22 | フルブリッジ電力変換装置 |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20140133206A1 (ja) |
EP (1) | EP2854273A4 (ja) |
JP (1) | JP5250818B1 (ja) |
KR (1) | KR20150014349A (ja) |
CN (1) | CN103718444A (ja) |
TW (1) | TW201409918A (ja) |
WO (1) | WO2013175915A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101560792B1 (ko) * | 2014-09-03 | 2015-10-19 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 배터리용 직류변환장치 및 그의 제어방법 |
WO2022130735A1 (ja) | 2020-12-16 | 2022-06-23 | 東洋システム株式会社 | 充放電試験装置 |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2876805B1 (en) * | 2013-11-22 | 2020-09-30 | Toyo System Co., Ltd. | Power converter |
JP2019057993A (ja) * | 2017-09-20 | 2019-04-11 | トヨタ自動車株式会社 | 電力変換回路 |
CN108054922B (zh) * | 2017-12-29 | 2024-01-09 | 深圳青铜剑科技股份有限公司 | 一种燃料电池直流-直流变换器及其控制方法 |
JP6953566B2 (ja) * | 2020-02-14 | 2021-10-27 | 株式会社京三製作所 | 高周波電源装置及びその出力制御方法 |
WO2023106997A1 (en) * | 2021-12-08 | 2023-06-15 | Advanced Instrument Pte. Ltd. | Circuit arrangement and method of forming the same |
Family Cites Families (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3226001A1 (de) * | 1982-07-12 | 1984-01-12 | Siemens Ag | Verfahren zur erzeugung von ansteuerimpulsen fuer einen gleichstromsteller und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens |
JP2664163B2 (ja) * | 1987-10-06 | 1997-10-15 | 財団法人 半導体研究振興会 | 高周波pwmフルブリッジ電力変換装置 |
US5111378A (en) * | 1989-08-11 | 1992-05-05 | Siemens Aktiengesellschaft | DC chopper converter |
JP3049427B2 (ja) * | 1998-10-21 | 2000-06-05 | 株式会社ハイデン研究所 | 正負パルス式高周波スイッチング電源 |
JP4338820B2 (ja) * | 1999-04-23 | 2009-10-07 | パナソニック株式会社 | 電源装置 |
US6937090B2 (en) * | 2000-08-28 | 2005-08-30 | Jam Technologies, Llc | Charge injection reduction technique in single and multi-reference switching amplifiers |
US6462520B1 (en) * | 2001-05-09 | 2002-10-08 | Maxim Integrated Products, Inc. | Differential output switching converter with ripple reduction |
KR100956098B1 (ko) * | 2002-07-18 | 2010-05-07 | 소니 주식회사 | 파워앰프장치 |
TWI342659B (en) * | 2004-03-05 | 2011-05-21 | Rohm Co Ltd | Dc-ac converter, controller ic thereof, and electronic device using such dc-ac converter |
FR2932029B1 (fr) * | 2008-05-29 | 2013-01-11 | Airbus France | Dispositif et procede de couplage de deux parties d'un reseau a courant continu notamment dans un aeronef |
JP5366326B2 (ja) * | 2010-06-25 | 2013-12-11 | ニチコン株式会社 | 電源装置 |
-
2012
- 2012-05-22 JP JP2012116202A patent/JP5250818B1/ja active Active
-
2013
- 2013-04-15 EP EP13794292.6A patent/EP2854273A4/en not_active Withdrawn
- 2013-04-15 US US14/130,216 patent/US20140133206A1/en not_active Abandoned
- 2013-04-15 CN CN201380001115.6A patent/CN103718444A/zh active Pending
- 2013-04-15 KR KR1020137027264A patent/KR20150014349A/ko not_active Application Discontinuation
- 2013-04-15 WO PCT/JP2013/061692 patent/WO2013175915A1/ja active Application Filing
- 2013-04-30 TW TW102115378A patent/TW201409918A/zh unknown
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101560792B1 (ko) * | 2014-09-03 | 2015-10-19 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 배터리용 직류변환장치 및 그의 제어방법 |
WO2022130735A1 (ja) | 2020-12-16 | 2022-06-23 | 東洋システム株式会社 | 充放電試験装置 |
KR20220093374A (ko) | 2020-12-16 | 2022-07-05 | 도요시스템 가부시키가이샤 | 충방전 시험장치 |
US12072385B2 (en) | 2020-12-16 | 2024-08-27 | Toyo System Co., Ltd. | Charge and discharge testing device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2854273A4 (en) | 2016-01-20 |
EP2854273A1 (en) | 2015-04-01 |
JP5250818B1 (ja) | 2013-07-31 |
WO2013175915A1 (ja) | 2013-11-28 |
KR20150014349A (ko) | 2015-02-06 |
TW201409918A (zh) | 2014-03-01 |
CN103718444A (zh) | 2014-04-09 |
US20140133206A1 (en) | 2014-05-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5250818B1 (ja) | フルブリッジ電力変換装置 | |
US9455641B2 (en) | DC/DC converter | |
US9007040B2 (en) | DC-DC power conversion apparatus | |
CN109478851B (zh) | Dc/dc转换器 | |
EP3267568A1 (en) | Power converter | |
JP6008185B2 (ja) | 3レベル電力変換装置及びその制御方法 | |
JP5631499B2 (ja) | 電力変換装置 | |
US9385624B2 (en) | Rectifier circuit | |
JP5256432B1 (ja) | フルブリッジ電力変換装置 | |
EP2357720A1 (en) | Power conversion device | |
JP2014087134A (ja) | Dc/dcコンバータ | |
TW200627782A (en) | Controller IC, DC-AC converter device, and a parallele operation system of DC-AC converter devices | |
JP2013038876A (ja) | Dc−dcコンバータ及びバッテリ充電器 | |
JP6140007B2 (ja) | 電力変換装置 | |
JP2018198478A (ja) | 電源装置 | |
JP2012191761A (ja) | 交流−直流変換回路 | |
JP2012239309A (ja) | 電力変換装置 | |
TWI789459B (zh) | 在線式不間斷電源及其控制方法 | |
US20220216805A1 (en) | Dc/dc converter and power conversion device | |
US9343995B2 (en) | Power conversion device | |
JPWO2015079565A1 (ja) | 電源装置 | |
US9812988B2 (en) | Method for controlling an inverter, and inverter | |
JP2016135062A (ja) | 電力変換装置 | |
CN110431738A (zh) | 交流直流转换电路以及功率因素改善电路 | |
WO2013150692A1 (ja) | 制御回路、および制御回路を備える発電装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5250818 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160426 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |