JP2014103725A - 3レベル電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スイッチング素子1〜4のオン・オフによりスイッチング素子2,3同士の接続点の電位を3レベルに変化させる3レベル電力変換装置において、スイッチング素子1,4にそれぞれ各1個のソフトスイッチング用コンデンサ1b,4bを接続し、スイッチング素子2,3同士の接続点とクランプダイオード5a,6a同士の接続点との間に、スイッチング素子7,8を有する双方向スイッチ101とトランス10の一次巻線10aと電流リセット用コンデンサ9とを直列に接続する。これにより、高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトルを用いずにゼロ電圧/ゼロ電流スイッチングを実現可能とする。
【選択図】図1
Description
図4〜図7は、非特許文献1に記載された3レベルDC/DCコンバータの回路図である。まず、図4において、18は直流電源、15,16は直流電源18の正負極間に互いに直列に接続された平滑コンデンサ、1〜4は半導体スイッチング素子(以下、単にスイッチング素子ともいう)、1a〜4aはスイッチング素子1〜4にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード(還流ダイオード)、5a,6aはクランプダイオード、17はクランプコンデンサ、22はトランス、21はトランス22の漏れインダクタンス、23,24は整流用のダイオード、25はスイッチング素子26とダイオード26aとクランプコンデンサ27とからなる補助回路、12はフィルタ用リアクトル、13はフィルタ用コンデンサ、14は負荷を示す。
更に、図7は、トランス22の一次側に補助回路39を設けた従来技術であり、40は飽和リアクトル、41はコンデンサである。
そこで、本発明の解決課題は、高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトル等を含む補助回路を用いずにゼロ電圧/ゼロ電流スイッチングを実現可能とした、3レベル電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。
直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続され、かつ、ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第1〜第4の半導体スイッチング素子と、
前記第1,第2の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第3,第4の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された二つのクランプダイオードと、
前記第1,第2の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第3,第4の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプコンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された二つの平滑コンデンサと、を備え、
前記二つの平滑コンデンサ同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点とが接続された電力変換装置であって、前記第1〜第4の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第2,第3の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を3レベルに変化させる3レベル電力変換装置において、
前記第1,第4の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に、各1個のソフトスイッチング用コンデンサを接続し、
前記第2,第3の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点との間に、第5,第6の半導体スイッチング素子を有する双方向スイッチと、インダクタンス要素と、電流リセット用コンデンサと、を直列に接続したものである。
前記第1,第4の半導体スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせ、かつ、前記第1,第4の半導体スイッチング素子とはタイミングをずらして前記第2,第3の半導体スイッチング素子をデッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせると共に、前記第2,第5の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、かつ、前記第3,第6の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、
前記インダクタンス要素を介して前記第5または第6の半導体スイッチング素子に電流が流れている状態で、前記第1,第4の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された各1個のソフトスイッチング用コンデンサの一方を充電して他方を放電させることにより、放電側のソフトスイッチング用コンデンサに並列接続された前記第1または第4の半導体スイッチング素子をその両端電圧が零の状態でスイッチングし、
前記第1または第4の半導体スイッチング素子のオフにより前記クランプダイオード及び前記電流リセット用コンデンサを介して前記第5または第6の半導体スイッチング素子を流れる電流が零の状態で前記第2,第5の半導体スイッチング素子または前記第3,第6の半導体スイッチング素子をスイッチングするものである。
また、負荷に電力を供給しない期間は、一次側電流をゼロにリセットしてスイッチング素子の余分な導通損失やトランスの損失を発生させないため、電力変換装置の高効率化を図ることができる。
図1の3レベルDC/DCコンバータは、直列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により、直流電源の電圧を3レベルの電圧に変換してトランスの一次側に加え、その二次側出力を整流、平滑して直流電圧に変換するものであるが、本発明は、3レベルインバータ等にも適用可能である。
上記構成において、スイッチング素子1,2,3,4はそれぞれ請求項における第1〜第4のスイッチング素子に相当し、スイッチング素子7,8はそれぞれ請求項における第5,第6のスイッチング素子に相当する。
図2は、図1の動作を説明するためのスイッチングパターン及び各部の電流、電圧の波形図であり、S1,S2,S3,S4,S7,S8は各スイッチング素子1,2,3,4,7,8の駆動信号である。ここで、スイッチング素子2,7は同じタイミングでオン・オフさせ、スイッチング素子3,8も同じタイミングでオン・オフさせるため、それぞれ単一の駆動信号S2・S7及びS3・S8により表している。
時刻t0でスイッチング素子1をターンオフすると、トランス10の一次側電流がクランプコンデンサ17を通じてソフトスイッチング用コンデンサ1bの充電を開始すると共に、ソフトスイッチング用コンデンサ4bを放電させる。このとき、スイッチング素子1の両端電圧(ソフトスイッチング用コンデンサ1bの電圧)はゼロであるため、スイッチング素子1はゼロ電圧でターンオフする。ソフトスイッチング用コンデンサ1bは電源電圧の1/2の電圧まで充電され、ソフトスイッチング用コンデンサ4bは0Vになるまで放電する。このモードでソフトスイッチング用コンデンサ4bの電圧が0Vに達すると、クランプダイオード5aが導通し、トランス10の漏れインダクタンスにコンデンサ9の電圧が逆向きに印加されてトランス10の一次側電流が減少する。
時刻t1でスイッチング素子4がターンオンするとき、スイッチング素子4の両端電圧はソフトスイッチング用コンデンサ4bの電圧に等しく0Vであるため、ゼロ電圧ターンオンとなる。時刻t2でトランス10の一次側電流は0まで減衰し、双方向スイッチ101のスイッチング素子7,8によってトランス10の一次側電流は0に維持される。
時刻t3でスイッチング素子2,7をターンオフすると、このときトランス10の一次側電流が0であるため、スイッチング素子2,7はゼロ電流ターンオフとなる。この期間中、トランス10の一次側電流は、スイッチング素子7,8によってゼロ電流を維持すると共に、逆流が防止される。
時刻t4でスイッチング素子3,8をターンオンすると、このときトランス10の一次側電流が0であるため、スイッチング素子3,8はゼロ電流ターンオンとなる。この期間中、トランス10の漏れインダクタンスには、電源電圧の1/2の電圧に加えてコンデンサ9の電圧が印加されるため、トランス10の一次側電流は時刻t4以後、急激に増加する。
そして、時刻t5でトランス10の一次側電流が負荷電流と等しくなると、トランス10の一次巻線10aに印加された電圧により、トランス10の巻数に比例した電圧が二次巻線10bから出力され、トランス10の一次側電力を負荷14側へ供給することになる。
この期間は、スイッチング素子3,4,8がオンしている。また、スイッチング素子7に逆並列されたダイオード7aがオンしており、スイッチング素子1,2,7はオフの状態である。このため、電源電圧の1/2の電圧がトランス10の一次巻線10aに印加され、コンデンサ9を逆極性に充電すると共に、トランス10を介して二次側の負荷14へ電力を供給する。
時刻t6でスイッチング素子4をターンオフすると、トランス10の一次側電流がクランプコンデンサ17を通してソフトスイッチング用コンデンサ4bを充電すると共に、ソフトスイッチング用コンデンサ1bを放電させる。このとき、スイッチング素子4の両端電圧(ソフトスイッチング用コンデンサ4bの電圧)はゼロであるため、スイッチング素子4はゼロ電圧でターンオフする。ソフトスイッチング用コンデンサ4bは電源電圧の1/2の電圧まで充電され、ソフトスイッチング用コンデンサ1bは0Vになるまで放電する。このモードでソフトスイッチング用コンデンサ1bの電圧が0Vに達すると、クランプダイオード6aが導通し、トランス10の漏れインダクタンスにコンデンサ9の電圧が逆向きに印加されてトランス10の一次側電流が減少する。
時刻t7でスイッチング素子1をターンオンすると、スイッチング素子1の両端電圧はソフトスイッチング用コンデンサ1bの両端電圧に等しく0Vであるため、ゼロ電圧ターンオンとなる。時刻t8でトランス10の一次側電流は0まで減衰し、スイッチング素子7,8によってトランス10の一次側電流は0に維持される。
時刻t9でスイッチング素子3,8をターンオフすると、このときトランス10の一次側電流が0であるため、スイッチング素子3,8はゼロ電流ターンオフとなる。この期間中、トランス10の一次側電流はスイッチング素子7,8によってゼロ電流を維持すると共に、逆流が防止される。
時刻t10でスイッチング素子2,7をターンオンすると、このときトランス10の一次側電流は0であるため、ゼロ電流ターンオンとなる。この期間中、トランス10の漏れインダクタンスには、電源電圧の1/2の電圧に加えてコンデンサ9の電圧が印加されるため、トランス10の一次側電流は時刻t10以後、急激に増加することになる。そして、時刻t11において、トランス10の一次側電流が負荷電流と等しくなると、トランス10の一次巻線10aに印加された電圧により、トランス10の巻数に比例した電圧が二次巻線10bから出力され、トランス10の一次側電力を負荷14側へ供給することになる。
また、ゼロ電圧/ゼロ電流スイッチングを実現するにあたっては、従来技術のように高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトル等を有する補助回路の代わりに、一次巻線10aに直列接続された双方向スイッチ101及びソフトスイッチング用コンデンサ1b,4bを用いれば済むため、コストの低減及び装置全体の小型化が可能である。
また、トランス10の二次側に電力を供給しない期間はトランス10の一次側電流が0にリセットされるため、スイッチング素子の余分な導通損失やトランス10の損失を低減することもできる。
この第2実施形態が図1の第1実施形態と異なるのは、双方向スイッチ102を、逆阻止形半導体スイッチング素子7,8を互いに逆並列に接続して構成した点であり、その他の構成は第1実施形態と同一である。第2実施形態の基本的な動作は第1実施形態と同一であり、スイッチング素子1,4は常にゼロ電圧にてスイッチングし、スイッチング素子2,3,7,8は常にゼロ電流にてスイッチングすることになる。
この第2実施形態では、第1実施形態における双方向スイッチ101に対し、双方向スイッチ102がスイッチング素子7,8のみによって構成されているため、トランス10の一次側電流によるダイオード7a,8a(図1参照)の導通損失がなくなり、更なる高効率化を図ることができる。
1a,2a,3a,4a,7a,8a:ダイオード
1b,4b:ソフトスイッチング用コンデンサ
5a,6a:クランプダイオード
9:電流リセット用コンデンサ
10:トランス
10a:一次巻線
10b:二次巻線
11:整流回路
12:フィルタ用リアクトル
13:フィルタ用コンデンサ
14:負荷
15,16:平滑コンデンサ
17:クランプコンデンサ
18:直流電源
101,102:双方向スイッチ
Claims (5)
- 直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続され、かつ、ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第1〜第4の半導体スイッチング素子と、
前記第1,第2の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第3,第4の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された二つのクランプダイオードと、
前記第1,第2の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第3,第4の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプコンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された二つの平滑コンデンサと、
を備え、
前記二つの平滑コンデンサ同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点とが接続された電力変換装置であって、前記第1〜第4の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第2,第3の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を3レベルに変化させる3レベル電力変換装置において、
前記第1,第4の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に、各1個のソフトスイッチング用コンデンサを接続し、
前記第2,第3の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点との間に、第5,第6の半導体スイッチング素子を有する双方向スイッチと、インダクタンス要素と、電流リセット用コンデンサと、を直列に接続したことを特徴とする3レベル電力変換装置。 - 請求項1に記載した3レベル電力変換装置において、
前記双方向スイッチを、ダイオードが逆並列に接続された二つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に直列接続して構成したことを特徴とする3レベル電力変換装置。 - 請求項1に記載した3レベル電力変換装置において、
前記双方向スイッチを、二つの逆阻止形半導体スイッチング素子を互いに逆並列接続して構成したことを特徴とする3レベル電力変換装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した3レベル電力変換装置において、
前記インダクタンス要素がトランスの一次巻線であり、前記トランスの二次側出力電圧を直流電圧に変換して負荷に供給することにより3レベルDC/DCコンバータとして構成したことを特徴とする3レベル電力変換装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した3レベル電力変換装置を制御する制御方法において、
前記第1,第4の半導体スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせ、かつ、前記第1,第4の半導体スイッチング素子とはタイミングをずらして前記第2,第3の半導体スイッチング素子をデッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせると共に、前記第2,第5の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、かつ、前記第3,第6の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、
前記インダクタンス要素を介して前記第5または第6の半導体スイッチング素子に電流が流れている状態で、前記第1,第4の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された各1個のソフトスイッチング用コンデンサの一方を充電して他方を放電させることにより、放電側のソフトスイッチング用コンデンサに並列接続された前記第1または第4の半導体スイッチング素子をその両端電圧が零の状態でスイッチングし、
前記第1または第4の半導体スイッチング素子のオフにより前記クランプダイオード及び前記電流リセット用コンデンサを介して前記第5または第6の半導体スイッチング素子を流れる電流が零の状態で前記第2,第5の半導体スイッチング素子または前記第3,第6の半導体スイッチング素子をスイッチングすることを特徴とする3レベル電力変換装置の制御方法。
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