JP2015012798A - ブリッジレスｐｆｃブーストコンバータ - Google Patents

ブリッジレスｐｆｃブーストコンバータ Download PDF

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Abstract

【課題】ＡＤ−ＤＣコンバータのＡＣ交流整流段（全波整流段）およびＰＦＣブーストコンバータを提供する。【解決手段】交流電源に接続された第１インダクタ１４０、第１スイッチ１６０および第１インダクタスイッチ１８０からなる第１回路と、第１回路の第１スイッチに第１ダイオード１５０を介して並列接続された出力段と、交流電源に接続された第２インダクタ２４０、第２スイッチ２６０および第２インダクタスイッチ２８０からなり、第２スイッチが第２ダイオードを介して出力段に並列接続された第２回路と、交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＣ電源を入力とするＡＣ−ＤＣコンバータのＡＣ交流整流段（全波整流段）およびＰＦＣブーストコンバータに関する。
従来のブリッジダイオード(conventional bridge diode)＋ＰＦＣ（power factor correction、力率補正）ブーストコンバータ(Boost converter)構造の場合、ＡＣの交流電源の入力に対して同一極性への変換（全波）のためにブリッジダイオードが使用され、ブリッジダイオードを経て力率補償および昇圧のためのＰＦＣ昇圧回路が構成される。ところが、大電流の場合、ブリッジダイオードの順方向の電圧降下による導通損失の増加が発生し、これは全体効率を相当低減させ、ブリッジダイオードによる損失によりブリッジダイオードの放熱およびパッケージなどを必要とするので、コンバータのサイズが増加することになる。
ブリッジレスＰＦＣコンバータ(Bridgeless PFC Converter)の場合、ＰＦＣブースト段ＧＮＤフローディングによるＥＭＩおよびＰＦＣ電流電圧、入力電圧のセンシング問題が発生し、ターンオフ(Turn Off)区間スイッチのボディダイオード(Body Diode)を介してのループ形成によりＰＦＣスイッチ素子のストレス増加および効率減少が発生するので、大容量に不利である。
Phase shift Semi Bridge less Converterの場合、ＰＦＣブースト段のオン／オフ区間の追加によりダイオードパス(Diode Path)空間が発生し、ＦＥＴゲートがフロートされて制御構成が複雑であり、効率減少の発生により従来に比べて効率利得が少ないという欠点がある。
本発明は、ＡＣ電源を入力とするＡＣ−ＤＣブーストコンバータトポロジーであって、ブリッジダイオードの全波整流部を除去し、正の相で昇圧コンバータＡ、負の相で昇圧コンバータＢを動作させることによりブリッジダイオードを除去する。ＬｉｖｅとＮｅｕｔｒａｌ間の電流ループを制限するために零電圧スイッチング同期回路を適用する。
上述の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来の技術に該当することを認めるものとして受け入れられてはならない。
韓国公開特許第１０−２００９−００７２５６０号公報
本発明の目的は、ＡＣ電源を入力とするＡＤ−ＤＣコンバータのＡＣ交流整流段（全波整流段）およびＰＦＣブーストコンバータを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、交流電源に接続された第１インダクタ、第１スイッチおよび第１インダクタスイッチからなる第１回路と、第１回路の第１スイッチに第１ダイオードを介して並列接続された出力段と、交流電源に接続された第２インダクタ、第２スイッチおよび第２インダクタスイッチからなり、第２スイッチが第２ダイオードを介して出力段に並列接続された第２回路と、交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなる、ブリッジレスＰＦＣブーストコンバータを提供する。
制御部は、交流電源の正の相が入力される場合には第２インダクタスイッチをターンオンしてもよい。
制御部は、交流電源の負の相が入力される場合には第１インダクタスイッチをターンオフしてもよい。
制御部は、交流電源の正の相が入力される場合、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチをターンオンして第１インダクタにエネルギーを蓄積し、或いは第１スイッチをターンオフして出力段に蓄積された第１インダクタのエネルギーを伝達することができる。
制御部は、交流電源の負の相が入力される場合、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチをターンオンして第２インダクタにエネルギーを蓄積し、或いは第２スイッチをターンオフして出力段に蓄積された第２インダクタのエネルギーを伝達することができる。
本発明の他の観点によれば、交流電源に接続された第１インダクタ、第１スイッチおよび第１インダクタスイッチからなる第１回路と、第１回路の第１スイッチに第１補助スイッチを介して並列接続された出力段と、交流電源に接続された第２インダクタ、第２スイッチおよび第２インダクタスイッチからなり、第２スイッチが第２補助スイッチを介して出力段に並列接続された第２回路と、交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチおよび第１補助スイッチのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチおよび第２補助スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなる、ブリッジレスＰＦＣブーストコンバータを提供する。
上述したような構造を持つブリッジレスＰＦＣブーストコンバータによれば、ブリッジダイオードの除去によるダイオード順方向電圧降下分に該当する損失減少による効率上昇を図ることができる。
また、本発明によれば、ブリッジダイオードの除去および損失減少による放熱空間の除去、およびコンバータの体積縮小を図ることができる。
さらに、本発明によれば、ＡＣ周波数に応じて交番にスイッチングすることにより、ＰＦＣブースト素子のストレス減少および放熱構成が便利である。
本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの回路図である。 本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの作動過程を示す図である。 本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの作動過程を示す図である。 本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの作動過程を示す図である。 本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの作動過程を示す図である。 本発明の他の実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの回路図である。 本発明の他の実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの回路図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータについて説明する。
図１は本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの回路図、図２〜図５は本発明の一実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの作動過程を示す図、図６及び図７は本発明の他の実施例に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータの回路図である。
本発明に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータは、交流電源１０に接続された第１インダクタ１４０、第１スイッチ１６０および第１インダクタスイッチ１８０からなる第１回路１００と、第１回路１００の第１スイッチ１６０に第１ダイオード１５０を介して並列接続された出力段３０と、交流電源１０に接続された第２インダクタ２４０、第２スイッチ２６０および第２インダクタスイッチ２８０からなり、第２スイッチ２６０が第２ダイオード２５０を介して出力段３０に並列接続された第２回路２００と、交流電源１０の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチ１８０をターンオンし、第１スイッチ１６０のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段３０を昇圧し、交流電源１０の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチ２８０をターンオンし、第２スイッチ２６０のオン／オフによって出力段３０を昇圧する制御部とを含んでなる。
すなわち、本発明は、ブリッジを削除しながら交流電源１０に第１回路１００と第２回路２００を構成して二重のインダクタを備え、これを交番にスイッチングすることによりブーストできるようにする。
このために、本発明に係るブリッジレスＰＦＣブーストコンバータは、交流電源１０に接続された第１インダクタ１４０、第１スイッチ１６０および第１インダクタスイッチ１８０からなる第１回路１００を設けている。
第１回路１００の第１スイッチ１６０に第１ダイオード１５０を介して出力段３０が並列接続されるようにする。
一方、第２回路２００は、交流電源１０に接続された第２インダクタ２４０、第２スイッチ２６０および第２インダクタスイッチ２８０からなり、第２スイッチ２６０が第２ダイオード２５０を介して出力段３０に並列接続されるようにする。
制御部（制御部はスイッチング素子を制御するもので、特に図示してはいない）は、交流電源１０の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチ１８０をターンオンし、第１スイッチ１６０のオン／オフによって出力段３０を昇圧し、交流電源１０の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチ２８０をターンオンし、第２スイッチ２６０のオン／オフによって出力段３０を昇圧する。
これにより、制御部は、交流電源１０の正の相が入力される場合には第２インダクタスイッチ２８０をターンオフし、交流電源１０の負の相が入力される場合には第１インダクタスイッチ１８０をターンオフする。
具体的に、制御部は、図２および図３に示すように、交流電源１０の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチ１８０をターンオンし、第１スイッチ１６０をターンオンして第１インダクタ１４０にエネルギーを蓄積し、或いは第１スイッチ１６０をターンオフして出力段３０に蓄積された第１インダクタ１４０のエネルギーを伝達することができる。
図２を参照すると、交流電源１０の接地を基準として正（＋）の相が入力される場合、第１インダクタスイッチ１８０は常に導通する。正の区分で、ブーストコンバータは、第１スイッチ１６０のオン時間に第１インダクタ１４０に電流が増加し、エネルギーが蓄積される。オン動作は、第１インダクタ１４０、第１インダクタスイッチ１８０および第１スイッチ１６０からなる第１回路１００のループに従って動作する。
図３を参照すると、交流電源１０の接地を基準として正（＋）の相が入力される場合、第１インダクタスイッチ１８０は常に導通する。正の区間で、ブーストコンバータは、第１スイッチ１６０のオフ時間に、第１インダクタ１４０に蓄積されたエネルギーが第１ダイオード１５０を介して伝達される。オフ動作は、第１インダクタ１４０、第１ダイオード１５０および第１インダクタスイッチ１８０のループに従って動作する。
一方、制御部は、交流電源１０の負の相が入力される場合、第２インダクタスイッチ２８０をターンオンし、第２スイッチ２６０をターンオンして第２インダクタ２４０にエネルギーを蓄積し、或いは第２スイッチ２６０をターンオフして出力段３０に蓄積された第２インダクタ２４０のエネルギーを伝達することができる。
すなわち、図４を参照すると、交流電源１０の接地を基準として負（−）の相が入力される場合、第２インダクタスイッチ２８０は常に導通する。負の区間で、ブーストコンバータは、第２スイッチ２６０のオン時間に第２インダクタ２４０に電流が増加し、エネルギーが蓄積される。オン動作は、第２インダクタ２４０、第２インダクタスイッチ２８０および第２スイッチ２６０からなる第２回路のループに従って動作する。
図５を参照すると、交流電源１０の接地を基準として負（−）の相が入力される場合、第２インダクタスイッチ２８０は常に導通する。負の区間で、ブーストコンバータは、オフ時間に、第２インダクタ２４０に蓄積されたエネルギーが第２ダイオード２５０を介して伝達される。オフ動作は第２インダクタ２４０、第２ダイオード２５０、第２スイッチ２６０のループに従って動作する。
本発明の別のブリッジレスＰＦＣブーストコンバータは、交流電源１０に接続された第１インダクタ１４０、第１スイッチ１６０および第１インダクタスイッチ１８０からなる第１回路１００と、第１回路１００の第１スイッチ１６０に第１補助スイッチ１５２を介して並列接続された出力段３０と、交流電源１０に接続された第２インダクタ２４０、第２スイッチ２６０および第２インダクタスイッチ２８０からなり、第２スイッチ２６０が第２補助スイッチ２５２を介して出力段３０に並列接続された第２回路２００と、交流電源１０の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチ１８０をターンオンし、第１スイッチ１６０および第１補助スイッチ１５２のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段を昇圧し、交流電源１０の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチ２８０をターンオンし、第２スイッチ２６０および第２補助スイッチ２５２のオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなる。
この場合、図６に示すように、ダイオードの代わりにトランジスタスイッチを使用してもよい。この際、交流電源の正の相が入力される場合、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチおよび第１補助スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチおよび第２補助スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧するようにする。
一方、３相交流電源の印加の際には、その昇圧のために図７のように実現することができる。この場合は３つの相を全て考慮しなければならないので、インダクタ、インダクタスイッチ、スイッチおよびダイオードなどからなる２つの回路ラインを追加することにより、３相の制御が可能となる。これもダイオードの代わりに補助スイッチを活用することができる。
上述したような構造を持つブリッジレスＰＦＣブーストコンバータによれば、ブリッジダイオードの除去によるダイオード順方向電圧降下分に該当する損失減少による効率上昇を図ることができる。
ブリッジダイオードの除去および損失減少による放熱空間の除去、並びにコンバータの体積縮小を図ることができる。
ＡＣ周波数に応じて交番にスイッチングすることにより、ＰＦＣブースト素子のストレス減少および放熱構成が便利である。
以上、本発明の特定の実施例について図示及び説明したが、特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を外れない限度内において、本発明に多様な改良及び変化を加え得るのは当業界における通常の知識を有する者に自明である。
１０ 交流電源
３０ 出力段
１００ 第１回路
２００ 第２回路

Claims (6)

  1. 交流電源に接続された第１インダクタ、第１スイッチおよび第１インダクタスイッチからなる第１回路と、
    第１回路の第１スイッチに第１ダイオードを介して並列接続された出力段と、
    交流電源に接続された第２インダクタ、第２スイッチおよび第２インダクタスイッチからなり、第２スイッチが第２ダイオードを介して出力段に並列接続された第２回路と、
    交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）によって出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなることを特徴とする、ブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
  2. 制御部は、交流電源の正の相が入力される場合には第２インダクタスイッチをターンオフすることを特徴とする、請求項１に記載のブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
  3. 制御部は、交流電源の負の相が入力される場合には第１インダクタスイッチをターンオフすることを特徴とする、請求項１に記載のブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
  4. 制御部は、交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチをターンオンして第１インダクタにエネルギーを蓄積し、或いは第２スイッチをターンオフして出力段に蓄積された第２インダクタのエネルギーを伝達することを特徴とする、請求項１に記載のブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
  5. 制御部は、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチをターンオンして第２インダクタにエネルギーを蓄積し、或いは、第２スイッチをターンオフして出力段に蓄積された第２インダクタのエネルギーを伝達することを特徴とする、請求項１に記載のブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
  6. 交流電源に接続された第１インダクタ、第１スイッチおよび第１インダクタスイッチからなる第１回路と、
    第１回路の第１スイッチに第１補助スイッチを介して並列接続された出力段と、
    交流電源に接続された第２インダクタ、第２スイッチおよび第２インダクタスイッチからなり、第２スイッチが第２補助スイッチを介して出力段に並列接続された第２回路と、
    交流電源の正の相が入力される場合には、第１インダクタスイッチをターンオンし、第１スイッチおよび第１補助スイッチのオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）を介して出力段を昇圧し、交流電源の負の相が入力される場合には、第２インダクタスイッチをターンオンし、第２スイッチおよび第２補助スイッチのオン／オフによって出力段を昇圧する制御部とを含んでなる、ブリッジレスＰＦＣブーストコンバータ。
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