JP2016171704A - Power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電流形の昇圧回路を有する電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply device having a current-type booster circuit.
絶縁型トランスの1次側の巻き線に交互に極性を変えて電流を流す電流形昇圧回路を有
する電源装置では、絶縁型トランスの2次側の巻き線に生じる交流電力を整流し平滑した
後直流電力として出力していた。この直流電力は1次側の巻き線に流す電流を制御するこ
とによってその電圧を制御することができ、リアクタに蓄える電磁エネルギーで昇圧され
るものである。
In a power supply device having a current-type booster circuit in which the polarity is alternately changed to the primary winding of the insulated transformer and flows current, the AC power generated in the secondary winding of the insulated transformer is rectified and smoothed. It was output as DC power. This DC power can be controlled by controlling the current flowing through the primary winding, and is boosted by the electromagnetic energy stored in the reactor.
複数のスイッチング素子のオン/オフ状態の組み合わせを用いて絶縁型トランスの1次
側の巻き線に通電される電流を制御する場合、複数のスイッチング素子が全てオフ状態に
成る場合がある。この時、リアクタに電磁エネルギーが蓄積されているとこの電磁エネル
ギーの行き場(電流が流れる経路)がなくなりスイッチング素子の端子間電圧を上昇させ
る。この端子間電圧がスイッチング素子の耐圧を超えるとこのスイッチング素子は破損に
至る。スイッチング素子の破損を防止するためにリアクタの電磁エネルギーを解放、放電
または消費させるためにリアクタの両端子にスナバ回路を設けるものがあった。(特許文
献1参照)
When the current supplied to the primary winding of the insulating transformer is controlled using the combination of the on / off states of the plurality of switching elements, the plurality of switching elements may all be in the off state. At this time, if electromagnetic energy is accumulated in the reactor, the electromagnetic energy has nowhere to go (the path through which current flows), and the voltage across the switching element is increased. When this inter-terminal voltage exceeds the breakdown voltage of the switching element, the switching element is damaged. Some have provided snubber circuits at both terminals of the reactor to release, discharge or consume the electromagnetic energy of the reactor in order to prevent damage to the switching element. (See Patent Document 1)
特許文献1にはインダクタ(リアクタに相当)に並列に接続され、インダクタに流れる
電流を吸収可能なスナバ回路が記載されている。このスナバ回路はトランス(絶縁型トラ
ンスに相当)に流れる電流の遮断時にインダクタから流れる電流を吸収させるものであっ
た。インダクタに蓄積された電磁エネルギーを吸収(コンデンサで吸収後に抵抗で消費)
することによってスイッチング素子の印加電圧が耐圧以上になりこのスイッチング素子が
破損に至ることを防止していた。
This prevents the applied voltage of the switching element from exceeding the withstand voltage and damages the switching element.
リアクタに蓄積された電磁エネルギーをスナバ回路に導く場合、絶縁型トランスの1次
側の巻き線への通電を制御する複数のスイッチング素子のオン/オフ状態とスナバ用スイ
ッチング素子のオン/オフ状態とを同期させる必要がある。1次側の巻き線に電流を通電
しているときに時にスナバ用スイッチング素子をオン状態にするとこの1次側の巻き線に
電流が流れなくなり電源装置の出力電圧が低下する。またリアクタに電磁エネルギーを蓄
積しているときにスナバ用スイッチング素子をオン状態にするとこの電磁エネルギーがス
ナバ回路に吸収され電源装置の出力電圧が低下する。
When the electromagnetic energy accumulated in the reactor is guided to the snubber circuit, an on / off state of a plurality of switching elements for controlling energization to the primary winding of the insulating transformer, and an on / off state of the snubber switching element Need to be synchronized. If the snubber switching element is turned on while a current is applied to the primary winding, the current does not flow through the primary winding, and the output voltage of the power supply device decreases. Further, when the snubber switching element is turned on while electromagnetic energy is accumulated in the reactor, the electromagnetic energy is absorbed by the snubber circuit and the output voltage of the power supply device is lowered.
このため、1次側巻き線への電流の通電が遮断されてからスナバ用スイッチング素子を
オン状態にするが、この間に時間遅れが生じる。この時間遅れの間にリアクタに蓄積され
ていた電磁エネルギーは複数のスイッチング素子のオン/オフ状態の変化に伴うスパイク
電圧とぶつかり合い高圧のスパイク状の電圧となってリアクタと複数のスイッチング素子
とを繋ぐ配線に生じる。また、コンデンサは少なくともこの高圧のスパイク状の電圧に耐
えうる耐圧特性が必要になる。更に特許文献1に記載のものではリアクタの電磁エネルギ
ーがコンデンサで吸収されるので、スナバ用スイッチング素子をオフ状態にした際にリア
クタの出力側(2次側)の電圧が実質的に入力側(1次側)の電圧まで低下している。こ
のため配線の電圧が上昇するまでに時間遅れが生じ、電源装置の出力電圧が目標電圧へ収
束する際の遅れにつながり出力電圧の追従性が抑制されるものであった。
For this reason, the snubber switching element is turned on after the current supply to the primary winding is cut off, but a time delay occurs during this time. The electromagnetic energy accumulated in the reactor during this time delay collides with the spike voltage associated with the change in the on / off state of the plurality of switching elements, and becomes a high-voltage spike-like voltage between the reactor and the plurality of switching elements. Occurs in connecting wires. Further, the capacitor needs to have a withstand voltage characteristic that can withstand at least the high spike voltage. Furthermore, since the electromagnetic energy of the reactor is absorbed by the capacitor in the device described in
また抵抗で電磁エネルギーを放電、消費することにより、この電磁エネルギーは電源装
置から出力されることはなく、電源装置の変換効率の低下につながる。この電磁エネルギ
ーの損失量は電源装置の出力が大きさに連れて大きくなるものである。
Moreover, by discharging and consuming electromagnetic energy with a resistor, this electromagnetic energy is not output from the power supply device, leading to a decrease in conversion efficiency of the power supply device. The amount of electromagnetic energy loss increases as the output of the power supply device increases.
本発明の電源装置はダイオードとコンデンサから直列回路を構成してリアクタの電磁エ
ネルギーを吸収すると共に、コンデンサの端子電圧を制御するものである。
The power supply device of the present invention constitutes a series circuit from a diode and a capacitor to absorb the electromagnetic energy of the reactor and to control the terminal voltage of the capacitor.
本発明の電源装置は、リアクタの出力側及び配線を順に介して得られる直流電流を複数
のスイッチング素子のオン/オフ状態を組み合わせて絶縁型トランスの1次側巻き線へ交
互に極性を変えて通電し、当該絶縁型トランスの2次側巻き線に誘起する交流電力を整流
し平滑した直流電力を出力する電源装置において、配線からダイオードを介して充電され
るコンデンサと、当該コンデンサの端子電圧が予め定めた電圧以上の時にコンデンサに充
電された電荷を放電させる放電用のスイッチング素子とを備えるものである。
In the power supply device of the present invention, the direct current obtained through the output side of the reactor and the wiring in order is combined with the on / off states of a plurality of switching elements to alternately change the polarity to the primary winding of the insulated transformer. In a power supply device that is energized and rectifies AC power induced in the secondary winding of the insulation transformer and outputs smooth DC power, a capacitor charged from a wiring through a diode and a terminal voltage of the capacitor are And a discharge switching element for discharging the charge charged in the capacitor when the voltage is higher than a predetermined voltage.
本発明の電源装置は、コンデンサの端子電圧を制御することにより用いるコンデンサの
耐圧を下げると共に電圧低下による損失の抑制を図るものである。
The power supply device of the present invention is intended to reduce the withstand voltage of the capacitor used by controlling the terminal voltage of the capacitor and to suppress the loss due to the voltage drop.
本発明は、リアクタを介して得られる直流電流を複数のスイッチング素子のオン/オフ
状態を組み合わせて絶縁型トランスの1次側巻き線へ交互に極性を変えて通電し、当該絶
縁型トランスの2次側巻き線に誘起する交流電力を整流し平滑した直流電力を出力する電
源回路に用いることができるものである。
In the present invention, a direct current obtained via a reactor is energized with alternating polarity to the primary winding of an insulating transformer by combining the on / off states of a plurality of switching elements, It can be used for a power supply circuit that outputs DC power that is rectified and smoothed by AC power induced in the secondary winding.
図1は本発明の実施例を示す回路の説明図である。図1において、P及びNは直流電力
が入力される端子であり、例えば太陽電池など出力電圧が自然環境によって変化する直流
電力を出力する直流電源などが接続可能である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a circuit showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, P and N are terminals to which DC power is input. For example, a DC power source that outputs DC power whose output voltage varies depending on the natural environment, such as a solar battery, can be connected.
1はリアクタ、2は6個の電力用のスイッチング素子(2a乃至2f)を単一のパッケ
ージ内に収納しているIPM(Intelligent Power Moduleであ
り電力を制御するパワーMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)
などのパワースイッチング素子を収納すると共に、これらスイッチング素子の駆動回路や
自己保護機能を組み込んだ電力用の半導体素子)である。尚、スイッチング素子2a、ス
イッチング素子2bは単相ブリッジ状の結線を成すスイッチング素子とは別に夫々パッケ
ージされた素子を用いても良いものである。
1 is a reactor, and 2 is an IPM (Intelligent Power Module) in which six power switching elements (2a to 2f) are housed in a single package. The power MOSFET and insulated gate bipolar transistor (IGBT) control power. )
And a power semiconductor element incorporating a drive circuit and a self-protection function of these switching elements. The
このIPM2は同一の絶縁性を有する基台にスイッチング素子2a乃至2fが隣接して
配置され、これらのスイッチング素子のドライブ回路やドライブ電源回路なども同時にパ
ッケージ内に収納されている。IPM2には、少なくともスイッチング素子2a乃至2f
の夫々のエミッタ端子、コレクタ端子、及びオン/オフ状態を制御する信号L、信号S、
信号Dを入力する端子が設けられている。(エミッタ端子、コレクタ端子はスイッチング
素子にトランジスタを用いた際の名称であり、ドレン端子、ソース端子などスイッチング
素子の種類に応じて読み換えるものである。)
In the IPM 2, switching
Each of the emitter terminal, the collector terminal, and the signal L, S,
A terminal for inputting the signal D is provided. (Emitter terminal and collector terminal are names when a transistor is used as a switching element, and are read according to the type of switching element such as a drain terminal and a source terminal.)
信号Lは比較器3から出力されるアナログレベルの電圧信号(デジタル/アナログ変換
された電圧レベルの信号)であり、スイッチング素子2bのオン/オフ状態の制御に用い
られる。信号Sはスイッチング素子2aのオン/オフ状態を制御するものである。信号D
はスイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fのオン/オフ状態を制御するものであ
る。信号L、信号S、信号Dは制御部4から出力される。
The signal L is an analog level voltage signal (digital / analog converted voltage level signal) output from the
Controls the on / off states of the
リアクタ1の出力端(2次側)1bには配線5(または配線導体や電装基板上の配線パ
ターンなどを含む)がつながる。この配線5には、ダイオード6を介してスイッチング素
子2a、スイッチング素子2c、スイッチング素子2eがつながっている。ダイオード6
、スイッチング素子2aの直列回路は配線5をリアクタ1の入力端(1次側)1aにつな
げる第1のスナバ回路を構成している。
A wiring 5 (or a wiring conductor or a wiring pattern on an electrical board) is connected to the output terminal (secondary side) 1b of the
The series circuit of the
スイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fは制御部4からの信号Dでオン/オフ
状態が制御され、スイッチング素子2c、スイッチング素子2fがオン状態でスイッチン
グ素子2d乃至スイッチング素子2eがオフ状態の場合と、スイッチング素子2c、スイ
ッチング素子2fがオフ状態でスイッチング素子2d乃至スイッチング素子2eがオン状
態の場合とが交互に繰り返されることにより絶縁型トランス7の1次側巻き線7aへ交互
に極性を変えて電流が通電される。
The
絶縁型トランス7の2次側巻き線7bに誘起する交流電力は4つのダイオードをブリッ
ジ状に結線した全波整流回路8で整流された後コンデンサ9で平滑され直流電力となる。
この直流電力の電圧は1次側巻き線7aに通電する電流量と絶縁型トランス7の巻き線比
に基づき、リップルはスイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fのスイッチング周
波数に基づく。リップルはこの周波数を高くすれば小さくなるが絶縁型トランス7の損失
が増加する。この直流電力は電源装置の出力に相当し、この直流電力は6個のスイッチン
グ素子を3相インバータ回路に結線したインバータ部10で3相の疑似正弦波に変換され
た後、コンデンサ及びリアクタで構成されるフィルタ11を介して高周波成分が除去また
は減衰された後三相交流電力UVWで出力される。この三相交流電力は交流負荷または系
統に重畳することが可能である。インバータ部10のスイッチング素子のオン/オフ状態
を制御する信号Iは制御部から出力され、この信号Iは例えばPWM(Pulse Wi
dth Modulation)方式に基づくものである。尚、インバータ部10の回路
結線をNPC(中性点クランプ)方式や階調方式などの回路結線とすることも可能であり
信号Iは夫々の回路結線に合わせて制御部4で生成すれば良い。
The AC power induced in the
The voltage of the DC power is based on the amount of current flowing through the primary winding 7a and the winding ratio of the
dth Modulation) system. The circuit connection of the
図2はスイッチング素子2a及びスイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fのオ
ン/オフ状態の変化を示す説明図である。T1の期間では、スイッチング素子2c、スイ
ッチング素子2fがオン状態でスイッチング素子2d、スイッチング素子2eがオフ状態
の場合と、スイッチング素子2c、スイッチング素子2fがオフ状態でスイッチング素子
2d、スイッチング素子2eがオン状態の場合とが交互に繰り返され1周期分の交流電力
が生成され絶縁型トランス7の1次側巻き線7aに供給される。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing changes in the on / off states of the
T2の期間ではスイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fがオフ状態となりスイ
ッチング素子2aがオン状態となる。従って、リアクタ1の2次側1bから出力される電
磁エネルギーはダイオード6、スイッチング素子2aを介してリアクタ1の1次側1aに
吸収される。期間T2はこの電磁エネルギーがリアクタ1の抵抗分で消費される時間を考
量して設定される。尚、期間T2の前後には夫々のスイッチング素子の動作遅れを考慮し
てスイッチング素子2aを早めにオン状態に変え、また遅れてオフ状態にしている。スイ
ッチング素子の耐圧、応答速度が充分であれば省略することも可能である。また、絶縁型
トランス7の一次側巻き線7aを流れていた電流があれば同時に吸収される。
During the period T2, the switching
図2において、スイッチング素子2c乃至スイッチング素子2fが全てオン状態からス
イッチング素子2c及びスイッチング素子2fの組み合わせまたはスイッチング素子2d
及びスイッチング素子2eの組み合わせがオフ状態に変わる時にリアクタ1の出力側1b
から出力される電磁エネルギー(電流)と絶縁型トランス7の1次側の漏れインダクタン
スによって1次側巻き線7aからリアクタ1の出力側1bに向かって流れる電流とが配線
5でぶつかり、瞬間的にスパイク状の高電圧(条件によっては数千ボルトに達する。)と
なる。このスパイク状のサージ電圧(エネルギー)は配線5につながるダイオード12及
びコンデンサ13から成る第2のスナバ回路で吸収される。
In FIG. 2, the switching
And the
Between the primary winding 7a and the
比較器3は配線5からダイオード12を介して充電されるコンデンサ13の端子電圧が
所定値以上になった際にスイッチング素子2bをオン状態にする。スイッチング素子2b
がオン状態に成ることによって、配線5が抵抗14、スイッチング素子2bの直列回路を
介してリアクタ1の1次側1aにつながる放電回路を構成する。従って、配線5に生じた
スパイク状のサージ電圧のうち予め定めた電圧以上の部分はリアクタ1の1次側1aへ流
れ、抵抗14で消費されて減衰する。尚、コンデンサ13の電荷は抵抗を介して当該コン
デンサの端子間で放電するようにしても良く、図1に示した回路結線に限るものではない
。
The
Is turned on to form a discharge circuit in which the wiring 5 is connected to the primary side 1a of the
コンデンサ13の端子電圧は抵抗15、抵抗16で分圧された後比較器3の一方の端子
に印加される。比較器3の他方の端子には信号L(電圧信号)が印加され、この信号Lは
制御部4のD/A端子の出力(デジタル/アナログ変換された電圧)であり制御部4によ
って電圧が任意に制御される。従って、コンデンサ13の端子電圧は信号Lに相当する予
め定めた電圧以下に制御されるので、コンデンサ13の耐圧はスパイク状のサージ電圧の
ピークより充分に低くかつ予め定めた電圧以上の電圧であれば良い。尚、比較器3の動作
には所定のディファレンシャルを設定することも可能である。また、比較器3を用いた動
作回路に換えて、コンデンサ13の端子電圧を制御部4へ取り込み、この制御部4からオ
ンデューティを制御したスイッチング信号をスイッチング素子2bへ出力するように構成
することも可能である。
The terminal voltage of the
ダイオード12の立ち上がり電圧を無視すると、コンデンサ13の端子電圧は配線5の
電圧に近い予め定めた電圧にすることができる。コンデンサ13の端子電圧をこのように
設定することによってコンデンサ13の端子電圧(電荷の放電)に伴うエネルギー損失を
抑制することができる。すなわち、電源装置の変換効率を上げることができる。また、端
子P、端子Nに太陽電池を接続しこの太陽電池を最適動作点で発電するように制御した場
合、配線5の電圧は変動するので、制御部4はこの電圧を検出し、この電圧に基づき信号
Lの電圧レベルを変えてコンデンサ13の予め定められた電圧を可変制御すれば太陽電池
の発電領域にわたって変換効率を上げることができるものである。
If the rising voltage of the
本発明は絶縁型トランスを用い太陽電池等の出力電圧が変動する直流出力の電圧を昇降
圧する際のスイッチング素子の動作によるパルス状のサージ電圧を抑制する電源装置に用
いられるものである。
The present invention is used for a power supply apparatus that suppresses a pulsed surge voltage caused by an operation of a switching element when an up-and-down voltage of a DC output voltage, such as a solar cell, is varied using an insulating transformer.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the above description is for making an understanding of this invention easy, and does not limit this invention. It goes without saying that the present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and that the present invention includes equivalents thereof.
1 リアクタ
2 IPM
4 制御部
5 配線
6 ダイオード
7 絶縁型トランス
8 全波整流回路
9 コンデンサ
10 インバータ部
11 フィルタ
1 Reactor 2 IPM
4 Control unit 5 Wiring 6
Claims (3)
オン/オフ状態を組み合わせて絶縁型トランスの1次側巻き線へ交互に極性を変えて通電
し、当該絶縁型トランスの2次側巻き線に誘起する交流電力を整流し平滑した直流電力を
出力する電源装置において、
前記配線からダイオードを介して充電されるコンデンサと、当該コンデンサの端子電圧
が予め定めた電圧以上の時に前記コンデンサに充電された電荷を放電させる放電用のスイ
ッチング素子とを備えることを特徴とする電源装置。 A DC current obtained through the output side of the reactor and the wiring in order is energized by changing the polarity alternately to the primary winding of the insulating transformer by combining the on / off states of a plurality of switching elements. In the power supply device that outputs the DC power that is rectified and smoothed by the AC power induced in the secondary winding of
A power source comprising: a capacitor charged from the wiring through a diode; and a discharge switching element for discharging the charge charged in the capacitor when a terminal voltage of the capacitor is equal to or higher than a predetermined voltage. apparatus.
入力側へ放電させることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 The power supply apparatus according to claim 1, wherein the switching element for discharging discharges the electric charge of the capacitor to the input side of the reactor through a resistor.
次側の巻き線へ電流を通電しない組み合わせの際に動作して前記リアクタから出力される
電磁エネルギーを前記リアクタの入力側へ放電するスナバ用スイッチング素子を備えるこ
とを特徴とする請求項1もしくは請求項2に記載の電源装置。 The combination of the on / off states of the plurality of switching elements is one of the insulating transformers 1.
2. A snubber switching element that operates in a combination in which no current is supplied to the next winding and discharges electromagnetic energy output from the reactor to the input side of the reactor. Item 3. The power supply device according to Item 2.
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