JP2017017871A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device which can reduce a loss and a surge current at the turn-off of first and second main switching elements.SOLUTION: When a switching element S1 is turned off at step-up operation, a switch Sa3 is turned on to thereby make a current of a reactor L1 flow to the output terminal side of a switching power supply 4 through a switch Sa3, a capacitor Ca1 and a diode Da1, so as to discharge an electric charge. On completion of discharging the capacitor Ca1, the Sa3 is turned off, and the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on, to thereby make a part of the current, flowing to the output terminal side through the parasitic diode of the switching element S2, flow to a reactor La1 also. Next, after the switching element S1 is the turned on, simultaneously or thereafter, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned off, and the switch Sa3 is turned on, to charge the capacitor Ca1 by the current of the reactor La1. During the above time, a switch Sa4 is maintained to be an off state.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、共通接続点に主インダクタが接続される第1及び第2主スイッチング素子からなる直列回路を備え、これらをスイッチング動作させて入力される電力を変換して出力する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power converter that includes a series circuit composed of first and second main switching elements connected to a main inductor at a common connection point, converts the input power by switching them, and outputs the converted power.

例えば電気自動車やハイブリッド自動車の主機に使用される多くの駆動システムは、電池とモータの駆動回路であるインバータ回路との間に、電力変換装置である双方向DC−DCコンバータを備えている。一般に、双方向DC−DCコンバータは、平滑コンデンサやリアクトル等の多くの受動素子で構成されるため、回路サイズが大きくなり車両内の配置スペースを圧迫している。回路サイズが大型することを回避するため、スイッチング周波数を高く設定することが考えられるが、その場合スイッチング損失が増加して効率が低下するという問題がある。   For example, many drive systems used in main machines of electric vehicles and hybrid vehicles include a bidirectional DC-DC converter that is a power converter between a battery and an inverter circuit that is a motor drive circuit. In general, the bidirectional DC-DC converter is composed of many passive elements such as a smoothing capacitor and a reactor, so that the circuit size becomes large and presses the arrangement space in the vehicle. In order to avoid an increase in circuit size, it is conceivable to set the switching frequency high. In this case, however, there is a problem in that the switching loss increases and the efficiency decreases.

例えば特許文献1には、双方向DC−DCコンバータにスナバコンデンサを含む補助回路を追加して、主回路を構成するスイッチング素子のターンオフ時にソフトスイッチングを行う技術が開示されている。このソフトスイッチングにより、主回路のターンオフ損失を低減して効率の向上を図っている。   For example, Patent Document 1 discloses a technique in which an auxiliary circuit including a snubber capacitor is added to a bidirectional DC-DC converter, and soft switching is performed when a switching element constituting the main circuit is turned off. By this soft switching, the turn-off loss of the main circuit is reduced and the efficiency is improved.

特開2015−8622号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-8622

しかしながら、特許文献1の構成では、スイッチング素子のターンオン時において、スナバコンデンサの充電電荷が前記スイッチング素子を介して放電されるため、サージ電流が発生するという問題がある。   However, the configuration of Patent Document 1 has a problem in that a surge current is generated because the charging charge of the snubber capacitor is discharged through the switching element when the switching element is turned on.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、第1及び第2主スイッチング素子のターンオフ損失の低減効果を抑制することなく、サージ電流を抑制できる電力変換装置を提供することにある。   This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is providing the power converter device which can suppress a surge current, without suppressing the reduction effect of the turn-off loss of a 1st and 2nd main switching element. It is in.

請求項1記載の電力変換装置によれば、第1直列回路は、高電位側端子と低電位側端子との間に接続される第1及び第2主スイッチング素子からなる。主インダクタの一端は、直流電源の正側端子に接続され、他端は第1直列回路の共通接続点に接続される。これに並列接続される第2直列回路は、第1ダイオード,第1コンデンサ,第1及び第2スイッチ,第2コンデンサ並びに第2ダイオードからなる。   According to the power conversion device of the first aspect, the first series circuit includes the first and second main switching elements connected between the high potential side terminal and the low potential side terminal. One end of the main inductor is connected to the positive terminal of the DC power supply, and the other end is connected to a common connection point of the first series circuit. The second series circuit connected in parallel to this comprises a first diode, a first capacitor, first and second switches, a second capacitor, and a second diode.

第3直列回路は、第2直列回路における第1ダイオードから第2コンデンサまでの直列部に並列に接続される第1補助スイッチング素子及び第3ダイオードで構成される。第4直列回路は、第2直列回路における第1コンデンサから第2ダイオードまでの直列部に並列に接続される第4ダイオード及び第2補助スイッチング素子で構成される。   The third series circuit includes a first auxiliary switching element and a third diode connected in parallel to the series part from the first diode to the second capacitor in the second series circuit. The fourth series circuit includes a fourth diode and a second auxiliary switching element connected in parallel to the series part from the first capacitor to the second diode in the second series circuit.

補助インダクタは、第3直列回路の共通接続点と第4直列回路の共通接続点との間に接続され、第1ダイオードのカソードは第2主スイッチング素子の一端と共通に接続され、第2ダイオードのアノードは第1主スイッチング素子の一端と共通に接続される。また、第3ダイオードのアノードは第2ダイオードのカソードと共通に接続され、第4ダイオードのカソードは第1ダイオードのアノードと共通に接続される。   The auxiliary inductor is connected between the common connection point of the third series circuit and the common connection point of the fourth series circuit, the cathode of the first diode is connected in common with one end of the second main switching element, and the second diode Is connected in common with one end of the first main switching element. The anode of the third diode is connected in common with the cathode of the second diode, and the cathode of the fourth diode is connected in common with the anode of the first diode.

このように構成すれば、電力変換装置が直流電源電圧の昇圧動作又は降圧動作を行う場合において、主スイッチング素子のターンオン時に第1又は第2スイッチの一方をオフにすることで、第1又は第2コンデンサに充電されていた電荷が放電されることを防止できる。これにより、主スイッチング素子のターンオン時におけるサージ電流の発生を抑制して、効率の低下を抑止できる。   According to this configuration, when the power conversion device performs a step-up operation or a step-down operation of the DC power supply voltage, the first or second switch is turned off by turning off one of the first or second switches when the main switching element is turned on. It is possible to prevent the electric charge charged in the two capacitors from being discharged. Thereby, generation | occurrence | production of the surge current at the time of turn-on of a main switching element can be suppressed, and the fall of efficiency can be suppressed.

請求項2記載の電力変換装置によれば、直流電源の電圧を昇圧する際に、第2スイッチを常時オフ状態にして、第1スイッチは、少なくとも、第1及び第2補助スイッチング素子をオンして補助インダクタに通電させた後、第1主スイッチング素子をターンオンさせた際にオン状態にしておく。これにより、補助リアクトルに蓄積された磁気エネルギーにより流れる電流で第1コンデンサを充電する。   According to the power conversion device of the second aspect, when the voltage of the DC power supply is boosted, the second switch is always turned off, and the first switch turns on at least the first and second auxiliary switching elements. Then, after the auxiliary inductor is energized, the first main switching element is turned on when it is turned on. As a result, the first capacitor is charged with a current flowing by the magnetic energy accumulated in the auxiliary reactor.

また、第1スイッチを、第2主スイッチング素子をターンオフさせた際にオンして、主インダクタを介して流れる電流を、第1スイッチ,第1コンデンサ及び第1ダイオードに転流させる。したがって、特許文献1と同様に、第1主スイッチング素子をターンオフさせた際の損失も低減できる。   Further, the first switch is turned on when the second main switching element is turned off, and the current flowing through the main inductor is commutated to the first switch, the first capacitor, and the first diode. Therefore, similarly to Patent Document 1, it is possible to reduce the loss when the first main switching element is turned off.

請求項3記載の電力変換装置によれば、直流電源の電圧を降圧する際に、第1スイッチを常時オフ状態にして、第2スイッチは、少なくとも、第1及び第2補助スイッチング素子をオンして前記補助インダクタに通電させた後、第2主スイッチング素子をターンオンさせた際にオン状態にしておく。これにより、補助リアクトルに蓄積された磁気エネルギーにより流れる電流で第2コンデンサを充電する。   According to the power conversion device of the third aspect, when the voltage of the DC power supply is stepped down, the first switch is always turned off, and the second switch turns on at least the first and second auxiliary switching elements. After energizing the auxiliary inductor, the second main switching element is turned on when it is turned on. As a result, the second capacitor is charged with a current flowing by the magnetic energy accumulated in the auxiliary reactor.

また、第2スイッチを、第2主スイッチング素子をターンオフさせた際にオンして、主インダクタを介して流れる電流を第2ダイオード,第2コンデンサ及び第2スイッチに転流させる。したがって、特許文献1と同様に、第2主スイッチング素子をターンオフさせた際の損失も低減できる。   In addition, the second switch is turned on when the second main switching element is turned off, and the current flowing through the main inductor is commutated to the second diode, the second capacitor, and the second switch. Therefore, similarly to Patent Document 1, it is possible to reduce the loss when the second main switching element is turned off.

第1実施形態であり、スイッチング電源装置の回路構成を示す図The figure which is 1st Embodiment and shows the circuit structure of a switching power supply device 昇圧動作のタイミングチャートTiming chart of boost operation 図2のタイミングチャートにおける期間M4に流れる回路電流を示す図The figure which shows the circuit current which flows into the period M4 in the timing chart of FIG. 同期間M5に流れる回路電流を示す図The figure which shows the circuit current which flows in the same period M5 降圧動作のタイミングチャートStep-down timing chart 図5のタイミングチャートにおける期間M4に流れる回路電流を示す図The figure which shows the circuit current which flows into the period M4 in the timing chart of FIG. 同期間M5に流れる回路電流を示す図The figure which shows the circuit current which flows in the same period M5 第2実施形態であり、スイッチング電源装置を、電気自動車の走行駆動用モータを駆動するインバータ回路の駆動用電源に適用した場合を示す図The figure which is a 2nd embodiment and shows the case where a switching power supply device is applied to the drive power supply of the inverter circuit which drives the drive motor of an electric vehicle

(第1実施形態)
図1に示すように、直流電源1の両端には、入力側のコンデンサC1が接続されている。例えばNチャネルMOSFETである第1及び第2主スイッチング素子S1及びS2は直列に接続されており、これらは第1直列回路を構成している。スイッチング素子S2のドレインが高電位側端子に相当し、スイッチング素子S1のソースが低電位側端子に相当する。直流電源1の正側端子とスイッチング素子S2のソースとの間には、リアクトルL1が接続されている。リアクトルL1は、主インダクタに相当する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, an input side capacitor C <b> 1 is connected to both ends of the DC power source 1. For example, the first and second main switching elements S1 and S2, which are N-channel MOSFETs, are connected in series, and constitute a first series circuit. The drain of the switching element S2 corresponds to a high potential side terminal, and the source of the switching element S1 corresponds to a low potential side terminal. A reactor L1 is connected between the positive terminal of the DC power supply 1 and the source of the switching element S2. Reactor L1 corresponds to a main inductor.

第1直列回路には、逆方向の第1ダイオードDa1,第1コンデンサCa1,第1及び第2スイッチSa3及びSa4,及び第2コンデンサCa2,逆方向の第2ダイオードDa2からなる第2直列回路が並列に接続されている。コンデンサCa1及びCa2は何れもスナバコンデンサである。そして、スイッチSa3及びSa4の共通接続点は、スイッチング素子S2のソースに接続されている。これらのスイッチSa3及びSa4は、例えば半導体スイッチング素子を組み合わせてなるアナログスイッチであり、双方向に導通可能なスイッチ回路として構成されている。   The first series circuit includes a second series circuit including a first diode Da1 in the reverse direction, a first capacitor Ca1, a first and second switch Sa3 and Sa4, a second capacitor Ca2, and a second diode Da2 in the reverse direction. Connected in parallel. Capacitors Ca1 and Ca2 are both snubber capacitors. The common connection point of the switches Sa3 and Sa4 is connected to the source of the switching element S2. These switches Sa3 and Sa4 are analog switches formed by combining, for example, semiconductor switching elements, and are configured as switch circuits capable of conducting in both directions.

ダイオードDa1のカソードとダイオードDa2のカソードとの間には、例えばNチャネルMOSFETからなる第1補助スイッチング素子Sa1及び逆方向の第3ダイオードDa3の第3直列回路が接続されている。また、ダイオードDa1のアノードとグランドとの間には、逆方向の第4ダイオードDa4及び例えばNチャネルMOSFETからなる第2補助スイッチング素子Sa2の第4直列回路が接続されている。そして、スイッチング素子Sa1のソースと、スイッチング素子Sa2のドレインとの間には、リアクトルLa1が接続されている。リアクトルLa1は補助インダクタに相当する。また、第1直列回路に対しては、出力側のコンデンサC2が並列に接続されている。   Between the cathode of the diode Da1 and the cathode of the diode Da2, a third series circuit of a first auxiliary switching element Sa1 made of, for example, an N-channel MOSFET and a third diode Da3 in the reverse direction is connected. Further, a fourth diode Da4 in the reverse direction and a fourth series circuit of a second auxiliary switching element Sa2 made of, for example, an N-channel MOSFET are connected between the anode of the diode Da1 and the ground. A reactor La1 is connected between the source of the switching element Sa1 and the drain of the switching element Sa2. Reactor La1 corresponds to an auxiliary inductor. Further, the output side capacitor C2 is connected in parallel to the first series circuit.

以上において、スイッチング素子S1及びS2並びにリアクトルL1が双方向チョッパ2を構成しており、残りのコンデンサC1,C2を除く回路素子群が損失低減回路3を構成している。そして、電力変換装置に相当するスイッチング電源装置4は、これらを含んで構成されている。   In the above, the switching elements S1 and S2 and the reactor L1 constitute the bidirectional chopper 2, and the circuit element group excluding the remaining capacitors C1 and C2 constitutes the loss reduction circuit 3. And the switching power supply device 4 corresponded to a power converter device is comprised including these.

次に、本実施形態の作用について説明する。図2に示すように、スイッチング電源装置4が昇圧動作を行う際の動作期間をM1〜M6の6つに区分し、以下各期間について説明する。
<昇圧動作;期間M1>
スイッチング素子S1側がオンする期間であり、スイッチSa1〜Sa4は何れもオフである。これにより、リアクトルL1に通電が行われて磁気エネルギーが蓄積される。
Next, the operation of this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the operation period when the switching power supply device 4 performs the boosting operation is divided into six periods M1 to M6, and each period will be described below.
<Boosting operation; Period M1>
This is a period during which the switching element S1 side is on, and the switches Sa1 to Sa4 are all off. As a result, the reactor L1 is energized to accumulate magnetic energy.

<期間M2>
スイッチング素子S1がターンオフして、スイッチSa3がターンオンする。すると、リアクトルL1の電流がスイッチSa3,コンデンサCa1及びダイオードDa1を介してスイッチング電源装置4の出力端子側に流れる。この時、コンデンサCa1に充電されている電荷が放電されて、スイッチング素子S1のドレイン−ソース間電圧の変化を緩やかにする(図2(b)参照)。これにより、ターンオフ時のスイッチング損失が低減される。
<Period M2>
The switching element S1 is turned off and the switch Sa3 is turned on. Then, the current of the reactor L1 flows to the output terminal side of the switching power supply device 4 through the switch Sa3, the capacitor Ca1, and the diode Da1. At this time, the electric charge charged in the capacitor Ca1 is discharged, and the change in the drain-source voltage of the switching element S1 is moderated (see FIG. 2B). Thereby, the switching loss at the time of turn-off is reduced.

<期間M3>
スイッチSa3がターンオフする。コンデンサCa1の放電が終了すると、リアクトルL1の電流は、スイッチング素子S2の寄生ダイオードを介して出力端子側に流れる。
<期間M4>
図3に示すように、スイッチング素子Sa1及びSa2をオンにして、上記寄生ダイオードを介して流れる電流の一部を、リアクトルLa1にも流す。
<Period M3>
The switch Sa3 is turned off. When the discharge of the capacitor Ca1 is finished, the current of the reactor L1 flows to the output terminal side via the parasitic diode of the switching element S2.
<Period M4>
As shown in FIG. 3, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on, and a part of the current flowing through the parasitic diode is also passed to the reactor La1.

<期間M6>
図4に示すように、スイッチング素子S1をターンオンさせた(M5)以降に、スイッチング素子Sa1及びSa2をオフにし、第1スイッチSa3をオンにする。この場合、スイッチング素子Sa1及びSa2をオンさせる期間は、例えば予め定めた一定期間とする。すると、リアクトルLa1の電流がダイオードDa2及びDa3→リアクトルLa1→ダイオードDa4→コンデンサCa1→スイッチSa3の経路で流れ、コンデンサCa1を、その端子電圧がスイッチング電源装置4の出力電圧V2(図2に示す)になるまで充電する。充電が終了した時点でリアクトルLa1に磁気エネルギーが残存していれば、電流はダイオードDa1を介して出力端子側に流れる。その後、期間M1に戻る。
<Period M6>
As shown in FIG. 4, after the switching element S1 is turned on (M5), the switching elements Sa1 and Sa2 are turned off and the first switch Sa3 is turned on. In this case, the period during which the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on is, for example, a predetermined period. Then, the current of the reactor La1 flows along the path of the diodes Da2 and Da3 → the reactor La1 → the diode Da4 → the capacitor Ca1 → the switch Sa3, and the terminal voltage of the capacitor Ca1 is the output voltage V2 of the switching power supply 4 (shown in FIG. 2). Charge until. If magnetic energy remains in the reactor La1 when charging is completed, current flows to the output terminal side via the diode Da1. Then, it returns to the period M1.

ここで、M5においてスイッチング素子S1をターンオンさせた時点でスイッチSa4はオフしているので、ダイオードDa2を介してコンデンサCa2に電流は流れない。したがって、スイッチング素子S1をターンオンさせた際にサージ電流が流れることは抑止される。   Here, since the switch Sa4 is turned off when the switching element S1 is turned on in M5, no current flows through the capacitor Ca2 via the diode Da2. Therefore, the surge current is prevented from flowing when the switching element S1 is turned on.

次に、図5に示すように、スイッチング電源装置4が降圧動作を行う際の動作を、上記と同様に説明する。
<降圧動作;期間M1>
スイッチング素子S2側がオンする期間であり、スイッチSa1〜Sa4は何れもオフである。これにより、出力端子側よりリアクトルL1に逆極性で通電が行われて磁気エネルギーが蓄積される。
Next, as shown in FIG. 5, the operation when the switching power supply device 4 performs the step-down operation will be described in the same manner as described above.
<Step-down operation; Period M1>
This is a period during which the switching element S2 side is on, and the switches Sa1 to Sa4 are all off. As a result, the reactor L1 is energized in reverse polarity from the output terminal side, and magnetic energy is accumulated.

<期間M2>
スイッチング素子S2がターンオフして、スイッチSa4がターンオンする。すると、リアクトルL1の電流が、グランド→ダイオードDa2→コンデンサCa2→スイッチSa4→リアクトルL1の経路で直流電源1側に流れる。この時、コンデンサCa2に充電されている電荷が放電されて、スイッチング素子S2のドレイン−ソース間電圧の変化を緩やかにする。これにより、ターンオフ時のスイッチング損失が低減される。
<Period M2>
The switching element S2 is turned off and the switch Sa4 is turned on. Then, the current of the reactor L1 flows to the DC power supply 1 side through the path of ground → diode Da2 → capacitor Ca2 → switch Sa4 → reactor L1. At this time, the electric charge charged in the capacitor Ca2 is discharged, and the change in the drain-source voltage of the switching element S2 is moderated. Thereby, the switching loss at the time of turn-off is reduced.

<期間M3>
スイッチSa4がターンオフする。コンデンサCa2の放電が終了すると、リアクトルL1の電流は、スイッチング素子S1の寄生ダイオードを介して直流電源1側に流れる。
<期間M4>
図6に示すように、スイッチング素子Sa1及びSa2をオンにして、リアクトルLa1に通電する。
<Period M3>
The switch Sa4 is turned off. When the discharge of the capacitor Ca2 ends, the current of the reactor L1 flows to the DC power supply 1 side via the parasitic diode of the switching element S1.
<Period M4>
As shown in FIG. 6, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on to energize the reactor La1.

<期間M6>
図7に示すように、スイッチング素子S2をターンオンさせた(M5)以降に、スイッチング素子Sa1及びSa2をオフにし、スイッチSa4をオンする。この場合も、スイッチング素子Sa1及びSa2をオンさせる期間は、例えば予め定めた一定期間とする。すると、リアクトルLa1の電流がダイオードDa4及びDa1→スイッチング素子S2→スイッチSa4→コンデンサCa2→ダイオードDa3の経路で流れ、コンデンサCa2を、その端子電圧がスイッチング電源装置4の出力電圧V2(図5に示す)になるまで充電する。充電が終了した時点でリアクトルLa1に磁気エネルギーが残存していれば、電流はリアクトルL1を介して入力端子側に流れる。その後、期間M1に戻る。
<Period M6>
As shown in FIG. 7, after the switching element S2 is turned on (M5), the switching elements Sa1 and Sa2 are turned off and the switch Sa4 is turned on. Also in this case, the period during which the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on is, for example, a predetermined period. Then, the current of the reactor La1 flows through the path of the diode Da4 and Da1, the switching element S2, the switch Sa4, the capacitor Ca2, and the diode Da3, and the terminal voltage of the capacitor Ca2 is the output voltage V2 of the switching power supply device 4 (shown in FIG. 5). Charge until). If magnetic energy remains in the reactor La1 when charging is completed, the current flows to the input terminal side via the reactor L1. Then, it returns to the period M1.

ここで、M5においてスイッチング素子S2をターンオンさせた時点でスイッチSa3はオフしているので、ダイオードDa1を介してコンデンサCa1に電流は流れない。したがって、スイッチング素子S2をターンオンさせた際にサージ電流が流れることは抑止される。   Here, since the switch Sa3 is turned off when the switching element S2 is turned on in M5, no current flows through the capacitor Ca1 via the diode Da1. Therefore, the surge current is prevented from flowing when the switching element S2 is turned on.

以上のように本実施形態によれば、昇圧動作においてスイッチング素子S1がターンオフした際にスイッチSa3をオンし、リアクトルL1の電流を、スイッチSa3,コンデンサCa1及びダイオードDa1を介してスイッチング電源装置4の出力端子側に流し、コンデンサCa1の充電電荷を放電させる。これにより、スイッチング素子S1のドレイン−ソース間電圧の変化が緩やかになり、ターンオフ時のスイッチング損失を低減できる。   As described above, according to the present embodiment, when the switching element S1 is turned off in the step-up operation, the switch Sa3 is turned on, and the current of the reactor L1 is supplied to the switching power supply device 4 via the switch Sa3, the capacitor Ca1 and the diode Da1. It flows to the output terminal side, and the charge of the capacitor Ca1 is discharged. Thereby, the change of the drain-source voltage of switching element S1 becomes loose, and the switching loss at the time of turn-off can be reduced.

そして、コンデンサCa1の放電が終了するとスイッチング素子Sa1及びSa2をオンにしてスイッチSa3をオフし、スイッチング素子S2の寄生ダイオードを介して出力端子側に流れる電流の一部をリアクトルLa1にも流す。それから、スイッチング素子S1をターンオンさせると同時、又はその後にスイッチング素子Sa1及びSa2をオフにし、スイッチSa3をオンにすることで、リアクトルLa1の電流によりコンデンサCa1を充電する。   When the discharge of the capacitor Ca1 is completed, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on and the switch Sa3 is turned off, and a part of the current flowing to the output terminal side is also passed to the reactor La1 via the parasitic diode of the switching element S2. Then, at the same time as or after the switching element S1 is turned on, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned off and the switch Sa3 is turned on to charge the capacitor Ca1 with the current of the reactor La1.

また、降圧動作においてスイッチSa4をオンし、スイッチング素子S2がターンオフした際に、リアクトルL1の電流を、ダイオードDa2,コンデンサCa2及びスイッチSa4を介して直流電源1側に流し、コンデンサCa2の充電電荷を放電させる。これにより、スイッチング素子S2のドレイン−ソース間電圧の変化が緩やかになり、ターンオフ時のスイッチング損失が低減される。   Further, when the switch Sa4 is turned on and the switching element S2 is turned off in the step-down operation, the current of the reactor L1 is caused to flow to the DC power supply 1 side via the diode Da2, the capacitor Ca2, and the switch Sa4, and the charge of the capacitor Ca2 is charged. Discharge. Thereby, the change of the drain-source voltage of the switching element S2 becomes gentle, and the switching loss at the time of turn-off is reduced.

そして、コンデンサCa2の放電が終了した後にスイッチング素子Sa1及びSa2をオンにしてスイッチSa4をオフし、リアクトルLa1に通電する。それから、スイッチング素子S2をターンオンさせると同時、又はその後に、スイッチング素子Sa1及びSa2をオフにし、スイッチSa4をオンにすることで、リアクトルLa1の電流によりコンデンサCa2を充電する。
したがって、コンデンサCa1及びCa2からなる浮遊電源(定常的に基準電位点に接続されない状態の電源)を1つのみ使用する簡単な回路構成により、スイッチング素子S1,S2の両方に対して、ターンオフする際の損失を低減できる。
And after discharge of capacitor | condenser Ca2 is complete | finished, switching element Sa1 and Sa2 are turned ON, switch Sa4 is turned OFF, and it supplies with electricity to reactor La1. Then, at the same time as or after the switching element S2 is turned on, the switching elements Sa1 and Sa2 are turned off and the switch Sa4 is turned on to charge the capacitor Ca2 with the current of the reactor La1.
Therefore, when turning off both of the switching elements S1 and S2 with a simple circuit configuration using only one floating power source (a power source that is not constantly connected to the reference potential point) composed of the capacitors Ca1 and Ca2. Loss can be reduced.

また、コンデンサCa1,Ca2の充電は常にリアクトルLa1に流れる電流によって行われるため、スイッチSa1,Sa2の通電に伴う損失やダイオードDa1−Da4の損失を無視すると充電動作は無損失であり、これによってスイッチ電源装置4の効率を一層向上させることができる。また、コンデンサCa1,Ca2を充電するに足る最小限の電流をLa1に蓄積させるようスイッチング素子Sa1,Sa2をオンにする期間を最小限に制御すれば、スイッチング素子Sa1及びSa2を介して流れる電流により発生する損失も極力低減できる。   Further, since the capacitors Ca1 and Ca2 are always charged by the current flowing through the reactor La1, the charging operation is lossless if the loss due to the energization of the switches Sa1 and Sa2 and the loss of the diodes Da1 to Da4 are ignored. The efficiency of the power supply device 4 can be further improved. Further, if the period during which the switching elements Sa1 and Sa2 are turned on is controlled to be minimal so that a minimum current sufficient to charge the capacitors Ca1 and Ca2 is accumulated in La1, the current flowing through the switching elements Sa1 and Sa2 The loss that occurs can be reduced as much as possible.

加えて、昇圧動作時には、M5でスイッチング素子S1をターンオンさせた以降に、スイッチSa3のみをオンし、スイッチSa4をオフに維持することでサージ電流の発生を阻止できる。したがって、スイッチング素子S1のターンオン損失も低減できる。また、降圧動作時には、M5でスイッチング素子S2をターンオンさせた以降に、スイッチSa4のみをオンし、スイッチSa3をオフに維持することでサージ電流の発生を阻止できる。したがってこの場合も、スイッチング素子S2のターンオン損失を低減できる。   In addition, during the step-up operation, after the switching element S1 is turned on at M5, only the switch Sa3 is turned on and the switch Sa4 is kept off to prevent the generation of surge current. Therefore, the turn-on loss of the switching element S1 can also be reduced. Further, during the step-down operation, after the switching element S2 is turned on at M5, the generation of the surge current can be prevented by turning on only the switch Sa4 and keeping the switch Sa3 off. Therefore, also in this case, the turn-on loss of the switching element S2 can be reduced.

尚、昇圧動作時において、スイッチSa3は常時オンさせても良いが、上述のように必要な期間のみオンさせることで、スイッチSa3を駆動する駆動回路の損失を低減できる。同様に、降圧動作時においても、スイッチSa4は常時オンさせても良いが、必要な期間のみオンさせることで、スイッチSa4を駆動する駆動回路の損失を低減できる。   In the boosting operation, the switch Sa3 may be always turned on, but the loss of the drive circuit that drives the switch Sa3 can be reduced by turning it on only for a necessary period as described above. Similarly, the switch Sa4 may be always turned on during the step-down operation, but by turning it on only for a necessary period, the loss of the drive circuit that drives the switch Sa4 can be reduced.

(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図8に示すように、第2実施形態は、第1実施形態のスイッチング電源装置4を、インバータ回路11に駆動用電源を供給するために適用した場合を示す。インバータ回路11は、6個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)Q1〜Q6を3相ブリッジ接続して構成されており、各IGBTQ1〜Q6のコレクタ,エミッタ間には、それぞれフリーホイールダイオードが接続されている。インバータ回路11の各相出力端子は、モータ12の各相固定子巻線の一端に接続されている。モータ12は、例えば電気自動車の走行駆動用モータである。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only different parts will be described. As shown in FIG. 8, the second embodiment shows a case where the switching power supply device 4 of the first embodiment is applied to supply driving power to the inverter circuit 11. The inverter circuit 11 is configured by connecting six IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) Q1 to Q6 in a three-phase bridge, and a free wheel diode is connected between the collectors and emitters of the IGBTs Q1 to Q6. Yes. Each phase output terminal of the inverter circuit 11 is connected to one end of each phase stator winding of the motor 12. The motor 12 is, for example, a driving motor for an electric vehicle.

そして、スイッチング電源装置4の出力端子に、インバータ回路11の高電位側端子13(+)及び低電位側端子13(−)が接続されている。スイッチング電源装置4の昇圧動作及び降圧動作については第1実施形態と同様であり、スイッチング電源装置4は、必要に応じて直流電源1の電圧を昇圧してインバータ回路11に供給する。また、回生動作時にモータ12の発電電圧をインバータ11を介して直流に変換し、必要に応じてその直流電圧を降圧して、直流電源1を充電する。   The high potential side terminal 13 (+) and the low potential side terminal 13 (−) of the inverter circuit 11 are connected to the output terminal of the switching power supply device 4. The step-up operation and step-down operation of the switching power supply device 4 are the same as in the first embodiment, and the switching power supply device 4 boosts the voltage of the DC power supply 1 as necessary and supplies it to the inverter circuit 11. Further, during the regenerative operation, the generated voltage of the motor 12 is converted into direct current through the inverter 11, and the direct current voltage is reduced as necessary to charge the direct current power source 1.

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
スイッチング素子S1及びS2にフリーホイールダイオードを備えたIGBTを用いても良い。
第2実施形態において、インバータ回路11が駆動対象とするモータは、電気自動車の走行駆動用モータに限ることはない。
The present invention is not limited to the embodiments described above or shown in the drawings, and the following modifications or expansions are possible.
You may use IGBT which provided the freewheel diode in switching element S1 and S2.
In the second embodiment, the motor to be driven by the inverter circuit 11 is not limited to a driving motor for an electric vehicle.

1 直流電源、2 双方向チョッパ、3 損失低減回路、4 スイッチング電源装置、S1 第1主スイッチング素子、S2 第2主スイッチング素子、L1及びLa1 リアクトル、Da1及びDa2 第1及び第2ダイオード、Ca1及びCa2 第1及び第2コンデンサ、Sa1及びSa2 第1及び第2補助スイッチ、Sa3及びSa4 第1及び第2スイッチ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply, 2 Bidirectional chopper, 3 Loss reduction circuit, 4 Switching power supply device, S1 1st main switching element, S2 2nd main switching element, L1 and La1 reactor, Da1 and Da2 1st and 2nd diode, Ca1 and Ca2 first and second capacitors, Sa1 and Sa2 first and second auxiliary switches, Sa3 and Sa4 first and second switches.

Claims (4)

第1及び第2主スイッチング素子(S1,S2)からなり、高電位側端子と低電位側端子との間に接続される第1直列回路と、
一端が直流電源の正側端子に接続され、他端が前記第1直列回路の共通接続点に接続される主インダクタ(L1)と、
前記第1直列回路に並列に接続される、第1ダイオード(Da1),第1コンデンサ(Ca1),第1及び第2スイッチ(Sa3,Sa4),第2コンデンサ(Ca2)並びに第2ダイオード(Da2)からなる第2直列回路と、
この第2直列回路における前記第1ダイオードから前記第2コンデンサまでの直列部に並列に接続される第1補助スイッチング素子(Sa1)及び第3ダイオード(Da3)で構成される第3直列回路と、
前記第2直列回路における前記第1コンデンサから前記第2ダイオードまでの直列部に並列に接続される第4ダイオード(Da4)及び第3補助スイッチング素子(Sa2)で構成される第4直列回路と、
前記第3直列回路の共通接続点と、前記第4直列回路の共通接続点との間に接続される補助インダクタ(La1)とを備え、
前記第1ダイオードのカソードは、前記第2主スイッチング素子の一端と共通に接続され、
前記第2ダイオードのアノードは、前記第1主スイッチング素子の一端と共通に接続され、
前記第3ダイオードのアノードは、前記第2ダイオードのカソードと共通に接続され、
前記第4ダイオードのカソードは、前記第1ダイオードのアノードと共通に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
A first series circuit composed of first and second main switching elements (S1, S2) and connected between the high potential side terminal and the low potential side terminal;
A main inductor (L1) having one end connected to the positive terminal of the DC power supply and the other end connected to a common connection point of the first series circuit;
The first diode (Da1), the first capacitor (Ca1), the first and second switches (Sa3, Sa4), the second capacitor (Ca2), and the second diode (Da2) are connected in parallel to the first series circuit. A second series circuit comprising:
A third series circuit composed of a first auxiliary switching element (Sa1) and a third diode (Da3) connected in parallel to the series part from the first diode to the second capacitor in the second series circuit;
A fourth series circuit composed of a fourth diode (Da4) and a third auxiliary switching element (Sa2) connected in parallel to the series part from the first capacitor to the second diode in the second series circuit;
An auxiliary inductor (La1) connected between a common connection point of the third series circuit and a common connection point of the fourth series circuit;
A cathode of the first diode is connected in common with one end of the second main switching element;
An anode of the second diode is connected in common with one end of the first main switching element;
An anode of the third diode is connected in common with a cathode of the second diode;
The cathode of the fourth diode is connected in common with the anode of the first diode.
前記直流電源の電圧を昇圧する際に、
前記第2スイッチを常時オフ状態にして、
前記第1スイッチを、少なくとも、前記第1及び第2補助スイッチング素子をオンして前記補助インダクタに通電させた後、前記第1主スイッチング素子をターンオンさせた際にオン状態にしておき、前記補助リアクトルに蓄積された磁気エネルギーにより流れる電流で前記第1コンデンサ(Ca1)を充電するように制御し、
また、前記第1スイッチを、前記第1主スイッチング素子をターンオフさせた際にオンして、前記主インダクタを介して流れる電流を、前記第1スイッチ,前記第1コンデンサ及び前記第1ダイオードに転流させるように制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
When boosting the voltage of the DC power supply,
Always turn off the second switch,
The first switch is turned on when the first main switching element is turned on after at least the first and second auxiliary switching elements are turned on to energize the auxiliary inductor, and the auxiliary switch is turned on. Control to charge the first capacitor (Ca1) with a current flowing by magnetic energy accumulated in the reactor,
The first switch is turned on when the first main switching element is turned off, and the current flowing through the main inductor is transferred to the first switch, the first capacitor, and the first diode. The power converter according to claim 1, wherein the power converter is controlled to flow.
前記直流電源の電圧を降圧する際に、
前記第1スイッチを常時オフ状態にして、
前記第2スイッチを、少なくとも、前記第1及び第2補助スイッチング素子をオンして前記補助インダクタに通電させた後、前記第2主スイッチング素子をターンオンさせた際にオン状態にしておき、前記補助リアクトルに蓄積された磁気エネルギーにより流れる電流で前記第2コンデンサを充電するように制御し、
また、前記第2スイッチを、前記第2主スイッチング素子をターンオフさせた際にオンして、前記主インダクタを介して流れる電流を前記第2ダイオード,前記第2コンデンサ及び前記第2スイッチに転流させるように制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
When stepping down the voltage of the DC power supply,
Always turn off the first switch,
The second switch is turned on at least when the second main switching element is turned on after at least the first and second auxiliary switching elements are turned on to energize the auxiliary inductor. Control to charge the second capacitor with a current flowing by magnetic energy stored in the reactor,
Further, the second switch is turned on when the second main switching element is turned off, and the current flowing through the main inductor is commutated to the second diode, the second capacitor, and the second switch. The power conversion device according to claim 1, wherein control is performed so that
前記第1及び第2スイッチは、何れも半導体スイッチング素子を用いて、双方向に導通可能なスイッチとして構成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の電力変換装置。   4. The power conversion according to claim 1, wherein each of the first switch and the second switch is configured as a bidirectionally conductive switch using a semiconductor switching element. 5. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106981986A (en) * 2017-04-13 2017-07-25 佛山科学技术学院 Charging device based on the two-way DC DC converters of non-isolation type

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