JP2017139898A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブリッジ回路のスイッチング素子の温度を平準化する。【解決手段】 直流電源の正側に接続される第１スイッチング素子と、負側に接続される第２スイッチング素子とが直列に接続された第１スイッチングレグと、直流電源の正側に接続される第３スイッチング素子と、負側に接続される第４スイッチング素子とが直列に接続された第２スイッチングレグと、が並列接続されたフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の第１〜第４スイッチング素子のオンオフを制御する制御部とを備え、制御部は、同じスイッチングレグ内の第１／第２スイッチング素子および第３／第４スイッチング素子を互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングを行い、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグのいずれか一方を先行してスイッチングする電力変換装置において、制御部は、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグの他方を先行してスイッチングするように切り替える。【選択図】 図８

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に複数のスイッチング素子をブリッジ接続したブリッジ回路を使用して電力変換を行う電力変換装置に関する。

従来から、電源供給の信頼性を確保する方法として、１つの負荷に対して複数の電源を並列に接続することで、電源の内の１つが故障しても、残る正常な電源により出力を供給し続ける冗長構成をとることが知られている。従来の並列構成においては、各電源の出力電圧がばらつき、出力電流が均等に出力されないため、１台の電源に負荷電流の負担が集中することがあった。その結果、負荷電流の多くを負担する電源に発熱等の熱的ストレスが集中し、この電源の寿命や電源供給の信頼性を落とす原因となっていた。このような問題を回避するために、次のような技術が提案されている。

例えば、特許文献１は、簡易な回路構成でありかつ、既存のスイッチング電源回路にも並列運転が実現できるスイッチング電源並列運転制御装置を開示する。このスイッチング電源並列運転制御装置は、複数のスイッチング電源回路を並列接続して共通の負荷に電力を供給する。本制御装置は、各スイッチング電源回路の温度に基づいて各スイッチング電源回路の出力の不均衡を検出することにより、複数のスイッチング電源回路にかかる負荷率を均等にするよう出力電圧を補正するための補正信号を各スイッチング電源回路に出力する。

また、特許文献２は、各半導体の電力損失を均等に分散させて所定半導体のみの熱集中を回避する半導体の並列駆動回路を開示する。この並列駆動回路は、スイッチング電源の昇圧チョッパ回路の並列ＩＧＢＴを駆動する。スイッチングパルス信号をカウンタに入力し、このカウンタの出力信号とスイッチングパルス信号とを論理回路を組み合わせた回路で同スイッチングパルス信号のパルスを間引いた信号を得る。これらの信号により各ＩＧＢＴを交互にオン、オフし、各ＩＧＢＴにおいて電力損失を均等に分担させる。

また、特許文献３は、同期整流回路を用いたＤＣ−ＤＣコンバータにおける整流スイッチング素子での損失を低減した高効率のＤＣ−ＤＣコンバータを開示する。このＤＣ−ＤＣコンバータは、同期整流回路における整流スイッチング素子の駆動信号を生成するにあたり、特にそのオフタイミングの生成・制御については、一次側の電流から負荷側の電流を予測して、予測した負荷電流及びその変動に対応したオフタイミングの制御に加える。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータは、動作中の整流スイッチング素子の温度を検出し、その温度特性による電流降下率の変化に基づいてタイミング補正を行う。

また、特許文献４は、複数のスイッチングレギュレータの並列運転時において、負荷電流の大きい時には電流のバランスを良好に保ち、負荷電流の小さい時には定電圧性を保つことができる複数のスイッチング電源装置を並列接続した直流電源装置を開示する。この直流電源装置では、並列接続された２台のスイッチングレギュレータはそれぞれ、トランスの１次巻線に直列に接続されたＦＥＴを有し、共通の出力電圧検出回路の出力に応答する電圧制御回路と、電流検出抵抗に応答する電流制御回路を設ける。そして、負荷電流の大小を出力電圧に基づいて判定し、負荷電流の小さい時には電圧制御回路の出力で、大きい時には電流制御回路の出力でＦＥＴを制御し、電圧制御回路と電流制御回路を選択的に動作させる。

特開２０００−３５８３７１号公報 特開２００４−２８９９３８号公報 特開２０１３−１１６０１６号公報 特開平０６−２２５５３０号公報

「グリーンエレクトロニクスＮｏ．１ （トランジスタ技術ＳＰＥＣＩＡＬ増刊） 高効率・低雑音の電源回路設計」 ＣＱ出版社 Ｐ．６６−６８ 第６章 フェーズ・シフト・フルブリッジＺＶＳ電源の設計と試作

電力変換装置で用いられているブリッジ回路の複数のスイッチング素子のうち、特定のスイッチング素子の発熱量が大きくなることに鑑み、本発明は、電力変換装置で用いられているブリッジ回路のスイッチング素子の温度を平準化する電力変換装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、直流電源の正側に接続される第１スイッチング素子と、直流電源の負側に接続される第２スイッチング素子とが直列に接続された第１スイッチングレグと、直流電源の正側に接続される第３スイッチング素子と、直流電源の負側に接続される第４スイッチング素子とが直列に接続された第２スイッチングレグと、が並列接続されたフルブリッジ回路と、フルブリッジ回路の第１乃至第４スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、を備え、制御部は、同じスイッチングレグ内の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子および第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングを行い、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグのいずれか一方を先行してスイッチングする電力変換装置において、制御部は、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグの他方を先行してスイッチングするように切り替える電力変換装置が提供される。
これによれば、先行してスイッチングするレグに含まれるスイッチング素子の発熱量が大きいため、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグの内で先行してスイッチングするレグを切り替えることで、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子の温度を平準化する電力変換装置を提供できる。

さらに、制御部は、共振コイルが接続されたスイッチングレグを先行させる割合に対し、共振コイルが接続されていないスイッチングレグを先行させる割合を大きくすることを特徴としてもよい。
これによれば、共振コイルが接続されていないスイッチングレグを先行させる割合を大きくすることで、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子の温度を平準化することができる。

さらに、制御部は、第１乃至第４スイッチング素子を流れる電流がゼロの時に、先行するスイッチングレグを切り替えることを特徴としてもよい。
これによれば、スイッチング素子を流れる電流がゼロの時にスイッチングレグを切り替えることで、切り替える影響を少なくすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、電力変換装置で用いられているブリッジ回路のスイッチング素子の温度を平準化する電力変換装置を提供できる。

本発明に係る第一実施例の電力変換装置の回路図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置における先行するレグが第２スイッチングレグである場合のスイッチングを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置のＴ１における電流の流れを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置のＴ２における電流の流れを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置のＴ３における電流の流れを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置のＴ４における電流の流れを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置における先行するレグが第２スイッチングレグである場合の電流の流れの順序を示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置における先行するレグが第２スイッチングレグである場合から第１スイッチングレグに切り替える場合のスイッチングを示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置における先行するレグが第２スイッチングレグである場合から第１スイッチングレグに切り替わる場合の各素子に流れる電流を示す説明図。 本発明に係る第一実施例の電力変換装置における先行するレグが第２スイッチングレグである場合から第１スイッチングレグに切り替わる場合の電流の流れの順序を示す説明図。

以下では、図面を参照しながら、本発明に係る各実施例について説明する。
＜第一実施例＞
図１を参照し、本実施例における電力変換装置１００を説明する。電力変換装置１００は、直流電源ＢＡＴに接続される一次側回路Ｃ１と、一次側回路Ｃ１とトランス４０で磁気結合され、負荷ＬＤに接続される二次側回路Ｃ２とから構成される。電力変換装置１００は、所定の電圧の直流電源ＢＡＴから一次側回路Ｃ１に入力された直流電力を、トランス４０を経由して昇圧または降圧し、その変換した電力を負荷ＬＤに供給する、いわゆるＤＣ−ＤＣコンバータである。

一次側回路Ｃ１は、４つスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を有するフルブリッジ回路１０と、フルブリッジ回路１０のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のオンオフを制御する制御部２０と、フルブリッジ回路１０とトランス４０の間に共振コイル３０とを備える。なお、一次側回路Ｃ１は、さらに、直流電源ＢＡＴの両極に接続され、２つのダイオードが直列に２つとも直流電源ＢＡＴの負側から正側に順方向となるように接続された付加回路５０を有する。付加回路５０は、２つのダイオードの中間で、トランス４０と共振コイル３０の中間と接続されている。二次側回路Ｃ２では、トランス４０と接続された整流回路６０と、整流回路６０と一方を接続され、他方を負荷ＬＤに接続された平滑回路７０を備える。なお、二次側回路は、負荷ＬＤに対して整流された電流を供給できればよく、特に方式は限定されない。

フルブリッジ回路１０は、２つの並列接続されたスイッチングレグから構成される。第１スイッチングレグ１１は、直流電源ＢＡＴの正側に接続される第１スイッチング素子ＳＷ１と、負側に接続される第２スイッチング素子ＳＷ２とが直列に接続される。第２スイッチングレグ１２は、直流電源ＢＡＴの正側に接続される第３スイッチング素子ＳＷ３と、負側に接続される第４スイッチング素子ＳＷ４とが直列に接続される。

高電位側のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ３は、ドレインが直流電源ＢＡＴの正側に接続されている。また、高電位側スイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ３のソースは、低電位側のスイッチング素子ＳＷ２／ＳＷ４のドレインに接続されている。低電位側のスイッチング素子ＳＷ２／ＳＷ４のソースは、直流電源ＢＡＴの負側に接続されている。第１スイッチングレグ１１において第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２の中間で、トランス４０の一端に接続されている。また、第２スイッチングレグ１２において第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４の中間で共振コイル３０を介して、トランス４０の他端に接続されている。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、後述する制御部２０からのＰＷＭ信号がゲートに入力され、ソース−ドレイン間がオン／オフされる。

スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、内部にダイオードとキャパシタを有するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）である。内部に有するダイオード（寄生ダイオード）は、ソース側にアノードを、ドレイン側にカソードを接続され、ソースからドレインに順方向となるように接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴの内部に構造的に有するキャパシタ（寄生キャパシタ）は、後述するゼロ電圧スイッチングの際の容量として機能する。

制御部２０は、所定のＰＷＭ信号を生成し、その信号を各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートに入力することで、ソース−ドレイン間をオン／オフし、二次側回路Ｃ２へ電力を変換して伝達する。

図２〜図７を参照して、制御部２０が行う、第１スイッチングレグ１１の第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２、および、第２スイッチングレグ１２の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４のスイッチングについて説明する。スイッチングは、いずれかのスイッチングレグを先行してスイッチングが行われるので、先行するスイッチングレグレグが第２スイッチングレグ１２である場合のスイッチングについて説明する。

図２は、制御部２０が行う、先行するレグが第２スイッチングレグ１２である場合のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング方法を示す。時間Ｔ１では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４がオン、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３がオフとなっている。なお、いずれの時間（Ｔ１〜Ｔ４）においても、制御部２０は、第１スイッチングレグ１１内の第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２を互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングを行い、第２スイッチングレグ１２内の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４を互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングを行う。

また、本実施例では、パルス周期をＴ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４として、第１スイッチング素子ＳＷ１のパルス幅をＴ１＋Ｔ２、第２スイッチング素子ＳＷ２のパルス幅をＴ３＋Ｔ４、第３スイッチング素子ＳＷ３のパルス幅をＴ２＋Ｔ３、第４スイッチング素子ＳＷ４のパルス幅をＴ４＋Ｔ１とし、デューティを０．５として説明する。また、第２スイッチングレグ１２がスイッチングされてから第１スイッチングレグ１１がスイッチングされるまでの間を時間Ｔ２およびＴ４とする。

時間Ｔ１における、電力変換装置１００の電流の流れの状態は図３に示すようになる。電流は、直流電源ＢＡＴから、高電位側に接続された中でオンになっている第１スイッチング素子ＳＷ１へ、トランス４０と共振コイル３０を経由して、低電位側の第４スイッチング素子ＳＷ４へと流れる。この場合、二次側回路Ｃ２では、電流は、トランス４０部分において図視で下から上に流れ、整流回路６０により整流されて負荷ＬＤに流れる。

第１スイッチング素子ＳＷ１のパルス幅Ｔ１＋Ｔ２が経過する前に、スイッチングが先行する第２スイッチングレグ１２の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４がスイッチングされる。第４スイッチング素子ＳＷ４はオンからオフへ、第３スイッチング素子ＳＷ３はオフからオンへ、スイッチングされる。このスイッチングがなされると時間Ｔ２になる。時間Ｔ２では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３がオン、第２スイッチング素子ＳＷ２と第４スイッチング素子ＳＷ４がオフとなっている。

時間Ｔ２における、電力変換装置１００の電流の流れの状態は図４に示すようになる。時間Ｔ２では、低電位側の第２スイッチング素子ＳＷ２と第４スイッチング素子ＳＷ４が両方ともオフなので、直流電源ＢＡＴからの電流は流れない。一方、トランス４０とフルブリッジ回路１０の間には共振コイル３０が接続されており、この共振コイル３０のインダクタンスを用いて、スイッチング素子のゼロ電圧スイッチングを可能としている。電流は、共振コイル３０に蓄積されたエネルギーで、共振コイル３０から、第３スイッチング素子ＳＷ３、第１スイッチング素子ＳＷ１、トランス４０を通って共振コイル３０へ戻り、循環するように流れる。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３が有するキャパシタと共振コイル３０との間で互いにエネルギーの授受を行い、外部からエネルギーの供給が無い状態でも電気的にエネルギーの授受（振動）が継続する。この場合、二次側回路Ｃ２では、電流は、平滑回路７０に蓄積されたエネルギーで、トランス４０部分において図視で下から上に流れる。

第１スイッチング素子ＳＷ１のパルス幅Ｔ１＋Ｔ２が経過すると、後行する第１スイッチングレグ１１の第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２がスイッチングされ、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフとなり、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンとなる。時間Ｔ３では、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３がオン、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４がオフとなっている。

この時間Ｔ３における、電力変換装置１００の電流の流れの状態は図５に示すようになる。電流は、直流電源ＢＡＴから、高電位側に接続された中でオンになっている第３スイッチング素子ＳＷ３へ、トランス４０と共振コイル３０を経由して、低電位側の第２スイッチング素子ＳＷ２へと流れる。この場合、二次側回路Ｃ２では、電流は、トランス４０部分において図視で上から下に流れ、整流回路６０により整流されて負荷ＬＤに流れる。

第２スイッチング素子ＳＷ２のパルス幅Ｔ３＋Ｔ４が経過する前に、スイッチングが先行する第２スイッチングレグ１２の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４がスイッチングされる。第４スイッチング素子ＳＷ４はオフからオンへ、第３スイッチング素子ＳＷ３はオンからオフへ、スイッチングされる。このスイッチングがなされると時間Ｔ４になる。時間Ｔ４では、第２スイッチング素子ＳＷ２と第４スイッチング素子ＳＷ４がオン、第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３がオフとなっている。

この時間Ｔ４における、電力変換装置１００の電流の流れの状態は図６に示すようになる。時間Ｔ４では、高電位側の第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３が両方ともオフなので、直流電源ＢＡＴからの電流は流れない。一方、トランス４０とフルブリッジ回路１０の間には共振コイル３０が接続されており、この共振コイル３０のインダクタンスを用いて、スイッチング素子のゼロ電圧スイッチングを可能としている。電流は、共振コイル３０に蓄積されたエネルギーで、共振コイル３０から、トランス４０を通って、第２スイッチング素子ＳＷ２、第４スイッチング素子ＳＷ４、共振コイル３０へ戻り、循環するように流れる。この場合、二次側回路Ｃ２では、電流は、平滑回路７０に蓄積されたエネルギーで、トランス４０部分において図視で上から下に流れる。

第２スイッチング素子ＳＷ２のパルス幅Ｔ３＋Ｔ４が経過すると、第１スイッチング素子ＳＷ１はオンにされ、第２スイッチング素子ＳＷ２はオフにされる。このように、パルス周期Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４を経過すると、またＴ１から同じ順序でスイッチングが繰り返し行われる。図７は、上述したように、先行するレグが第２スイッチングレグ１２である場合の電流の流れの順序を示しており、スイッチングは、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ１、・・・と繰り返して行われる。

図８は、先行するスイッチングレグが第２スイッチングレグ１２である場合から第１スイッチングレグ１１に切り替える場合のスイッチングを示す。本図の中央より左に示すスイッチングは、上述したＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ１、・・・の順番でスイッチングが行われており、第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされている。この状態において、時間Ｔ１では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４に電流が流れているが、Ｔ１からＴ２になる時に、第４スイッチング素子ＳＷ４がオフにスイッチングされる。電流が流れている時（電圧がかかっている時）にスイッチングされるとスイッチング素子に負荷がかかり、熱を発生する原因となる。したがって、第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされている状態においては、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４の発熱量を比べると、第４スイッチング素子ＳＷ４の方が大きくなる。

時間Ｔ２では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第３スイッチング素子ＳＷ３に電流が流れているが、Ｔ２からＴ３になる時直流電源ＢＡＴの電圧はいずれのスイッチング素子にもかかっていない状態なので、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフにスイッチングされても、第１スイッチング素子ＳＷ１の負荷は、上述した第４スイッチング素子ＳＷ４の負荷より小さい。その結果、第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされている状態が継続すると、第４スイッチング素子ＳＷ４の発熱量は、第１スイッチング素子ＳＷ１の発熱量より大きくなり、第２スイッチングレグ１２の第４スイッチング素子ＳＷ４の方の温度が高くなる。

この関係は、同様に、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３の関係にも成立するので、第２スイッチングレグ１２の第３スイッチング素子ＳＷ３の方の温度が高くなる。したがって、フルブリッジ回路１０の中で、先行する第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の方が、後行する第１スイッチングレグ１１のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ２よりも、発熱量が大きく、温度が高くなる。

本図の中央部分は、先行するスイッチングレグが切り替わる区間であり、本図の中央より右に示すスイッチングは、第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされて、Ｔ１、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２、Ｔ１、Ｔ４、・・・のようにスイッチングされる。第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされるようになると、第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされている時とは逆の現象が起こる。すなわち、時間Ｔ１では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４に電流が流れているが、Ｔ１からＴ４になる時に、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフにスイッチングされる。したがって、第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされている状態においては、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４の発熱量を比べると、第１スイッチング素子ＳＷ１の方が大きくなる。

時間Ｔ４でゼロ電圧スイッチングが行われる場合も同様であるから、結局、フルブリッジ回路１０の中で、先行する第１スイッチングレグ１１のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ２の方が、後行する第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４よりも、発熱量が大きく、温度が高くなる。逆に言うと、第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされている状態においては、第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の発熱量は相対的に高くないため温度は下がってくる。このように、一方のスイッチングレグのみを先行したスイッチングを継続していると、そのスイッチングレグに含まれるスイッチング素子の温度は、他方の後行するスイッチングレグに含まれるスイッチング素子に比べ高くなってしまう。しかし、上述したように、あるタイミングで先行するスイッチングレグと後行するスイッチングレグを切り替えると、両者のスイッチングレグの温度が平準化されることとなる。

すなわち、制御部２０は、第１スイッチングレグ１１と第２スイッチングレグ１２のいずれか一方を先行してスイッチングしている場合において、第１スイッチングレグ１１と第２スイッチングレグ１２の他方を先行してスイッチングするように切り替える。このように、第１スイッチングレグ１１と第２スイッチングレグ１２の内で先行してスイッチングするスイッチングレグを切り替えることで、フルブリッジ回路１０を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の温度を平準化する電力変換装置１００を提供できる。なお、先行するスイッチングレグを切り替える場合は、両スイッチングレグのオンオフのタイミングを徐々にシフトさせていき切り替えてもいいし、一旦すべてスイッチング素子をオフにしてから切り替えてもよい。

図９は、先行するスイッチングレグが第２スイッチングレグ１２である場合から第１スイッチングレグ１１に切り替わる場合の各素子に流れる電流を示す。図８で説明したように、本図の中央より左に示すスイッチングは、第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされており、本図の中央部分は、先行するスイッチングレグが切り替わる区間であり、本図の中央より右に示すスイッチングは、第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされている。いずれの時間（Ｔ１〜Ｔ４）においても、第１スイッチングレグ１１内の第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２は互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングされ、第２スイッチングレグ１２内の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４は互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングされる。

第２スイッチングレグ１２が先行してスイッチングされている時（中央より左側）、時間Ｔ１においては、後行する第１スイッチング素子ＳＷ１の電流はｌｍ１で始まり、第４スイッチング素子ＳＷ４がオンの間にｌｐｋまで増加する。しかし、その後ゼロ電圧スイッチングが始まるので、時間Ｔ２においては、第１スイッチング素子ＳＷ１の電流は、オフされる時のｌｍ２まで減少する。対応する第４スイッチング素子ＳＷ４は、絶対値として等しいｌｍ１の電流で始まり、オンの間ｌｐｋまで増加する。しかし、先行してオフになるので、時間Ｔ２においてはゼロになる。第３スイッチング素子ＳＷ３は、ゼロ電圧スイッチングが始まるまではゼロの電流であるが、ゼロ電圧スイッチングが始まる時間Ｔ２においては、ｌｐｋの電流で立ち上り、第１スイッチング素子ＳＷ１と同様、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフされる時のｌｍ２まで減少する。以降、スイッチングによりかかる電流が繰り返される。

先行する第２スイッチングレグ１２の第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４は、絶対値電流がｌｐｋの時にオフされる。一方、後行する第１スイッチングレグ１１の第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２は、絶対値電流がｌｍ２の時にオフされる。スイッチング素子をオフする時の電流で次にオンするスイッチング素子に蓄積されたエネルギーを引き抜いてゼロ電圧スイッチングを達成するので、オフする時の電流値が大きい方がゼロ電圧スイッチングを行いやすく、発熱しにくい。明らかなようにｌｐｋ＞ｌｍ２であるから、ｌｐｋでオフする側のスイッチング素子の方、すなわち後行してスイッチングされる第１スイッチングレグ１１のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ２の方が発熱は小さくなる。

第１スイッチングレグ１１が先行してスイッチングされている時（中央より右側）、上述した第１スイッチング素子ＳＷ１の電流波形と第４スイッチング素子ＳＷ４の電流波形が入れ替わり、第２スイッチング素子ＳＷ２の電流波形と第３スイッチング素子ＳＷ３の電流波形が入れ替わる。そうすると、上述した現象と逆の現象が起こり、第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の方が発熱は小さくなる。

図１０は、先行するスイッチングレグが第２スイッチングレグ１２から第１スイッチングレグ１１に切り替わる場合の電流の流れの順序を示しており、スイッチングは、Ｔ１の後に切り替わっており、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ１、Ｔ４、Ｔ３、Ｔ２、Ｔ１、Ｔ２、・・・と繰り返して行われる。このように、先行するスイッチングレグを切り替えることにより、フルブリッジ回路１０を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の温度を平準化することができる。

なお、切り替える頻度や、切り替える時間（Ｔ１で切り替えるのか、Ｔ２で切り替えるのか）は、適宜定められる。切り替えるタイミングでは電力変換はできないので、切り替える頻度は少ない方が好ましい。また、切り替えるタイミングは、スイッチング素子の耐熱を超える前に切り替えればよく、スイッチング素子の熱を測定して切り替えてもよいし、熱が飽和する時間を予め設定してその時間になったら切り替えることにしてもよい。

制御部２０におけるＰＷＭ制御などの条件を同じにして、第２スイッチングレグ１２のみを先行させたスイッチングを継続した場合（図７のスイッチングの場合）と、先行するレグを第２スイッチングレグ１２と第１スイッチングレグ１１とでほぼ同じ割合で切り替えて継続した場合（図９のスイッチングの場合）におけるスイッチング素子の温度を測定してみた。第２スイッチングレグ１２のみを先行させたスイッチングを継続した場合は、第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の温度が約７０°Ｃ、第１スイッチングレグ１１のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ２の温度が約４０°Ｃとなった。一方、先行するレグを第２スイッチングレグ１２と第１スイッチングレグ１１とでほぼ同じ割合で切り替えて継続した場合は、フルブリッジ回路１０のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の温度は、全部約５５°Ｃとなった。この結果は、明らかに、先行するスイッチングレグを切り替えることにより、フルブリッジ回路１０を構成するスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の温度を平準化することができた。

＜第一実施例の変形例＞
図３と図５の一点鎖線で示すように、時間Ｔ１およびＴ３では、共振コイル３０が接続された第２スイッチングレグ１２にのみに流れる電流が生ずる。すなわち、第１スイッチングレグ１１のスイッチング素子ＳＷ１／ＳＷ２に比べて、第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の方で流れる電流が多く、負荷が高いことになる。そうすると、仮に、上述したように先行するレグを第２スイッチングレグ１２と第１スイッチングレグ１１とでほぼ同じ割合で切り替えて継続した場合であっても、共振コイル３０が接続された第２スイッチングレグ１２のスイッチング素子ＳＷ３／ＳＷ４の方で発熱量が多く、温度が高くなってしまう（共振コイル３０による非対称性の問題）。

そこで、制御部２０は、共振コイル３０が接続された第２スイッチングレグ１２を先行させる割合に対し、共振コイル３０が接続されていない第１スイッチングレグ１１を先行させる割合を大きくすることが好ましい。たとえば、共振コイル３０が接続された第２スイッチングレグ１２を先行させる割合を４とし、共振コイル３０が接続されていない第１スイッチングレグ１１を先行させる割合を６とする如くである。このようにすることで、フルブリッジ回路１０に含まれるスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４の温度をさらに平準化することができる。なお、かかる非対称性の問題に対しては、スイッチング素子に対する冷却の条件を第１スイッチングレグと第２スイッチングレグとで変えたり、スイッチング素子のオン抵抗や寄生キャパシタの容量を変えたりして対応してもよい。

また、制御部２０は、フルブリッジ回路１０のすべてのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を流れる電流がゼロの時に、先行するスイッチングレグを切り替えることが好ましい。電流量が大きい時にスイッチングするとスイッチング負荷が大きくなるので、このようにすることで、切り替える影響を少なくすることができる。

なお、電力変換装置１００の一次側回路Ｃ１を流れる電流量が多く、負荷が大きい時、一次側回路Ｃ１および二次側回路Ｃ２は効率よく変換動作をする。このため、ゼロ電圧スイッチングを行える容量が大きくなるので、スイッチング素子における損失が小さくなり、発熱量が小さくなる。一方、電力変換装置１００の負荷が小さい時には、逆に、スイッチング素子における損失が大きくなり、発熱量が大きくなる。したがって、本発明の電力変換の方法は、電力変換装置１００の負荷が小さい時に用いるとその効果が大きくなる。

なお、本発明は、例示した実施例に限定するものではなく、特許請求の範囲の各項に記載された内容から逸脱しない範囲の構成による実施が可能である。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。

たとえば、本明細書では、共振コイルは、第２スイッチングレグに接続されていたが、第１スイッチングレグに接続されていてもよいし、共振コイル自体がなく、疑似共振回路であってもよい。また、上述した本発明に係る電力変換の方法は、蛍光灯のインバータなどにも適用可能である。

１００ 電力変換装置
１０ フルブリッジ回路
１１ 第１スイッチングレグ
１２ 第２スイッチングレグ
ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＷ２ 第２スイッチング素子
ＳＷ３ 第３スイッチング素子
ＳＷ４ 第４スイッチング素子
２０ 制御部
３０ 共振コイル
４０ トランス
５０ 付加回路
６０ 整流回路
７０ 平滑回路
ＢＡＴ 直流電源
ＬＤ 負荷
Ｃ１ 一次側回路
Ｃ２ 二次側回路

Claims (3)

1. 直流電源の正側に接続される第１スイッチング素子と、前記直流電源の負側に接続される第２スイッチング素子とが直列に接続された第１スイッチングレグと、前記直流電源の正側に接続される第３スイッチング素子と、前記直流電源の負側に接続される第４スイッチング素子とが直列に接続された第２スイッチングレグと、が並列接続されたフルブリッジ回路と、
   前記フルブリッジ回路の前記第１乃至第４スイッチング素子のオンオフを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、同じスイッチングレグ内の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子および第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を互いに１８０度の位相ずれによりスイッチングを行い、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグのいずれか一方を先行してスイッチングする電力変換装置において、
   前記制御部は、第１スイッチングレグと第２スイッチングレグの他方を先行してスイッチングするように切り替える、
   電力変換装置。
2. 前記制御部は、共振コイルが接続されたスイッチングレグを先行させる割合に対し、共振コイルが接続されていないスイッチングレグを先行させる割合を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第１乃至第４スイッチング素子を流れる電流がゼロの時に、先行するスイッチングレグを切り替えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

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