JP2017147850A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】相補的にオンオフされるメインスイッチS1及び同期整流スイッチS2とメインリアクトルL1とを備え、電圧を変換するスイッチング回路と、補助スイッチS3と補助リアクトルL2とを備え、メインスイッチS1がオフ状態のときに補助スイッチS3がオン状態にされることにより、メインスイッチS1の端子間電圧を抑制するエネルギを放出する補助スイッチング回路15と、メインスイッチS1と同期整流スイッチS2と補助スイッチS3のスイッチングを制御する制御部20と、を備える。そして、メインスイッチS1又は同期整流スイッチS2の端子間電圧を検出する電圧検出部51、を備え、制御部20は、検出された端子間電圧の立ち上がり波形又は立ち下がり波形に基づいて、損失が所定よりも小さくなるように、補助スイッチS3に対する制御信号を生成する。
【選択図】 図1
Description
<降圧コンバータの基本構成>
第1実施形態では、電力変換装置を降圧コンバータとして具現化した。まず、本実施形態に係る電力変換装置10の基本構成について、図1を参照して説明する。電力変換装置10は、スイッチS1、スイッチS2、メインリアクトルL1、補助共振回路15、平滑コンデンサCs1及び平滑コンデンサCs2から成る電圧変換部と、制御器20と、遷移時間検出器50とを備える。
<降圧コンバータの基本動作>
次に、電力変換装置10の基本動作について図2〜10を参照して説明する。図2は、電力変換装置10の動作態様を示すタイムチャートである。図2(a)〜(c)は、それぞれ、スイッチS1〜S3のゲート電圧Vgs1,Vgs2,Vgs3のタイムチャートを表す。すなわち、図2(a)〜(c)は、スイッチS1〜S3のオンオフを表す。図2(d),(e)は、上アームの端子間電圧Vds1及び下アームの端子間電圧Vds2を表す。端子間電圧Vds1,Vds2は、スイッチS1,S2のドレイン端子とソース端子との端子間電圧である。
<最適なZVS制御>
上述したように、補助電流IL2が式(1)の条件を満たした時点で、スイッチS2をターンオフにすることにより、スイッチS1のZVSを実現できる。よって、補助電流IL2を電流センサで検出し、検出した補助電流IL2が式(1)の条件を満たした場合に、スイッチS2をターンオフすることが考えられる。しかしながら、電流センサの検出精度、入力電圧V1及び出力電圧V2の変動、静電容量C1,C2のばらつき、インダクタンスL2のばらつき、及び温度特性等の要因で、式(1)を満たす補助電流は変動する。上記要因を考慮して、ばらつき等による変動が最大のときでも式(1)を満たすように、補助電流IL2の大きさを余裕を見た大きさにしなければならない。
次に、第2実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Aの構成を図16に示す。電力変換装置10Aの端子13,14間には電源80aが接続され、端子11,12間には負荷70aが接続される。電力変換装置10Aは、電源80aの入力電圧V2を昇圧して負荷70aへ出力する昇圧コンバータである。
次に、第3実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Bの構成を図19に示す。電力変換装置10Bの端子11,12間には電源70b又は負荷70bが接続され、端子13,14間には負荷80b又は電源80bが接続される。電力変換装置10Bは、電源70bの入力電圧V1を降圧して端負荷80bへ出力する降圧動作をするとともに、電源80bの入力電圧V2を昇圧して負荷70bへ出力する昇圧動作をする双方向型コンバータである。
次に、第4実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Cの構成を図21に示す。
次に、第5実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Dの構成を図22に示す。
次に、第6実施形態に係る電力変換装置について、第5実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Eの構成を図23に示す。
次に、第7実施形態に係る電力変換装置について、第5実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Fの構成を図24に示す。
次に、第8実施形態に係る電力変換装置について、第5実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置10Gの構成を図25に示す。
・立ち上がり波形又は立ち下がり波形として、立ち上がり波形又は立ち下がり波形の傾きを検出し、傾きに基づいて、スイッチS3,S4のターンオンのタイミングを制御してもよい。また、例えば、立ち上がり波形が閾値Vthの1/2まで上昇するまでの時間を検出し、その時間を2倍して遷移時間Taとしてもよい。
Claims (14)
- 相補にスイッチングを行うメインスイッチと同期整流スイッチと、第1磁気部品と、を備え、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチが相補的にオンオフされることにより、入力電圧を所定電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
補助スイッチと、第2磁気部品と、を備え、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチのいずれかがオフ状態のときに前記補助スイッチがオン状態にされることにより、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチの容量成分と前記第2磁気部品とで共振動作させる補助スイッチング回路と、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチと前記補助スイッチのスイッチングを制御する制御部と、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチの端子間電圧を検出する電圧検出部と、を備える電力変換装置であって、
前記制御部は、前記電圧検出部により検出された前記メインスイッチと前記同期整流スイッチの端子間電圧の立ち上がり波形又は立ち下がり波形に基づいて、前記補助スイッチに対する制御信号を生成することを特徴とする電力変換装置。 - 前記スイッチング回路は、容量成分を並列に備えたメインスイッチと、容量成分を並列に備え前記メインスイッチに直列接続された同期整流スイッチと、第1端及び第2端を両端とし前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの接続点に前記第1端が接続された第1磁気部品と、を備え、
前記補助スイッチング回路は、前記第1磁気部品の前記第1端に前記第1磁気部品に並列に接続された回路であって、前記補助スイッチと、前記第2磁気部品と、前記補助スイッチとは別の素子の補助スイッチ又はダイオードである補助素子とを備え、
前記第1磁気部品はメインリアクトルであり、
前記第2磁気部品は補助リアクトルであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記メインスイッチがオン状態のときに、電源から前記メインリアクトルに電流が供給され、前記同期整流スイッチがオン状態のときに、前記メインリアクトルから負荷に電流が供給されるものであり、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの直列体の高電位側端子と低電位側端子との間に接続された第1平滑コンデンサと、
前記メインリアクトルの第2端と前記直列体の前記低電位側端子との間に接続された第2平滑コンデンサと、
前記メインスイッチ又は前記同期整流スイッチの前記端子間電圧と閾値との比較と、前記同期整流スイッチに対する制御信号とから、前記同期整流スイッチの端子間電圧の立ち上がり又は前記メインスイッチの端子間電圧の立ち下がりの開始から終了までの遷移時間を検出する遷移時間検出部と、を備え、
前記制御部は、
前記電源の入力電圧と、前記負荷の目標電圧又は目標電流と、前記負荷の実電圧又は実電流とに基づいて、前記メインスイッチ及び前記同期整流スイッチに対する制御信号を生成するとともに、
前記遷移時間検出部により検出された前記遷移時間の検出値と、前記遷移時間の目標値とに基づいて、前記補助スイッチに対する制御信号を生成することを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記目標電圧と前記実電圧との電圧偏差に基づき、前記実電圧が前記目標電圧になるように、又は、前記目標電流と前記実電流との電流偏差に基づき、前記実電流が前記目標電流になるように、前記メインスイッチ及び前記同期整流スイッチに対する制御信号を生成するとともに、
前記遷移時間の目標値と前記遷移時間の検出値との時間偏差に基づき、前記遷移時間の検出値が前記遷移時間の目標値になるように、前記補助スイッチに対する制御信号を生成することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記遷移時間の目標値は、前記遷移時間に対する損失の変化量が所定値未満となる前記遷移時間の範囲内の値であることを特徴とする請求項3又は4に記載の電力変換装置。
- 前記遷移時間の目標値は、前記補助リアクトルと、前記メインスイッチに並列に接続された容量成分と、前記同期整流スイッチに並列に接続された容量成分との共振周期の1/8から4/13までの範囲内の値であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記遷移時間の目標値は、前記補助リアクトルと、前記メインスイッチに並列に接続された容量成分と、前記同期整流スイッチに並列に接続された容量成分との共振周期の1/4であることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記メインスイッチ、前記同期整流スイッチ、前記第1磁気部品及び前記補助スイッチング回路は降圧コンバータを構成し、
前記メインスイッチ及び前記同期整流スイッチは、降圧コンバータの直列接続されたスイッチであることを特徴とする請求項2〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記メインスイッチ、前記同期整流スイッチ、前記第1磁気部品及び前記補助スイッチング回路は昇圧コンバータを構成し、
前記メインスイッチ及び前記同期整流スイッチは、昇圧コンバータの直列接続されたスイッチであることを特徴とする請求項2〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1磁気部品の両端の間に、前記補助スイッチング回路と並列に容量成分が接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第1磁気部品はメインリアクトルであり、
前記第2磁気部品は補助リアクトルであり、
前記メインリアクトルと前記補助リアクトルとは互いに磁気結合していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記補助スイッチング回路はダイオードを含み、
前記ダイオードのアノード端子がグラウンド電位に接続されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記補助スイッチング回路はダイオードを含み、
前記ダイオードのアノード端子が電源の高電位側に接続されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記補助スイッチング回路は、2つの補助スイッチを含み、
前記2つの補助スイッチは、前記第2磁気部品を介して直列接続されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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