JP2020010430A - 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の、ＺＶＳを実現できる動作領域を広げる。【解決手段】半導体スイッチＳと逆並列ダイオードＤＰとを備えた、共振により半導体スイッチＳの両端にかかる電圧が時間変化する共振型電力変換回路１０は、設定周期毎に、半導体スイッチＳをオフし、オフした半導体スイッチＳを、逆並列ダイオードＤＰに流れる電流と相関する物理量の検出結果に基づき、逆並列ダイオードＤＰに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードＤＰを流れる電流が“０”となるまでの間にオンする。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置と電力変換装置の制御方法とに関する。

簡単な回路構成でＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）を実現できる電力変換装置として、半導体スイッチと、半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードとを備え、共振により半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

そのような電力変換装置の、ＺＶＳを実現できる動作領域は比較的に狭いものとなっている。

特表平６−５０５８４４号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体スイッチ及び当該半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えた、共振により半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置の、ＺＶＳを実現できる動作領域を広げることができる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る、半導体スイッチ及び前記半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えた、共振により前記半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置は、前記半導体スイッチをオン／オフする制御手段と、前記逆並列ダイオードに流れる電流と相関する物理量を検出する検出手段と、を含み、前記制御手段は、設定周期毎に、前記半導体スイッチをオフし、前記検出手段による前記物理量の検出結果に基づき、オフした前記半導体スイッチを、前記逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから前記逆並列ダイオードを流れる電流が"０"となるまでの間にオンする。

すなわち、本発明の上記態様に係る電力変換装置は、従来の電力変換装置のように、オンデューティ比固定で半導体スイッチをオン／オフするのではなく、前記逆並列ダイオードを流れる電流と相関する物理量を検出する検出手段による前記物理量の検出結果に基づき、逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードを流れる電流が“０”となるまでの間に、半導体スイッチをオンする。逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードを流れる電流が“０”となるまでの間、半導体スイッチの電圧は、ほぼ“０”となる。従って、本発明の上記態様に係る電力変換装置によれば、従来の制御では、ＺＶＳが実現できなかった動作領域でもＺＶＳを実現することができる。

上記電力変換装置は、インバータ（Ｅ級インバータ等）、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ等の具体的な構成、用途の異なる様々な装置として実現することが出来る。また、電力変換装置の検出手段は、逆並列ダイオードに流れる電流と相関する物理量を検出できるものであれば良い。従って、検出手段は、例えば、逆並列ダイオードを流れる電流の大きさ自体を検出する手段であっても良い。また、検出手段
は、逆並列ダイオード及び半導体スイッチに直列接続された抵抗の両端間の電圧を検出する手段であっても、逆並列ダイオードの両端間の電圧や半導体スイッチのオン抵抗で発生する電圧を検出する手段であっても良い。制御手段による半導体スイッチのオンタイミングも、逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードを流れる電流が“０”となるまでの間であれば良い。従って、電力変換装置の制御手段は、オフした前記半導体スイッチを、前記逆並列ダイオードを電流が流れ始めたときにオンしても良い。

また、本発明の一態様に係る電力変換装置の制御方法は、半導体スイッチ及び前記半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えた、共振により前記半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置の制御方法であって、 設定周期毎に
、前記半導体スイッチをオフし、前記逆並列ダイオードに流れる電流と相関する物理量を検出し、オフした前記半導体スイッチを、前記物理量の検出結果に基づき、前記逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから前記逆並列ダイオードを流れる電流が"０"となるまでの間にオンする。従って、この電力変換装置の制御方法によっても、従来の制御では、ＺＶＳが実現できなかった動作領域でもＺＶＳを実現することができる。

本発明によれば、電力変換装置の、ＺＶＳを実現できる動作領域を広げることができる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成例の説明図である。 共振型電圧変換回路の他の構成例の説明図である。 共振型電圧変換回路の他の構成例の説明図である。 共振型電圧変換回路の他の構成例の説明図である。 従来制御で共振型電圧変換回路を制御した場合におけるＶ_ｏ／Ｖ_{ｏｎｏｍ、}ｆ／ｆ_ｎｏｍ、Ｒ_Ｌ／Ｒ_Ｌｎｏｍ間の関係を示す説明図である。 従来制御による共振型電圧変換回路の動作を説明するための図である。 従来制御による共振型電圧変換回路の動作を説明するための図である。 従来制御による共振型電圧変換回路の動作を説明するための図である。 制御装置による制御内容を説明するための図である。 制御装置が共振型電圧変換回路を制御した場合におけるＶ_ｏ／Ｖ_{ｏｎｏｍ、}ｆ／ｆ_ｎｏｍ、Ｒ_Ｌ／Ｒ_Ｌｎｏｍ間の関係を示す説明図である。 実施形態に係る電力変換装置の変形例の説明図である。 実施形態に係る電力変換装置の他の変形例の説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

まず、図１及び図２Ａ〜図２Ｃを用いて、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る電力変換装置の構成例の説明図である。また、図２Ａ〜図２Ｃは、実施形態に係る電力変換装置の構成要素として使用可能な共振型電圧変換回路１０の構成例の説明図である。

図１に示してあるように、本実施形態に係る電力変換装置は、共振型電圧変換回路１０と制御装置２０とを備える。共振型電圧変換回路１０は、半導体スイッチＳと、半導体スイッチＳに逆並列接続された逆並列ダイオードＤ_Ｐとを備え、共振により半導体スイッチＳの両端にかかる電圧が時間変化する回路である。なお、逆並列ダイオードＤ_Ｐが半導体スイッチＳとは別の素子である必要はない。半導体スイッチＳが寄生ダイオードを有するもの（例えば、ＦＥＴ）である場合には、当該寄生ダイオードを、逆並列ダイオードＤ_Ｐ
としておいても良い。

図１に示してある共振型電圧変換回路１０は、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（トランスにより１次側と２次側間が絶縁されたＤＣ／ＤＣコンバータ）である。ただし、電力変換装置の構成要素として使用する共振型電圧変換回路１０は、半導体スイッチＳと、半導体スイッチＳに逆並列接続された逆並列ダイオードＤ_Ｐとを備え、共振により半導体スイッチＳの両端にかかる電圧が時間変化する回路であればよい。従って、共振型電圧変換回路１０は、図２Ａや図２Ｂに示したような回路構成を有する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。また、共振型電圧変換回路１０は、ＬＬＣ共振方式のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。さらに、共振型電圧変換回路１０は、図２Ｃに示したような回路構成を有するインバータ回路であってもよい。

図１に示してあるように、共振型電圧変換回路１０には、共振型電圧変換回路１０の出力電圧Ｖ_ｏを測定するための電圧センサ３２が取り付けられている。また、共振型電圧変換回路１０には、逆並列ダイオードＤ_Ｐを流れる電流Ｉ_Ｓを検出するための検出部３１が取り付けられている。この検出部３１は、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れているか否かを検出できるものであれば良い。従って、図１に示してある検出部３１の代わりに、共振型電圧変換回路１０の他の箇所の電流値又は電圧値を検出する検出部を設けておいても良いのであるが、以下の説明では、検出部３１が、電流Ｉ_Ｓを検出する電流センサ（図１）であるものとする。

制御装置２０は、検出部３１により検出された電流Ｉ_Ｓと、電圧センサ３２により測定された出力電圧Ｖ_ｏと、目標電圧Ｖ_ｔｇｔとに基づき、出力電圧Ｖ_ｏが目標電圧Ｖ_ｔｇｔとなるように、半導体スイッチＳを制御（ＯＮ／ＯＦＦ）するユニットである。本実施形態に係る制御装置２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御用のマイクロコントローラを主要構成要素とした装置である。ただし、制御装置２０は、後述する制御が可能なものであれば、どのようなハードウェア構成の装置であっても良い。

制御装置２０による共振型電圧変換回路１０（半導体スイッチＳ）の制御内容を説明する前に、共振型電圧変換回路１０に対して行われている従来の制御について説明する。

共振型電圧変換回路１０の制御には、通常、“出力電圧Ｖ_ｏが目標電圧となるように、スイッチング周波数を変更しながら、固定デューティ比で半導体スイッチＳをオン／オフする”という制御（以下、従来制御と表記する）が用いられている。

図３に、従来制御で共振型電圧変換回路１０を制御した場合におけるＶ_ｏ／Ｖ_{ｏｎｏｍ、}ｆ／ｆ_ｎｏｍ、Ｒ_Ｌ／Ｒ_Ｌｎｏｍ間の関係を示す。ここで、Ｖ_ｏ、ｆ、Ｒ_Ｌとは、それぞれ、共振型電圧変換回路１０の出力電圧、スイッチング周波数、負荷Ｒ_Ｌの抵抗のことである。また、Ｖ_ｏｎｏｍ、ｆ_ｎｏｍ、Ｒ_Ｌｎｏｍとは、それぞれ、設計上の最適状態にある場合におけるＶ_ｏ値、ｆ値、Ｒ_Ｌ値のことである。

図３に示してある“領域１”及び“領域３”は、ＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）が行われないが故に、スイッチング損失が発生する領域である。より具体的には、領域１は、図４Ａに示したように、半導体スイッチＳの両端間の電圧Ｖｓが“０”まで下がる前に半導体スイッチＳのオンタイミングとなってしまう領域である。領域３は、図４Ｂに示したように、電圧Ｖｓが“０”となってから再度上昇し始めた後に、半導体スイッチＳのオンタイミングとなってしまう領域である。また、図３に示してある“領域２”は、ＺＶＳが行われるＺＶＳ領域、すなわち、図４Ｃに示したように、電圧Ｖｓが“０”となっているときに、半導体スイッチＳがオンされる領域である。

図３から明らかなように、従来制御は、Ｖ_ｏ／Ｖ_ｏｎｏｍ値が１．０以上であると、スイッチング周波数ｆをどのような周波数としてもＺＶＳを実現できず、Ｖ_ｏ／Ｖ_ｏｎｏｍ値が１．０未満であっても、極めて狭い動作領域でしかＺＶＳを実現できないものとなっている。また、従来制御は、抵抗値Ｒ_Ｌと出力電圧Ｖ_ｏの組み合わせによっては、スイッチング周波数ｆが一意に定まらない場合がある（図３中の点線参照）ものであるが故に、周波数制御が困難なものともなっている。

以下、制御装置２０による共振型電圧変換回路１０の制御内容を説明する。

制御装置２０が共振型電圧変換回路１０に対して行う制御は、基本的には、“出力電圧Ｖ_ｏが目標電圧Ｖ_ｔｇｔとなるように、スイッチング周波数を変更しながら、半導体スイッチＳをオン／オフする”という制御である。制御装置２０は、半導体スイッチＳをオフした後に、検出部３１の出力に基づき、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めることを監視（待機）する。そして、制御装置２０は、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めたときに、半導体スイッチＳをオンする。なお、この半導体スイッチＳのオンタイミングは、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードＤ_Ｐに流れる電流が“０”となるまでの間であれば良い。従って、半導体スイッチＳをオンタイミングは、例えば、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めた後、電流Ｉ_Ｓがある程度“０”に近づいたときであっても良い。

すなわち、共振型電圧変換回路１０（図１）の半導体スイッチＳをオフすると、コンデンサＣｓに充電電流が流れる。次いで、リアクトルＬｐ、コンデンサＣｐの共振により、コンデンサＣｓが放電される。そして、コンデンサＣｓが放電された後は、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めるが、逆並列ダイオードＤ_Ｐに流れ始めた電流が“０”となるまでは、半導体スイッチＳの両端間の電圧Ｖｓは、“０”に維持される（図４Ｂ、図４Ｃ参照）。従って、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードＤ_Ｐに流れる電流が“０”となるまでの間に、半導体スイッチＳをオンすれば、ＺＶＳを実現することが出来る。

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置の制御装置２０は、固定デューティ比で半導体スイッチＳをオン／オフするのではなく、逆並列ダイオードＤ_Ｐに電流が流れ始めてから逆並列ダイオードＤ_Ｐに流れる電流が“０”となるまでの間に、半導体スイッチＳをオンする。従って、制御装置２０の制御によれば、従来制御では、図５の上段に示したように、ＺＶＳが実現できなかった動作領域で、図５の下段に示したように、ＺＶＳを実現できる。

また、制御装置２０の制御によりＺＶＳが可能となる上記動作領域は、図３における“領域３”である。そのため、制御装置２０の制御によれば、図６に示したように、従来制御よりも、領域３の範囲分、ＺＶＳを実現可能な動作領域が広がることになる。従って、制御装置２０を備えた本実施形態に係る電力変換装置は、ＺＶＳを実現可能な動作領域が従来よりも広い装置であると共に、従来装置ではＺＶＳを維持できないレベルの外乱（例えば、入力電圧の変動）が生じてもＺＶＳを維持できる装置として機能する。

さらに、制御装置２０の制御によれば、領域２＋領域３に相当する全ＺＶＳ領域において、スイッチング周波数ｆと負荷抵抗Ｒ_Ｌとの間に単調増加性（つまり、Ｒ_Ｌの増加に伴い、ｆが単調に増加する特性）を付与できる（図６参照）。従って、本実施形態に係る電力変換装置は、周波数制御が困難である（スイッチング周波数ｆが一意に定まらない場合がある）ことを理由に運転領域を制限する必要がない装置としても機能する。

〔変形例〕
上記した実施形態に係る電力変換装置は、各種の変形が行えるものである。例えば、検出部３１の代わりに、図７に示した構成の検出部３３、すなわち、電流Ｉ_Ｓが流れたときに発生する逆並列ダイオードＤ_Ｐの順方向電圧をオペアンプで検出する検出部３３を用いても良い。図８に示したように、検出部３１の代わりに、半導体スイッチＳ及び逆並列ダイオードＤ_Ｐの両端間の電圧（すなわち、半導体スイッチＳのオン抵抗で発生する電圧）を検出する検出部３４を用いても良い。

電力変換装置の制御装置２０を、出力電圧、入力電圧等で成否を判定可能な所定の条件が満たされる場合に、上記内容の制御を行い、当該所定の条件が満たされない場合に、他の制御（例えば、固定デューティ比で半導体スイッチＳをオン／オフする制御）を行う装置に変形しても良い。

電力変換装置を、出力電圧ではなく、出力電流又は出力電力が目標値となるようにスイッチング周波数が制御（変更）される装置に変形しても良い。また、図１、図２Ａ〜図２Ｃに示した共振型電圧変換回路１０は、ＭＯＳＦＥＴが半導体スイッチＳとして使用されたものであったが、半導体スイッチＳが、ＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチ（ＩＧＢＴ等）であっても良いことは当然のことである。

《付記》
（１） 半導体スイッチ（Ｓ）及び前記半導体スイッチ（Ｓ）に逆並列接続された逆並列ダイオード（Ｄ_Ｐ）を備えた、共振により前記半導体スイッチ（Ｓ）の両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置（１０、２０）において、
前記半導体スイッチ（Ｓ）をオン／オフする制御手段（２０）と、
前記逆並列ダイオード（Ｄ_Ｐ）を流れる電流と相関する物理量を検出する検出手段（３１；３３；３４）と、
を備え、
前記制御手段（２０）は、
設定周期毎に、前記半導体スイッチ（Ｓ）をオフし、
前記検出手段（３１；３３；３４）による前記物理量の検出結果に基づき、オフした前記半導体スイッチ（Ｓ）を、前記逆並列ダイオード（Ｄ_Ｐ）に電流が流れ始めてから前記逆並列ダイオード（Ｄ_Ｐ）を流れる電流が“０”となるまでの間にオンする、
ことを特徴とする電力変換装置（１０、２０）。

１０ 共振型電圧変換回路
２０ 制御装置
３１、３３、３４ 検出部
３２ 電圧センサ

Claims (6)

1. 半導体スイッチ及び前記半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えた、共振により前記半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置において、
   前記半導体スイッチをオン／オフする制御手段と、
   前記逆並列ダイオードに流れる電流と相関する物理量を検出する検出手段と、
   を含み、
   前記制御手段は、
   設定周期毎に、前記半導体スイッチをオフし、
   前記検出手段による前記物理量の検出結果に基づき、オフした前記半導体スイッチを、前記逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから前記逆並列ダイオードを流れる電流が“０”となるまでの間にオンする、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、前記電力変換装置の出力電圧、出力電流及び出力電力のいずれかが目標値となるように、前記設定周期を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記検出手段は、前記逆並列ダイオード及び前記半導体スイッチに直列接続された抵抗の両端間の電圧を検出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記検出手段は、前記半導体スイッチのオン抵抗で発生する電圧を検出する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
5. 半導体スイッチ及び前記半導体スイッチに逆並列接続された逆並列ダイオードを備えた、共振により前記半導体スイッチの両端にかかる電圧が時間変化する電力変換装置の制御方法であって、
   設定周期毎に、前記半導体スイッチをオフし、
   前記逆並列ダイオードに流れる電流と相関する物理量を検出し、
   オフした前記半導体スイッチを、前記物理量の検出結果に基づき、前記逆並列ダイオードに電流が流れ始めてから前記逆並列ダイオードを流れる電流が“０”となるまでの間にオンする、
   ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
6. さらに、前記電力変換装置の出力電圧、出力電流及び出力電力のいずれかが目標値となるように、前記設定周期を変更する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置の制御方法。

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