JP2022173459A

JP2022173459A - インバータ装置

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Publication number: JP2022173459A
Application number: JP2022156271A
Authority: JP
Inventors: 剛幸松本; Takeyuki Matsumoto
Original assignee: GS Yuasa Infrastructure Systems Co Ltd
Current assignee: GS Yuasa Infrastructure Systems Co Ltd
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2039-01-22
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Abstract

【課題】効率の高い共振型電力変換装置を提供する。【解決手段】低圧側電力ラインＸの正極に一方端が接続されたリアクトルＬｃｈｐの他方端と負極ラインとの間に接続された第１主スイッチＴｍと、高圧側電力ラインＹの正極とリアクトルＬｃｈｐの他方端との間に接続された第２主スイッチＴｒｐとを有する共振型電力変換装置であって、第１主スイッチＴｍと並列に、一方端が負極ラインに接続された共振コンデンサＣｍと、高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間に直列に接続された第１補助電圧源Ｖｄｃｐ及び第２補助電圧源Ｖｄｏｎと、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点に一方端が接続された共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍの他方端と共振リアクトルＬｒの他方端との間に接続され、双方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路１１とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、電源電力を駆動用電力に変換するソフトスイッチング制御の共振型電力変換装置に関する。

主スイッチのターンオンタイミングに合わせて補助回路を動作させ、ソフトスイッチング制御を実現する共振型電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

図６に示す従来の共振型電力変換装置は、低圧電圧源ＥＳと高圧電圧源ＥＬとの間に接続され、低圧電圧源ＥＳの電圧を昇圧して高圧電圧源ＥＬに供給すると共に、高圧電圧源ＥＬの電圧を降圧して低圧電圧源ＥＳに供給する双方向コンバータ２である。

双方向コンバータ２は、主スイッチ対となる第１主スイッチＴｍ及び第２主スイッチＴｒｐと、共振スイッチとなる第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂと、リアクトルＬｃｈｐと、共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍと、共振コンデンサＣｒｐと、ダイオードＤｓｎｂｎと、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと、第２補助電圧源Ｖｄｏｎと、制御回路２０とを備えている。

第１主スイッチＴｍ、第２主スイッチＴｒｐ、第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂは、逆並列に接続される還流ダイオードを備えた半導体スイッチング素子（図６に示す例では、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：ＩＧＢＴ）で構成される。

低圧電圧源ＥＳの負極と、高圧電圧源ＥＬの負極とは、共通の負極ラインに接続されている。そして、低圧電圧源ＥＳの正極と負極ラインとの間には、リアクトルＬｃｈｐと第１主スイッチＴｍとが直列に接続されている。第１主スイッチＴｍのコレクタがリアクトルＬｃｈｐを介して低圧電圧源ＥＳの正極に、第１主スイッチＴｍのエミッタが低圧電圧源ＥＳの負極ラインにそれぞれ接続されている。

第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点には、第２主スイッチＴｒｐのエミッタが接続され、第２主スイッチＴｒｐのコレクタが高圧側正極ラインＡとなる。

第１主スイッチＴｍには並列に共振コンデンサＣｍが接続され、第２主スイッチＴｒｐには並列に共振コンデンサＣｒｐが接続されている。

高圧側正極ラインＡと負極ラインとの間には、第１補助スイッチＴｒａとダイオードＤｓｎｂｎとからなる直列回路と、第２補助スイッチＴｒｂと第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路とが並列に接続されている。そして、第１補助スイッチＴｒａとダイオードＤｓｎｂｎとの接続点と第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点との間には共振リアクトルＬｒが接続されている。

第１補助スイッチＴｒａとダイオードＤｓｎｂｎとからなる直列回路は、第１補助スイッチＴｒａのコレクタが高圧側正極ラインＡに、第１補助スイッチＴｒａのエミッタがダイオードＤｓｎｂｎのカソードに、ダイオードＤｓｎｂｎのアノードが負極ラインにそれぞれ接続されている。

第２補助スイッチＴｒｂと第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路は、第２補助スイッチＴｒｂのエミッタが高圧側正極ラインＡに、第２補助スイッチＴｒｂのコレクタが第１補助電圧源Ｖｄｃｐの正極にそれぞれ接続されている。

第１補助電圧源Ｖｄｃｐ及び第２補助電圧源Ｖｄｏｎは、例えば電解コンデンサからなり、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路と並列に高圧電圧源ＥＬが接続されている。

制御回路２０は、電圧指令、時間指令、低圧側正極ラインの電圧、高圧側正極ラインＡの電圧等の情報に基づいて、第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとを主スイッチ対としてＰＷＭ制御を行う。また、制御回路２０は、第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂを共振スイッチとし、第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのターンオンがソフトスイッチング（ゼロ電圧スイッチング）となるように制御する。

次に、双方向コンバータ２の低圧電圧源ＥＳから高圧電圧源ＥＬへの昇圧時の給電動作について図６及び図７を参照して説明する。図７において、Ｇ＿Ｔｒｐは第２主スイッチＴｒｐのゲート信号、Ｇ＿Ｔｍは第１主スイッチＴｍのゲート信号、Ｇ＿Ｔｒａは第１補助スイッチＴｒａのゲート信号、Ｇ＿Ｔｒｂは第２補助スイッチＴｒｂのゲート信号、Ｉ＿Ｔｒｐは第２主スイッチＴｒｐを流れる電流、Ｉ＿Ｔｍは第１主スイッチＴｍを流れる電流、Ｉ＿Ｔｒａは第１補助スイッチＴｒａを流れる電流、Ｉ＿Ｔｒｂは第２補助スイッチＴｒｂを流れる電流、Ｖ＿Ｔｒｐは第２主スイッチＴｒｐのコレクタ－エミッタ間電圧、Ｖ＿Ｔｍは第１主スイッチＴｍのコレクタ－エミッタ間電圧、Ｖ＿Ｔｒａは第１補助スイッチＴｒａのコレクタ－エミッタ間電圧、Ｖ＿Ｔｒｂは第２補助スイッチＴｒｂのコレクタ－エミッタ間電圧のそれぞれ波形を示している。

第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのいずれもがオフであるデットタイムの時刻ｔ３１において、第２補助スイッチＴｒｂがターンオフすると共に、第１補助スイッチＴｒａがターンオンすると、共振コンデンサＣｍの電荷が放電し、Ｃｍ→Ｔｒｐ→Ｔｒａ→Ｌｒ→Ｖｄｏｎ→Ｃｍの経路で共振リアクトルＬｒに電流が流れる。このとき、共振リアクトルＬｒに流れる電流、すなわち第２主スイッチＴｒｐを流れる電流Ｉ＿Ｔｒｐと、第１補助スイッチＴｒａを流れる電流Ｉ＿Ｔｒａとは、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣｍとの共振により正弦波状の電流となる。

時刻ｔ３２において、共振コンデンサＣｍの電荷の放電が完了し、共振コンデンサＣｍの電圧、すなわち第１主スイッチＴｍのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｍがゼロ電圧となったときに、第１主スイッチＴｍをターンオンさせる。これにより、第１主スイッチＴｍのソフトスイッチングを実現でき、Ｅｓ→Ｌｃｈｐ→Ｔｍ→Ｅｓの経路でリアクトルＬｃｈｐに電流が流れ、リアクトルＬｃｈｐにエネルギーが蓄積される。

また、共振によって、Ｖｄｏｎ→Ｌｒ→Ｔｒａ→Ｃｒｐ→Ｔｍ→Ｖｄｏｎの経路で逆方向の電流が流れ始め、共振コンデンサＣｒｐが充電されて、第２主スイッチＴｒｐのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｒｐが上昇していく。

そして、時刻ｔ３３において、共振による逆方向の電流がゼロになり、共振コンデンサＣｒｐが充電されて第２補助スイッチＴｒｂのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｒｂがゼロになるタイミングで、第１補助スイッチＴｒａがターンオフすると共に、第２補助スイッチＴｒｂがターンオンする。なお、第１補助スイッチＴｒａのダイオードの逆回復により共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーは、Ｌｒ→Ｖｄｏｎ→Ｄｓｎｂｎ→Ｌｒの経路の放電回路が形成され、第２補助電圧源Ｖｄｏｎに回生される。

次に、時刻ｔ３４において、第１主スイッチＴｍがターンオフされると、共振コンデンサＣｒｐの電荷が放電によって、第２補助スイッチＴｒｂ経由で高圧電圧源ＥＬに供給されると共に、リアクトルＬｃｈｐに蓄積されたエネルギーによって共振コンデンサＣｍが充電される。

次に、時刻ｔ３５において、共振コンデンサＣｒｐの電荷の放電と、共振コンデンサＣｍへの電荷の充電とが完了すると、次サイクルの時刻ｔ３１までが高圧電圧源ＥＬへの電力伝達期間となり、ＥＳ→Ｌｃｈｐ→Ｔｒｐ→Ｔｒｂ→ＥＬ→ＥＳの経路で電流が流れる。

次に、双方向コンバータ２の高圧電圧源ＥＬから低圧電圧源ＥＳへの降圧時の給電動作について図６及び図８を参照して説明する。なお、図８における動作波形の各部の名称は、図７に示す動作波形の各部の名称と同一であるので、ここでは、それらの説明は省略する。

第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのいずれもがオフであるデットタイムの時刻ｔ４１において、第２補助スイッチＴｒｂがターンオフすると共に、第１補助スイッチＴｒａがターンオンすると、共振コンデンサＣｒｐの電荷が放電し、Ｃｒｐ→Ｔｒａ→Ｌｒ→Ｖｄｏｎ→Ｔｍ→Ｃｒｐの経路で共振リアクトルＬｒに電流が流れる。このとき、共振リアクトルＬｒに流れる電流、すなわち第１補助スイッチＴｒａを流れる電流Ｉ＿Ｔｒａと、第１主スイッチＴｍを流れる電流Ｉ＿Ｔｍと、は、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣｒｐとの共振により正弦波状の電流となる。

時刻ｔ４２において、共振コンデンサＣｒｐの電荷の放電が完了し、共振コンデンサＣｒｐの電圧、すなわち第２主スイッチＴｒｐのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｒｐがゼロ電圧となったときに、第２主スイッチＴｒｐをターンオンさせる。これにより、第２主スイッチＴｒｐのソフトスイッチングを実現できる。そして、共振によって、Ｖｄｏｎ→Ｌｒ→Ｔｒａ→Ｔｒｐ→Ｃｍ→Ｖｄｏｎの経路で逆方向の電流が流れ始め、共振コンデンサＣｍが充電されて、第１主スイッチＴｍのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｍが上昇していく。

そして、時刻ｔ４３において、共振による負の電流がゼロになり、共振コンデンサＣｍが充電されて第２補助スイッチＴｒｂのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｒｂがゼロになるタイミングで、第１補助スイッチＴｒａがターンオフすると共に、第２補助スイッチＴｒｂがターンオンする。これにより、ＥＬ→Ｔｒｂ→Ｔｒｐ→Ｌｃｈｐ→ＥＳ→ＥＬの経路で電流が流れ、時刻ｔ４４で第２主スイッチＴｒｐがターンオフされるまでの期間が電力伝達期間となる。なお、第１補助スイッチＴｒａのダイオードの逆回復により共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーは、Ｌｒ→Ｖｄｏｎ→Ｄｓｎｂｎ→Ｌｒの経路の放電回路が形成され、第２補助電圧源Ｖｄｏｎに回生される。

次に、時刻ｔ４４において、第２主スイッチＴｒｐがターンオフされると、共振コンデンサＣｍの電荷が放電によって、リアクトルＬｃｈｐ経由で低圧電圧源ＥＳに供給されると共に、高圧電圧源ＥＬから供給される電荷によって共振コンデンサＣｒｐが充電される。

次に、時刻ｔ４５において、共振コンデンサＣｍの電荷の放電と、共振コンデンサＣｒｐへの電荷の充電とが完了すると、次サイクルの時刻ｔ４１までがリアクトルＬｃｈｐに蓄積されたエネルギーが低圧電圧源ＥＳに供給される期間となり、Ｌｃｈｐ→ＥＳ→Ｔｍ→Ｌｃｈｐの経路で電流が流れる。

特開２０１２－２３８３１号公報特開２０１５－１１９５２２号公報

しかしながら、従来技術では、電力伝達期間において主スイッチと共振スイッチとの２つのスイッチを電流が通過するため、効率が高くならないという問題点があった。

図７を参照すると、低圧電圧源ＥＳから高圧電圧源ＥＬ方向へ電力を伝達する昇圧時の電力伝達期間（時刻ｔ３５～次サイクルの時刻ｔ３１）において、電流は第２主スイッチＴｒｐと第２補助スイッチＴｒｂの２つのスイッチを通過していることが分かる。

図８を参照すると、高圧電圧源ＥＬから低圧電圧源ＥＳ方向へ電力を伝達する降圧時の電力伝達期間（時刻ｔ４３～時刻ｔ４４）において、電流は第２補助スイッチＴｒｂと第２主スイッチＴｒｐの２つのスイッチを通過していることが分かる。

本発明の目的は、従来技術の上記問題を解決し、効率の高い共振型電力変換装置を提供することにある。

本発明の共振型電力変換装置は、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた第１主スイッチと、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた第２主スイッチとを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給すると共に、前記高圧側電力ラインの電力を降圧して前記低圧側電力ラインＸに供給する共振型電力変換装置であって、前記第１主スイッチと並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、双方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、前記第１主スイッチ、前記第２主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の共振型電力変換装置は、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチと、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された整流素子とを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給する共振型電力変換装置であって、前記主スイッチと並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、前記共振コンデンサの他方端から前記共振リアクトルの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、前記主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の共振型電力変換装置は、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された整流素子と、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチとを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給すると共に、前記高圧側電力ラインの電力を降圧して前記低圧側電力ラインＸに供給する共振型電力変換装置であって、前記整流素子と並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、前記共振リアクトルの他方端から前記共振コンデンサの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、前記主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、昇圧時及び降圧時のいずれの電力伝達期間においても、電流は１つのスイッチを通過することになるため、高い効率を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る共振型電力変換装置の実施の形態の構成例を示す回路図である。図１に示す双方向コンバータの昇圧時における波形図である。図１に示す双方向コンバータの降圧時における波形図である。本発明に係る共振型電力変換装置の他の実施の形態の構成例を示す回路図である。本発明に係る共振型電力変換装置の他の実施の形態の構成例を示す回路図である。従来の共振型電力変換装置の構成例を示す回路図である。図６に示す双方向コンバータの昇圧時における波形図である。図６に示す双方向コンバータの降圧時における波形図である。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施の形態の共振型電力変換装置は、図１を参照すると、電源等が接続される低圧側電力ラインＸと、負荷等が接続される高圧側電力ラインＹとの間に接続され、低圧側電力ラインＸの電力を昇圧して高圧側電力ラインＹに供給すると共に、高圧側電力ラインＹの電力を降圧して低圧側電力ラインＸに供給する双方向コンバータ１である。

低圧側電力ラインＸの負極と高圧側電力ラインＹの負極とは、共通の負極ラインに接続されている。そして、低圧側電力ラインＸの正極と負極ラインとの間には平滑コンデンサ等で構成された低圧電圧源ＥＳが、高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間には平滑コンデンサ等で構成された高圧電圧源ＥＬがそれぞれ接続されている。

双方向コンバータ１は、主スイッチ対となる第１主スイッチＴｍ及び第２主スイッチＴｒｐと、共振スイッチとなる第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂと、リアクトルＬｃｈｐと、共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍと、ダイオードＤｓｎｂｎと、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと、第２補助電圧源Ｖｄｏｎと、制御回路１０とを備えている。

第１主スイッチＴｍ、第２主スイッチＴｒｐ、第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂは、逆並列に接続される還流ダイオードを備えた半導体スイッチング素子（本実施の形態では、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：ＩＧＢＴ）で構成される。

低圧側電力ラインＸの正極と負極ラインの間には、リアクトルＬｃｈｐと第１主スイッチＴｍとが直列に接続されている。第１主スイッチＴｍのコレクタがリアクトルＬｃｈｐを介して低圧側電力ラインＸの正極に、第１主スイッチＴｍのエミッタが負極ラインにそれぞれ接続されている。

高圧側電力ラインＹの正極と、第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点との間には、第２主スイッチＴｒｐが接続されている。第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点には、第２主スイッチＴｒｐのエミッタが接続され、第２主スイッチＴｒｐのコレクタが高圧側電力ラインＹの正極に接続されている。

第１主スイッチＴｍのみに並列に共振コンデンサＣｍが接続されている。なお、図６に示す従来例では、第２主スイッチＴｒｐにも並列に共振コンデンサＣｒｐが接続されているが、本実施の形態では削除されている。

高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間には、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路と、高圧電圧源ＥＬとが並列に接続されている。第１補助電圧源Ｖｄｃｐ及び第２補助電圧源Ｖｄｏｎは、例えば電解コンデンサからなる。

第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点と、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点との負極ラインとの間には、第２補助スイッチＴｒｂと第１補助スイッチＴｒａと共振リアクトルＬｒとが直列に接続されている。第２補助スイッチＴｒｂのエミッタが第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点に、第２補助スイッチＴｒｂのコレクタが第１補助スイッチＴｒａのコレクタにそれぞれ接続されている。そして、共振リアクトルＬｒの一方端が第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点に、共振リアクトルＬｒの他方端が第１補助スイッチＴｒａのエミッタにそれぞれ接続されている。

そして、第１補助スイッチＴｒａと共振リアクトルＬｒとの接続点と負極ラインとの間にはダイオードＤｓｎｂｎが接続されている。ダイオードＤｓｎｂｎのカソードが第１補助スイッチＴｒａと共振リアクトルＬｒとの接続点に、ダイオードＤｓｎｂｎのアノードが負極ラインにそれぞれ接続されている。

第２補助スイッチＴｒｂと第１補助スイッチＴｒａは、第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点と、共振リアクトルＬｒとの間における双方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路１１として機能する。

制御回路１０は、電圧指令、時間指令、低圧電圧源ＥＳ及び高圧電圧源ＥＬの電圧等の情報に基づいて、第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとを主スイッチ対としてＰＷＭ制御を行う。また、制御回路２０は、第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂを共振スイッチとし、第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのターンオンがソフトスイッチング（ゼロ電圧スイッチング）となるように制御する。

次に、双方向コンバータ１の低圧電圧源ＥＳから高圧電圧源ＥＬへの昇圧時の給電動作について図１及び図２を参照して説明する。図２における動作波形の各部の名称は、図７に示す動作波形の各部の名称と同一であるので、ここでは、それらの説明は省略する。

昇圧時の給電動作において、第２補助スイッチＴｒｂは全ての期間でオフ状態であり、第１主スイッチＴｍのコレクタとリアクトルＬｃｈｐとの接続点から第１補助スイッチＴｒａのコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードとして機能する。

第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのいずれもがオフであるデットタイムの時刻ｔ１１において、第１補助スイッチＴｒａがターンオンすると、共振コンデンサＣｍの電荷が放電し、Ｃｍ→Ｔｒｂ→Ｔｒａ→Ｌｒ→Ｖｄｏｎ→Ｃｍの経路で共振リアクトルＬｒに電流が流れる。このとき、共振リアクトルＬｒに流れる電流、すなわち第２補助スイッチＴｒｂを流れる電流Ｉ＿Ｔｒｂと、第１補助スイッチＴｒａを流れる電流Ｉ＿Ｔｒａとは、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣｍとの共振により正弦波状の電流となる。

時刻ｔ１２において、共振コンデンサＣｍの電荷の放電が完了し、共振コンデンサＣｍの電圧、すなわち第１主スイッチＴｍのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｍがゼロ電圧となったときに、第１主スイッチＴｍをターンオンさせる。これにより、第１主スイッチＴｍのソフトスイッチングを実現でき、Ｅｓ→Ｌｃｈｐ→Ｔｍ→Ｅｓの経路でリアクトルＬｃｈｐに電流が流れ始め、リアクトルＬｃｈｐにエネルギーが蓄積される。

また、開閉回路１１は、第２補助スイッチＴｒｂによって電流方向が制限されているため、共振スイッチである第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂを逆方向の電流として流れることはなく、共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーが第２補助電圧源Ｖｄｏｎに回生された後は、第１補助スイッチＴｒａには電流が流れない。従って、第１補助スイッチＴｒａは、電流Ｉ＿Ｔｒａがゼロとなる時刻ｔ１３から第１主スイッチＴｍがターンオフされる時刻ｔ１４までの間にターンオフすると良く、零電流スイッチングとなる。

次に、時刻ｔ１４において、第１主スイッチＴｍがターンオフされると、リアクトルＬｃｈｐに蓄積されたエネルギーによって共振コンデンサＣｍが充電される。

次に、時刻ｔ１５において、共振コンデンサＣｍへの電荷の充電が完了すると、次サイクルの時刻ｔ１１までが高圧電圧源ＥＬへの電力伝達期間となり、ＥＳ→Ｌｃｈｐ→Ｔｒｐ→ＥＬ→ＥＳの経路で電流が流れる。低圧電圧源ＥＳから高圧電圧源ＥＬ方向へ電力を伝達する昇圧時の電力伝達期間では、電流は第２主スイッチＴｒｐのみの１つのスイッチを通過するので効率が良い。さらに、電力伝達期間において、共振スイッチである第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂに電流が流れないため、低パワーの共振スイッチを用いることができる。

次に、双方向コンバータ１の高圧電圧源ＥＬから低圧電圧源ＥＳへの降圧時の給電動作について図１及び図３を参照して説明する。なお、図３における動作波形の各部の名称は、図７に示す動作波形の各部の名称と同一であるので、ここでは、それらの説明は省略する。

降圧時の給電動作において、第１補助スイッチＴｒａは全ての期間でオフ状態であり、第１補助スイッチＴｒａのエミッタと共振リアクトルＬｒとの接続点から第２補助スイッチＴｒｂのコレクタに向かう方向を順方向とするダイオードとして機能する。

第１主スイッチＴｍと第２主スイッチＴｒｐとのいずれもがオフであるデットタイムの時刻ｔ２１において、第２補助スイッチＴｒｂがターンオンすると、Ｖｄｏｎ→Ｌｒ→Ｔｒａ→Ｔｒｂ→Ｃｍ→Ｖｄｏｎの経路で共振リアクトルＬｒに電流が流れ、共振コンデンサＣｍへの充電が開始される。このとき、共振リアクトルＬｒに流れる電流、すなわち第１補助スイッチＴｒａを流れる電流Ｉ＿Ｔｒａと、第２補助スイッチＴｒｂを流れる電流Ｉ＿Ｔｒｂとは、共振リアクトルＬｒと共振コンデンサＣｍとの共振により正弦波状の電流となる。

時刻ｔ２２において、共振コンデンサＣｍの充電が完了し、第２主スイッチＴｒｐのコレクタ－エミッタ間電圧Ｖ＿Ｔｒｐがゼロ電圧となったときに、第２主スイッチＴｒｐをターンオンさせる。これにより、第２主スイッチＴｒｐのソフトスイッチングを実現でき、ＥＬ→Ｔｒｐ→Ｌｃｈｐ→Ｅｓ→ＥＬの経路でリアクトルＬｃｈｐに電流が流れ始め、リアクトルＬｃｈｐにエネルギーが蓄積される。時刻ｔ２４で第２主スイッチＴｒｐがターンオフされるまでの期間が電力伝達期間となる。高圧電圧源ＥＬから低圧電圧源ＥＳ方向へ電力を伝達する降圧時の電力伝達期間では、電流は第２主スイッチＴｒｐのみの１つのスイッチを通過するので効率が良い。さらに、電力伝達期間において、共振スイッチである第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂに電流が流れないため、低パワーの共振スイッチを用いることができる。

また、開閉回路１１は、第１補助スイッチＴｒａによって電流方向が制限されているため、共振スイッチである第２補助スイッチＴｒｂ及び第１補助スイッチＴｒａを逆方向の電流として流れることはなく、共振リアクトルＬｒに蓄積されたエネルギーが第１補助電圧源Ｖｄｃｐに回生された後は、第２補助スイッチＴｒｂには電流が流れない。従って、第２補助スイッチＴｒｂは、電流Ｉ＿Ｔｒｂがゼロとなる時刻ｔ２３から第２主スイッチＴｒｐがターンオフされる時刻ｔ２４までの間にターンオフすると良く、零電流スイッチングとなる。

次に、時刻ｔ２４において、第２主スイッチＴｒｐがターンオフされると、共振コンデンサＣｍの電荷が放電によって、リアクトルＬｃｈｐ経由で低圧電圧源ＥＳに供給される。

次に、時刻ｔ２５において、共振コンデンサＣｍの電荷の放電が完了すると、次サイクルの時刻ｔ２１までがリアクトルＬｃｈｐに蓄積されたエネルギーが低圧電圧源ＥＳに供給される期間となり、Ｌｃｈｐ→ＥＳ→Ｔｍ→Ｌｃｈｐの経路で電流が流れる。

図４に示す双方向コンバータ１ａは、図１に示す双方向コンバータ１の構成に加え、第１補助電圧源Ｖｄｃｐの正極にカソードが、第２主スイッチＴｒｐのエミッタと共振リアクトルＬｒとの接続点にアノードがそれぞれ接続されたダイオードＤｓｎｂｐが設けられている。これにより、昇圧時に共振リアクトルＬｒにエネルギーが保持された時に、Ｌｒ→Ｄｓｎｂｐ→Ｖｄｃｐ→Ｌｒの経路の放電回路が形成され、の経路の放電回路が形成され、第１補助電圧源Ｖｄｃｐに回生されるため、サージを抑制することができる。

また、図１に示す双方向コンバータ１を並列化することで、図５に示すように、インバータ装置を構成しても良い。図５には、図４に示す双方向コンバータ１ａを２回路並列したインバータ装置１ｂが示されている。

以上説明したように、本実施の形態によれば、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインＸと高圧側電力ラインＹとの間に接続され、低圧側電力ラインＸの正極に一方端が接続されたリアクトルＬｃｈｐと、リアクトルＬｃｈｐの他方端と負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた第１主スイッチＴｍと、高圧側電力ラインＹの正極とリアクトルＬｃｈｐの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた第２主スイッチＴｒｐとを有し、低圧側電力ラインＸの電力を昇圧して高圧側電力ラインＹに供給すると共に、高圧側電力ラインＹの電力を降圧して低圧側電力ラインＸに供給する共振型電力変換装置であって、第１主スイッチＴｍと並列に接続され、一方端が負極ラインに接続された共振コンデンサＣｍと、高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路と、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点に一方端が接続された共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍの他方端と共振リアクトルＬｒの他方端との間に接続され、双方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路１１と、第１主スイッチＴｍ、第２主スイッチＴｒｐ及び開閉回路１１を制御する制御回路１０とを備えている。
この構成により、昇圧時及び降圧時のいずれの電力伝達期間においても、電流は第２主スイッチＴｒｐのみの１つのスイッチを通過することになるため、高い効率を実現することができる。

さらに、本実施の形態は、制御回路１０は、昇圧時の給電動作において、第１主スイッチＴｍ及び第２主スイッチＴｒｐがオフ状態で開閉回路１１を制御して共振コンデンサＣｍの他方端から共振リアクトルＬｒの他方端に電流が流れる方向に導通させ、共振コンデンサＣｍの放電が完了するタイミングで第１主スイッチＴｍをターンオンさせると共に、降圧時の給電動作において、第１主スイッチＴｍ及び第２主スイッチＴｒｐがオフ状態で開閉回路１１を制御して共振リアクトルＬｒの他方端から共振コンデンサＣｍの他方端に電流が流れる方向に導通させ、共振コンデンサＣｍへの充電が完了するタイミングで第２主スイッチＴｒｐをターンオンさせる。
この構成により、第１主スイッチＴｍに並列に接続された共振コンデンサＣｍのみでで第１主スイッチＴｍ及び第２主スイッチＴｒｐのソフトスイッチングを実現することができる。

さらに、本実施の形態は、開閉回路１１は、還流ダイオードを備えた第１補助スイッチＴｒａと、還流ダイオードを備えた第２補助スイッチＴｒｂとを、還流ダイオードが逆向きになるように直列に接続して構成されている。
この構成により、力伝達期間において開閉回路１１に電流が流れないため、低パワーの第１補助スイッチＴｒａ及び第２補助スイッチＴｒｂを用いることができる。

さらに、本実施の形態は、負極ラインと共振リアクトルＬｒの他方端との間には、共振リアクトルＬｒに保持されたエネルギーを第２補助電圧源Ｖｄｏｎに回生させる第１回生ダイオードとして機能するダイオードＤｓｎｂｎが接続されている。
この構成により、降圧時のサージを抑制することができる。

さらに、本実施の形態は、共振リアクトルＬｒの他方端と高圧側電力ラインＹの正極との間には、共振リアクトルＬｒに保持されたエネルギーを第１補助電圧源Ｖｄｃｐに回生させる第２回生ダイオードとして機能するダイオードＤｓｎｂｐが接続されている。
この構成により、昇圧時のサージを抑制することができる。

さらに、本実施の形態は、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインＸと高圧側電力ラインＹとの間に接続され、低圧側電力ラインＸの正極に一方端が接続されたリアクトルＬｃｈｐと、リアクトルＬｃｈｐの他方端と負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチ（第１主スイッチＴｍ）と、高圧側電力ラインＹの正極とリアクトルＬｃｈｐの他方端との間に接続された整流素子（第２主スイッチＴｒｐの還流ダイオード）とを有し、低圧側電力ラインＸの電力を昇圧して高圧側電力ラインＹに供給する共振型電力変換装置であって、主スイッチと並列に接続され、一方端が負極ラインに接続された共振コンデンサＣｍと、高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路と、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点に一方端が接続された共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍの他方端と共振リアクトルＬｒの他方端との間に接続され、共振コンデンサＣｍの他方端から共振リアクトルＬｒの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路１１と、主スイッチ及び開閉回路１１を制御する制御回路１０とを備えている。
この構成により、昇圧時の電力伝達期間において、電流は整流素子（第２主スイッチＴｒｐの還流ダイオード）のみの１つの素子を通過することになるため、高い効率を実現することができる。

さらに、本実施の形態は、負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインＸと高圧側電力ラインＹとの間に接続され、低圧側電力ラインＸの正極に一方端が接続されたリアクトルＬｃｈｐと、リアクトルＬｃｈｐの他方端と負極ラインとの間に接続された整流素子（第１主スイッチＴｍの還流ダイオード）と、高圧側電力ラインＹの正極とリアクトルＬｃｈｐの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチ（第２主スイッチＴｒｐ）とを有し、低圧側電力ラインＸの電力を昇圧して高圧側電力ラインＹに供給すると共に、高圧側電力ラインＹの電力を降圧して低圧側電力ラインＸに供給する共振型電力変換装置であって、整流素子と並列に接続され、一方端が負極ラインに接続された共振コンデンサＣｍと、高圧側電力ラインＹの正極と負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとからなる直列回路と、第１補助電圧源Ｖｄｃｐと第２補助電圧源Ｖｄｏｎとの接続点に一方端が接続された共振リアクトルＬｒと、共振コンデンサＣｍの他方端と共振リアクトルＬｒの他方端との間に接続され、共振リアクトルＬｒの他方端から共振コンデンサＣｍの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路１１と、主スイッチ及び開閉回路１１を制御する制御回路１０とを備えている。
この構成により、降圧時の電力伝達期間において、電流は主スイッチ（第２主スイッチＴｒｐ）のみの１つのスイッチを通過することになるため、高い効率を実現することができる。

以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでもない。

１、１ａ、２双方向コンバータ
１ｂインバータ装置
１０制御回路
１１開閉回路
２０制御回路
Ｃｍ共振コンデンサ
Ｃｒｐ共振コンデンサ
Ｄｓｎｂｎダイオード
Ｄｓｎｂｐダイオード
ＥＬ高圧電圧源
ＥＳ低圧電圧源
Ｌｃｈｐリアクトル
Ｌｒ共振リアクトル
Ｔｍ第１主スイッチ
Ｔｒａ第１補助スイッチ
Ｔｒｂ第２補助スイッチ
Ｔｒｐ第２主スイッチ
Ｖｄｃｐ第１補助電圧源
Ｖｄｏｎ第２補助電圧源
Ｘ低圧側電力ライン
Ｙ高圧側電力ライン

本発明は、電源電力を駆動用電力に変換するソフトスイッチング制御の共振型電力変換装置を複数備えたインバータ装置に関する。

Claims

負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた第１主スイッチと、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた第２主スイッチとを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給すると共に、前記高圧側電力ラインの電力を降圧して前記低圧側電力ラインに供給する共振型電力変換装置であって、
前記第１主スイッチと並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、
前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、
前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、
前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、双方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、
前記第１主スイッチ、前記第２主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする共振型電力変換装置。
前記制御回路は、昇圧時の給電動作において、前記第１主スイッチ及び前記第２主スイッチがオフ状態で前記開閉回路を制御して前記共振コンデンサの他方端から前記共振リアクトルの他方端に電流が流れる方向に導通させ、前記共振コンデンサの放電が完了するタイミングで前記第１主スイッチをターンオンさせると共に、降圧時の給電動作において、前記第１主スイッチ及び前記第２主スイッチがオフ状態で前記開閉回路を制御して前記共振リアクトルの他方端から前記共振コンデンサの他方端に電流が流れる方向に導通させ、前記共振コンデンサへの充電が完了するタイミングで前記第２主スイッチをターンオンさせることを特徴とする請求項１記載の共振型電力変換装置。
前記開閉回路は、還流ダイオードを備えた第１補助スイッチと、還流ダイオードを備えた第２補助スイッチとを、還流ダイオードが逆向きになるように直列に接続して構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の共振型電力変換装置。
前記負極ラインと前記共振リアクトルの他方端との間には、前記共振リアクトルに保持されたエネルギーを前記第２補助電圧源に回生させる第１回生ダイオードが接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の共振型電力変換装置。
前記共振リアクトルの他方端と前記高圧側電力ラインの正極との間には、前記共振リアクトルに保持されたエネルギーを前記第１補助電圧源に回生させる第２回生ダイオードが接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の共振型電力変換装置。
負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチと、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された整流素子とを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給する共振型電力変換装置であって、
前記主スイッチと並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、
前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、
前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、
前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、前記共振コンデンサの他方端から前記共振リアクトルの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、
前記主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする共振型電力変換装置。
負極が共通の負極ラインに接続された低圧側電力ラインと高圧側電力ラインとの間に接続され、前記低圧側電力ラインの正極に一方端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方端と前記負極ラインとの間に接続された整流素子と、前記高圧側電力ラインの正極と前記リアクトルの他方端との間に接続された、還流ダイオードを備えた主スイッチとを有し、前記低圧側電力ラインの電力を昇圧して前記高圧側電力ラインに供給すると共に、前記高圧側電力ラインの電力を降圧して前記低圧側電力ラインに供給する共振型電力変換装置であって、
前記整流素子と並列に接続され、一方端が前記負極ラインに接続された共振コンデンサと、
前記高圧側電力ラインの正極と前記負極ラインとの間に接続された、第１補助電圧源と第２補助電圧源とからなる直列回路と、
前記第１補助電圧源と前記第２補助電圧源との接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、
前記共振コンデンサの他方端と前記共振リアクトルの他方端との間に接続され、前記共振リアクトルの他方端から前記共振コンデンサの他方端に電流が流れる方向の導通及び遮断を切り替える開閉回路と、
前記主スイッチ及び前記開閉回路を制御する制御回路と、を具備することを特徴とする共振型電力変換装置。
複数を並列に接続してインバータ装置を構成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の共振型電力変換装置。