JP2024068236A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失の低減された電力変換装置および電力変換方法を提供する。【解決手段】電力変換装置は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えている。主回路は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、第一のコンデンサ及び第二のコンデンサを備えており、補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。インダクタは、一端が主回路ハイサイドスイッチとローサイドスイッチとの接続点に接続されており、他端が前記補助回路に接続されている。電力変換装置は、主回路ローサイドスイッチをオンにする前に、補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、補助回路の上側回路に配置されたハイサイドのダイオードを交互にオンにすることで前記インダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、第一のコンデンサと第二のコンデンサを充電する。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、電力変換方法に関する。

図１７に、従来から知られている電力変換装置の三相インバータの一相分の出力回路図を示す。電力変換装置１００は、負荷に対してハイサイド側（上流側、上側）に配置されたスイッチング素子と、負荷に対してローサイド側（下流側、下側）に配置されたスイッチング素子とからなるハーフブリッジ回路で構成されており、これらのスイッチング素子のオンオフのタイミングをずらして駆動することで直流電圧を交流電圧に変換した電力を供給する。

スイッチング素子は、スイッチング状態が切り替えられるターンオン時とターンオフ時にそれぞれスイッチング損失が発生する。スイッチング損失は動作周波数が高くなるほど大きくなり、また、電源電圧と出力電流が大きくなるに従って増大する。近年では、高電圧、高電流を供給する電力変換装置の需要が高まっており、電力変換装置の高効率化のためにスイッチング損失を低減する試みが種々なされている。

特許文献１には、損失の増加を抑制しつつ、電流のリンギングを抑制する電力変換装置が開示されている。特許文献１の電力変換装置は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを備えた電力変換装置であって、いずれか一方のスイッチのみに逆並列接続されたダイオード素子と、他方のスイッチに、ボディダイオードが形成された電力変換装置が開示されている。ダイオード素子は、ナローバンドギャップ半導体で構成されており、ボディダイオードにリカバリ電流が流れることで発生する電流のリンギングの周波数よりも、自身にリカバリ電流が流れることで発生する電流のリンギングの周波数が低くなる特性を有している。

特許文献２には、交流端側と直流端側との間にブリッジ回路とコンバータ回路とを備えた電力変換装置を開示している。特許文献２の電力変換装置の制御装置は、交流電圧の周期に同期して、周期内の所定の期間を、スイッチングを停止する停止期間として規定しており、スイッチング回数を減らすことによって、スイッチング損失を抑制している。

特開２０２０－５４０６１号公報 特開２０１３－２５５４１３号公報

高電圧、高電流を供給する電力変換装置のＤＣＤＣコンバータや、インバータのスイッチング損失を低減する方法の一つに、スイッチング素子間の電圧がゼロボルトのときにターンオンとターンオフを行う、ゼロボルトスイッチングがある。本発明は、ゼロボルトスイッチングを行うための電力変換装置と電力変換方法の提供を、解決すべき課題としてなされた発明である。

請求項１にかかる発明は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置に関する。請求項1の電力変換装置は、主回路が、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えている。補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。インダクタは、一端が主回路ハイサイドスイッチと主回路ローサイドスイッチとの接続点に接続されており、他端が補助回路に接続されている。

本発明の電力変換装置の補助回路は、直列接続されたハイサイドのダイオード及びローサイドのダイオードと、ハイサイドのダイオードに対応する補助回路ハイサイドスイッチと、ローサイドのダイオードに対応する補助回路ローサイドのスイッチとを備えていることが好ましい。

本発明の電力変換装置の補助回路は、上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、下側回路に配置されたローサイドのダイオードとで構成することができる。

本発明の電力変換装置の補助回路は、上側回路に配置されたハイサイドのダイオードと、下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、で構成することができる。

本発明は、電力変換方法を提供する。本発明の電力変換方法は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法である。電力変換装置の主回路は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。本発明の電力変換方法は、主回路ハイサイドスイッチをオンにする前に、補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、を交互にオンにすることでインダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、第一のコンデンサおよび第二のコンデンサを充電するまで、補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間と、補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間を調整し、主回路ハイサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に、主回路ハイサイドスイッチをオンにすることを特徴とする。

本発明は又、主回路ハイサイドスイッチをオンにするときの代替的な電力変換方法を提供する。本発明の電力変換方法は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法である。電力変換装置の主回路は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。本発明の代替的な電力変換方法は、主回路ハイサイドスイッチをオンにする前に、補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、補助回路の下側回路に配置されたローサイドのダイオードと、を交互にオンにすることでインダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、第一のコンデンサおよび第二のコンデンサを充電するまで、補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間と、ローサイドのダイオードをオンにする期間を調整し、主回路ハイサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に、主回路ハイサイドスイッチをオンにすることを特徴とする。

本発明は、更なる電力変換方法を提供する。本発明の電力変換方法は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法である。電力変換装置の主回路は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。本発明の電力変換装置は、主回路ローサイドスイッチをオンにする前に、補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチを交互にオンにすることでインダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、第一のコンデンサおよび第二のコンデンサを充電するまで補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間と補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間を調整し、主回路ローサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に主回路ローサイドスイッチをオンすることを特徴とする。

本発明は又、主回路ローサイドスイッチをオンにするときの代替的な電力変換方法を提供する。本発明の電力変換方法は、主回路と、主回路と電源との間に配置される補助回路と、主回路と補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法である。電力変換装置の主回路は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、補助回路は、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えている。本発明の電力変換装置は、主回路ローサイドスイッチをオンにする前に、補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、補助回路の上側回路に配置されたハイサイドのダイオードを交互にオンにすることでインダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、第一のコンデンサおよび第二のコンデンサを充電するまで補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間とハイサイドのダイオードをオンにする期間を調整し、主回路ローサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に主回路ローサイドスイッチをオンすることを特徴とする。

本発明の電力変換方法は、電源から主回路の方向に電流を通電させる場合と、主回路から電源の方向に電流を通電させる場合のいずれか一方もしくは両方に適用することができる。

本発明の電力変換方法は、主回路ハイサイドスイッチと主回路ローサイドスイッチの間の中点電圧と、補助回路ハイサイドのスイッチと、補助回路ローサイドのスイッチの中点電圧とをトリガーとして、主回路ハイサイドスイッチと主回路ローサイドスイッチのターンオンタイミングを生成することができる。

本発明に係る電力変換装置および電力変換方法は、主回路のスイッチング損失を低減可能な補助回路を備えている。補助回路によって、主回路のゼロボルトスイッチングを達成することにより、補助回路を追加しているにも拘わらず、従来よりも高効率で稼働することのできる電力変換装置および電力変換方法を提供することができる。

本発明に係る電力変換装置および電力変換方法は、主回路のスイッチング損失を低減可能な補助回路を備えている。補助回路は、通電時間が短時間であり、主回路と比較してより小型化することができる。そのため、補助回路によって、主回路のゼロボルトスイッチングを達成することにより、補助回路を追加しているにも拘わらず、従来よりも安価な電力変換装置および電力変換方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に従った電力変換装置の基本的な回路構成の概要を示す回路図である。 図２は、電源から負荷に電力を供給する場合の電力変換装置の各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図３は、電力変換装置の主回路ローサイドスイッチのオン状態から主回路ハイサイドスイッチのオン状態に切り替える期間の、各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図４は、電力変換装置の主回路ハイサイドスイッチのオンから主回路ローサイドスイッチのオンに切り替える期間の、各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図５は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図６は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図７は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図８は、電力変換装置の第一の代替例の回路図である。 図９は、外部から主回路側に電力を供給する場合の電力変換装置の各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図１０は、電力変換装置の主回路ハイサイドスイッチのオン状態から主回路ローサイドスイッチのオン状態に切り替える期間の、各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図１１は、電力変換装置の主回路ローサイドスイッチのオン状態から主回路ハイサイドスイッチのオン状態に切り替える期間の、各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。 図１２は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図１３は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図１４は、電力変換装置を通る電流の経路を矢印で示した図である。 図１５は、電力変換装置の第二の代替例の回路図である。 図１６は、主回路スイッチの中点電圧および補助回路スイッチの中点電圧をトリガーとして、スイッチオンのタイミングを生成する回路の例を示した図である。 図１７は、従来の電力変換装置の基本的な回路構成の概要を示す回路図である。

以下、本発明の電力変換装置１の好適な実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、電力変換装置１の基本的な回路構成を示す。電力変換装置１は、直流の電源２と、交流を供給する負荷３との間に配置される装置であって、主回路１１と、主回路１１と電源２との間に配置される補助回路１２とを備えている。主回路１１と補助回路１２との間には、インダクタＬ１が配置されている。

主回路１１は、直列接続された主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２を備えている。また主回路は、主回路ハイサイドスイッチＱ１と並列に接続された第一のコンデンサＣ１と、主回路ローサイドスイッチＱ２と並列に接続された第二のコンデンサＣ２を備えている。

本実施形態における補助回路１２は、直列接続されたハイサイドのダイオードＤ１とローサイドのダイオードＤ２を備えている。さらに、ハイサイドのダイオードＤ１に対応する補助回路ハイサイドスイッチＱ３と、ローサイドのダイオードＤ２に対応する補助回路ローサイドスイッチＱ４とを備えている。

インダクタＬ１は、一端が主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２との接続点に接続されており、他端が補助回路のダイオードＤ１とダイオードＤ２との接続点に接続されている。

主回路ハイサイドスイッチＱ１、主回路ローサイドスイッチＱ２、補助回路ハイサイドスイッチＱ３、補助回路ローサイドスイッチＱ４は、たとえば、ＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタを適用することができる。主回路と補助回路のスイッチング素子は全て、図示されない制御手段によってオンオフのタイミング制御が行われる。

次に、本発明の電力変換方法を説明する。図２は、電源２から負荷３に電力を供給するときの電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を時系列で示した図である。図２の最上段のグラフは、主回路ローサイドスイッチＱ２のソースドレイン間電圧Ｖ２と、電流値Ａ２の制御内容を示している。図２の上から２段目のグラフは、主回路ハイサイドスイッチＱ１のソースドレイン間電圧Ｖ１と、電流値Ａ１の制御内容を示している。図２の上から３段目のグラフは、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４の接続点における電圧Ｖ３と、インダクタＬ１の電流値Ａ３を示している。最下段のグラフは、主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２の接続点における電圧Ｖ４と、電力変換装置１の出力電流値Ａ４を示している。

以下の電力変換方法の説明では、主回路ローサイドスイッチＱ２のオンから主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンに切り替える期間を期間１、主回路ハイサイドスイッチＱ１から負荷への電力供給を継続する期間を期間２、主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンから主回路ローサイドスイッチＱ２のオンに切り替える期間を期間３、主回路ローサイドスイッチＱ２から電力を供給する期間を期間４として、それぞれの制御内容について説明する。図３に、期間１における電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を、時系列で示す。図４に、期間３における電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を、時系列で示す。

期間１において、主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにするときのスイッチング損失を低減するソフトスイッチングの制御内容を、図面を参照しつつ説明する。図３中の符号１－１で示した期間は、主回路ハイサイドスイッチＱ１がオフで、主回路ローサイドスイッチＱ２側から負荷に電流が出力されている（図５（ａ））。主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにするときのスイッチング損失を低減するためには、主回路ローサイドスイッチＱ２側から供給される余剰電流と、補助回路１２から供給される電流で、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を充電する必要がある。

主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を充電するために、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオンとオフの状態と、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオンとオフの状態を交互に切り替える。補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン期間を、図３中の符号１－２、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン期間を、図３中の符号１－３の期間として示す。補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４の交互の切り替えによって、インダクタＬ１の通電が行われる。補助回路１２からインダクタＬ１を経て出力される電力によって、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が、主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにする電源電圧に達するまで充電される。補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン状態の時の電力供給状態を図５（ｂ）に示し、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン状態の時の電力供給状態を図６（ａ）に示す。

補助回路ハイサイドスイッチＱ３をオンにした時点より、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のからインダクタＬ１を通して、負荷３に電流が供給される。インダクタＬ１から電流の供給が始まると、負荷３には、主回路ローサイドスイッチＱ２とインダクタＬ１から電流が供給される。このため、主回路ローサイドスイッチＱ２の電流は、インダクタＬ１通電分減少する。インダクタＬ１の通電電流が負荷３の通電電流を上回ると、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電が開始される。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電電圧が１／２に等しい時点で、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と主回路ローサイドスイッチＱ２をオフし、補助回路ローサイドスイッチＱ４をオンする。第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電開始から、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２とインダクタＬ１はＬＣ共振をしているとみなすことができるため、インダクタＬ１のエネルギーを利用して第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を充電し、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電完了時点でインダクタＬ１の電流は０となる。この時点で補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフする。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電が完了した時点で、主回路ハイサイドスイッチＱ１にかかる電圧が約０Ｖになるため、主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにすることで、主回路ハイサイドスイッチＱ１のソフトスイッチングが完了する。主回路ハイサイドスイッチＱ１をオン状態にした時の電力供給状態を図６（ｂ）に示す。電力変換装置１の制御は、所定の電圧を維持する期間２に移り、負荷３への電力供給が行われる。

ここで、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフにしたあと、図７（ａ）に示すように、主回路ハイサイドスイッチＱ１からインダクタＬ１を通過して補助回路１１を充電する残留ループ電流が発生する。残留ループ電流を減少させるためには、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４のソースドレイン電圧が等しくなるタイミングで補助回路ハイサイドスイッチＱ３をオンにし、電流値を０に固定することが効果的である。補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４の容量の小さいスイッチ素子を使用することと、インダクタンスＬ１を追加することもまた、有効である。

次に、主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンから主回路ローサイドスイッチＱ２のオンに切り替える期間を期間３において、主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにするときのスイッチング損失を低減するソフトスイッチングの制御内容を、図面を参照しつつ説明する。図４中の符号３－１で示した期間の最初は、ひきつづき主回路ローサイドスイッチＱ２がオフで、主回路ハイサイドスイッチＱ１側から負荷に電流が出力されている（図６（ｂ））。主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにするときのスイッチング損失を低減するためには、負荷電流と補助回路１２に供給される電流で、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を放電させる必要がある。

主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を放電させるために、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオンとオフの状態と、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオンとオフの状態を交互に切り替える。補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン期間を、図４中の符号３－２、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン期間を、図４中の符号３－３の期間として示す。交互の切り替えによって、インダクタＬ１の通電が行われる。補助回路１２にインダクタＬ１を経て入力される電力によって、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が、主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにするグランド電圧に達するまで放電することができる。補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン状態の時の電力供給状態を図７（ｂ）に示し、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン状態の時の電力供給状態を図７（ｃ）に示す。

主回路ハイサイドスイッチＱ１をオフし、補助回路ローサイドスイッチＱ４をオンした時点より、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２からインダクタＬ１を通して補助回路ローサイドスイッチＱ４と負荷に電流が供給されるため、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電が開始される。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電電圧が１／２に等しい時点で、補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフし、補助回路ハイサイドスイッチＱ３をオンする。第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電開始から、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２とインダクタＬ１はＬＣ共振をしているとみなすことができるため、インダクタＬ１のエネルギーを利用して第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が放電し、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電完了時点でインダクタＬ１の電流は０となる。この時点で補助回路ハイサイドスイッチＱ３をオフする。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電が完了した時点で、主回路ローサイドスイッチＱ２にかかる電圧が約０Ｖになるため、主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにすることで、主回路ローサイドスイッチＱ２のソフトスイッチングが完了する。主回路ローサイドスイッチＱ２をオン状態にした時の電力供給状態を図５（ａ）に示す。電力変換装置１の制御は、所定の電圧を維持する期間４に移り、負荷３への電力供給が行われる。

ただし、主回路ハイサイドスイッチＱ１側から電力が供給されている場合、負荷に供給される電流自体が主回路ローサイドスイッチＱ２にかかる電圧を約０Ｖとすることに寄与する。そのため、電力の供給量によっては、期間３の補助回路１２の稼働が不要となる場合もある。

このように、本実施形態の電力変換装置１を用いた電力変換方法によって、主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２のソフトスイッチングを交互にくりかえすことができ、負荷３への高効率な電力の供給を行うことができる。

電流を電源２から負荷３に出力する場合の電力変換装置の代替例を図８に示す。電力変換装置２１において、補助回路のローサイドスイッチＱ４はローサイドのダイオードＤ２に置き換えられている。また、ハイサイドのダイオードＤ１は、省略されている。このような電力変換装置２１においては、インダクタＬ１電流の０検出が不要となる。電力変換装置２１は、電流がゼロとなるゼロクロス（ＺＣＳ）操作を自動でできるため、制御が容易である。また、ＭＯＳＦＥＴ等の一般的なスイッチング素子の損失よりもダイオードの方が電力損失が少ないため、より高効率な電力変換が可能となる。

次に、外部２から主回路側に電力を供給するときの電力変換装置１の動作を、図面を参照しつつ説明する。図９は、電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を、時系列で示した図である。図９の最上段のグラフは、主回路ローサイドスイッチＱ２のソースドレイン間電圧Ｖ２と、電流値Ａ２と、ゲート電圧Ｇ２の制御内容を示している。図２の上から２段目のグラフは、主回路ハイサイドスイッチＱ１のソースドレイン間電圧Ｖ１と、電流値Ａ１と、ゲート電圧Ｇ１の制御内容を示している。図２の上から３段目のグラフは、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４の接続点における電圧Ｖ３と、インダクタＬ１の電流値Ａ３と、ゲート電圧Ｇ３を示している。最下段のグラフは、主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２の接続点における電圧Ｖ４と、電力変換装置１の出力電流値Ａ４を示している。

以下の電力変換方法の説明では、主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンから主回路ローサイドスイッチＱ２のオンに切り替える期間を期間５、主回路ローサイドスイッチＱ２がオン状態を継続する期間を期間６、主回路ローサイドスイッチＱ２のオンから主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンに切り替える期間を期間７、主回路ローサイドスイッチＱ２から電力を供給する期間を期間８として、それぞれの制御内容について説明する。図１０に、期間５における電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を、時系列で示す。図１１に、期間６における電力変換装置１の各部の電流と電圧の制御内容を、時系列で示す。

主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンから主回路ローサイドスイッチＱ２のオンに切り替える期間５において、スイッチング損失を低減するソフトスイッチングの制御内容を、図面を参照しつつ説明する。図１０中の符号５－１で示した期間は、主回路ローサイドスイッチＱ２がオフで、主回路ハイサイドスイッチＱ１側から負荷に電流が出力されている（図１２（ａ））。主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにするときのスイッチング損失を低減するためには、主回路ハイサイドスイッチＱ１側から供給される電流と、補助回路１２の電流で、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を充電する必要がある。充電のために、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオンとオフの状態と、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオンとオフの状態を交互に切り替える。補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン期間を、図１０中の符号５－２、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン期間を、図１０中の符号５－３の期間として示す。補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４を交互に通過した電力によって、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が、主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにする電源電圧０Ｖに達するまで充電される。補助回路ローサイドスイッチＱ３のオン状態の時の電力供給状態を図１２（ｂ）に示し、補助回路ハイサイドスイッチＱ４のオン状態の時の電力供給状態を図１３（ａ）に示す。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の充電が完了した時点で、主回路ローサイドスイッチＱ２にかかる電圧が約０Ｖになるため、主回路ローサイドスイッチＱ２をオンにすることで、主回路ローサイドスイッチＱ２のソフトスイッチングが完了する。主回路ローサイドスイッチＱ２をオン状態にした時の電力供給状態を図１３（ｂ）に示す。電力変換装置１の制御は、所定の電圧を維持する期間６に移る。

ここで、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフにしたあと、図１４（ａ）に示すように、補助回路ローサイドスイッチＱ４からインダクタＬ１を通過して主回路ローサイドスイッチＱ２側へ流れる残留ループ電流が発生する。残留ループ電流を減少させるためには、補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４のソースドレイン電圧が等しくなるタイミングで補助回路ローサイドスイッチＱ４をオンにし、電流値を０に固定することが効果的である。補助回路ハイサイドスイッチＱ３と補助回路ローサイドスイッチＱ４の容量の小さいスイッチ素子を使用することと、インダクタンスＬ１を追加することもまた、有効である。

次に、主回路ローサイドスイッチＱ２のオンから主回路ハイサイドスイッチＱ１のオンに切り替える期間を期間７において、スイッチング損失を低減するソフトスイッチングの制御内容を、図面を参照しつつ説明する。図１１中の符号７－１で示した期間の最初は、ひきつづき主回路ハイサイドスイッチＱ１がオフで、主回路ローサイドスイッチＱ２側から負荷に電流が出力されている（図１３（ｂ））。主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにするときのスイッチング損失を低減するためには、外部から供給される電流で、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を放電させる必要がある。

主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２を放電させるために、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオンとオフの状態と、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオンとオフの状態を交互に切り替える。補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン期間を、図１１中の符号７－２、補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン期間を、図１１中の符号７－３の期間として示す。交互の切り替えによって、インダクタＬ１の通電が行われ、補助回路１２にインダクタＬ１を経て入力される電力によって、主回路１１の第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が、主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにするグランド電圧に達するまで放電することができる。補助回路ローサイドスイッチＱ４のオン状態の時の電力供給状態を図１４（ｂ）に示し、補助回路ハイサイドスイッチＱ３のオン状態の時の電力供給状態を図１４（ｃ）に示す。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２からインダクタＬ１を通して補助回路ハイサイドスイッチＱ３に電流が供給され、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電が開始される。第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電電圧が１／２に等しい時点で、補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフし、補助回路ハイサイドスイッチＱ３をオンする。第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電開始から、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２とインダクタＬ１はＬＣ共振をしているとみなすことができるため、インダクタＬ１のエネルギーを利用して第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２が放電し、第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電完了時点でインダクタＬ１の電流は０となる。この時点で補助回路ローサイドスイッチＱ４をオフする。

第一のコンデンサＣ１と第二のコンデンサＣ２の放電が完了した時点で、主回路ハイサイドスイッチＱ１にかかる電圧が約０Ｖになるため、主回路ハイサイドスイッチＱ１をオンにすることで、主回路ハイサイドスイッチＱ１のソフトスイッチングが完了する。電力変換装置１の制御は、所定の電圧を維持する期間８に移る。

このように、本実施形態の電力変換装置１を用いた電力変換方法によって、主回路ハイサイドスイッチＱ１と主回路ローサイドスイッチＱ２のソフトスイッチングを交互にくりかえすことができ、外部から主回路側への高効率な電力の供給を行うことができる。

電流を外部２から主回路１１側に出力する場合の電力変換装置の代替例を図１５に示す。電力変換装置３１において、補助回路のハイサイドスイッチＱ３はハイサイドのダイオードＤ１に置き換えられている。また、ローサイドのダイオードＤ２は、省略されている。このような電力変換装置３１においては、インダクタＬ１電流の０検出が不要となる。電力変換装置３１は、電流がゼロとなるゼロクロス（ＺＣＳ）操作を自動でできるため、制御が容易である。また、ＭＯＳＦＥＴ等の一般的なスイッチング素子の損失よりもダイオードの方が電力損失が少ないため、より高効率な電力変換が可能となる。

図１６に、主回路ハイサイドスイッチと主回路ローサイドスイッチの間の中点電圧と、補助回路ハイサイドのスイッチと、補助回路ローサイドのスイッチの中点電圧と、をトリガーとして、主回路ハイサイドスイッチ、前記主回路ローサイドスイッチ、前記補助回路ハイサイドスイッチ、及び前記補助回路ローサイドスイッチのタイミングを生成するための論理回路の一例を示す。この論理回路を加えることによって、よりスイッチング素子のオンとオフのタイミング制御が容易となる。

本発明の電力変換装置は、昇降圧コンバータ、三相交流インバータ、単相インバータ、双方向に回転するモータや単相モータの駆動、降圧型ＤＣＤＣコンバータ、昇圧型ＤＣＤＣコンバータ等に適用が可能である。特に、電源側から負荷の一方向のみに電力を供給する電力変換装置は、降圧コンバータや接地された単相モータの駆動に好適に適用される。外部から主回路側に電力を供給する電力変換装置の場合は、昇圧型コンバータや、電源に接続された単相モータに好適に適用される。

１ 電力変換装置
２ 電源
３ 負荷
１１ 主回路
１２ 補助回路
Ｌ１ インダクタ
Ｑ１ 主回路ハイサイドスイッチ
Ｑ２ 主回路ローサイドスイッチ
Ｑ３ 補助回路ハイサイドスイッチ
Ｑ４ 補助回路ローサイドスイッチ
Ｃ１ 第一のコンデンサ
Ｃ２ 第二のコンデンサＣ２
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード

Claims (11)

1. 主回路と、前記主回路と電源との間に配置される補助回路と、前記主回路と前記補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置であって、
   前記主回路が、
   直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、
   前記ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、
   前記ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、
   を備えており、
   前記補助回路が、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えており、
   前記インダクタは、一端が前記主回路ハイサイドスイッチと前記ローサイドスイッチとの接続点に接続されており、他端が前記補助回路に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記補助回路が、
   直列接続されたハイサイドのダイオード及びローサイドのダイオードと、
   前記ハイサイドのダイオードに対応する補助回路ハイサイドスイッチと、
   前記ローサイドのダイオードに対応する補助回路ローサイドのスイッチと、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載のハイサイドのスイッチ及びローサイドのスイッチと、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記補助回路が、
   上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、
   下側回路に配置されたローサイドのダイオードと、
   で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記補助回路が、
   上側回路に配置されたハイサイドのダイオードと、
   下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、
   で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 主回路と、前記主回路と電源との間に配置される補助回路と、前記主回路と前記補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法であって、
   前記主回路が、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、前記主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、前記主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、
   前記補助回路が、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えており、
   前記主回路ハイサイドスイッチをオンにする前に、前記補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、前記補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、を交互にオンにすることで前記インダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、
   前記第一のコンデンサおよび前記第二のコンデンサを充電するまで、前記補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間と、前記補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間を調整し、
   前記主回路ハイサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に、主回路ハイサイドスイッチをオンにすることを特徴とする電力変換方法。
6. 主回路と、前記主回路と電源との間に配置される補助回路と、前記主回路と前記補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法であって、
   前記主回路が、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、前記主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、前記主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、
   前記補助回路が、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えており、
   前記主回路ハイサイドスイッチをオンにする前に、前記補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチと、前記補助回路の下側回路に配置されたローサイドのダイオードと、を交互にオンにすることで前記インダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、
   前記第一のコンデンサおよび前記第二のコンデンサを充電するまで、前記補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間と、前記ローサイドのダイオードをオンにする期間を調整し、
   前記主回路ハイサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に、前記主回路ハイサイドスイッチをオンにすることを特徴とする電力変換方法。
7. 主回路と、前記主回路と電源との間に配置される補助回路と、前記主回路と前記補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法であって、
   前記主回路が、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、前記主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、前記主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、
   前記補助回路が、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えており、
   前記主回路ローサイドスイッチをオンにする前に、前記補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、前記補助回路の上側回路に配置された補助回路ハイサイドスイッチを交互にオンにすることで前記インダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、
   前記第一のコンデンサおよび前記第二のコンデンサを充電するまで前記補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間と前記補助回路ハイサイドスイッチをオンにする期間を調整し、
   前記主回路ローサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に主回路ローサイドスイッチをオンすることを特徴とする電力変換方法。
8. 主回路と、前記主回路と電源との間に配置される補助回路と、前記主回路と前記補助回路との間に配置されたインダクタを備えた電力変換装置の電力変換方法であって、
   前記主回路が、直列接続された主回路ハイサイドスイッチ及び主回路ローサイドスイッチと、前記主回路ハイサイドスイッチと並列に接続された第一のコンデンサと、前記主回路ローサイドスイッチと並列に接続された第二のコンデンサと、を備えており、
   前記補助回路が、一以上のダイオードと、一以上のスイッチとを備えており、
   前記主回路ローサイドスイッチをオンにする前に、前記補助回路の下側回路に配置された補助回路ローサイドスイッチと、前記補助回路の上側回路に配置されたハイサイドのダイオードを交互にオンにすることで前記インダクタに通電して出力電流の変化量を調整し、
   かつ第一のコンデンサおよび第二のコンデンサを充電するまで前記補助回路ローサイドスイッチをオンにする期間と前記ハイサイドのダイオードをオンにする期間を調整し、
   かつ主回路ローサイドスイッチにかかる電圧が約０Ｖになった後に主回路ローサイドスイッチをオンすることを特徴とする電力変換方法。
9. 電源から主回路の方向に電流を通電させる場合に適用することを特徴とする請求項５又は６記載の電力変換方法。
10. 主回路から電源の方向に電流を通電させる場合に適用することを特徴とする請求項７又は８記載の電力変換方法。
11. 前記主回路ハイサイドスイッチと前記主回路ローサイドスイッチの間の中点電圧と、
    前記補助回路ハイサイドのスイッチと、前記補助回路ローサイドのスイッチの中点電圧と、をトリガーとして、前記主回路ハイサイドスイッチ、前記主回路ローサイドスイッチ、前記補助回路ハイサイドスイッチ、及び前記補助回路ローサイドスイッチのタイミングを生成することを特徴とする請求項５又は７に記載の電力変換方法。

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