JP3328331B2 - 昇圧チョッパ装置 - Google Patents

昇圧チョッパ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は昇圧チョッパ回路、詳し
くは直流電源にチョークコイル及び半導体スイッチ素子
を接続し、該半導体スイッチ素子を高周波数でスイッチ
ングさせて直流電源の出力電圧を逓昇する昇圧チョッパ
装置に関する。
【0002】
【従来技術】従来、図4に示すように、直流電源1の出
力端子に直列に昇圧用チョークコイルL0を接続すると
ともに該チョークコイルL0と直流電源1の接地端子間
に電子スイッチ素子として用いた電力用スイッチングト
ランジスターT0を接続し、上記チョークコイルL0か
ら逆流阻止用半導体ダイオードD0及びフィルター用キ
ャパシタCfを介して負荷2に昇圧した直流電力を供給
するようにした、昇圧チョッパ装置が知られている。
【0003】上記昇圧チョッパ装置のスイッチングトラ
ンジスターT0は、図5(b)に示すように、図示しな
い電子制御回路により数十KHz〜数百KHzの高周波
数でON/OFFスイッチ動作を繰り返し行うように制
御される。図5(a)に示すように、スイッチングトラ
ンジスターT0が時点t1でオンすると、直流電源1か
らチョークコイルL0に電気エネルギーの蓄積が開始さ
れ、チョークコイルL0を流通する電流IL0が直線的
に増大する一方、該トランジスターT0が時点t2でオ
フすると、チョークコイルL0に蓄積された電気エネル
ギーが上記ダイオードD0及びキャパシタC0を介して
負荷2へ放出され、これにしたがって電流IL1が指数
関数的に減少する。このようにして、上記トランジスタ
ーT0のON及びOFFを1サイクルとするスイッチン
グ動作を繰り返し行うことにより、直流電源1の出力電
圧Viをそれよりも高い直流電圧Voに変換して負荷2
に印加することができる。
【0004】上記昇圧チョッパ回路による直流電圧の逓
昇倍率は、スイッチングトランジスターT1のON・O
FFの1周期T(=Ton+Toff)に対するON期
間の時間比率、すなわちオン・デューテイ比D(=To
n/T)を減少させると小さくなり、それとは逆に該デ
ューテイ比Dを増大させると大きくなる。該昇圧された
出力電圧Voは下式で表される: Vo=Vi÷(1−D)
【0005】上記昇圧チョッパ装置におけるトランジス
ターT0のデューテイ比Dを調整することにより直流電
源1の出力電圧Viを所望倍率で高圧に変換することが
できるが、電子スイッチ素子である上記トランジスター
T0は上述したように高周波数でスイッチング動作を繰
り返し行うため、特に、該トランジスターT0のpn接
合部で可成り大きなスイッチング損失が発生するという
重大な問題点があった。すなわち、スイッチングトラン
ジスターT0のターンオフ時にはその導通電流が大きな
値からゼロに急激に変化する過渡現象が生じて該接合部
に過渡的に大きな熱損失が発生する。また、該過渡現象
に伴って大きなサージ電圧の発生する危険性が高かっ
た。一方、上記トランジスターT0のターンオン時に
は、それまで順方向電流が導通していたダイオードD0
に蓄積された電荷が、図4中に破線で示すように、トラ
ンジスターT0及びキャパシタCfを通る経路に沿って
放出されて過渡的に大きな短絡電流として流れ、これに
よって該トランジスターT0のpn接合部に大きな熱損
失が発生し、また、ダイオードD0に大きなサージ電圧
の発生する危険性が高かった。
【0006】
【解決しようとする課題及びその解決手段】本発明の目
的は、上記従来形式の昇圧チョッパ装置における問題点
を完全に解消するためになされたもので、昇圧チョッパ
装置におけるチョッパ用電子スイッチ素子T0のターン
オン及びターンオフに同期してそのターンオン及びター
ンオフ時間に見合った短い時間、該スイッチ素子T0に
加わる電圧を略ゼロボルト(0V)に維持せしめ、この
状態でスイッチングさせる、いわゆるゼロボルトスイッ
チング(ZVS)させてスイッチング損失を最小限のも
のに抑制しかつ半導体ダイオードD0の導通及び非導通
時の電流変化を緩和させてサージ電圧の発生を防止す
る、昇圧チョッパ装置を提供することにある。
【0007】上記目的を実現するため、本発明は昇圧チ
ョッパ装置における昇圧用チョークコイルL0とフィル
ター用キャパシタCf間に補助共振回路を設け、該補助
共振回路によりチョッパ用電子スイッチ素子のスイッチ
動作に同期して少なくともそのスイッチング動作時間
中、該スイッチ素子に印加される電圧を略ゼロボルトと
する一方、該スイッチ素子の導通電流変化を緩和せしめ
ることを特徴とする。
【0008】以下に、本発明を好ましい具体例を示す添
付図面とともに説明する。
【0009】
【実施例】本発明の一実施例を示す図1において、図4
に示す従来形式の昇圧チョッパ装置における構成部分と
等価な部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【0010】本発明の主要構成部分は、図1に示すよう
に、昇圧用チョークコイルL0とフイルター用キャパシ
タCf間に接続された補助共振回路10である。この補
助共振回路10は、昇圧用チョークコイルL0の出力又
は正極端子と直流電源1の負極又は接地端子間、すなわ
ち、チョッパ用電子スイッチ素子としてのスイッチング
トランジスターT0のコレクタ−エミッタ間に、互いに
並列に、第1キャパシタC1、還流用ダイオードD1、
及び、共振用チョークコイルL1と逆流阻止用半導体ダ
イオードD2と第2キャパシタC2とで成る直列回路を
接続し、上記共振用チョークコイルL1と接地端子間に
第1スイッチングトランジスターT1を接続し、上記半
導体ダイオードD2のカソードと第2キャパシタC2の
接続点と上記半導体ダイオードD0のアノード間に第2
スイッチングトランジスターT2を接続するとともに該
半導体ダイオードD2のカソードと上記半導体ダイオー
ドD0のカソード間に逆流阻止用半導体ダイオードD3
を接続して構成される。
【0011】上記構成の昇圧チョッパ装置におけるチョ
ッパ用電子スイッチ素子としてのスイッチングトランジ
スターT0は、図4の従来装置におけると同様にして、
図示しない電子制御回路により高周波数で直流電源1の
出力電圧Viの逓昇率に応じたデューティ比Dをもって
繰り返しオン・オフ制御される。
【0012】上記補助共振回路10における第1及び第
2スイッチングトランジスターT1及びT2は、上記電
子制御回路により、図3(b)及び(c)に示すよう
に、スイッチングトランジスターT0のスイッチング動
作に同期して制御される。この制御動作の詳細は下記す
る。なお、上記電子制御回路は、例えばマイクロコンピ
ューターを用いて構成することができる。
【0013】図1の実施例のチョッパ装置の動作を、図
2(a)〜(c)に示す該チョッパ装置の主要構成部分
の動作特性タイムチャート及び図3(a)〜(d)の時
間軸を拡大して示す動作特性タイムチャートとともに説
明する。
【0014】上記チョッパ用スイッチングトランジスタ
ーT0のターンオフ動作は次のとおり行われる:スイッ
チングトランジスターT0が導通状態にあると、該トラ
ンジスターT0に並列に接続されたキャパシタC1の電
極間電圧はゼロボルトである。この状態でトランジスタ
ーT0をターンオフする。この時、直流電源1からチョ
ークコイルL0を介して第1キャパシタC1が充電さ
れ、第1キャパシタC1の電極間電圧が上昇する。この
第1キャパシタC1の充電回路の時定数は、トランジス
ターT0のターンオフ時間の数倍程度の大きさとなるよ
うに該キャパシタC1の容量値が選定される。このよう
にして、トランジスターT0のターンオフ後における第
1キャパシタC1の充電電圧、すなわち該トランジスタ
ーT0のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧の上昇
を緩やかなものとする。したがって、ターンオフ時該ト
ランジスターT0のpn接合部に印加される電圧は低圧
とされ、スイッチング損失が最小限のものに抑制され
る。また、上記したように第1キャパシタC1の充電電
圧の上昇率を緩やかなものとすることにより、該トラン
ジスターT0の導通電流変化も緩やかなものとされ、サ
ージ電圧の発生が抑制される。
【0015】上記第1キャパシタC1の充電が完了する
と、その充電電圧が上記ダイオードD0に印加され、し
たがって該ダイオードD0が導通し、直流電源1からチ
ョークコイルL0に蓄積された電気エネルギーが該ダイ
オードD0及びフイルター用キャパシタCfを介して負
荷2に伝達される。この結果、チョークコイルL0を流
通する電流IL1は図2(a)に示すように漸減する。
【0016】次に、上記トランジスターT0のターンオ
ン動作を、経時的に変化する動作モード(0)〜(5)
にしたがって説明する。
【0017】動作モード(0):いま、上記トランジス
ターT0は非導通とされ、上述したようにチョークコイ
ルL0に蓄積された電気エネルギー、すなわ該チョーク
コイルL0を流通する電流IL1が漸減し、かつ、第1
及び第2キャパシタC1及びC2が充電された状態とす
る。この状態で、上記電子制御回路によりトランジスタ
ーT0をターンオンさせる直前の適当な時点t1で第1
及び第2スイッチングトランジスターT1及びT2をほ
ぼ同時にターンオンさせ、次の動作モード(1)に移行
する。
【0018】動作モード(1):第1トランジスターT
1のターンオンによりチョークコイルL0に蓄積された
電気エネルギー、すなわち該チョークコイルL0を流通
する電流IL0の一部分が共振用チョークコイルL1に
流入する。したがって、該チョークコイルL1を流通す
る電流IL1は、図3(a)に示すように直線的に増大
する。該電流IL1がチョークコイルL0を流通する電
流値IL0に到達した時点t2で、次の動作モード
(2)に移行する。なお、上記チョークコイルL0を流
通する電流IL0は、巨視的には図2(a)に示すよう
に、ほぼ三角波状に変化し、微視的には図3(a)に示
すように当該非常に短い動作期間においてはほぼ一定で
あるとみなすことができる。
【0019】動作モード(2):上記チョークコイルL
1の流通電流IL1が電流値IL0を超えて更に増大す
るにつれてダイオードD0がオフとされるとともに第1
及び第2キャパシタC1及びC2の放電が行われ、図3
(d)に示すように、該第1キャパシタC1の放電が完
了、したがってその電極間電圧Vc1が時点t3でゼロと
なり、次の動作モード(3)に移行する。
【0020】動作モード(3):上記第1キャパシタC
1の電極間電圧Vc1がゼロとなると、還流用ダイオー
ドD1がオンし、上記チョークコイルL1を流通する電
流IL1は第1トランジスターT1及びダイオードD1
を通る経路とダイオードD2及びトランジスターT2を
通る経路を介して還流し、該電流値IL1がほぼ一定と
される。このように、第1キャパシタC1の電極間電圧
Vc1、したがってスイッチングトランジスターT0の
コレクタ−エミッタ間に印加される電圧がゼロボルトと
なった直後の時点tonにスイッチングトランジスターT
0がターンオンされる。このように、トランジスターT
0への印加電圧がゼロボルト(0V)のときにターンオ
ンされ、よって該トランジスターT0におけるスイッチ
ング損失は発生しない。
【0021】上記トランジスターT0をターンオンする
タイミングtonは、公知の方法で算出した第1キャパシ
タC1の放電回路の時定数に基づき適正に設定すること
ができる。このようにして、トランジスターT0への印
加電圧がゼロボルトの状態でターンオンさせ、いわゆる
ゼロ・ボルト・スイッチング(ZVS)を行った直後の
時点t4で上記第1及び第2トランジスターT1及びT
2をターンオフさせ、次の動作モード(4)に移行す
る。
【0022】なお、第1トランジスターT1をターンオ
フするにあたり、第2キャパシタC2の電極間電圧、し
たがって該第1トランジスターT1のコレクタ−−エミ
ッタ間に印加される電圧はゼロボルトであり、よって第
1トランジスターT1及び第2トランジスターT2のタ
ーンオフ時にスイッチング損失は発生しない。
【0023】動作モード(4):上記第1及び第2トラ
ンジスターT1及びT2がオフすると、チョークコイル
L1に蓄積された電気エネルギー、すなわち該チョーク
コイルL1を流通する電流IL1は第2キャパシタC2
に流入して該第2キャパシタC2の充電が開始される。
このとき、電流IL1は、図3(a)に示すように漸減
する。該第2キャパシタC2の充電が時点t5で完了
し、次の動作モード(5)に移行する。
【0024】上記第2キャパシタC2の充電が完了する
と、チョークコイルL1からの余剰電流IL1はダイオ
ードD3及びフィルター用キャパシタCfを介して負荷
2に流れ、時点t6でゼロとなる。これで、上記スイッ
チングトランジスターT0をターンオンさせるためのス
イッチング動作サイクルを完了する。
【0025】時点t6以降では、上記直流電源1からチ
ョークコイルL0及び該オンしたトランジスターT0を
介して電流が流れ、図2(a)に示すように、該チョー
クコイルL0を流通する電流IL0が直線的に増大す
る。
【0026】上記補助共振回路10の第1及び第2電子
スイッチ素子T1及びT2は、スイッチングトランジス
ターに限定されることなく、例えば、FET(電界効果
トランジスター)やIGBT(ゲート絶縁バイポーラト
ランジスター)等を用いて構成した他の電子スイッチ素
子を用いることもできる。
【0027】なお、上記実施例は、直流電源1として商
用交流電源にフルブリッジ型の静止形直流変換回路を組
み合わせて構成したものに適用されたが、これに限ら
ず、直流電源1として電力バッテリーを使用ものにも適
用できることは勿論のことである。
【0028】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、昇圧チ
ョッパ装置のチョッパ用電子スイッチ素子のターンオフ
及びターンオン時、補助共振回路により該スイッチ素子
への印加電圧をゼロボルトとするとともにその流通電流
変化を緩和させるようにしたから、特に、該電子スイッ
チ素子のpn接合部におけるスイッチング損失を最小限
のものに抑制して当該装置の直流電圧変換効率を有効に
高めることができる。また、該電子スイッチ素子におけ
る電流変化を緩和することによりサージ電圧が発生しな
い、安定度の高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の昇圧チョッパ装置の電気回
路図である。
【図2】図1のチョッパ装置の動作を説明するための同
一時間軸で表した主要構成部分における動作特性タイム
チャートである。
【図3】図1の昇圧チョッパ装置の動作を説明するため
の図2と同様の主要構成部分の動作特性タイムチャート
であって、図2の時間軸を拡大して示すタイムチャート
である。
【図4】従来の昇圧チョッパ装置の電気回路図である。
【図5】図4の従来の昇圧チョッパ装置における主要構
成部分の動作特性を表すタイムチャートであって、図5
(a)は昇圧用チョークコイルL0の流通電流波形を、
図5(b)はチョッパ用電子スイッチ素子T0の動作電
圧を示す。
【符号の説明】
1 直流電源 2 負荷 10 補助共振回路 L0 昇圧用チョークコイル L1 共振用チョークコイル T0 スイッチングトランジスター(電子スイッチ素
子) T1 第1スイッチングトランジスター(第1電子スイ
ッチ素子) T2 第2スイッチングトランジスター(第2電子スイ
ッチ素子) D0 逆流阻止用半導体ダイオード D1 還流用半導体ダイオード D2 逆流阻止用半導体ダイオード D3 逆流阻止用半導体ダイオード Cf フイルター用キャパシタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平地 克也 大阪府高槻市城西町6番6号 株式会社 ユアサ コーポレーション内 (56)参考文献 特開 昭59−32359(JP,A) 特開 昭59−178964(JP,A) 特開 昭63−59764(JP,A) 実開 平4−98885(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/155

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源(1)の出力端子に直列に昇圧
    用チョークコイル(L0)及び逆流阻止用半導体ダイオ
    ード(D0)を接続するとともに該半導体ダイオード
    (D0)のアノードと上記直流電源(1)の接地端子間
    に電子スイッチ素子(T0)を接続し、該電子スイッチ
    素子(T0)を高周波数で繰り返しスイッチングさせる
    ことにより直流電源(1)から半導体ダイオード(D
    0)に接続された負荷に逓昇した直流電圧をもって給電
    する、昇圧チョッパ装置において、 上記電子スイッチ素子(T0)の両端子間に互いに並列
    に第1キャパシタ(C1)、還流用ダイオード(D
    1)、及び、共振用チョークコイル(L1)と逆流阻止
    用半導体ダイオード(D2)と第2キャパシタ(C2)
    とで成る直列回路を接続し、上記共振用チョークコイル
    (L1)と接地端子間に第1電子スイッチ素子(T1)
    を接続し、上記半導体ダイオード(D2)のカソードと
    第2キャパシタ(C2)の接続点と上記半導体ダイオー
    ド(D0)のアノード間に第2電子スイッチ素子(T
    2)を接続するとともに該半導体ダイオード(D2)の
    カソードと上記半導体ダイオード(D0)のカソード間
    に逆流阻止用半導体ダイオード(D3)を接続して構成
    される補助共振回路(10)を設け、 上記電子スイッチ素子(T0)のターンオンに同期して
    上記補助共振回路(10)の第1及び第2電子スイッチ
    素子(T1及びT2)を同時的に短時間オンさせること
    により、電子スイッチ素子(T0)のターンオン期間
    中、該スイッチ素子(T0)の両端子間印加電圧をゼロ
    ボルトに維持せしめるようにしたことを特徴とする、昇
    圧チョッパ装置。
  2. 【請求項2】 補助共振回路(10)における第1及び
    第2電子スイッチ素子(T1及びT2)が電力用スイッ
    チングトランジスターである、第1項記載の昇圧チョッ
    パ装置。
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