JP3794476B2

JP3794476B2 - 昇圧チョッパ回路

Info

Publication number: JP3794476B2
Application number: JP2001344401A
Authority: JP
Inventors: 義弘小西; 和之依田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: JP2003153527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、入力直流電源の電圧を昇圧した直流電圧に変換して負荷に供給する昇圧チョッパ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、この種の昇圧チョッパ回路の従来例を示す回路構成図であり、１は入力直流電源、２は昇圧チョッパ回路、５は昇圧チョッパ回路２の負荷である。
【０００３】
この昇圧チョッパ回路２は主リアクトル（Ｌ）１１と、主ダイオード（Ｄ）１２と、バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどの自己消弧形素子（Ｓ_W）とダイオード（Ｄ_SW）の逆並列回路からなる主スイッチ回路１３と、平滑コンデンサ（Ｃ）１４と、負荷５の両端電圧、すなわち平滑コンデンサ（Ｃ）１４の両端電圧を電圧検出器１５ａで検出し、この検出値が所望の値になるように主スイッチ回路１３を形成する前記自己消弧形素子（Ｓ_W）を制御する制御回路１５とから構成されている。
【０００４】
図３に示した昇圧チョッパ回路２の動作を、図４に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明する。
【０００５】
図３において、主リアクトル（Ｌ）１１に図示の方向に流れる電流をＩ_Lとし、主スイッチ回路１３に図示の方向に加わる電圧をｖ_SWとし、主スイッチ回路１３に図示の方向に流れる電流をｉ_SWとすると、前記電流Ｉ_Lが連続のときの前記電流ｉ_SWと前記電圧ｖ_SWとは図４のように示され、このときの負荷５の両端電圧を入力直流電源１の電圧を昇圧した所望の値の直流電圧にするには、周知の如く制御回路１５により、例えば、前記Ｓ_Wがオフしている期間を一定値とし、オンしている期間を調整すればよい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した従来の昇圧チョッパ回路２の動作波形において、図３に示した主スイッチ回路１３を形成する前記自己消弧形素子（Ｓ_W）をターンオンさせるとき、ターンオフさせるときには、前記電流ｉ_SWを急激に導通，遮断していることから、大きなスイッチング損失が発生し、その結果、この昇圧チョッパ回路２では変換効率が低下する、また、前記スイッチング損失に伴う発熱を放熱するために大きな冷却フィンを必要することから昇圧チョッパ回路２全体が大型化するなどの難点があった。
【０００７】
この発明の目的は、前記主スイッチ回路を形成する自己消弧形素子のスイッチング損失を軽減できる昇圧チョッパ回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の昇圧チョッパ回路は、入力直流電源の一端に主リアクトルの一端を接続し、主リアクトルの他端に、主ダイオードの一端と共振リアクトルの一端とをそれぞれ接続し、主ダイオードの他端と入力直流電源の他端との間に平滑コンデンサを接続し、共振リアクトルの他端に、自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路からなる主スイッチ回路の一端と共振コンデンサの一端とをそれぞれ接続し、共振コンデンサの他端に自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路からなる補助スイッチ回路の一端を接続し、主スイッチ回路の他端と補助スイッチ回路の他端とを、入力直流電源の他端にそれぞれ接続し、主スイッチ回路に両端にスナバコンデンサを接続し、平滑コンデンサの両端に接続される負荷の電圧が所望の値になるように、主スイッチ回路および補助スイッチ回路の自己消弧形素子それぞれを互いに連係して制御する制御回路を備えてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明の昇圧チョッパ回路では、従来の昇圧チョッパ回路の主回路構成要素の他に共振リアクトル，共振コンデンサ，補助スイッチ回路，スナバコンデンサを追加することで、主スイッチ回路の自己消弧形素子のターンオン時にはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）とを行わせ、該素子のターンオフ時にはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を行わせることにより、前記自己消弧形素子のスイッチング損失を軽減している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の実施例を示す昇圧チョッパ回路の回路構成図であり、図３に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００１１】
すなわち、この昇圧チョッパ回路３には主リアクトル（Ｌ）１１，主ダイオード（Ｄ）１２，主スイッチ回路１３，平滑コンデンサ１４の他に、共振リアクトル（Ｌ_r）３１と、共振コンデンサ（Ｃ_r）３２と、バイポーラトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどの自己消弧形素子（Ｓ_a）とダイオード（Ｄ_a）の逆並列回路からなる補助スイッチ回路３３と、スナバコンデンサ（Ｃ_S）３４と、負荷５の両端電圧、すなわち、平滑コンデンサ（Ｃ）１４の両端電圧を電圧検出器３５ａで検出し、この検出値が所望の値になるように主スイッチ回路１３を形成する前記自己消弧形素子（Ｓ_W）および補助スイッチ回路３３を形成する前記自己消弧形素子（Ｓ_a）それぞれを連係して制御する制御回路３５とから構成されている。
【００１２】
図１に示した昇圧チョッパ回路３の動作を、図２に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明する。なお、図２に示した時刻ｔ₀までを「モード０」と、時刻ｔ₀からｔ₁までを「モード１」と、時刻ｔ₁からｔ₂までを「モード２」と、時刻ｔ₂からｔ₃までを「モード３」と、時刻ｔ₃からｔ₄までを「モード４」と、時刻ｔ₄からｔ₅までを「モード５」と、時刻ｔ₅からｔ₆までを「モード６」と、時刻ｔ₆以降を「モード７」と称している。
【００１３】
先ず、「モード０」では、時刻ｔ₀までの制御回路３５からのオン信号により主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）がオンしており、このオンにより主リアクトル（Ｌ）１１にエネルギーが蓄積される。また、この期間では制御回路３５からのオフ信号により補助スイッチ回路３３の自己消弧形素子（Ｓ_a）がオフしており、共振コンデンサ３２（Ｃ_r）には電流が流れていない。ここで前記Ｃ_r＞＞Ｃ_S（スナバコンデンサ３４）の関係があるものとする。
【００１４】
次に、「モード１」の時刻ｔ₀で、制御回路３５からのオフ信号が発せられ、このオフ信号により主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）がターンオフを開始する。このターンオフにより前記Ｓ_Wに流れていた電流（ｉ_SW）はスナバコンデンサ（Ｃ_S）３４に流れ込むことで、共振リアクトル（Ｌ_r）３１と前記Ｃ_Sとの共振動作が起こる。すなわち、「モード０」から「モード１」に遷移する時には、前記共振動作により前記Ｓ_Wはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）でターンオフする。
【００１５】
次に、「モード２」の時刻ｔ₁で、上述の共振動作により、スナバコンデンサ（Ｃ_S）３４の電圧が増大し、この電圧、すなわち、主スイッチ回路１３の両端電圧（ｖ_SW）がクランプ電圧（ｖ_C）に達すると、補助スイッチ回路３３のダイオード（Ｄ_a）と主ダイオード（Ｄ）とが導通状態になる。この導通状態の期間（ｔ₁〜ｔ₂）中に制御回路３５により、補助スイッチ回路３３の自己消弧形素子（Ｓ_a）にオン信号を発する。
【００１６】
次に、「モード３」の時刻ｔ₂で、補助スイッチ回路３３の電流（ｉ_SA）、すなわち、補助スイッチ回路３３のダイオード（Ｄ_a）に流れていた電流が減少し、やがてその極性が変わるが、上述の「モード２」の期間から補助スイッチ回路３３の自己消弧形素子（Ｓ_a）に制御回路３５からオン信号を与えているので、この電流極性が変化したときの前記Ｓ_aは、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）により、ターンオンする。また、この時、共振リアクトル（Ｌ_r）３１に流れている電流（ｉ_Lr）も減少し、やがてその極性が変わる。この極性が変わった後の電流の一部は入力直流電源１に回生される。
【００１７】
次に、「モード４」の時刻ｔ₃で、制御回路３５により予め設定しておいた主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）のオフ期間、すなわち、補助スイッチ回路３３の自己消弧形素子（Ｓ_a）のオン期間が過ぎたので、前記Ｓ_aにオフ信号を発する。このときには、前記電圧ｖ_SWがクランプ電圧ｖ_Cの状態にあるので、前記Ｓ_aはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）でターンオフする。このターンオフの開始により、共振リアクトル（Ｌ_r）３１とスナバコンデンサ（Ｃ_S）３４の共振動作で前記Ｃ_Sの電圧ｖ_SWは放電し、時刻ｔ４で零となる。
【００１８】
次に、「モード５」では、上述の如く前記電圧ｖ_SWが零になったことから、主スイッチ回路１３のダイオード（Ｄ_SW）が導通を開始する。この期間に制御回路３５から主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）にオン信号を発することにより、主スイッチ回路１３の電流、すなわち、ダイオードＤ_SWの電流ｉ_SWは次第に減少し、時刻ｔ₅で零となる。
【００１９】
最後に、「モード６」では、既に「モード５」のときに、制御回路３５から前記Ｓ_Wにオン信号が発せられていることから、上述の時刻ｔ₅で、主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）とでターンオンを開始し、時刻ｔ₆でこのターンオンが完了すると、「モード７」、すなわち、先述の「モード０」に移行する。
【００２０】
以上の説明から明らかなように、制御回路３５では負荷５の両端電圧が所望の値になるように、例えば、時刻ｔ₄から次の「モード０」の時刻ｔ₀までの期間を調整しつつ、この期間には主スイッチ回路１３の自己消弧形素子（Ｓ_W）にオン信号を発し、また、時刻ｔ₁から時刻ｔ₃までの予め定めたほぼ一定の期間では補助スイッチ回路３３の自己消弧形素子（Ｓ_a）に発する如く、前記自己消弧形素子（Ｓ_W）および補助スイッチ回路３３を形成する前記自己消弧形素子（Ｓ_a）それぞれを連係して制御すればよい。
【００２１】
【発明の効果】
この発明の昇圧チョッパ回路では、主スイッチ回路の自己消弧形素子のターンオン時にはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）とを行わせ、該素子のターンオフ時にはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を行わせることで前記自己消弧形素子のスイッチング損失を軽減し、この昇圧チョッパ回路の変換効率の向上と小型化とを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す昇圧チョッパ回路の回路構成図
【図２】図１の動作を説明する波形図
【図３】従来例を示す昇圧チョッパ回路の回路構成図
【図４】図３の動作を説明する波形図
【符号の説明】
１…入力直流電源、２，３…昇圧チョッパ回路、５…負荷、１１…主リアクトル、１２…主ダイオード、１３…主スイッチ回路、１４…平滑コンデンサ、１５…制御回路、３１…共振リアクトル、３２…共振コンデンサ、３３…補助スイッチ回路、３４…スナバコンデンサ、３５…制御回路。

Claims

入力直流電源の一端に主リアクトルの一端を接続し、
主リアクトルの他端に、主ダイオードの一端と共振リアクトルの一端とをそれぞれ接続し、
主ダイオードの他端と入力直流電源の他端との間に平滑コンデンサを接続し、
共振リアクトルの他端に、自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路からなる主スイッチ回路の一端と共振コンデンサの一端とをそれぞれ接続し、
共振コンデンサの他端に自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路からなる補助スイッチ回路の一端を接続し、
主スイッチ回路の他端と補助スイッチ回路の他端とを、入力直流電源の他端にそれぞれ接続し、
主スイッチ回路に両端にスナバコンデンサを接続し、
平滑コンデンサの両端に接続される負荷の電圧が所望の値になるように、主スイッチ回路および補助スイッチ回路の自己消弧形素子それぞれを互いに連係して制御する制御回路を備えてなることを特徴とする昇圧チョッパ回路。