JP3877042B2 - Auxiliary resonance circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体電力変換装置に係わるもので、特に共振現象を利用して、ゼロ電圧でスイッチング動作を行う共振形電力変換装置の回路方式に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の、産業上最も一般的に使われている三相電力変換装置の主回路図を図2に示す。
図2において、11は直流電源、8は直流電圧を平滑するための直流コンデンサ、10は例えば交流電動機などの三相交流負荷、9は電力変換の役割を果たす主変換ブリッジであり、12は変換ブリッジを構成する半導体スイッチング素子である。
【0003】
半導体スイッチング素子は、同図に示すように一般的に、ゲート信号によってオンオフする半導体スイッチ部(トランジスタ部)と、この半導体スイッチ部と逆並列に接続された還流ダイオード部とで構成されている。
現実の半導体スイッチには、蓄積容量などの寄生容量が必ず存在しており、図中にはこれらも併記している。この寄生容量は、一般にはスイッチのデメリットとしてとらえられることもあるが、共振形コンバータを構成する場合には、この寄生容量をLC共振回路の一部として逆に利用できる。
【0004】
電力の変換は半導体スイッチ素子のオンオフスイッチング動作により行われ、従来の、このオンオフスイッチング動作はいわゆるハードスイッチング方式で行われている。
ハードスイッチングの場合、スイッチング動作期間(転流期間)中、スイッチング素子にかかる端子電圧と素子に流れる電流には重なり(電圧、電流両方ともゼロでない)期間があり、この電圧と電流の積はスイッチング素子で消耗するスイッチングロスとなる。
このスイッチングロスはスイッチング周波数に比例し、スイッチング周波数を高く設定するほど、過大なスイッチングロスを発生させ、変換装置の効率を低下させてしまう。
さらに、スイッチング動作期間中、相電流の方向で電流がスイッチング素子のダイオード部を通している時、同じポールの反対側のスイッチ素子にオン信号が出されると、寄生容量により、ポールに一瞬短絡するような現象が起こるため、短絡による過大な電流サージにより電磁ノイズを発生し、電磁環境に悪影響を与えてしまう。
【0005】
近年、高効率また電磁環境性に優れた変換装置を目指して、共振現象を利用したソフトスイッチング方式の研究が進められており、その原理は、主変換器の回路に補助共振回路を設け、主変換器のスイッチング動作を、補助共振回路でスイッチング素子の端子電圧または電流をなめらかにゼロに落としてから行うものである。
この場合、主変換器のスイッチング転流期間中、電圧と電流のいずれか一方または両方がゼロであるので、スイッチングロスが発生しなくなり、また、転流がなめらかに行われるので、電磁ノイズの発生も著しく削減できる。
以下、記述の簡便性のため、ゼロ電圧でスイッチングすることをZVS、ゼロ電流でスイッチングすることをZCSと略記する。
【0006】
共振形変換器の補助共振回路において、いろいろな回路方式が提案されているが、大きく分けて2通りに分類できる。1つは、各ポールごとに、補助スイッチング用の共振回路を付加する補助共振ポール形であり、もう1つは、主変換器の全ポールに対して、1セットの共振回路により一括処理する直流リンク共振形である。
これらの各回路方式においては、採用する部品の点数と寿命、スイッチングシーケンスの容易さと確実性、また、共振回路動作用のセンサ追加の必要性などの点でそれぞれ一長一短がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した問題に対してなされたものであって、直流リンク共振形変換方式において、少部品点数で、追加センサを必要とせず、確実にソフトスイッチング動作を実現できる回路方式を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
単独または複数の多相交流から直流へ、または、直流から単独または複数の多相交流へ電力変換する半導体電力変換装置の直流リンクにおいて、
直流リンクと、直流電源またはこれと等価機能を有する直流コンデンサとを電気的に遮断する第1の半導体スイッチング素子と、互いに直列接続され、かつ前記直流電源または直流コンデンサと並列に接続される第2、第3の半導体スイッチング素子と、この両半導体スイッチング素子の相互接続点および前記第1の半導体スイッチング素子の直流リンク接続点との間に挿入される共振用リアクトルとで構成する。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明における補助共振回路を、コンバータ・インバータ電力変換システムに適用した場合の主回路構成例を図1に示す。
同図において、1は多相交流電源、2は交流電力を直流へ変換するコンバータ、3は本発明における補助共振回路、8は直流リンク電圧を平滑するための直流コンデンサ、9は直流電力を多相交流へ変換する多相インバータ装置、10は例えば交流モータなどの多相交流負荷である。
本発明の補助共振回路3において、4は直流リンクを直流コンデンサから切り離すための半導体スイッチング素子Q、5,6は補助共振回路を制御するための半導体スイッチング素子Q、Q、7は共振用のリアクトルLrである。
本実施例では、共通直流リンクに各1台のコンバータ、インバータを接続しているが、複数台数のコンバータ、インバータの接続も可能である。
【0010】
本発明の補助共振回路は、使用部品として半導体スイッチング素子と共振用リアクトルの二種類で済み、また、それらが半永久的な寿命を持つものであるので、信頼性に優れている。
また、部品点数も少なく、しかも複数の主変換器と共通使用できるので、補助回路の追加によるコストの上昇を最小限に抑えられる。
さらに、後述のZVS動作と合わせて、スナバ回路が省略できたり、または主変換器と共通に使用できるため、変換装置のコストを低く抑えることができる。
【0011】
本発明の補助共振回路の作用は、主変換回路のスイッチング素子が転流動作を行う直前に、共振動作を起動させ、直流リンク電圧を一旦ゼロに落としてから、ゼロ電圧の状態で主変換回路のスイッチング動作を行わせる(ZVS)ことにある。
これによって、スイッチング動作時に発生するスイッチング損失をゼロにしてシステムの変換効率を大幅に向上させるとともに、電磁ノイズの発生も大幅に抑制するものである。
【0012】
補助共振回路の動作原理の理解を容易にするために、まず、主回路をモデル化し、その等価回路を用いて詳述する。
モデル化した主回路の等価回路を図3に示す。同図において、13は図1の2と9に相当する部分であり、主変換器の等価回路である。8’は図1の8と同様、平滑用の直流コンデンサであり、その電圧値Vdcは転流動作中ほとんど一定であるので、直流電圧源と見なせる。3’は本発明の補助共振回路である。
【0013】
13の主変換器等価回路において、14は等価共振コンデンサCであり、その容量値は付加スナバコンデンサ容量と主変換器スイッチング素子の寄生コンデンサ容量との和となる。
主変換器の各ポールにおいて、上下スイッチング素子のいずれか一方が電流の導通により、そのコンデンサが短絡するので、このポールの等価容量はスイッチング素子一個の寄生容量(Cs)と等しい。主変換器を構成するポール数がn個であれば、全寄生容量の相当容量値はn×Csと概算できる。なお、等価共振コンデンサの電圧Vrは直流リンク電圧と等しいことが明らかである。
【0014】
15は主変換器のスイッチング素子に逆並列に接続されるダイオードの代表であり、共振動作においては。クランプダイオードDの役割も果たしている。
16は主変換器から直流リンクに流れ込む負荷電流であり、その値Iが多相負荷電流値と主変換器の各スイッチング素子のオンオフ状態に依存するが、転流期間中、交流負荷電流はほぼ一定値なので、主スイッチング素子のオンオフ状態に依存する電流源と見なせる。
【0015】
以下、上述の等価モデルを用いて、本発明の補助共振回路を利用した場合の主変換器の転流動作原理について詳述する。
主スイッチング素子の切り換え動作において、直流リンクで出入りする電流が直流リンクに流し込む状態から引き出し状態になる時の転流動作を代表して説明する。
【0016】
転流動作は、全部で10のモードからなる。各モードでの、各スイッチング素子に与えるスイッチング信号と直流リンク電圧Vr、共振用リアクトルLrに流れる電流Ir波形を図4に示す。また、モード1からモード10までの動作遷移を図5に示す。
以下、図5の動作遷移図に従って動作原理を説明する。
【0017】
モード1:
このモードは転流動作前の定常状態である。補助スイッチQ,Qはオフ、Qはオンであり、共振リアクトルには電流が流れず、すなわち、補助共振回路は休止状態である。負荷電流はQのダイオード部を通して直流電源に流れ込み、リンク電圧は直流電源とほぼ同じVdcである。
【0018】
モード2:
このモードは転流開始モードである。Qにオフ、Qにオン信号を与えることによって、転流動作が開始し、このモードに遷移する。この場合、共振リアクトルLrの初期電流がゼロであり、電流の変化もLrに抑制されるため、Qのオンはゼロ電流スイッチング(ZCS)である。また、Qにオフ信号を与えても、リンク電流が還流ダイオードを流れるので、ZCS、ZVSである。
がオンになったら、共振リアクトルに直流リンク電圧がかかり、Ir電流は直線的に増加する。同時に、Qのダイオード部に流れる電流はIr分だけ直線的に減少する。
【0019】
モード3:
このモードは直流リンク共振モードである。モード2において、共振リアクトル電流Irが増加し、負荷電流IS1と等しくなった時、Qは自然オフとなり、このモードに遷移する。この場合、直流リンクは直流電源から切り離されているので、共振リアクトルLrとコンデンサCrと共振作用を起こし、直流リンク電圧Vrが共振によりゼロまで落ちる。これと同時に、Lr電流は共振により最大値まで上昇する。
【0020】
モード4:
このモードは直流リンクのゼロ電圧クランプモードである。共振コンデンサCrの電圧が減少し、ゼロに達したら、このモードに遷移する。直流リンク電圧がさらに下がろうとするが、クランプダイオードDが導通し、リンク電圧はゼロにクランプされる。この場合、Lr両端電圧がゼロなので、Lr電流Irは最大値で一定値に維持し、クランプダイオードDは導通し続け、なにもしなければ、直流リンク電圧は永遠にゼロにクランプされ続ける。この期間中で、主変換器のスイッチング素子にスイッチング信号を与えれば、スイッチングがZVSであることは明らかである。
【0021】
モード5:
このモードはLr電流であるIrが減少するモードである。主変換器がスイッチングを行った後、Qにオフ信号を与えることにより、このモードに遷移する。Qのオフ動作はその寄生容量のためZVSである。Qがオフになったら、Qのトランジスタに流れる電流はQの還流ダイオードに移り、直流電源に流れ込む。Lr電流が完全にQに転流したら、Qにオン信号を与える。この場合、Qの還流ダイオードは既に導通しているので、Qのオン動作はZCS、ZVSである。
が導通したら、共振リアクトルLrの端子電圧は−Vdcとなるので、Lr電流Irが直線的に減少する。この電流がゼロに減少するまで、Qの還流ダイオードは導通し続ける。
【0022】
モード6:
このモードはLr電流であるIrが逆方向で増加するモードである。前モードにおいて、Irが減少し、ゼロに達したらこのモードに遷移する。この場合、Qの還流ダイオードがオフとなり、電流Irがさらに減少するが、極性を変え、Qのトランジスタ部を通して、反対方向で直線的に増加する。それと同時にクランプダイオードDに流れる電流は直線的に減少する。
【0023】
モード7:
このモードはLr、Cr共振モードである。前モードにおいて、Lr逆電流の増加で、クランプダイオードDの電流が減少し、ゼロに達したらこのモードに遷移する。この場合、クランプダイオードDがオフ状態となるので、増加し続けるLr逆電流は共振コンデンサCrに流れ始め、Lr、Cr共振状態になり、直流リンク電圧が直流電源電圧Vdcに達するまで共振により上昇する。
【0024】
モード8:
このモードは直流リンク電圧VrがVdcにクランプされるモードである。直流リンク電圧が共振により上昇し、直流電源電圧Vdcに達したら、Qの還流ダイオードでクランプされ、このモードに遷移する。この場合、Qの還流ダイオードの導通で、Lr両端電圧がゼロであり、Lr電流が維持するので、なにもしなければ、直流リンク電圧Vrは直流電源電圧Vdcでクランプされ続ける。この間、Qにオン信号を与えれば、Qの還流ダイオードの導通状態で、オン動作はZVS、ZCSである。
【0025】
モード9:
このモードはLr電流減少モードである。前モードの直流リンク電圧クランプ状態で、Qにオフ信号を与えることにより、このモードに遷移する。この場合、Qのオフ動作は寄生コンデンサでZVSとなる。Qがオフしたら、Qに流れる電流はQの還流ダイオードに移り、Lrはその電流方向と逆方向の直流電源電圧Vdcが印加されるので、Lr電流Irはゼロ方向に向かって直線的に減少する。それと同時に、Qの還流ダイオード部に流れる電流は直線的に減少する。
【0026】
モード10:
このモードはLr電流であるIrが減少するモードである。前のモードにおいて、Irが減少し、ゼロに達した時、このモードに遷移する。この場合、Qのダイオード部がオフ状態になり、トランジスタ部に電流が流れはじめ、直線的に増加する。この状態はLr電流がゼロとなり、Q電流が負荷電流と一致するまで続く。つまり、転流動作が完結し、次の定常状態に達するまで続く。
【0027】
以上は本発明の補助共振回路を利用した場合の転流動作原理であり、主変換器および補助回路のスイッチング動作は、すべてZVSまたはZCSになっていることが分かる。主変換器のスイッチング動作からの要求が来るたびに、上記の補助スイッチング操作を繰り返すことによって、スイッチングロスと電磁ノイズの発生を最大限に抑制することができる。
【0028】
ZVS回路の性能を評価する上で、スイッチング動作時、スイッチング素子の端子電圧がゼロであるかどうかは重要であることは当たり前であるが、これは、具体的に端子電圧がゼロに到達できるかどうか、また、ゼロに停留する期間が十分かどうかによって評価できる。
本発明の場合においては、このことは、直流リンク電圧の下降モードで主スイッチング素子の切り換え時にゼロになるか、または回復モードで補助スイッチング素子Q0のオン動作時、直流電源電圧Vdcに到達できるかどうか、またどれだけ停留できるかに当たる。
転流動作遷移について前述したように、直流リンクの下降モードでは、動作モード3、4で補助スイッチング素子Q1にオン信号を与え続けば、リンク電圧が確実にゼロに到達でき、また半永久的にゼロに維持することができる。
また、直流リンク電圧の回復モードでは、動作モード7、8で補助スイッチング素子Q2にオン信号を与え続けば、同様な結果が得られる。
すなわち、本発明の共振形変換装置では、ゼロ電圧モードは安定モードであり、ZVS動作は確実に、しかも余裕をもって行えることは明らかである。
【0029】
以下は、転流動作期間中におけるスイッチング信号の出力タイミングの決定について詳述する。
前述の転流原理で説明したように、本発明ではZVSのためのゼロ電圧保持期間が自由に調整できるため、補助回路のスイッチング素子のスイッチング信号の出力にゆとりを与え、出力タイミングの決定が容易である。
主スイッチング素子(Q)の切り換えタイミングは、システム制御プロセスから決められるものとして、これを基準点にして、以後の各補助素子のスイッチングタイミングを決める必要がある。
【0030】
図4の動作波形図から、Qのオフ(直流リンク電圧回復モード開始)タイミングは主スイッチング素子Qの切り換えタイミングの以後ならよく、QのオンはQが確実にオフした後の適当なタイミングでよく、また、QのオフがQのオンの以後ならよいことは明らかである。
従って、Q切り換えタイミング前のQオンQオフ(転流開始)タイミング(t)と直流リンク電圧回復モード開始タイミングからのQオンタイミング(t)を決定すればよい。
【0031】
モード4とモード8の期間(ゼロ電圧クランプ期間)の任意性から、
>モード2+モード3 の時間
>モード5+モード6+モード7 の時間
を満たせばよいことが分かる。
切り換えスイッチング前の負荷電流をIs1、スイッチング後の負荷電流を
s2とすると、上記各モードの時間は次のように求められる。
【0032】

Figure 0003877042
よって、t、tは次のような条件を満たせばよい。
Figure 0003877042
【0033】
ここで、Is1、Is2、Vdcは主変換器についているセンサ信号から求められるので、補助スイッチング回路の動作タイミングを決められることが分かる。
また、t、tタイミングを上記右辺計算値より大きめにとれば、ZVS動作の確実性を一段と上げることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の補助共振回路を利用すれば、少ない部品点数、かつ、ローコストで信頼性の高いソフトスイッチング変換装置を構成することができる。
また、補助スイッチングタイミングの決定についても、共振回路動作用の追加センサを必要とせず、マージンも大きくとれ、さらに、共振形変換器本来の低スイッチング損失、低電磁ノイズ特性と合わせて、環境に優しい電力変換システムを実現でき、実用上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の補助共振回路を用いた共振形電力変換器の主回路構成を示す図である。
【図2】従来技術を説明するための三相電力変換器の主回路図例である。
【図3】本発明の原理を説明するための主回路等価モデルである。
【図4】本発明の共振回路の転流時における信号波形と動作波形である。
【図5】本発明の共振変換器における転流時の動作遷移図である。
【符号の説明】
1 多相交流電源
2 多相コンバータ装置
3 本発明の補助共振回路
4、5,6、12 半導体スイッチング素子
7 共振用リアクトル
8 電圧平滑用直流コンデンサ
9 多相インバータ装置
10 多相交流負荷
11 直流電圧源
13 主変換器の等価モデル
14 共振用等価コンデンサ
15 等価クランプダイオード
16 等価電流源
、Q、Q 本発明の補助共振回路のスイッチング素子
Qs 主変換器の主スイッチング素子
D 等価クランプダイオード
dc 直流電圧源の電圧値
s1,Is2 主変換器のスイッチング前と後の等価負荷電流
共振用リアクトルのリアクタンス値
共振用等価コンデンサの容量値
直流リンク電圧値
共振用リアクトル電流
転流開始時間
直流リンク電圧回復開始からQオンまでの時間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor power converter, and more particularly to a circuit system of a resonant power converter that performs a switching operation at zero voltage by utilizing a resonance phenomenon.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows a main circuit diagram of a conventional three-phase power converter most commonly used in the industry.
In FIG. 2, 11 is a DC power source, 8 is a DC capacitor for smoothing DC voltage, 10 is a three-phase AC load such as an AC motor, 9 is a main conversion bridge that plays the role of power conversion, and 12 is a conversion This is a semiconductor switching element constituting a bridge.
[0003]
As shown in the figure, the semiconductor switching element is generally composed of a semiconductor switch part (transistor part) that is turned on and off by a gate signal, and a free-wheeling diode part connected in reverse parallel to the semiconductor switch part.
In an actual semiconductor switch, a parasitic capacitance such as a storage capacitor always exists, and these are also shown in the drawing. In general, the parasitic capacitance may be regarded as a demerit of the switch. However, when configuring a resonant converter, the parasitic capacitance can be used as a part of the LC resonance circuit.
[0004]
The power conversion is performed by an on / off switching operation of the semiconductor switch element, and the conventional on / off switching operation is performed by a so-called hard switching method.
In the case of hard switching, during the switching operation period (commutation period), the terminal voltage applied to the switching element and the current flowing through the element overlap (both voltage and current are not zero), and the product of this voltage and current is the switching Switching loss is consumed by the element.
This switching loss is proportional to the switching frequency, and as the switching frequency is set higher, an excessive switching loss is generated and the efficiency of the conversion device is lowered.
Furthermore, during the switching operation, when the current passes through the diode part of the switching element in the direction of the phase current, if an ON signal is output to the switch element on the opposite side of the same pole, a short circuit is caused to the pole momentarily due to the parasitic capacitance. Since this phenomenon occurs, electromagnetic noise is generated due to an excessive current surge caused by a short circuit, which adversely affects the electromagnetic environment.
[0005]
In recent years, with the aim of creating a converter with high efficiency and excellent electromagnetic environment, research on a soft switching method using a resonance phenomenon has been conducted. The principle is that an auxiliary resonant circuit is provided in the main converter circuit. The switching operation of the converter is performed after the terminal voltage or current of the switching element is smoothly reduced to zero by the auxiliary resonance circuit.
In this case, either or both of the voltage and current are zero during the switching commutation period of the main converter, so that no switching loss occurs and the commutation is performed smoothly. Can be significantly reduced.
Hereinafter, for convenience of description, switching at zero voltage is abbreviated as ZVS, and switching at zero current is abbreviated as ZCS.
[0006]
Various circuit systems have been proposed for the auxiliary resonant circuit of the resonant converter, but can be roughly classified into two types. One is an auxiliary resonance pole type in which a resonance circuit for auxiliary switching is added to each pole, and the other is a direct current that collectively processes by one set of resonance circuits for all the poles of the main converter. Link resonance type.
Each of these circuit systems has advantages and disadvantages in terms of the number and life of the components to be used, the ease and certainty of the switching sequence, and the necessity of adding a sensor for operating the resonant circuit.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a circuit system that can realize soft switching operation with a small number of parts and without requiring an additional sensor in a DC link resonance type conversion system. It is.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In a DC link of a semiconductor power conversion device that converts power from single or multiple multiphase AC to DC, or from DC to single or multiple multiphase AC,
A first semiconductor switching element that electrically cuts off a DC link and a DC power supply or a DC capacitor having an equivalent function thereto, and a second semiconductor switch connected in series with each other and connected in parallel with the DC power supply or the DC capacitor And a third semiconductor switching element, and a resonance reactor inserted between the interconnection point of both the semiconductor switching elements and the DC link connection point of the first semiconductor switching element.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of a main circuit configuration when the auxiliary resonant circuit according to the present invention is applied to a converter / inverter power conversion system.
In the figure, 1 is a polyphase AC power source, 2 is a converter for converting AC power to DC, 3 is an auxiliary resonance circuit in the present invention, 8 is a DC capacitor for smoothing the DC link voltage, and 9 is DC power. The multiphase inverter device 10 for converting to phase AC is a multiphase AC load such as an AC motor.
In the auxiliary resonance circuit 3 of the present invention, 4 is a semiconductor switching element Q 0 for separating the DC link from the DC capacitor, 5 and 6 are semiconductor switching elements Q 1 , Q 2 and 7 for controlling the auxiliary resonance circuit. Reactor Lr.
In this embodiment, one converter and inverter are connected to the common DC link, but a plurality of converters and inverters can be connected.
[0010]
The auxiliary resonant circuit of the present invention only has two types of components, ie, a semiconductor switching element and a resonance reactor, and has a semi-permanent lifetime, so that it has excellent reliability.
Further, since the number of parts is small and can be used in common with a plurality of main converters, an increase in cost due to the addition of an auxiliary circuit can be minimized.
Furthermore, the snubber circuit can be omitted or used in common with the main converter in combination with the ZVS operation described later, so that the cost of the converter can be kept low.
[0011]
The operation of the auxiliary resonance circuit of the present invention is to start the resonance operation immediately before the switching element of the main conversion circuit performs the commutation operation, and once drop the DC link voltage to zero, then the main conversion circuit in the zero voltage state. The switching operation is performed (ZVS).
As a result, the switching loss generated during the switching operation is reduced to zero, thereby greatly improving the conversion efficiency of the system and greatly suppressing the generation of electromagnetic noise.
[0012]
In order to facilitate understanding of the operating principle of the auxiliary resonant circuit, first, the main circuit is modeled and described in detail using its equivalent circuit.
An equivalent circuit of the modeled main circuit is shown in FIG. In the figure, reference numeral 13 denotes a portion corresponding to 2 and 9 in FIG. 1, which is an equivalent circuit of the main converter. 8 'is a smoothing DC capacitor as in 8 of FIG. 1, and its voltage value Vdc is almost constant during the commutation operation, and can be regarded as a DC voltage source. 3 'is an auxiliary resonant circuit of the present invention.
[0013]
In 13 main converter equivalent circuits, 14 is an equivalent resonant capacitor Cr , and the capacitance value is the sum of the additional snubber capacitor capacity and the parasitic capacitor capacity of the main converter switching element.
In each pole of the main converter, one of the upper and lower switching elements is short-circuited due to current conduction, so that the equivalent capacitance of this pole is equal to the parasitic capacitance (Cs) of one switching element. If the number of poles constituting the main converter is n, the equivalent capacitance value of the total parasitic capacitance can be estimated as n × Cs. It is clear that the equivalent resonant capacitor voltage Vr is equal to the DC link voltage.
[0014]
Reference numeral 15 is a representative of a diode connected in reverse parallel to the switching element of the main converter, and in resonance operation. It also serves as a clamp diode D.
16 is a load current flowing from the main converter to the DC link, but the value I S is dependent on the on-off state of each switching element of the polyphase load current value and the primary transducer, during commutation period, alternating load current Since it is a substantially constant value, it can be regarded as a current source depending on the on / off state of the main switching element.
[0015]
Hereinafter, the principle of commutation operation of the main converter when the auxiliary resonance circuit of the present invention is used will be described in detail using the above-described equivalent model.
In the switching operation of the main switching element, the commutation operation when the current flowing in / out of the DC link changes from the state flowing into the DC link to the drawing state will be described as a representative.
[0016]
The commutation operation consists of 10 modes in total. FIG. 4 shows a switching signal given to each switching element, a DC link voltage Vr, and a current Ir waveform flowing through the resonance reactor Lr in each mode. FIG. 5 shows the operation transition from mode 1 to mode 10.
The operation principle will be described below with reference to the operation transition diagram of FIG.
[0017]
Mode 1:
This mode is a steady state before commutation operation. The auxiliary switches Q 1 and Q 2 are off and Q 0 is on, and no current flows through the resonance reactor, that is, the auxiliary resonance circuit is in a resting state. The load current flows into the DC power source through the diode part of Q 0 , and the link voltage is approximately the same Vdc as the DC power source.
[0018]
Mode 2:
This mode is a commutation start mode. By applying an off signal to Q 0 and an on signal to Q 1 , a commutation operation starts and a transition is made to this mode. In this case, the initial current is zero in the resonant reactor Lr, the change in the current is also suppressed to Lr, the on Q 1 represents a zero-current switching (ZCS). Further, even give off signal to the Q 0, because the link current flows through the reflux diode, ZCS, a ZVS.
When Q 1 is turned on, the DC link voltage is applied to the resonant reactor, Ir current increases linearly. At the same time, the current flowing through the diode portion of the Q 0 decreases linearly by Ir min.
[0019]
Mode 3:
This mode is a DC link resonance mode. In mode 2, when the resonant reactor current Ir increases and becomes equal to the load current I S1 , Q 0 is naturally turned off and transitions to this mode. In this case, since the DC link is disconnected from the DC power source, a resonance action occurs between the resonance reactor Lr and the capacitor Cr, and the DC link voltage Vr drops to zero due to resonance. At the same time, the Lr current rises to the maximum value due to resonance.
[0020]
Mode 4:
This mode is a DC voltage zero voltage clamp mode. When the voltage of the resonance capacitor Cr decreases and reaches zero, the mode is changed to this mode. Although the DC link voltage tends to drop further, the clamp diode D becomes conductive and the link voltage is clamped to zero. In this case, since the voltage across Lr is zero, the Lr current Ir is maintained at a constant value at the maximum value, the clamp diode D continues to conduct, and if not, the DC link voltage continues to be clamped to zero forever. If a switching signal is given to the switching element of the main converter during this period, it is clear that the switching is ZVS.
[0021]
Mode 5:
This mode is a mode in which Ir, which is an Lr current, decreases. After primary transducer has performed switching, by providing an OFF signal to Q 1, a transition to this mode. Off operation of the Q 1 is a ZVS because of its parasitic capacitance. When Q 1 is turned off, the current flowing through the transistor Q 1 is moved to the return diode of Q 2, it flows into the DC power supply. When the Lr current is completely commutated to Q 2, it gives an ON signal to the Q 2. In this case, since the freewheeling diode of Q 2 is already conducting, the ON operation Q 2 is ZCS, a ZVS.
When Q 2 is turned on, the terminal voltage in the resonant reactor Lr so the -Vdc, Lr current Ir decreases linearly. Until the current is reduced to zero, freewheeling diode of Q 2 is continuously conductive.
[0022]
Mode 6:
This mode is a mode in which Ir, which is an Lr current, increases in the reverse direction. In the previous mode, when Ir decreases and reaches zero, a transition is made to this mode. In this case, the return diode is off Q 2, although current Ir decreases further, changes polarity, through the transistor of Q 2, increases linearly in the opposite direction. At the same time, the current flowing through the clamp diode D decreases linearly.
[0023]
Mode 7:
This mode is an Lr, Cr resonance mode. In the previous mode, when the Lr reverse current increases, the current of the clamp diode D decreases, and transitions to this mode when it reaches zero. In this case, since the clamp diode D is turned off, the continuously increasing Lr reverse current starts to flow through the resonance capacitor Cr, enters the Lr, Cr resonance state, and rises due to resonance until the DC link voltage reaches the DC power supply voltage Vdc. .
[0024]
Mode 8:
In this mode, the DC link voltage Vr is clamped to Vdc. When the DC link voltage rises due to resonance and reaches the DC power supply voltage Vdc, it is clamped by the freewheeling diode of Q 0 and transitions to this mode. In this case, since the voltage across the Lr is zero and the Lr current is maintained by the conduction of the freewheeling diode of Q 0 , the DC link voltage Vr continues to be clamped by the DC power supply voltage Vdc if nothing is done. During this time, if you give the on signal to the Q 0, in the conducting state of the freewheeling diode of Q 0, the ON operation ZVS, a ZCS.
[0025]
Mode 9:
This mode is an Lr current reduction mode. In the DC link voltage clamped state before mode, by providing an OFF signal to Q 2, a transition to this mode. In this case, the off operation of the Q 2 is the ZVS in the parasitic capacitor. When Q 2 is turned off, the current flowing through the Q 2 is moved to the return diode of Q 1, since Lr is the DC supply voltage Vdc of the current direction and the opposite direction is applied linearly in Lr current Ir towards zero direction To decrease. At the same time, the current flowing through the freewheeling diode of Q 0 decreases linearly.
[0026]
Mode 10:
This mode is a mode in which Ir, which is an Lr current, decreases. In the previous mode, when Ir decreases and reaches zero, it transitions to this mode. In this case, the diode portion of the Q 0 is turned off, current starts to flow in the transistor section increases linearly. This condition Lr current becomes zero, until Q 0 current matches the load current. That is, the commutation operation is completed and continues until the next steady state is reached.
[0027]
The above is the principle of commutation operation when the auxiliary resonant circuit of the present invention is used, and it can be seen that the switching operations of the main converter and the auxiliary circuit are all ZVS or ZCS. By repeating the above auxiliary switching operation every time a request from the switching operation of the main converter comes, the occurrence of switching loss and electromagnetic noise can be suppressed to the maximum.
[0028]
In evaluating the performance of the ZVS circuit, it is natural that whether the terminal voltage of the switching element is zero or not is important during the switching operation, but this is specifically whether the terminal voltage can reach zero. It can be evaluated by whether or not the period of staying at zero is sufficient.
In the case of the present invention, this is zero when the main switching element is switched in the DC link voltage decreasing mode, or can the DC power supply voltage Vdc be reached when the auxiliary switching element Q0 is turned on in the recovery mode? How much and how much can stop.
As described above with respect to the commutation operation transition, in the DC link descending mode, if the ON signal is continuously supplied to the auxiliary switching element Q1 in the operation modes 3 and 4, the link voltage can surely reach zero, and semipermanently zero. Can be maintained.
In the DC link voltage recovery mode, the same result can be obtained if the ON signal is continuously supplied to the auxiliary switching element Q2 in the operation modes 7 and 8.
That is, in the resonance type conversion device of the present invention, it is clear that the zero voltage mode is a stable mode, and the ZVS operation can be performed reliably and with sufficient margin.
[0029]
Hereinafter, the determination of the output timing of the switching signal during the commutation operation will be described in detail.
As explained in the above-mentioned commutation principle, in the present invention, the zero voltage holding period for ZVS can be freely adjusted. Therefore, the output of the switching signal of the switching element of the auxiliary circuit is given a margin and the output timing can be easily determined. It is.
Since the switching timing of the main switching element (Q s ) is determined from the system control process, it is necessary to determine the subsequent switching timing of each auxiliary element using this as a reference point.
[0030]
From the operation waveform diagram of FIG. 4, the timing for turning off Q 1 (starting the DC link voltage recovery mode) may be after the switching timing of the main switching element Q s , and turning on Q 2 is appropriate after Q 1 is reliably turned off. timing well, also, it is clear that the off Q 2 'is good if subsequent oN Q 0.
Therefore, the Q 1 on Q 0 off (commutation start) timing (t 1 ) and the Q 0 on timing (t 2 ) from the DC link voltage recovery mode start timing before the Q s switching timing may be determined.
[0031]
From the arbitrary nature of the period of mode 4 and mode 8 (zero voltage clamp period),
t 1> Mode 2 + mode 3 time t 2> mode 5+ mode may it can be seen that satisfies the 6+ mode 7 times.
When the load current before Q s switching is I s1 and the load current after switching is I s2 , the time of each mode is obtained as follows.
[0032]
Figure 0003877042
Therefore, t 1 and t 2 may satisfy the following conditions.
Figure 0003877042
[0033]
Here, since I s1 , I s2 , and V dc are obtained from the sensor signal attached to the main converter, it can be seen that the operation timing of the auxiliary switching circuit can be determined.
Further, if the timings t 1 and t 2 are set to be larger than the calculated value on the right side, the reliability of the ZVS operation can be further improved.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, by using the auxiliary resonant circuit of the present invention, it is possible to configure a soft switching converter with a small number of parts, low cost, and high reliability.
In addition, the auxiliary switching timing is determined without the need for an additional sensor for operating the resonant circuit, allowing for a large margin. In addition to the low switching loss and low electromagnetic noise characteristics inherent in the resonant converter, it is environmentally friendly. A power conversion system can be realized and is extremely useful in practice.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main circuit configuration of a resonance type power converter using an auxiliary resonance circuit of the present invention.
FIG. 2 is an example of a main circuit diagram of a three-phase power converter for explaining the prior art.
FIG. 3 is a main circuit equivalent model for explaining the principle of the present invention;
FIG. 4 shows signal waveforms and operation waveforms during commutation of the resonance circuit of the present invention.
FIG. 5 is an operation transition diagram at the time of commutation in the resonance converter of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multiphase alternating current power supply 2 Multiphase converter apparatus 3 Auxiliary resonance circuit 4,5,6,12 of this invention Semiconductor switching element 7 Resonant reactor 8 Voltage smoothing DC capacitor 9 Multiphase inverter apparatus 10 Multiphase alternating current load 11 DC voltage Source 13 Equivalent model of main converter 14 Equivalent capacitor for resonance 15 Equivalent clamp diode 16 Equivalent current source Q 0 , Q 1 , Q 2 Switching element Qs of auxiliary resonance circuit of the present invention Main switching element D of main converter Equivalent clamp diode V dc DC voltage source voltage value I s1 , I s2 Equivalent load current before and after switching of main converter L r Reactance value of resonance reactor C r Resonance equivalent capacitor capacitance value V r DC link voltage value I r Resonant reactor current t 1 Commutation start time t 2 DC link voltage recovery start to Q 0 on time

Claims (1)

単独または複数の多相交流から直流へ、または、直流から単独または複数の多相交流へ電力変換する半導体電力変換装置の直流リンクにおいて、
直流リンクと、直流電源またはこれと等価機能を有する直流コンデンサとを電気的に遮断する第1の半導体スイッチング素子と、互いに直列接続され、かつ前記直流電源または直流コンデンサと並列に接続される第2、第3の半導体スイッチング素子と、この両半導体スイッチング素子の相互接続点および前記第1の半導体スイッチング素子の直流リンク接続点との間に挿入される共振用リアクトルとで構成したことを特徴とする補助共振回路。
In a DC link of a semiconductor power conversion device that converts power from single or multiple multiphase AC to DC, or from DC to single or multiple multiphase AC,
A first semiconductor switching element that electrically cuts off a DC link and a DC power supply or a DC capacitor having an equivalent function thereto, and a second semiconductor switch connected in series with each other and connected in parallel with the DC power supply or the DC capacitor And a third semiconductor switching element, and a resonance reactor inserted between the interconnection point of the two semiconductor switching elements and the DC link connection point of the first semiconductor switching element. Auxiliary resonant circuit.
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