JP4300897B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流から直流又は直流から交流に電力を変換する電力変換装置に関し、特にその主回路部におけるソフトスイッチング技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、交流電力を直流電力に変換するコンバータや直流電力を交流電力に変換するインバータを有する電力変換装置が知られている。図8は従来の電力変換装置で採用されている、直流電力を3相の交流電力に変換する主回路部の構成を示す回路図である。主回路部は、直流電源Ei、電力変換部100、リアクトルL2〜L4から構成されている。
【0003】
電力変換部100は、3相ブリッジ接続された絶縁ゲート型のFETからなるスイッチQ1〜Q6と、これらに並列に接続された帰還用のダイオードDq1〜Dq6とから構成されている。
【0004】
電力変換部100において、スイッチQ1とスイッチQ2とからなる第1直列回路と、スイッチQ3とスイッチQ4とからなる第2直列回路と、スイッチQ5とスイッチQ6とからなる第3直列回路との各々の一端は、直流電源Eiの正極端に接続され、他端は直流電源Eiの負極端に接続されている。
【0005】
また、スイッチQ1とスイッチQ2との接続点は、リアクトルL2を介して第1出力端子O1に接続され、スイッチQ3とスイッチQ4との接続点は、リアクトルL3を介して第2出力端子O2に接続され、スイッチQ5とスイッチQ6との接続点は、リアクトルL4を介して第3出力端子O3に接続されている。
【0006】
電力変換装置は、図示しない制御回路からの制御信号により、電力変換部100を構成するスイッチQ1〜Q6を所定のタイミングでオン/オフさせることにより、出力端子(O1,O2,O3)から負荷に3相の交流電力を供給する。
【0007】
このように構成された従来の電力変換装置は、直流電源Eiから電力変換部100に電圧が印加された状態で、電力変換部100内のスイッチQ1〜Q6がオン/ オフされる、所謂ハードスイッチングが行われる。その結果、スイッチング損失が生じ、電力変換効率を向上させることができなかった。また、ハードスイッチングでは、電流及び電圧変化に伴う高調波やEMIノイズも発生する。
【0008】
そこで、近年、電圧又は電流が零になった状態でスイッチQ1〜Q6をオン/オフさせるソフトスイッチング技術を採用した電力変換装置が開発されている(例えば特許文献1参照)。
【0009】
この電力変換装置では、電力変換部からなるコンバータがリアクトルを介して交流電源に接続されると共に、コンバータの出力直流ライン間にコンデンサが接続されている。ソフトスイッチング制御回路の制御により、コンデンサを短絡する期間を設け、コンデンサの電圧がほぼ零になった時にコンバータのスイッチをターンオン制御する。これにより、コンバータ及びインバータ内のスイッチのオン/オフに伴うスイッチング損失を低減することができる。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−116137号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、インバータやコンバータを用いた電力変換装置が多岐にわたる分野で使用されていることから、更なるスイッチング損失の改善及びスイッチングノイズの低減が望まれている。
【0012】
本発明は、主回路部を構成するブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、直流電源と、複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流に変換して出力する電力変換部と、前記電力変換部の第1入力端子と前記直流電源の一端との間に接続された第1巻線と該第1巻線に直列に接続された第2巻線とを有するトランスと、前記電力変換部の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部の前記第1入力端子と前記直流電源の他端に接続された前記電力変換部の第2入力端子との間に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、前記ソフトスイッチング制御回路は、前記第2巻線と、前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続され、第1スイッチとコンデンサとからなる直列回路と、前記第1入力端子に一端が接続された前記第2巻線の他端に、カソードが接続された第1ダイオードと、一端が前記第1ダイオードのアノードに接続され且つ他端が前記第1スイッチと前記コンデンサとの接続点に接続された第2スイッチと、前記第1入力端子に一端が接続された前記第2巻線の他端に、アノードが接続された第2ダイオードと、一端が前記第2ダイオードのカソードに接続され且つ他端が前記第2入力端子に接続された第3スイッチとを有し、前記第2スイッチをオフさせると共に前記第3スイッチをオンさせた後、前記第1スイッチをオフさせることにより、前記電力変換部の前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする。
【0014】
請求項1の発明によれば、第2スイッチをオフさせると共に第3スイッチをオンさせた後、第1スイッチをオフさせることにより、電力変換部の第1入力端子と第2入力端子との間に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御し、この状態で電力変換部内の複数のスイッチがターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部において零電圧スイッチング動作が行われるので、ブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる。
【0020】
請求項2の発明は、請求項1記載の発明において、前記電力変換部の前記複数のスイッチは、ノーマリーオンタイプのスイッチからなり、前記直流電源をオンする時には前記電力変換部部の前記複数のスイッチをオフさせ、その後、前記電力変換部の前記複数のスイッチをオン/オフさせて電力変換動作を開始させる制御回路を有することを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【0022】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ei、トランスT、電力変換部10、リアクトルL2〜L4、及びソフトスイッチング制御回路20から構成されている。
【0023】
トランスTは、本発明のリアクトルに対応する。トランスTは、第1巻線5a(巻数n1)と第2巻線5b(巻数n2)とがコアに巻回され、且つ、第1巻線5aに第2巻線5bが直列に接続されている。
【0024】
直流電源Eiの正極端は、トランスTの第1巻線5aの一端に接続され、直流電源Eiの負極端は接地されている。トランスTの第1巻線5aの他端は電力変換部10の第1入力端子J1及びトランスTの第2巻線5bの一端に接続されている。
【0025】
この例では、電力変換部10は、直流を交流に変換するインバータである。電力変換部10は、3相ブリッジ接続された絶縁ゲート型のFETからなるスイッチQ1〜Q6と、これらスイッチQ1〜Q6にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードDq1〜Dq6と、スイッチQ1〜Q6にそれぞれ並列に接続されたコンデンサCq1〜Cq6とから構成されている。
【0026】
スイッチQ1とダイオードDq1とコンデンサCq1とからなる並列回路とスイッチQ2とダイオードDq2とコンデンサCq2とからなる並列回路とは直列に接続されて第1直列回路を構成する。スイッチQ3とダイオードDq3とコンデンサCq3とからなる並列回路とスイッチQ4とダイオードDq4とコンデンサCq4とからなる並列回路とは直列に接続されて第2直列回路を構成する。スイッチQ5とダイオードDq5とコンデンサCq5とからなる並列回路とスイッチQ6とダイオードDq6とコンデンサCq6とからなる並列回路とは直列に接続されて第3直列回路を構成する。第1乃至第3直列回路の各々の一端は、第1入力端子J1に接続され、第1乃至第3直列回路の各々の他端は第2入力端子J2に接続(接地)されている。
【0027】
また、スイッチQ1とスイッチQ2との接続点は、リアクトルL2を介して第1出力端子O1に接続され、スイッチQ3とスイッチQ4との接続点は、リアクトルL3を介して第2出力端子O2に接続され、スイッチQ5とスイッチQ6との接続点は、リアクトルL4を介して第3出力端子O3に接続されている。第1乃至第3出力端子O1〜O3には、例えば負荷(図示しない)が接続される。また、電力変換部10の第1入力端子J1と第2入力端子J2(接地)との間に印加される電圧を電源電圧Vccとする。
【0028】
制御回路11は、ゲート電圧Q1g〜Q6gを電力変換部10に有するスイッチQ1〜Q6に出力してスイッチQ1〜Q6をオン/オフ制御する。
【0029】
電力変換部10の電力変換動作の1周期は、期間TM1〜期間TM6からなり、期間TM1では、スイッチQ1,Q4,Q5がオンし、スイッチQ2,Q3,Q6がオフする。期間TM2では、スイッチQ1,Q4,Q6がオンし、スイッチQ2,Q3,Q5がオフする。期間TM3では、スイッチQ1,Q3,Q6がオンし、スイッチQ2,Q4,Q5がオフする。期間TM4では、スイッチQ2,Q3,Q6がオンし、スイッチQ1,Q4,Q5がオフする。期間TM5では、スイッチQ2,Q3,Q5がオンし、スイッチQ1,Q4,Q6がオフする。期間TM6では、スイッチQ2,Q4,Q5がオンし、スイッチQ1,Q3,Q6がオフする。
【0030】
ソフトスイッチング制御回路20は、スイッチQ1〜Q6をターンオン及びターンオフする直前に、電力変換部10に対し、零電圧又は零電圧近傍の電源電圧Vccを供給する制御を行う。ソフトスイッチング制御回路20は、ソフトスイッチング制御部21と、スイッチ制御回路23とからなる。ソフトスイッチング制御部21は、絶縁ゲート型のFETからなるスイッチQ7〜Q9と、これらスイッチQ7〜Q9にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードDq7〜Dq9と、ダイオードD3,D4と、コンデンサC2とを有している。
【0031】
スイッチQ7の一端は、トランスTの第2巻線5bの一端に接続され、スイッチQ7の他端は、コンデンサC2の一端に接続され、コンデンサC2の他端は接地されている。
【0032】
スイッチQ8の一端は、ダイオードD3のアノードに接続され、ダイオードD3のカソードはトランスTの第2巻線5bの他端に接続されている。また、スイッチQ8の他端はコンデンサC2の一端に接続されている。
【0033】
スイッチQ9の一端は接地され、他端はダイオードD4のカソードに接続されている。ダイオードD4のアノードはトランスTの第2巻線5bの他端に接続されている。スイッチQ8は、電力変換部10の電圧を上げるためのスイッチであり、スイッチQ9は、電力変換部10の電圧を下げるためのスイッチである。
【0034】
スイッチ制御回路23は、ゲート電圧Q7g〜Q9gをソフトスイッチング制御部21に有するスイッチQ7〜Q9に出力してスイッチQ7〜Q9をオン/オフ制御する。
【0035】
次に、このように構成された第1の実施の形態に係る電力変換装置の動作を、図2及び図3に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図3は図2の期間T1〜T6を拡大して示したものである。
【0036】
ここでは、電力変換部10の電力変換動作の期間TM1〜期間TM6の内の例えば1つの期間TM1の動作を説明するものとし、この期間TM1は、期間T1〜T14を1周期とする。図2では、1周期における各部の信号の変化を示す。図2及び図3において、Q1g〜Q9gは、スイッチQ1〜Q9のゲートに印加されるゲート電圧を示す。また、Vq2、Vq4、Vq6、Vq7、Vq8及びVq9は、スイッチQ2、スイッチQ4、スイッチQ6、スイッチQ7、スイッチQ8及びスイッチQ9のドレイン−ソース間電圧をそれぞれ示す。また、Vccは電力変換部10の第1入力端子J1と第2入力端子J2(接地)との間に供給される電源電圧を示し、In2はトランスTの第2巻線5bに流れる電流を示す。
【0037】
まず、期間T1において、図2に示すように、スイッチQ7がオンであり、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがHレベルになり、スイッチQ8のゲート電圧Q8gがLレベルになる。その結果、スイッチQ9がオンし、ドレイン−ソース間電圧Vq9は零になる。同時に、スイッチQ8がオフし、ドレイン−ソース間電圧Vq8は上昇する。これにより、コンデンサC2からスイッチQ7、トランスTの第2巻線5b、ダイオードD4及びスイッチQ9を介してグランドに電流が流れて、電流は徐々に増加する。このため、トランスTの第2巻線5bに流れる電流In2は、零から徐々に増加する。
【0038】
次に、期間T2において、図2に示すように、スイッチQ7のゲート電圧Q7gがLレベルになり、スイッチQ7がオフする。このため、スイッチQ7のドレイン−ソース間電圧Vq7が上昇し始める。また、トランスTの第1巻線5aで電圧が発生し始め、電力変換部10に供給されている電源電圧Vccが下がり始める。
【0039】
電源電圧Vccが下降して零になると、期間T3になる。期間T3から期間T5までの間は、電源電圧Vccが零になっている期間であり、この期間内で、スイッチQ1〜Q6のうちの必要なスイッチがオンされる。図2及び図3に示した例では、ゲート電圧Q1g,Q4g,Q5gが期間T4でHレベルになり、スイッチQ1、スイッチQ4及びスイッチQ5がターンオンされる。これらスイッチQ1、スイッチQ4及びスイッチQ5は、電源電圧Vccが印加されていない状態(零電圧状態)でオンされるので、零電圧スイッチング(ZVS)動作が行われることになる。
【0040】
また、期間T3では、トランスTの第2巻線5bに流れる電流In2は、減衰する。そして、電流In2が零になると、期間T4になり、所定時間だけ継続される。
【0041】
次に、期間T4において、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがLレベルになると共に、スイッチQ8のゲート電圧Q8gがHレベルになり、期間T5に移る。期間T5では、スイッチQ9がオフし、ドレイン−ソース間電圧Vq9が上昇すると共に、スイッチQ8がオンし、ドレイン−ソース間電圧Vq8が零になる。
【0042】
そして、トランスTの第2巻線5bに流れる電流In2がある程度大きくなった時、即ち、期間T5の最後で、スイッチQ1〜スイッチQ6のうちの必要なスイッチがオフされる。図2及び図3に示した例では、ゲート電圧Q2g,Q3g,Q6gが期間T5でLレベルになり、スイッチQ2、スイッチQ3及びスイッチQ6がターンオフされる。これらスイッチQ2、スイッチQ3及びスイッチQ6は、電源電圧Vccが印加されていない状態(零電圧状態)でオフされるので、零電圧スイッチング(ZVS)動作が行われることになる。その後、期間T6に移行する。
【0043】
期間T6では、電力変換部10に供給される電源電圧Vccが徐々に上昇する。そして、スイッチQ7のドレイン−ソース間電圧Vq7が零になると、期間T7に移行する。
【0044】
期間T7では、スイッチQ7のゲート電圧Q7gがHレベルになり、スイッチQ7がオンする。期間T7では、トランスTの第2巻線5bに流れる電流In2が徐々に減少し、その電流In2が零になると、期間T8に移行する。
【0045】
期間T7以降の期間で、スイッチQ1〜Q6のうちの必要なスイッチがオフされる。このスイッチがオフされるときには、スイッチには順方向に電流が流れているので、スイッチに並列に接続されているソフトスイッチング用のコンデンサCq1〜Cq6によりソフトスイッチングが行われる。
【0046】
図2に示した例では、期間T8の最後で、スイッチQ1のゲート電圧Q1gがLレベルになり、スイッチQ1がオフすると、期間T9に移る。期間T9では、スイッチQ1のドレイン−ソース間電圧Vq1(図示しない)がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ2のドレイン−ソース間電圧Vq2は、図2に示すように、緩やかに下降する。スイッチQ2のドレイン−ソース間電圧Vq2が下降して零になると、期間T10に移行する。
【0047】
期間T10では、スイッチQ2のゲート電圧Q2gがHレベルになり、スイッチQ2がオンする。期間T10の最後で、スイッチQ5のゲート電圧Q5gがLレベルになり、スイッチQ5がオフして期間T11に移行する。
【0048】
期間T11では、スイッチQ5のドレイン−ソース間電圧Vq5(図示しない)がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ6のドレイン−ソース間電圧Vq6が、緩やかに下降する。スイッチQ6のドレイン−ソース間電圧Vq6が下降して零になると、期間T12に移行する。
【0049】
期間12では、スイッチQ6のゲート電圧Q6gがHレベルになり、スイッチQ6がオンする。期間12の最後で、スイッチQ4のゲート電圧Q4gがLレベルになり、スイッチQ4がオフすると、期間T13に移る。
【0050】
期間13では、スイッチQ4のドレイン−ソース間電圧Vq4がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ3のドレイン−ソース間電圧Vq3が緩やかに下降する(図示しない)。スイッチQ3のドレイン−ソース間電圧Vq3が下降して零になると、期間14に移行する。
【0051】
期間14では、スイッチQ3のゲート電圧Q3gがHレベルになり、スイッチQ3がオンする。その後、所定時間後に、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがHレベルになり、スイッチQ9がオンすると共に、第8スイッチQ8のゲート電圧Q8gがLレベルになり、スイッチQ8がオフして、期間T1に戻る。
【0052】
このように、第1の実施の形態に係る電力変換装置によれば、リアクトル(トランスT)とソフトスイッチング制御回路20とを用いて、電力変換部内10のスイッチQ1〜Q6をターンオン及びターンオフする直前に、スイッチQ8をオフさせると共にスイッチQ9をオンさせた後、スイッチQ7をオフさせることにより、電力変換部10に供給される電源電圧Vccを零電圧又は零近傍に制御し、この状態で電力変換部10内のスイッチQ1〜Q6がターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部10において零電圧スイッチング動作が行われるので、電力変換に伴うスイッチング損失及びスイッチングノイズが低減される。
【0053】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置は、ブリッジ接続されたダイオードの直流出力端子にリアクトルを接続したことを特徴とするものである。
【0054】
図4は本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ei、電力変換部10、リアクトルL1〜L5、及びソフトスイッチング制御回路30から構成されている。
【0055】
直流電源Eiの正極端は、リアクトルL1の一端に接続され、負極端は接地されている。リアクトルL1の他端は電力変換部10の第1入力端子J1及びソフトスイッチング制御回路30の入力端子J3に接続されている。ソフトスイッチング制御回路30の入力端子J4は接地されている。
【0056】
電力変換部10、制御回路11及び電力変換部10からリアクトルL2〜L4を介して第1〜第3出力端子O1〜O3に接続される構成は、第1の実施の形態のそれらと同一である。第1〜第3出力端子O1〜O3には、例えば負荷(図示しない)が接続される。また、電力変換部10の第1入力端子J1と第2入力端子J2(接地)との間に印加される電圧を電源電圧Vccとする。
【0057】
ソフトスイッチング制御回路30は、スイッチQ1〜Q6をターンオン及びターンオフする直前に、電力変換部10に対し、零電圧又は零電圧近傍の電源電圧Vccを供給する制御を行う。ソフトスイッチング制御回路30は、ソフトスイッチング制御部31と、スイッチ制御回路33とからなる。
【0058】
ソフトスイッチング制御部31は、絶縁ゲート型のFETからなるスイッチQ7〜Q9と、これらスイッチQ7〜Q9にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードDq7〜Dq9と、リアクトルL5と、ダイオードD3,D4と、コンデンサC2とを有している。
【0059】
スイッチQ7の一端は入力端子J3及びリアクトルL1の他端に接続され、他端はコンデンサC2の一端に接続されている。コンデンサC2の他端は接地されている。
【0060】
スイッチQ8の一端はリアクトルL5の一端及びダイオードD3のカソードに接続され、ダイオードD3のアノードは接地されている。また、スイッチQ8の他端は入力端子J3及びリアクトルL1の他端に接続されている。
【0061】
スイッチQ9の一端は接地され、他端はリアクトルL5の他端及びダイオードD4のアノードに接続されている。ダイオードD4のカソードは入力端子J3及びリアクトルL1の他端に接続されている。
【0062】
スイッチ制御回路33は、ゲート電圧Q7g〜Q9gをソフトスイッチング制御部31に有するスイッチQ7〜Q9に出力してスイッチQ7〜Q9をオン/オフ制御する。
【0063】
次に、このように構成された本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置の動作を、図5及び図6に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図6は図5のタイミングチャートの期間T1〜T6のスケールを拡大して示したものである。
【0064】
ここでは、電力変換部10の電力変換動作の期間TM1〜期間TM6の内の例えば1つの期間TM1の動作を説明するものとし、この期間TM1は、期間T1〜T12を1周期とする。図5は1周期における各部の信号の変化を示している。図5及び図6において、図2及び図3に示す符号と同一符号についての説明は省略する。また、IL5はリアクトルL5に流れる電流を示す。
【0065】
まず、期間T1において、図5に示すように、スイッチQ7がオンであり、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがHレベルになると共に、スイッチQ8のゲート電圧Q8gがHレベルになる。その結果、スイッチQ9がオンし、ドレイン−ソース間電圧Vq9は零になる。また、スイッチQ8がオンし、ドレイン−ソース間電圧Vq8は零になる。これにより、コンデンサC2からスイッチQ7、スイッチQ8、リアクトルL5及びスイッチQ9を介してグランドに電流が流れ初め、その後、この電流は徐々に増加する。従って、リアクトルL5に流れる電流IL5は、零から徐々に増加する。
【0066】
次に、期間T2では、スイッチQ7のゲート電圧Q7gがLレベルになり、スイッチQ7がオフする。このため、スイッチQ7のドレイン−ソース間電圧Vq7が上昇し始める。また、リアクトルL1で電圧が発生し始め、図5に示すように、電力変換部10に供給されている電源電圧Vccが下がり始める。
【0067】
電源電圧Vccが下降して零になると期間T3が開始される。この期間T3は、電源電圧Vccが零になっている期間であり、期間T3の先頭で、スイッチQ1〜Q6のうちの必要なスイッチがオンされる。図5及び図6に示した例では、ゲート電圧Q1g,Q4g,Q5gが期間T3でHレベルになり、スイッチQ1、スイッチQ4及びスイッチQ5がターンオンされる。これらスイッチQ1、スイッチQ4及びスイッチQ5は、電源電圧Vccが印加されていない状態(零電圧状態)でオンされるので、零電圧スイッチング(ZVS)動作が行われることになる。
【0068】
期間T3では、リアクトルL5に流れる電流IL5は略一定になる。そして、期間T3の最後(期間T4の先頭に対応)で、スイッチQ1〜Q6のうちの必要なスイッチがオフされる。図5及び図6に示した例では、ゲート電圧Q2g,Q3g,Q6gが期間T3の最後でLレベルになり、スイッチQ2、スイッチQ3及びスイッチQ6がターンオフされる。これらスイッチQ2、スイッチQ3及びスイッチQ6は、電源電圧Vccが印加されていない状態(零電圧状態)でオフされるので、零電圧スイッチング(ZVS)動作が行われることになる。そして、期間T4に移行し、電流IL5は減衰を開始する。
【0069】
期間T4の先頭において、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがLレベルになり、スイッチQ8のゲート電圧Q8gがLレベルになり、スイッチQ7のゲート電圧Q7gがHレベルになる。このため、スイッチQ9がオフし、ドレイン−ソース間電圧Vq9が上昇し、スイッチQ8がオフし、ドレイン−ソース間電圧Vq8が上昇し、スイッチQ7がオンし、ドレイン−ソース間電圧Vq7が減少する。期間T4では、電力変換部10に供給される電源電圧Vccが上昇する。そして、スイッチQ7のドレイン−ソース間電圧Vq7が零になると、期間T5に移行する。
【0070】
期間T5では、リアクトルL5に流れる電流が徐々に減少し、零になると期間T6に移行する。期間T5以降の期間で、スイッチQ1〜Q6のうちの必要なスイッチがオフされる。このスイッチがオフされるときには、スイッチには順方向に電流が流れているので、スイッチに並列に接続されているソフトスイッチング用のコンデンサCq1〜Cq6によりソフトスイッチングが行われる。
【0071】
図5に示した例では、期間T6の最後で、スイッチQ1のゲート電圧Q1gがLレベルになり、スイッチQ1がオフし、期間T7に移る。期間T7では、スイッチQ1のドレイン−ソース間電圧Vq1(図示しない)がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ2のドレイン−ソース間電圧Vq2は、緩やかに下降する。スイッチQ2のドレイン−ソース間電圧Vq2が下降して零になると期間T8に移行する。
【0072】
期間T8では、スイッチQ2のゲート電圧Q2gがHレベルとなり、スイッチQ2がオンする。期間T8の最後で、スイッチQ5のゲート電圧Q5gがLレベルになり、スイッチQ5がオフし、期間T9に移行する。
【0073】
期間T9では、スイッチQ5のドレイン−ソース間電圧Vq5(図示しない)がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ6のドレイン−ソース間電圧Vq6が、緩やかに下降する。スイッチQ6のドレイン−ソース間電圧Vq6が下降して零になると期間T10に移行する。
【0074】
期間10では、スイッチQ6のゲート電圧Q6gがHレベルになり、スイッチQ6がオンする。この期間10の最後で、スイッチQ4のゲート電圧Q4gがLレベルになり、スイッチQ4がオフし、期間T11に移る。
【0075】
期間11では、スイッチQ4のドレイン−ソース間電圧Vq4がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチQ3のドレイン−ソース間電圧Vq3が緩やかに下降する(図示しない)。スイッチQ3のドレイン−ソース間電圧Vq3が下降して零になると期間12に移行する。
【0076】
期間12では、スイッチQ3のゲート電圧Q3gがHレベルになり、スイッチQ3がオンする。その後、スイッチQ9のゲート電圧Q9gがHレベルになり、スイッチQ9がオンすると共に、第8スイッチQ8のゲート電圧Q8gがHレベルになり、スイッチQ8がオンし、期間T1に戻る。
【0077】
このように第2の実施の形態に係る電力変換装置によれば、リアクトルL1,L5とソフトスイッチング制御回路30とを用いて、電力変換部内10のスイッチQ1〜Q6をターンオン及びターンオフする直前に、スイッチQ8及びスイッチQ9をオンさせた後、スイッチQ7をオフさせることにより、電力変換部10に供給される電源電圧Vccを零電圧又は零近傍に制御し、この状態で電力変換部10内のスイッチQ1〜Q6がターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部10において零電圧スイッチング動作が行われるので、電力変換に伴うスイッチング損失及びスイッチングノイズが低減される。
【0078】
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る電力変換装置は、電力変換部を構成するスイッチQ1〜Q9をノーマリオンタイプのFETで構成したことを特徴とするものである。
【0079】
SIT(static induction transistor、静電誘導トランジスタ)等のノーマリオンタイプのスイッチは、電源がオフ時にオン状態となるスイッチである。このノーマリオンタイプのスイッチは、スイッチングスピードが速く、オン抵抗も低くスイッチング電源等の電力変換装置に使用した場合、理想的な素子であり、スイッチング損失を減少させ高効率が期待できる。
【0080】
しかし、ノーマリオンタイプのスイッチング素子にあっては、電源をオンすると、スイッチがオン状態であるため、スイッチが短絡する。このため、ノーマリオンタイプのスイッチを起動できず、特殊な用途以外には使用できない。
【0081】
そこで、スイッチQ1〜Q6にノーマリオンタイプのスイッチを使用するために、ノーマリオンタイプのスイッチに逆バイアス電圧を印加し、電源オン時の問題をなくす構成を追加したことを特徴とする。
【0082】
図7は本発明の第3の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ei、主スイッチSW1、補助スイッチSW2、電力変換部40、ソフトスイッチング制御回路20、補助電源50及び制御回路12から構成されている。なお、ソフトスイッチング制御回路20の代わりに、ソフトスイッチング制御回路30を設けても良い。
【0083】
直流電源Eiの正極端は、主スイッチSW1とトランスTの第1巻線5aを介して電力変換部40の第1入力端子J1に接続されると共に、補助スイッチSW2を介して補助電源50の一方の入力端子に接続されている。直流電源Eiの負極端、電力変換部40の第2入力端子J2及び補助電源50の他方の入力端子は接地されている。
【0084】
電力変換部40は、3相ブリッジ接続されたノーマリーオンタイプのスイッチQ1n〜Q6nと、これらスイッチQ1n〜Q6nにそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードDq1〜Dq6と、スイッチQ1n〜Q6nにそれぞれ並列に接続されたコンデンサCq1〜Cq6とから構成されている。
【0085】
主スイッチSW1は、メカニカルスイッチ又はノーマリーオフのFETから構成されている。補助電源50は、補助スイッチSW2がオンしたときに直流電源Eiの正電圧を入力し、この正電圧に基づき逆電圧(負電圧)を生成し、この逆電圧を制御回路12に出力する。
【0086】
制御回路12は、補助電源50からの逆電圧をゲート電圧としてスイッチQ1n〜Q6nのゲートに出力し、スイッチQ1n〜Q6nをオフさせる。
【0087】
次にこのように構成された第3の実施の形態に係る電力変換装置によれば、まず、主スイッチSW1をオフし、補助スイッチSW2をオンすると、補助電源50から制御回路12に逆電圧が出力される。制御回路12は補助電源50からの逆電圧を電力変換部40に供給する。このため、電力変換部40内のスイッチQ1n〜Q6nのゲートに逆電圧が印加され、全てのスイッチQ1n〜Q6nがオフする。
【0088】
次に、主スイッチSW1がオンすると、電力変換部10の電力変換動作が開始される。この電力変換の動作は、第1及び第2の実施の形態に係る電力変換装置における動作と同じであるので、その説明は省略する。
【0089】
このように、第3の実施の形態に係る電力変換装置においても、第1及び第2の実施の形態に係る電力変換装置と同様の動作及び効果が得られると共に、制御回路12からの逆電圧によりスイッチQ1n〜Q6nをオフさせた後に、スイッチSW1をオンして、スイッチQ1n〜Q6nをオン/オフさせるスイッチング動作を開始させるので、電源オン時における問題もなくなる。従って、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、損失の少ない、即ち、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【0090】
なお、第1乃至第3の実施の形態では、直流電源Eiと電力変換部10との間にトランスTの第1巻線5a(又はリアクトルL1)を設け、トランスTの第1巻線5a(又はリアクトルL1)にソフトスイッチング制御回路20(又はソフトスイッチング制御回路30)を接続するように構成したが、例えば、図示しない負荷(第1乃至第3出力端子O1〜O3側)と電力変換部10との間にトランスTの第1巻線5a(又はリアクトルL1)を設け、トランスTの第1巻線5a(又はリアクトルL1)にソフトスイッチング制御回路20(又はソフトスイッチング制御回路30)を接続するように構成しても良い。
【0091】
また、第1乃至第3の実施の形態では、直流を交流に変換するインバータとして機能する電力変換装置について説明したが、交流電源を電力源として交流を直流に変換するコンバータとして機能する電力変換装置も上述した第1乃至第3の実施の形態と同様に構成することができる。また、コンバータとインバータとを組み合わせることにより、交流電力から交流電力に変換する電力変換装置を構成することもできる。
【0092】
また、第1乃至第3の実施の形態では、直流電力を3相の交流電力に変換する場合について説明したが、本発明では、交流電力は3相に限らず、単相、2相、4相以上の交流電力についても適用することができる。
【0093】
また、第1乃至第3の実施の形態では、スイッチQ1〜Q9としてFETを用いたが、スイッチQ1〜Q9は、バイポーラトランジスタ、IGBTであってもよい。 また、ダイオードDq1〜Dq9は、スイッチQ1〜Q9の寄生ダイオードであっても良い。また、コンデンサCq1〜Cq6は、スイッチQ1〜Q6の寄生コンデンサであっても良い。
【0094】
【発明の効果】
本発明によれば、主回路部を構成するブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図3】図2に示したタイミングチャートの期間T1〜T6を拡大して示すタイミングチャートである。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図6】図5に示したタイミングチャートの期間T1〜T5を拡大して示すタイミングチャートである。
【図7】本発明の第3の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図8】従来の電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
10,40,100 電力変換部
11,12 制御回路
20,30 ソフトスイッチング制御回路
21,31 ソフトスイッチング制御部
23,33 スイッチ制御回路
50 補助電源
T トランス
Q1〜Q9 スイッチ
Dq1〜Dq9,D3,D4 ダイオード
Cq1〜Cq6,C2 コンデンサ
L1〜L5 リアクトル
Claims (2)
- 直流電源と、
複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流に変換して出力する電力変換部と、
前記電力変換部の第1入力端子と前記直流電源の一端との間に接続された第1巻線と該第1巻線に直列に接続された第2巻線とを有するトランスと、
前記電力変換部の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部の前記第1入力端子と前記直流電源の他端に接続された前記電力変換部の第2入力端子との間に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、
前記ソフトスイッチング制御回路は、
前記第2巻線と、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に接続され、第1スイッチとコンデンサとからなる直列回路と、
前記第1入力端子に一端が接続された前記第2巻線の他端に、カソードが接続された第1ダイオードと、
一端が前記第1ダイオードのアノードに接続され且つ他端が前記第1スイッチと前記コンデンサとの接続点に接続された第2スイッチと、
前記第1入力端子に一端が接続された前記第2巻線の他端に、アノードが接続された第2ダイオードと、
一端が前記第2ダイオードのカソードに接続され且つ他端が前記第2入力端子に接続された第3スイッチとを有し、
前記第2スイッチをオフさせると共に前記第3スイッチをオンさせた後、前記第1スイッチをオフさせることにより、前記電力変換部の前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする電力変換装置。 - 前記電力変換部の前記複数のスイッチは、ノーマリーオンタイプのスイッチからなり、
前記直流電源をオンする時には前記電力変換部の前記複数のスイッチをオフさせ、その後、前記電力変換部の前記複数のスイッチをオン/オフさせて電力変換動作を開始させる制御回路を有することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
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