JP4472074B2 - Ｄｃ／ａｃインバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ／ＡＣインバータに関し、特に動作安定及びノイズを減少する電流の時間的変化率（ｄｉ/ｄｔ）を低減するインダクタによるスナバ回路を用いた電力回生を簡素な回路構成で行なうＤＣ/ＡＣインバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なＤＣ／ＡＣインバータにおいては、内蔵されたスイッチング・トランジスタがターンオンした瞬間の急激なコレクタ間電流の上昇を防止すること、トランジスのエミッタ−コレクタ間電圧が安全動作領域に入るようにすること、更には外部に出る不要ノイズを減少させることを目的としてスナバ回路が付加されることが多い。
【０００３】
一方、このスナバ回路は、スイッチング時の損失を減少させ、上述のような効果を得ることができるが、ターンオフ時にはスナバ回路に蓄積されたエネルギーが放出されるため電力損失が発生して効率が低下する。この効率低下を低減するためスナバ回路で吸収したエネルギーを入力電源側に回生する（戻す）構成が採用されている。
【０００４】
図４には、従来のかかる回生構成を採用して効率の良いスナバ回路を有するＤＣ/ＡＣインバータの回路例が示されている。
【０００５】
図４を参照すると、制御入力端子ＩＮから入力されたＤＣ／ＡＣインバータの制御入力を受けて、制御部１はＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する。本ＤＣ/ＡＣインバータには、制御部１や他の回路ブロック（周辺回路）に対して電力を供給する内部ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が設けられている。また、本ＤＣ/ＡＣインバータに電源を供給するための直列接続された２つの直流電源１３と１４が設けられている。
【０００６】
スイッチング素子２及び３は、縦続接続され、制御部１からの制御信号を受けてＤＣ／ＡＣインバート機能動作の基本動作であるスイッチング動作を行なう。スイッチング素子２及び３の夫々にはクランプ用ダイオード４及び５が並列に接続され、スイッチング素子２のドレイン側はスナバインダクタ６が接続されて直流電源１３のプラス電源に、また、スイッチング素子３のソース側は直流電源１４のマイナス電源に接続されている。
【０００７】
スナバインダクタ６とスイッチンング素子２との接続点と直流電源１４のマイナス電源側との間にはスナバダイオード７とキャパシタ８とが挿入されている。ここで、スナバインダクタ６、スナバダイオード７及びキャパシタ８はスナバ回路動作に必要な構成部でスイッチング電流の急激な変化と過大な電圧の発生を抑制する。
【０００８】
基本的に上記のように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータの出力は、スイッチング素子２と３の接続点ＯＵＴから得られ、この出力は出力用インダクタ１１を通して負荷１２に供給される。
【０００９】
また、本ＤＣ/ＡＣインバータでは、前述電力を回生するために回生用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が設けられている。この回生用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の一入力及び一出力に直流電源１３のプラス電源側に接続され、他入力はスナバダイオード７とキャパシタ８の接続点に接続され、対応する出力は直流電源１４のマイナス電源側に接続され、スナバ回路で発生した電力をこの回生用ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して電源ラインに回生している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の回生機能付きＤＣ／ＡＣインバータは、電源供給用の内蔵ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の他に、スナバ回路で発生した電力を電源側に回生するために新たにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を必要とする。したがって、回路構成の複雑化、規模、大きさの増加、コストアップ等の問題が生じていた。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上述問題を解決し、１つのＤＣ／ＤＣコンバータだけでスナバ回路機能と電力回生機能を得るようにしたＤＣ／ＡＣインバータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明によるＤＣ/ＡＣインバータは、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１３】
（１）主電源からの出力を所定の態様でスイッチングするスイッチング手段が、内蔵ＤＣ／ＤＣコンバータから電源を供給され、前記スイッチング手段に付加されたスナバ回路で発生した電力を前記主電源に回生する機能を有するＤＣ／ＡＣインバータにおいて、一方の入力に前記主電源からの出力を受け、前記スイッチング手段に電源を供給するとともに、他方の入力に前記スナバ回路からの電力を受け、前記主電源側に回生する１つの２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えて成るＤＣ／ＡＣインバータ。
【００１４】
（２）前記２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記一方の入力側には、前記スナバ回路からの電力以外に少なくとも１つの入力が供給されている上記（１）のＤＣ／ＡＣインバータ。
【００１５】
（３）前記２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータは、２つのスイッチング回路を有し、前記２つのスイッチング回路を駆動する信号の位相は互いに逆とし、一方のスイッチング回路がオン動作しているとき他方のスイッチング回路がオフ動作するような信号構成である上記（１）のＤＣ／ＡＣインバータ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明によるＤＣ/ＡＣインバータの実施形態例を説明する。図１は本発明によるＤＣ/ＡＣインバータの一実施形態を示す回路図である。
【００１７】
本実施形態は、基本的構成は図４に示す回路構成と同様であるが、
図４に示す従来のＤＣ/ＡＣインバータでは２つのＤＣ／ＤＣコンバータを必要としていたのに対して、本実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータを２入力タイプの構成とすることにより内蔵ＤＣ／ＤＣコンバータを１つで済ませることができるようにしている。
【００１８】
図１において、図４と同一符号を付与した構成素子は同様な機能を為す構成素子である。制御入力端子ＩＮから入力されたＤＣ／ＡＣインバータの制御入力を受けて、制御部１がＤＣ／ＡＣインバータの動作を制御する。また、直列接続された２つの直流電源１３と１４が、本ＤＣ/ＡＣインバータに電源を供給するために設けられている。スイッチング素子２及び３は、同様に、縦続接続され、制御部１からの制御信号を受けてＤＣ／ＡＣインバート機能（スイッチング動作）を行なう。スイッチング素子２及び３の夫々にはクランプ用ダイオード４及び５が並列に接続されている。スイッチング素子２のドレイン側はスナバインダクタ６が接続されて直流電源１３のプラス電源に、また、スイッチング素子３のソース側は直流電源１４のマイナス電源に接続される。スイッチング素子のスイッチング電流の急激な変化を阻止するため、スナバダイオード７とキャパシタ８が、スナバインダクタ６とスイッチンング素子２との接続点と直流電源１４のマイナス電源側との間に挿入されている。スイッチング素子２と３の接続点ＯＵＴからは、本ＤＣ／ＡＣインバータの出力が得られ、インダクタ１１を通して負荷１２に供給される。
【００１９】
本実施形態では、制御部１や他の回路ブロック（図示せず）に電力を供給する第１の機能と、電源ライン１５と１６を介して制御部１と他の回路ブロックに電力を供給する第２の機能とを有する２入力型の内部ＤＣ／ＤＣコンバータ９が設けられている。
【００２０】
スナバインダクタ６、スナバダイオード７、キャパシタ８を有するスナバ回路によりスイッチング電流の急激な変化と過電圧の発生を阻止し、このスナバ回路の出力（図１では、スナバダイオード７とキャパシタ８の接続点）が２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の一方の入力に接続される。その結果、このスナバ回路で発生した電力は２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して電源ラインに回生される。また、２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の他方の入力は本ＤＣ／ＡＣインバータのプラス電源に接続されている。
【００２１】
上記スナバ回路の出力（スナバダイオード７とキャパシタ８の接続点）には、また、例えば、他のハーフブリッジからの入力（多相入力）１０（１）〜１０（ｎ）がダイオードＤ（１）〜Ｄ（ｎ）を介して接続され、２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の上記一方の入力に接続することもできる。
【００２２】
図２には図１における２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の詳細回路が示されている。回路構成的には、スナバ付ＤＣ/ＤＣコンバータにおいて、自己のスナバキャパシタの接続個所に新たな入力を設けたものである。
【００２３】
２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第1の入力（Ｖ１）には、ラインを整流した直流電源９０１が接続されている。この第１の入力Ｖ１にはトランス９０２の１次側巻線、スイッチング素子９０４、スイッチング素子９０４に並列接続されたダイオード９０８及びキャパシタ９０９が直列に接続され、回路的にはフライバックコンバータとして動作する。ここで、トランス９０２は、等価的には図示の如く表わすことができ、Lsはリーケージインダクタンス９０２ａ、Lpは励磁インピーダンス９０２ｂ、Coは等価キャパシタンス９０２ｃを示す。
【００２４】
スイッチング素子９０４は、縦続接続されているスイッチング素子９０３（ダイオード９０６及びキャパシタ９０７が並列接続されている）とともにＰＷＭ制御部９０５から出力されるパルス信号によって駆動される。
【００２５】
また、２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の第２の入力（Ｉ１）は、スナバ回路からの出力が接続され、スイッチング素子９０３（並列に接続されたダイオード９０６、キャパシタ９０７を含む）、トランス９０２の１次側巻線が直列に接続されている。この第２の入力（Ｉ１）以降の回路は、出力に対してフォワードコンバータに準じた動作を行う。通常のフォワードコンバータはトランス９０２の２次側にインダクタを挿入するが、そのインダクタをトランス９０２のリーケージインダクタンスLsで代替している。
【００２６】
第２の入力（Ｉ１）入力からの電力が出力よりも大きくなった場合には、スイッチング素子９０３がオン時に励磁インピーダンスLpにエネルギーが蓄積され、スイッチング素子９０３がオフ時にダイオード９０８を通してＶ１側に回生される。
【００２７】
前述のように、スイッチング素子９０３と９０４のそれぞれは、ＰＷＭ制御部９０５からの信号（ｐ1、p２）で駆動される。この２つの信号の位相は互いに逆となっており、一方のスイッチング素子がオンしているとき他方のスイッチング素子はオフするような信号構成となっている。
【００２８】
尚、図２において、第２の入力側のスイッチング素子９０３とは並列にキャパシタ９１１と９１２が接続され、直列に電流制限器９１０が接続されている。
【００２９】
図３には、これら２つの信号p1、p2のタイミング図が示されている。両信号間には、デッドタイムＴｄが設けられ、スイッチング素子のオン／オフ遷移に伴い発生するスイッチング損失を軽減している。スイッチング素子９０３と９０４のオン／オフのタイミングにこのようなデッドタイム期間を設けることにより、キャパシタ９０２ｃ、９０７、９０９及びインダクタ９０２ａ、９０２ｂの効果に起因したゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）を行なうこともできる。
【００３０】
トランス９０２の２次巻線側の出力は、ダイオード９１３、９１５、キャパシタ９１４、９１６により整流・平滑され直流に変換される。この直流出力の一方は帰還回路９１７を介してＰＷＭ制御器９０５に帰還されるので出力電圧が安定化されることになる。
【００３１】
上述の実施形態において、スイッチング素子９０３とダイオード９０６やスイッチング素子９０４とダイオード９０８は、それぞれＭＯＳＦＥＴに置き換えることができることは勿論である。
【００３２】
なお、ダイオード９０６、９０８は、ＭＯＳＦＥＴの内部ダイオードで代替可能であり、同様にキャパシタ９０７、９０９はスイッチング素子９０３、９０４の電極容量で代替可能である。
【００３３】
以上、本発明のＤＣ/ＡＣインバータの好適実施形態例を説明したが、これは単なる例示にすぎず、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＤＣ/ＡＣインバータによれば、従来、スナバ回路で発生した電力を電源に回生するために独立して必要であった回生用ＤＣ／ＤＣコンバータが不要となり、１個の２入力のＤＣ／ＤＣコンバータを用いるだけで電源供給機能と、従来の回生用ＤＣ／ＤＣコンバータの機能をも兼ねさせることができる。したがって、構成が簡素化され、コンパクトかつ経済的なＤＣ／ＡＣインバータを得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＤＣ/ＡＣインバータの一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示す実施形態における２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ９の一例を示す回路図である。
【図３】図２におけるスイッチング素子９０３及び９０４の駆動信号ｐ１とｐ２のタイミング波形図である。
【図４】従来のスナバ電力回生タイプのＤＣ／ＡＣインバータの回路図である。
【符号の説明】
１ 制御部
２、３ スイッチング素子
４、５、Ｄ（１）〜Ｄ（ｎ） ダイオード
６ スナバインダクタ
７ スナバダイオード
８ キャパシタ
９ ２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０（１）〜１０（ｎ） 入力端子
１１ インダクタ
１２ 負荷
１３、１４ 電源

Claims (3)

1. 主電源からの出力を所定の態様でスイッチングするスイッチング手段が、内蔵ＤＣ／ＤＣコンバータから電源を供給され、前記スイッチング手段に付加されたスナバ回路で発生した電力を前記主電源に回生する機能を有するＤＣ／ＡＣインバータにおいて、
   一方の入力に前記主電源からの出力を受け、前記スイッチング手段に電源を供給するとともに、他方の入力に前記スナバ回路からの電力を受け、前記主電源側に回生する１つの２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えて成ることを特徴とするＤＣ／ＡＣインバータ。
2. 前記２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記一方の入力側には、前記スナバ回路からの電力以外に少なくとも１つの入力が供給されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＡＣインバータ。
3. 前記２入力型ＤＣ／ＤＣコンバータは、２つのスイッチング回路を有し、前記２つのスイッチング回路を駆動する信号の位相は互いに逆とし、一方のスイッチング回路がオン動作しているとき他方のスイッチング回路がオフ動作するような信号構成であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＡＣインバータ。

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