JP4535492B2

JP4535492B2 - 昇降圧チョッパ回路

Info

Publication number: JP4535492B2
Application number: JP2004213069A
Authority: JP
Inventors: 哲史岩倉; 慎一出口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: EP1619784A2; US20060018138A1; JP2006034069A; EP1619784A3; EP1619784B1; US7167383B2

Description

本発明は昇降圧チョッパ回路に関し、軽負荷領域以外ではスイッチング損失を低減するソフトスイッチングを行い、軽負荷時にはハードスイッチングを行う昇降圧チョッパ回路に関する。

この種の昇降圧チョッパ回路としては部分共振降圧チョッパ回路が実用化されている。一方、共振形回路の場合、オン区間またはオフ区間が一定でパルス周波数制御を行うが、制御率の低い低周波動作では効率が悪化するという欠点がある。また、共振動作を行う為に、ゼロ電流スイッチング方式では負荷電流に対し共振電流を大きくしなければならず、ゼロ電圧スイッチング方式では直流入力電圧に対し共振電圧を高くする必要がある。したがって、回路定格に比べ主回路デバイスの定格が大きくなるという欠点が生ずる。

この欠点を解消させるための回路として、主回路デバイスのターンオン時とターンオフ時の端部にのみ共振動作を利用する部分共振（Edge Resonant）方式が提案されている。例えば、非特許文献１参照。
「パワーエレクトロニクス学会誌」Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．１（２００４．２）（第６９〜71頁、図６）

図４にはこの種の部分共振降圧チョッパ回路が、図５にその動作タイムチャートが示されている。

図４に示す部分共振回路では、主トランジスタQsと並列に共振コンデンサCrが接続され、共振を行う為の補助トランジスタQaと補助ダイオードDaから成る補助アームと主トランジスタQsの間に共振リアクトルLrが接続される。

図５では、図４における補助トランジスタQａのベース信号Ｉ_Ｂａ、共振リアクトル電流Ｉ_Ｌｒ、共振コンデンサ電圧Ｖ_Ｃｒ、主トランジスタQｓベース信号Ｉ_Ｂｓ、主トランジスタQｓコレクタ電流I_Q
_{S C}、フライホイルダイオードDｆの電流Ｉ_Ｄｆ、フィルタリアクトル電流Ｉ_Ｌｆ、補助トランジスタQａのコレクタ電流Ｉ_Ｑａが示されている。

主トランジスタQsがオフしている時、共振コンデンサCrは直流入力電圧Eiに充電される。主トランジスタQsをオンする前にＩ_Ｂａを供給して、補助トランジスタQaをオンし、共振コンデンサCrの電荷を共振リアクトルLrを介して放電させる。共振コンデンサCrの電圧Ｖ_Ｃｒがゼロになると、主トランジスタQsに逆並列接続された逆導通用ダイオードDsを介して共振電流は流れ続ける。この時、主トランジスタQsをオンさせるとゼロ電圧スイッチング動作となる。この方式はゼロ電圧転調（ZVT：Zero
Voltage Transition）と称される。

主トランジスタQsがオンした後に、補助トランジスタQaをオフさせると共振リアクトル電流I_Lｒは、補助ダイオードDaと逆導通用ダイオードDsを通して直流入力電圧へ流れる。この時の補助トランジスタQaの動作はハードスイッチングとなる。

主トランジスタQsがオフすると、主トランジスタQsの両端に接続されている共振コンデンサCrはゼロ電圧から充電される為、主トランジスタQsはゼロ電圧スイッチングとなる。

図６にはパルス幅制御範囲と端部共振の関係を説明するため、補助トランジスタベース信号I_{B a}、主トランジスタベース信号I_{B S}、共振電流、共振コンデンサ電圧V_Crが示されている。部分共振回路では、主トランジスタQsのターンオンとターンオフ時に共振現象を利用している。この為、共振動作時間中は主トランジスタQsのパルス幅制御動作を行うことはできない。

一般に、パルス幅制御範囲をT、ターンオン時の制限をTon、ターンオフ時の制限をToffとすれば、パルス幅制御可能範囲Tcは次式で表される。
Tc ＝ T -（Ton + Toff）

以上のような部分共振方式の欠点としては次のことが挙げられる。
（１）回路構成部品が多い。
（２）制御回路が複雑となる。
（３）補助トランジスタのターンオフ動作はハードスイッチングとなる。
（４）パルス幅制御の動作可能範囲は共振回路の周波数で制約される。（制御範囲が狭い）

また、部分共振昇圧チョッパ回路は、部分共振降圧チョッパ回路と同様な基本構成部品から構成される。主トランジスタQsと並列に共振コンデンサCrを接続し、共振を行う為の補助トランジスタQaと補助ダイオードDaから成る補助アームと主トランジスタQsの間に共振リアクトルLrを接続する。

図７には部分共振昇圧チョッパ回路の一例が、図８にはその動作タイムチャートが示されている。

図７に示す部分共振回路では、主トランジスタQsと並列に共振コンデンサCrが接続され、共振を行う為の補助トランジスタQaと補助ダイオードDaから成る補助アームと主トランジスタQsの間に共振リアクトルLrが接続される。図７と図８の詳細な説明は、上述と同様であるから省略する。

上述した部分共振回路によるスイッチングは、ＰＷＭ制御時の制御幅に制約が発生する。ＰＷＭ制御では理論的には０から100％のデュテイ動作が可能であるが、部分共振動作を行うと、方形波のスイッチング波形において、その端部は補助回路による共振を行っており、その共振時間はＰＷＭ制御を行うことができない。

実際の回路動作では、ハードスイッチングのＰＷＭ制御でも同様に、端部はスイッチングに使用するデバイスのオンまたはオフ特性による使用できない期間が存在する。しかしながら、部分共振の場合、ハードスイッチングに比べ３から10倍程度のＰＷＭ制御に使用できない部分共振区間が存在する。

また、部分共振回路では、そのＰＷＭ制御範囲の低い領域では、部分共振による共振回路損失と部分共振用スイッチングデバイスによるハードスイッチング損失の発生により、部分共振による回路損失が大きく効率が悪くなるという欠点があった。

そこで、本発明の目的は、ＰＷＭ制御範囲を大きくとり、ＰＷＭ制御範囲の低い領域でも高効率の昇降圧チョッパ回路を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明による昇降圧チョッパ回路は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）第１の主トランジスタと第１の主ダイオードの直列回路の接続点と、前記第１の補助トランジスタと第１の補助ダイオードの直列回路の接続点との間に第１の共振リアクトルが接続され、前記第１の主トランジスタのコレクタとエミッタ間には第１の共振コンデンサと第１の逆導通ダイオードが接続され、
負荷に並列接続されているフィルタコンデンサには、第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路及び第２の補助ダイオードと第２の補助トランジスタの直列回路が並列接続され、前記第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路の接続点と、前記第２の補助ダイオードと第２の補助トランジスタの直列回路の接続点との間に第２の共振リアクトルが接続され、前記第２の主トランジスタのコレクタとエミッタ間には第２の共振コンデンサと第２の逆導通ダイオードが接続され、
前記第１の主トランジスタと第１の主ダイオードの直列回路の接続点と前記第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路の接続点との間にフィルタリアクトルが接続され、
軽負荷電流領域以外では、前記第１の主トランジスタと第２の主トランジスタのオフ動作時に前記第１の共振コンデンサと前記第２の共振コンデンサにそれぞれのトランジスタのコレクタ電流を流してソフトスイッチングを行わせ、
軽負荷電流領域では、降圧動作時には、前記第１の主トランジスタの動作を停止し、前記第１の補助トランジスタによるオン、オフによるハードスイッチングで降圧動作させ、昇圧動作時には、前記第２の主トランジスタの動作を停止し、前記第２の補助トランジスタによるオン、オフによるハードスイッチングで昇圧動作させる
ことを特徴とする昇降圧チョッパ回路。

（２）軽負荷電流領域以外では、降圧動作時には、前記第１の共振コンデンサに蓄えられた電荷を、前記第１の補助トランジスタをオンさせて放出し、前記第１の共振コンデンサの電荷が零になった時点で前記第１の主トランジスタをオンさせることにより零電圧スイッチングを行うことを特徴とする前記（１）に記載の昇降圧チョッパ回路。

（３）軽負荷電流領域以外では、昇圧動作時の前記フィルタコンデンサへ流れている電流を前記第１の主トランジスタで一旦零電圧スイッチングでオフさせ、前記第１の主トランジスタと前記第２の主トランジスタをオン動作させる直前に、前記第１の補助トランジスタと前記第２の補助トランジスタをオンさせて前記第１の共振コンデンサと前記第２の共振コンデンサの電荷を零にして、前記第１の主トランジスタと前記第２の主トランジスタをオン動作させて零電圧、零電流スイッチングとすることを特徴とする前記（１）に記載の昇降圧チョッパ回路。

本発明の昇降圧チョッパ回路によれば、軽負荷領域から定格負荷領域までの制御範囲を広く使用することが可能で、全領域で変換損失を低減させることができる。

以下、本発明による昇降圧チョッパ回路の好適実施例の構成及び動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による昇降圧チョッパ回路の回路図である。また、図２は図１に示す昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための各部の信号波形図であり、図３は、その補助回路動作時の各部信号のタイミングチャートである。
る。

先ず、図１の昇降圧チョッパ回路の通常動作を、降圧動作と昇圧動作に分けて説明する。

降圧動作時には第１の主トランジスタ４によるオン、オフ動作で制御を行っており、降圧動作時には第１の主トランジスタ４が単独で動作している。動作内容は通常の部分共振降圧チョッパ動作と同じとなる。

具体的に動作を説明すると、ソフトスイッチングを行うために、第１の補助トランジスタ２が第１の主トランジスタ４のコレクタとエミッタ間に接続されている第１の共振コンデンサ５による部分共振でソフトスイッチングを行っている。第１の主トランジスタ４をオンする時、共振コンデンサに蓄えられた電荷を第１の補助トランジスタ２をオンさせ第１の共振リアクトル３と第１共振コンデンサ５による共振を行い、共振コンデンサの電荷が零になった時点で第１の主トランジスタ４をオンさせて零電圧スイッチングを行う。

第１の主トランジスタ４がオフする時には、第１の共振コンデンサ５の電荷が零のため、第１の主トランジスタ４に流れるコレクタ電流は第１の共振コンデンサ５へ流れ、零電圧スイッチングとなる。

昇圧動作時には、第２の主トランジスタ８によるオン、オフ動作で制御を行っている。しかし、昇圧動作時には第２の主トランジスタ８単独ではなく、第１の主トランジスタ４も動作している。つまり、第２の主トランジスタ８がオンする時、フィルタリアクトル７へは第１の主トランジスタ４はオンで、第２の主ダイオード１２を通して電流は流れている。このとき、第２の主トランジスタ８がオンするとスイッチング損失が発生する。ソフトスイッチングを行うために、第２の主トランジスタ８がオンする直前に、この第１の主トランジスタ４をオフさせる。第１の共振コンデンサ５の電荷が零のため、第１の主トランジスタ４に流れるコレクタ電流は第１の共振コンデンサ５へ流れ、零電圧スイッチングとなる。

この時、フィルタリアクトル７の電流が一旦、零となる。その後、第１の補助トランジスタ２と第２の補助トランジスタ１１がオンし、第１の主トランジスタ４と第２の主トランジスタ８の各々に接続されている第１の共振コンデンサ５と第２の共振コンデンサ９に蓄えられた電荷を第１の共振リアクトル３と第２の共振リアクトル１０が各々に共振動作を行い、第１の共振コンデンサ５と第２の共振コンデンサ９の電荷が零になった時点で第１の主トランジスタ４と第２の主トランジスタ８をオンさせて零電圧スイッチングを行う。第１と第２の逆導通ダイオード１７と１８は、第1と第２の主トランジスタ４と８にそれぞれ並列に接続されている。

さて、本実施例による昇降圧チョッパ回路では、部分共振方式昇降圧チョッパ回路の動作を次のように変化させている。

軽負荷電流領域以外では、昇降圧チョッパ回路は部分共振を利用したソフトスイッチング動作を行っている。軽負荷電流領域になると、昇降圧チョッパ回路はＰＷＭ制御のハードスイッチング動作を行うことにより、ＰＷＭ制御範囲の拡大と軽負荷電流領域の効率低下を防止している。さらに、ハードスイッチング動作は主トランジスタによるオン、オフ動作ではなく、補助トランジスタによるオン、オフ動作で行っている。このとき、共振リアクトルはフィルタリアクトルと直列に接続された状態で使用されるので、軽負荷時には等価的にフィルタリアクトル値が増えたのと同じ動作となる。

軽負荷電流領域以外では、部分共振用の補助回路は従来回路の動作を行う。しかし、昇降圧が少ない領域、例えば、入力電圧と出力電圧比が少ない時にはＰＷＭ制御によるパルス幅は狭くなる。この時、負荷電流が少ない軽負荷状態ではパルス幅はより狭い値となる。部分共振回路方式では、前述のとおり、共振部分は制御を行うことができない。

本発明では、パルス幅が狭くなり部分共振動作を行う為に必要とする最小限のパルス幅を検出し、その限界値よりも狭いパルス幅で動作させるには、従来のハードスイッチングを補助スイッチを用いて行う。

降圧動作時には、通常の動作範囲の場合、第１の主トランジスタ４によるオン、オフ動作で制御を行っている。降圧動作時には第１の主トランジスタ４が単独で動作している。動作内容は通常の部分共振降圧チョッパ動作と同じとなる。具体的な動作としては、ソフトスイッチングを行うために、第１の補助トランジスタ２が第１の主トランジスタ４のコレクタとエミッタ間に接続されている第１の共振コンデンサ５による部分共振を行いソフトスイッチングを行っている。第１の主トランジスタ４をオンする時、共振コンデンサ５に蓄えられた電荷を第１の補助トランジスタ２をオンさせ第１の共振リアクトル３と第１共振コンデンサ５による共振を行い、共振コンデンサの電荷が零になった時点で前記第１の主トランジスタ４をオンさせて零電圧スイッチングを行う。

第１の主トランジスタ４がオフする時には第１の共振コンデンサ５の電荷が零のため、第１の主トランジスタ４に流れるコレクタ電流は第１の共振コンデンサ５へ流れ、零電圧スイッチングとなる。

パルス幅が狭くなり部分共振動作を行う為に必要とする最小限のパルス幅に達すると第１のトランジスタ４は動作を停止し、その限界値よりも狭いパルス幅で動作させる時は、第１の補助トランジスタ２によるハードスイッチング動作とする。この時、第一の共振リアクトル３とフィルタリアクトル７の直列動作となり、各リアクトルに蓄えられたエネルギーはフィルタコンデンサ１３に流れる動作となる。

昇圧動作時には第２の主トランジスタ８によるオン、オフ動作で制御を行っている。しかし、昇圧動作時には第２の主トランジスタ８単独ではなく、第１の主トランジスタ４も動作している。つまり、第２の主トランジスタ８がオンする時、フィルタリアクトル７へは第１の主トランジスタ４がオンで、第２の主ダイオード１２を通して電流は流れている。このとき、第２の主トランジスタ８がオンするとスイッチング損失が発生する。

ソフトスイッチングを行うために、第２の主トランジスタ８がオンする直前に、この第１の主トランジスタ４をオフさせる。第１の共振コンデンサ５の電荷が零のため、第１の主トランジスタ４に流れるコレクタ電流は第１の共振コンデンサ５へ流れ、第１の主トランジスタ４は零電圧スイッチングとなる。その時、フィルタリアクトル７の電流が一旦、零となる。その後、第１の補助トランジスタ２と第２の補助トランジスタ１１がオンし、第１の主トランジスタ４と第２の主トランジスタ８の各々に接続されている第１の共振コンデンサ５と第２の共振コンデンサ９に蓄えられた電荷は第１の共振リアクトル３と第２共振リアクトル１０による共振をおのおのが行い、第１の共振コンデンサ３と第２の共振コンデンサ９の電荷が零になった時点で、前記第１の主トランジスタ４と第２の主トランジスタ８をオンさせて零電圧スイッチングを行う。

昇圧動作時に、パルス幅が狭くなり部分共振動作を行う為に必要とする最小限のパルス幅に達すると、第２のトランジスタ８は動作を停止し、その限界値よりも狭いパルス幅で動作させる時は、第２の補助トランジスタ１１によるハードスイッチング動作とする。この時、第２の共振リアクトル１０とフィルタリアクトル７の直列動作となり、各リアクトルに蓄えられたエネルギーはフィルタコンデンサ１３ヘ流れる動作となる。このように、軽負荷電流領域では、昇降圧チョッパ回路は補助スイッチを利用したハードスッチング動作を行っている。

以上の動作説明で明らかなように、本発明では、パルス幅が狭くなる軽負荷領域では共振動作が無くなる。また、補助のトランジスタはハードスイッチング動作を行っており、負荷電流が少なくなっている状態でのスイッチングの為、部分共振で行う場合よりも、電流が小さくすることが可能でスイッチング損失を低減することが可能となる。

以上、本発明による昇降圧チョッパ回路の好適実施例の構成及び動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明による昇降圧チョッパ回路の一実施例を示す回路図である。図１に示す昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための各部信号のタイミングチャートである。図１に示す昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための各部信号のタイミングチャートである。従来の部分共振降圧チョッパ回路図である。図４に示す部分共振降圧チョッパ回路の動作タイムチャートが示されている。図４に示す部分共振降圧チョッパ回路のパルス幅制御範囲と端部共振の関係を示す図である。従来の部分共振降圧チョッパ回路の一例を示す図である。図７に示す部分共振降圧チョッパ回路の動作タイムチャートである。

符号の説明

１直流入力電圧
２第１の補助トランジスタ
４第１の主トランジスタ
８第２の主トランジスタ
１１第２の補助トランジスタ
３、１０共振リアクトル
５、９共振コンデンサ
６第１の主ダイオード
１２第２の主ダイオード
７フィルタリアクトル
１３フィルタコンデンサ
１４負荷（抵抗）
１５第１の補助ダイオード
１６第２の補助ダイオード
１７第１の逆導通ダイオード
１８第２の逆導通ダイオード

Claims

直流入力電圧に第１の主トランジスタと第１の主ダイオードの直列回路及び第１の補助トランジスタと第１の補助ダイオードの直列回路が並列接続され、前記第１の主トランジスタと第１の主ダイオードの直列回路の接続点と、前記第１の補助トランジスタと第１の補助ダイオードの直列回路の接続点との間に第１の共振リアクトルが接続され、前記第１の主トランジスタのコレクタとエミッタ間には第１の共振コンデンサと第１の逆導通ダイオードが接続され、
負荷に並列接続されているフィルタコンデンサには、第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路及び第２の補助ダイオードと第２の補助トランジスタの直列回路が並列接続され、前記第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路の接続点と、前記第２の補助ダイオードと第２の補助トランジスタの直列回路の接続点との間に第２の共振リアクトルが接続され、前記第２の主トランジスタのコレクタとエミッタ間には第２の共振コンデンサと第２の逆導通ダイオードが接続され、
前記第１の主トランジスタと第１の主ダイオードの直列回路の接続点と前記第２の主ダイオードと第２の主トランジスタの直列回路の接続点との間にフィルタリアクトルが接続され、
軽負荷電流領域以外では、前記第１の主トランジスタと第２の主トランジスタのオフ動作時に前記第１の共振コンデンサと前記第２の共振コンデンサにそれぞれのトランジスタのコレクタ電流を流してソフトスイッチングを行わせ、
軽負荷電流領域では、降圧動作時には、前記第１の主トランジスタの動作を停止し、前記第１の補助トランジスタによるオン、オフによるハードスイッチングで降圧動作させ、昇圧動作時には、前記第２の主トランジスタの動作を停止し、前記第２の補助トランジスタによるオン、オフによるハードスイッチングで昇圧動作させる
ことを特徴とする昇降圧チョッパ回路。
軽負荷電流領域以外では、降圧動作時には、前記第１の共振コンデンサに蓄えられた電荷を、前記第１の補助トランジスタをオンさせて放出し、前記第１の共振コンデンサの電荷が零になった時点で前記第１の主トランジスタをオンさせることにより零電圧スイッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の昇降圧チョッパ回路。
軽負荷電流領域以外では、昇圧動作時の前記フィルタコンデンサへ流れている電流を前記第１の主トランジスタで一旦零電圧スイッチングでオフさせ、前記第１の主トランジスタと前記第２の主トランジスタをオン動作させる直前に、前記第１の補助トランジスタと前記第２の補助トランジスタをオンさせて前記第１の共振コンデンサと前記第２の共振コンデンサの電荷を零にして、前記第１の主トランジスタと前記第２の主トランジスタをオン動作させて零電圧、零電流スイッチングとすることを特徴とする請求項１に記載の昇降圧チョッパ回路。