JP4819902B2 - Dc/dc電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、この発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置を図について説明する。図1、図2はこの発明の実施の形態1によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図1は主要部を示し、図2はゲート信号生成部を示す。
図1に示すように、DC/DC電力変換装置は、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する機能を有する。
DC/DC電力変換装置の主回路部は、入出力電圧V1、V2を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能する平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4と、複数のMOSFETとを備え、低圧側スイッチ、高圧側スイッチとしての2つのMOSFET(Mos1L、Mos1H)(Mos2L、Mos2H)(Mos3L、Mos3H)(Mos4L、Mos4H)を直列接続して各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の両端子間に接続した回路A1、A2、A3、A4を直列接続して構成される。そして、各回路A1、A2、A3、A4内の2つのMOSFETの接続点を中間端子として、隣接する該各回路A1、A2、A3、A4の中間端子間に、コンデンサCr12、Cr23、Cr34およびインダクタLr12、Lr23、Lr34の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するLC直列回路を接続する。
なお、各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。
Mos1Lのソース端子は電圧端子Vcomに、ドレイン端子はMos1Hのソース端子に、Mos1Hのドレイン端子は電圧端子VLに接続されている。Mos2Lのソース端子は平滑コンデンサCs2の低電圧側の端子に、Mos2Lのドレイン端子はMos2Hのソース端子に、Mos2Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs2の高電圧側の端子に接続されている。Mos3Lのソース端子は平滑コンデンサCs3の低電圧側の端子に、Mos3Lのドレイン端子はMos3Hのソース端子に、Mos3Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs3の高電圧側の端子に接続されている。Mos4Lのソース端子は平滑コンデンサCs4の低電圧側の端子に、Mos4Lのドレイン端子はMos4Hのソース端子に、Mos4Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs4の高電圧側の端子に接続されている。
電源Vs1、Vs2、Vs3、Vs4は、それぞれMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラを駆動するために備えられた電源である。
図2に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、ゲート信号生成部となる制御回路13にて生成される。制御回路13には、駆動用インバータ回路A1を駆動するための駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Bと、整流回路A2、A3、A4を駆動するための整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Aを有している。この場合、マイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、LC直列回路のコンデンサCr12、Cr23、Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。
図3に示すように、駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lは、LrとCrによるLC直列回路にて定まる共振周期よりもやや大きな周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号である。なお、tは共振周期の1/2の期間を示し、1a、1bは駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lのパルス(以下、駆動用パルスと称す)である。
整流回路A2、A3、A4内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate2H、Gate3H、Gate4H、および低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate2L、Gate3L、Gate4Lは、駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lの各駆動用パルス1a、1bの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生されるパルス(以下、整流用パルス2a、2bと称す)から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス2a、2bは、駆動用パルス1a、1bと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早いものとする。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Mos1H⇒Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2
Mos1H⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2
Mos1H⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2
また、整流回路A2〜A4のMOSFETは、駆動用インバータ回路A1のMOSFETと同時にオン状態とし、期間tの範囲内で駆動用インバータ回路A1のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路A2〜A4のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間tと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また、制御回路13に、駆動用ゲート信号生成部130Bと整流用ゲート信号生成部130Aとを有して、駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路A2〜A4のMOSFETを駆動用インバータ回路A1のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が確実に実現できる。
この場合、整流回路A2〜A4のMOSFETは、駆動用インバータ回路A1のMOSFETと同時にオン状態となり、共振周期の1/2の期間tを過ぎてもオン状態を継続するため、電流の逆流が発生する。電流の逆流が発生すると、エネルギの移行量が減少するだけではなく、所望の電力を得るためにはより多くの電流を流す必要があり、損失が増大し電力変換効率が悪化する。
上記実施の形態1では、電圧V1を、約4倍の電圧V2に昇圧する昇圧形のDC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は図1で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A3を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13aは、上記実施の形態1とは異なり、図5に示す。
図5に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、制御回路13aにて生成される。制御回路13aには、駆動用インバータ回路A4を駆動するための駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Bと、整流回路A1、A2、A3を駆動するための整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Aを有している。なお、この実施の形態においてもマイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。
このため、この実施の形態では、ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hを、整流用ゲート信号生成部130Aにて、ゲート信号Gate1L、Gate1Hと同様に整流用ゲート信号として生成し、回路A2、A3も整流回路と称する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、LC直列回路のコンデンサCr12、Cr23、Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力するため、電圧端子VL−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hと、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hと、Mos1L、Mos1Hのソースからドレインに流れる電流、Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3Hのドレインからソースに流れる電流、Mos4L、Mos4Hのドレインからソースに流れる電流とを図6に示す。なお、MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオンする。
整流回路A1、A2、A3内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1H、Gate2H、Gate3H、および低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1L、Gate2L、Gate3Lは、駆動用ゲート信号Gate4H、Gate4Lの各駆動用パルス1d、1eの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生されるパルス(以下、整流用パルス2d、2eと称す)から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス2d、2eは、駆動用パルス1d、1eと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早いものとする。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
整流回路A1〜A3のMos1H、Mos2H、Mos3Hがオフすると、Mos1H、Mos2H、Mos3HではMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れ、エネルギの移行経路が以下に示すように変わるが、Cs2、Cs3、Cs4のエネルギは引き続きCr12、Cr23、Cr34に移行する。そして、LC直列回路の共振周期の1/2の期間tで電流が流れた後、電流が遮断される。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Mos2H
Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3H
Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L
整流回路A1〜A3のMos1L、Mos2L、Mos3Lがオフすると、Mos1L、Mos2L、Mos3LではMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れ、エネルギの移行経路が以下に示すように変わるが、Cr12、Cr23、Cr34のエネルギは引き続きCs1、Cs2、Cs3に移行する。そして、LC直列回路の共振周期の1/2の期間tで電流が流れた後、電流が遮断される。
Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos2L
Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Mos3L
また、整流回路A1〜A3のMOSFETは、駆動用インバータ回路A4のMOSFETと同時にオン状態とし、期間tの範囲内で駆動用インバータ回路A4のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路A1〜A3のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間tと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また、制御回路13aに、駆動用ゲート信号生成部130Bと整流用ゲート信号生成部130Aとを有して、駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hと整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路A1〜A3のMOSFETを駆動用インバータ回路A4のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が確実に実現できる。
上記実施の形態1ではV1⇒V2の昇圧形DC/DC電力変換装置について示し、上記実施の形態2ではV2⇒V1の降圧形DC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態1、2の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は、上記実施の形態1、2と同様に図1で示す回路構成のもので、この場合、昇圧時には回路A1を駆動用インバータ回路に、回路A2、A3、A4を整流回路に用い、降圧時には回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A3を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13bは、上記実施の形態1、2とは異なり、図7に示す。
このように制御される昇降圧形のDC/DC電力変換装置では、上記実施の形態1、2と同様の効果が得られると共に、1つの回路で双方向のエネルギ移行を実現でき広く利用できる。
次に、この発明の実施の形態4による昇圧形のDC/DC電力変換装置を図について説明する。図8、図9はこの発明の実施の形態4によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示す図であり、特に図8は主要部を示し、図9はゲート信号生成部を示す。
図8に示すように、上記実施の形態1の場合と同様に、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力するもので、図1で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT2、CT3、CT4を備える。
電流センサCT2は、Mos2LとMos2Hの接続点とLr12、Cr12のLC直列回路との間の配線に配置されて、Mos2LとMos2Hの接続点からの電流を検出する。電流センサCT3は、Mos3LとMos3Hの接続点とLr23、Cr23のLC直列回路との間の配線に配置されて、Mos3LとMos3Hの接続点からの電流を検出する。電流センサCT4は、Mos4LとMos4Hの接続点とLr34、Cr34のLC直列回路との間の配線に配置されて、Mos4LとMos4Hの接続点からの電流を検出する。
図9に示すように、ゲート信号生成部では、駆動用インバータ回路A1を駆動するための駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hが制御回路13cにて生成される。また、整流用ゲート信号Gate2Lは、電流センサCT2の出力信号CT2sigと閾値電圧VtLとを入力としてコンパレータCP2Lにより生成され、Gate2HはCT2sigと閾値電圧VtHとを入力としてコンパレータCP2Hにより生成される。整流用ゲート信号Gate3Lは、電流センサCT3の出力信号CT3sigと閾値電圧VtLとを入力としてコンパレータCP3Lにより生成され、Gate3HはCT3sigと閾値電圧VtHとを入力としてコンパレータCP3Hにより生成される。整流用ゲート信号Gate4Lは、電流センサCT4の出力信号CT4sigと閾値電圧VtLとを入力としてコンパレータCP4Lにより生成され、Gate4HはCT4sigと閾値電圧VtHとを入力としてコンパレータCP4Hにより生成される。なお、各電流センサCT2、CT3、CT4の出力信号CT2sig、CT3sig、CT4sigは、ゼロアンペアの電圧をVrefとした電圧信号となっている。また、Vccは制御電源電圧である。
図10に示すように、駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hは、LrとCrによるLC直列回路にて定まる共振周期2tよりもやや大きな周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号である。なお、1g、1fは駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hのパルス(以下、駆動用パルスと称す)である。整流用ゲート信号Gate2L、Gate2Hは、電流センサCT2の出力信号CT2sigを閾値電圧VtL、VtHと比較して生成される。即ち、Mos2LとMos2Hの接続点からの電流が正方向に流れるとき整流用パルス2gを発生させてMos2Lをオンさせ、電流が負方向に流れるとき整流用パルス2fを発生させてMos2Hをオンさせる。これにより、各Mos2L、Mos2Hは寄生ダイオードが導通する期間でオンすることになる。
なお、閾値電圧VtL、VtHを適切に設定することで、整流用パルス2f、2gをMOSFETの導通期間tと概一致させることができ、導通損失を最小にできる。
この実施の形態5では、上記実施の形態2と同様に、電圧V2から約1/4倍の電圧V1に降圧する降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部を図11に示し、ゲート信号生成部を図12に示す。
図11に示すように、図1で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT1、CT2、CT3を備える。この場合、回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A3を整流回路に用い、電流センサCT1、CT2、CT3は整流回路A1〜A3の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出する。
また、整流用ゲート信号Gate1Lは、電流センサCT1の出力信号CT1sigと閾値電圧VtLとを入力としてコンパレータCP1Lにより生成され、Gate1HはCT1sigと閾値電圧VtHとを入力としてコンパレータCP1Hにより生成される。整流用ゲート信号Gate2L、Gate3Lは、電流センサCT2、CT3の出力信号CT2sig、CT3sigと整流回路オン信号GateL*とに基づいてコンパレータCP2L、CP3Lにより生成され、Gate2H、Gate3HはCT2sig、CT3sigとGateH*とに基づいてコンパレータCP2H、CP3Hにより生成される。なお、各電流センサCT1、CT2、CT3の出力信号CT1sig、CT2sig、CT3sigは、ゼロアンペアの電圧をVrefとした電圧信号となっている。
図13に示すように、駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hは、LrとCrによるLC直列回路にて定まる共振周期2tよりもやや大きな周期でデューティー約50%のオンオフ信号である。なお、1i、1hは駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hのパルス(以下、駆動用パルスと称す)である。
整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hは、電流センサCT1の出力信号CT1sigを閾値電圧VtL、VtHと比較して生成される。即ち、Mos1LとMos1Hの接続点からの電流が正方向に流れるとき整流用パルス2iaを発生させてMos1Lをオンさせ、電流が負方向に流れるとき整流用パルス2haを発生させてMos1Hをオンさせる。これにより、各Mos1L、Mos1Hは寄生ダイオードが導通する期間でオンすることになる。
なお、閾値電圧VtL、VtHを適切に設定することで、整流用パルス2ha、2iaをMOSFETの導通期間tと概一致させることができ、また、電流センサCT2の出力信号の比較に用いる電圧2A、2Bを適切に設定することで、整流用パルス2hb、2ibをMOSFETの導通期間tと概一致させることができ、導通損失をさらに低減できる。
上記実施の形態4ではV1⇒V2の昇圧形DC/DC電力変換装置について示し、上記実施の形態5ではV2⇒V1の降圧形DC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態4、5の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部を図14に示し、ゲート信号生成部を図15に示す。図14に示すように、図1で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT1、CT2、CT3、CT4を備える。電流センサCT1、CT2、CT3、CT4は、回路A1〜A4の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出して信号CT1sig、CT2sig、CT3sig、CT4sigを出力する。この場合、昇圧時には回路A1を駆動用インバータ回路に、回路A2、A3、A4を整流回路に用い、降圧時には回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A3を整流回路に用いる。
昇圧動作時の整流用ゲート信号Gate2Lu、Gate2Hu、Gate3Lu、Gate3Hu、Gate4Lu、Gate4Huは、上記実施の形態4と同様の回路ブロックで形成され、ゲート信号切り替え部14に入力される。降圧動作時の整流用ゲート信号Gate1Ld、Gate1Hd、Gate2Ld、Gate2Hd、Gate3Ld、Gate3Hdは、上記実施の形態5と同様の回路ブロックで形成され、ゲート信号切り替え部14に入力される。
制御回路13eは、入力された各端子電圧によりV1、V2(V1:VL−Vcom、V2:VH-Vcom)を求め、V1×4>V2の場合、昇圧モードと認識し、V1×4<V2の場合、降圧モードと認識して切替信号TFをゲート信号切り替え部14に出力し、ゲート信号切り替え部14では、切替信号TFに基づいて昇圧動作時と降圧動作時のゲート信号を切り替える。
上記実施の形態4〜6では、各回路A1〜A4の中間端子(高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点)からの出力電流を検出し、検出電流に応じて整流用ゲート信号を生成したが、LrとCrのLC直列回路を流れる電流を検出しても良い。この実施の形態では、エネルギ移行用コンデンサCrに流れる電流を検出する。
LrとCrの各LC直列回路は、隣接する回路A1〜A4の中間端子間に接続され共振周波数を合わせているため、各コンデンサCrに流れる電流と上記実施の形態4〜6での検出電流とは、振幅値は異なるが位相はほぼ一致している。このため、各コンデンサCrに流れる電流を検出し、この検出電流に応じて上記実施の形態4〜6と同様に整流用ゲート信号を生成することができる。
図に示すように、コンデンサCrn(n+1)の回路A(n+1)側の電圧を分圧して取り出した電圧V(n+1)と、回路An側の電圧を分圧して取り出した電圧Vnの差電圧を微分することにより、コンデンサCrn(n+1)に流れる電流を検出する。検出された電流信号は、信号CT(n+1)sigとして出力される。
このように出力されるCT(n+1)sigは、上記実施の形態4〜6での電流センサCT1〜CT4の出力信号とは、ゼロ電流の電圧Vrefと振幅値が異なるものであるが、ゲイン調整およびオフセット調整をして用いることで上記実施の形態4〜6と同様に整流用ゲート信号を生成することができ、同様の効果が得られる。
上記実施の形態7では、コンデンサCrに流れる電流を検出したが、インダクタLrに流れる電流を検出しても良い。なお、コンデンサCrの電流とインダクタLrの電流は同じである。
図17は、この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の部分回路図で、隣接する回路An、A(n+1)の中間端子間に接続されたインダクタLrn(n+1)に流れる電流を検出するための回路を示す。
図に示すように、インダクタLrn(n+1)の回路A(n+1)側の電圧を分圧して取り出した電圧V(n+1)と、回路An側の電圧を分圧して取り出した電圧Vnの差電圧を積分することにより、インダクタLrn(n+1)に流れる電流を検出する。検出された電流信号は、信号CT(n+1)sigとして出力される。そして、上記実施の形態7と同様に整流用ゲート信号を生成することができ、同様の効果が得られる。
これまで入出力電圧(V1、V2)が、非絶縁のタイプの実施の形態について述べてきた。ここでは、トランスを備えて入出力電圧が絶縁されているDC/DC電力変換装置について示す。
図18、図19はこの発明の実施の形態9によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図18は主要部を示し、図19はゲート信号生成部を示す。
図18に示すように、DC/DC電力変換装置は、電圧端子VLとVcom0間に入力された電圧V1を、約8倍に昇圧された電圧V2にして、基準電圧レベルが異なる電圧端子VHとVcom間に出力する機能を有する。
図18に示すように、第1の回路としての駆動用インバータ回路B0と第2の回路としての整流回路B1〜B4とを備え、駆動用インバータ回路B0と整流回路B1とは、1:1の巻き線比のトランスTrを介して接続される。
トランスTrの1次巻線の一端は、Mos0AHのソース端子とMos0ALのドレイン端子の接続点に結合され、他端は、Mos0BHのソース端子とMos0BLのドレイン端子の接続点に結合されている。Mos0AHとMos0BHのドレイン端子は電圧端子VLに接続され、Mos0ALとMos0BLのソース端子は電圧端子Vcom0に接続されている。電圧端子VL−Vcom0間には、平滑コンデンサCs0が配置されている。
整流回路B1〜B4は上記実施の形態1の回路A1〜A4の構成と同様であり、隣接する整流回路B1〜B4の中間端子間に、LrとCrのLC直列回路が接続される。また、整流回路B1の中間端子(Mos1HとMos1Lの接続点)には、インダクタLr01とコンデンサCr01のLC直列回路の一端が接続され、このLC直列回路の他端はトランスTrの2次巻線の一端に接続される。これにより各LC直列回路とトランスTrの2次巻線は直列に接続される。また、トランスTrの2次巻線の他端は電圧端子Vcomに接続される。
なお、各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定される。
制御回路13fには、駆動用インバータ回路B0を駆動するための駆動用ゲート信号Gate0AL、Gate0AH、Gate0BL、Gate0BHを生成する駆動用ゲート信号生成部130Bと、整流回路B1〜B4を駆動するための整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Aとを有している。
平滑コンデンサCs0〜Cs4の容量値は、LC直列回路のコンデンサCr01〜Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom0間に入力された電圧V1を、約8倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧V2は8×V1よりも低い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate0AL、Gate0AH、Gate0BL、Gate0BHと、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと、整流回路B1〜B4内のMos1L、Mos1H、Mos2L、Mos2H、Mos3L、Mos3H、Mos4L、Mos4Hのソースからドレインに流れる電流を図20に示す。なお、MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオン、ロウ電圧でオフする。
整流回路B1〜B4内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1H〜Gate4H、および低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1L〜Gate4Lは、駆動用ゲート信号(Gate0AH、Gate0BL)(Gate0AL、Gate0BH)の各駆動用パルス1j、1kの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生されるパルス(以下、整流用パルス2j、2kと称す)から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス2j、2kは、駆動用パルス1j、1kと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間早いものとする。
Vcom⇒Mos1L⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Tr⇒Cr01⇒Lr01⇒Mos1H⇒Cs1
Tr⇒Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Cs1
Tr⇒Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1
Tr⇒Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1
また、制御回路13fに、駆動用ゲート信号生成部130Bと整流用ゲート信号生成部130Aとを有して、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する様にしたため、整流回路B1〜B4のMOSFETを駆動用インバータ回路B0のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が確実に実現できる。
上記実施の形態9では、電圧V1を、約8倍の電圧V2に昇圧する昇圧形のDC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は図18で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路B4を駆動用インバータ回路に、回路B0、B1、B2、B3を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13gは、上記実施の形態9とは異なり、図21に示す。
図21に示すように、制御回路13gには、駆動用インバータ回路B4を駆動するための駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Bと、整流回路B0〜B3を駆動するための整流用ゲート信号Gate0AL、Gate0AH、Gate0BL、Gate0BH、Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Aとを有している。
このため、この実施の形態では、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3Hを、整流用ゲート信号生成部130Aにて、ゲート信号Gate0AL、Gate0AH、Gate0BL、Gate0BHと同様に整流用ゲート信号として生成し、回路B1〜B3も整流回路と称する。
平滑コンデンサCs0〜Cs4の容量値は、LC直列回路のコンデンサCr01〜Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/8倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom0間に出力するため、電圧V2は8×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4Hと、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate0AL、Gate0AH、Gate0BL、Gate0BHと、Mos1H、Mos2H、Mos3Hのドレインからソースに流れる電流と、Mos0AH、Mos0BLのソースからドレインに流れる電流と、Mos1L、Mos2L、Mos3Lのドレインからソースに流れる電流と、Mos0AL、Mos0BHのソースからドレインに流れる電流とを図22に示す。
整流回路B0〜B3内の整流用ゲート信号Gate1H〜Gate3H、Gate0AH、Gate0BLおよび整流用ゲート信号Gate1L〜Gate3L、Gate0AL、Gate0BHは、各駆動用パルス1l、1mの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生されるパルス(以下、整流用パルス2l、2mと称す)から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス2l、2mは、駆動用パルス1l、1mと立ち上がりタイミングが一致すると共に、パルス幅を期間tと概一致させるものとする。
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
Cs1⇒Mos1H⇒Lr01⇒Cr01⇒Tr
このように流れる電流により、トランスTrの1次巻線の正電圧方向に電圧が発生し、以下の経路で平滑コンデンサCs0にエネルギが移行する。
Tr⇒Mos0AH⇒Cs0⇒Mos0BL
Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Tr
Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Tr
Cr01⇒Lr01⇒Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Tr
Cr01⇒Lr01⇒Mos1L⇒Tr
このように流れる電流により、トランスTrの1次巻線の負電圧の方向に電圧が発生し、以下の経路で平滑コンデンサCs0にエネルギが移行する。
Tr⇒Mos0BH⇒Cs0⇒Mos0AL
また、制御回路13gに、駆動用ゲート信号生成部130Bと整流用ゲート信号生成部130Aとを有して、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する様にしたため、整流回路B0〜B3のMOSFETを駆動用インバータ回路B4のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が確実に実現できる。
上記実施の形態9ではV1⇒V2の昇圧形DC/DC電力変換装置について示し、上記実施の形態10ではV2⇒V1の降圧形DC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態9、10の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は、上記実施の形態9、10と同様に図18で示す回路構成のもので、この場合、昇圧時には回路B0を駆動用インバータ回路に、回路B1〜B4を整流回路に用い、降圧時には回路B4を駆動用インバータ回路に、回路B0〜B3を整流回路に用いる。
この実施の形態では、上記実施の形態9〜11の回路構成とは異なる回路構成で、トランスを備えて入出力電圧が絶縁されているDC/DC電力変換装置について示す。
図23はこの発明の実施の形態12によるDC/DC電力変換装置の回路構成の一部で、トランスTrとトランスTrの1次巻線側の回路B0aとを示す。その他の部分、即ちトランスTrの2次巻線側は上記実施の形態9の図18で示したものと同様である。
図23に示すように、トランスTrの1次側には、第1巻き線と第2巻き線との2個の巻線が巻かれ、第1巻き線の巻き始めの第1端子と、第1巻き線の巻き終わりと第2巻き線の巻き始めが接続された第2端子と、第2巻き線の巻き終わりの第3端子を有している。2次巻き線も含めて、3個の各巻き線のターン数は同じとなっている。また、回路B0aは、平滑コンデンサCs0と2個のMOSFET(Mos0AL、Mos0BL)とで構成される。
動作について以下に説明する。
このDC/DC電力変換装置を用いて昇圧する際には、回路B0aを駆動用インバータ回路に、回路B1〜B4を整流回路に用い、降圧時には回路B4を駆動用インバータ回路に、回路B0a、B1〜B3を整流回路に用いる。
昇圧動作時において、Mos0BLをオンすることにより、トランスTrの2次側の正電圧方向に電圧V1を発生させ、Mos0ALをオンすることにより、2次側の負電圧方向に電圧V1を発生させる。その他の動作は実施の形態9と同様である。降圧動作時において、2次側に負電圧が発生したときTr⇒Cs0⇒Mos0BLの経路でCs0を充電し、2次側に正電圧が発生したときTr⇒Cs0⇒Mos0ALの経路でCs0を充電する。その他の動作は実施の形態10と同様である。
また、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する。これにより整流回路のMOSFETを駆動用インバータ回路のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が確実に実現できる。
次に、この発明の実施の形態13によるDC/DC電力変換装置を説明する。図24、図25はこの発明の実施の形態13によるDC/DC電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図24は主要部を示し、図25はゲート信号生成部を示す。図24に示すように、DC/DC電力変換装置は、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する機能を有する。この実施の形態13では、図1にて示した上記実施の形態1における回路A1〜A4と同様の回路を用い、電圧端子の接続構成のみ異なるものである。即ち、低電圧側の正極電圧端子VLは平滑コンデンサCs3とCs4の接続点に接続され、接地された低電圧側の負極電圧端子Vcomは平滑コンデンサCs2とCs3の接続点に接続されている。また、高電圧側の正極電圧端子VHhは平滑コンデンサCs4の高電圧側端子に接続され、高電圧側の負極電圧端子VHlは平滑コンデンサCs1の低電圧側端子に接続されている。
図25に示すように、ゲート信号生成部となる制御回路13hは、駆動用ゲート信号生成部130Bと整流用ゲート信号生成部130Aとを備える。そして、駆動用インバータ回路A3を駆動するための駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3Hは、駆動用ゲート信号生成部130Bで生成され、整流回路A1、A2、A4を駆動するための整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hは、整流用ゲート信号生成部130Aで生成されている。
電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHh−VHl間に出力するため、電圧端子VHh−VHl間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs3には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。
駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3Hは、上記実施の形態1における駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと同様に、LrとCrによるLC直列回路にて定まる共振周期2tよりもやや大きな周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号である。また、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hの各パルスは、上記実施の形態1における整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと同様に、駆動用ゲート信号の各パルスと立ち上がりが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早くなっている(図3参照)。
Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3L
Cr23⇒Lr23⇒Mos3L⇒Cs2⇒Mos2L
Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Mos3H
Cs3⇒Mos3H⇒Lr23⇒Cr23⇒Mos2H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H
I12r:I23r:I34r=3:2:1
I12:I23:I34=1:2:1
I12=I34=I34r
となる。
このように、入力用電圧端子となる電圧端子VL、Vcomを他の回路に挟まれた中間に位置する回路A3の平滑コンデンサCs3の両端子に接続することで、LC直列回路Lr12Cr12を流れる電流値I12を上記実施の形態1の場合と比べて1/3に低減することができる。このため、エネルギ移行用のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低下させ、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。
また、整流回路A1、A2、A4のMOSFETは、駆動用インバータ回路A3のMOSFETと同時にオン状態とし、期間tの範囲内で駆動用インバータ回路A1のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路A1、A2、A4のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間tと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また整流用ゲート信号のパルスを、駆動用ゲート信号のパルスの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生させるため、LC直列回路の共振周期の1/2の期間tで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、LC直列回路の共振現象を効果的に利用でき、しかもMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いDC/DC電力変換装置が実現できる。
実施の形態13では、電圧V1を約4倍の電圧V2に昇圧昇圧形のDC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は図24で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A3を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路は、上記実施の形態2の図5で示したものと同様である。なお、この場合、平滑コンデンサCs3の両端子に接続される電圧端子VL、Vcomは、平滑コンデンサCs3の端子間から電圧V1を出力する出力用端子となり、負荷が接続される。
このため、この実施の形態では、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2Hを、整流用ゲート信号生成部130Aにて、ゲート信号Gate3L、Gate3Hと同様に整流用ゲート信号として生成し、回路A1、A2も整流回路と称する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、LC直列回路のコンデンサCr12、Cr23、Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VHh−VHl間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力するため、電圧端子VL−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate4H、Gate4Lは、LrとCrによるLC直列回路にて定まる共振周期2tよりもやや大きな周期Tでデューティー約50%のオンオフ信号である。
整流回路A1、A2、A3内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1H、Gate2H、Gate3H、および低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1L、Gate2L、Gate3Lは、駆動用ゲート信号Gate4H、Gate4Lの立ち上がりタイミングから期間tの範囲内で発生されるパルスから成るオンオフ信号である。ここでは、整流用ゲート信号の各パルスは、駆動用ゲート信号の各パルスと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早いか、あるいはパルス幅を時間tとほぼ同じにしている。
高圧側MOSFETへのゲート信号により各回路A4、A1〜A3の高圧側MOSFETであるMos4H、Mos1H、Mos2H、Mos3Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs4に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr34に、コンデンサCr12、Cr23に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs2、Cs3に、以下に示す経路で移行する。
Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3H
Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Mos2H
Cr12⇒Lr12⇒Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Mos3L
Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Mos2L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
なお、この実施の形態14においても、上記実施の形態5、7、8のように流れる電流を検出して整流回路A1〜A3のゲート信号を形成してもよい。
上記実施の形態13ではV1⇒V2の昇圧形DC/DC電力変換装置について示し、上記実施の形態14ではV2⇒V1の降圧形DC/DC電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態13、14の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のDC/DC電力変換装置について示す。
この実施の形態によるDC/DC電力変換装置の回路構成の主要部は、上記実施の形態13、14と同様に図24で示す回路構成のもので、この場合、昇圧時には回路A3を駆動用インバータ回路に、回路A1、A2、A4を整流回路に用い、降圧時には回路A4を駆動用インバータ回路に、回路A1〜A3を整流回路に用いる。
次に、この発明の実施の形態16によるDC/DC電力変換装置を説明する。図26は、この発明の実施の形態16によるDC/DC電力変換装置の主要部の回路構成を示す。
この実施の形態16では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約4倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力するとともに、約2倍に昇圧された電圧V3にして電圧端子VMとVcom間に出力する機能を有する昇圧形のDC/DC電力変換装置について示す。この場合、入力端子、出力端子との組み合わせは、VL−Vcom、VH−VcomとVL−Vcom、VM−Vcomとの2組である。
この実施の形態は、上記実施の形態1と同様の昇圧動作をするものであるが、電圧端子VMを備えたため、電圧V2に加えて電圧V3も出力することができる。
入出力端子の対は3組以上でも良く、このように入出力端子の対を複数組備えることにより、複数レベルの電圧に昇圧することができ、回路設計の自由度が向上する。
また、このように入出力端子の対を複数組備えることは、上記各実施の形態4〜15にも同様に適用することができ、各実施の形態と同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態は、整流回路の段数を変化させた、いろいろな電圧比のDC/DC電力変換装置へも、発明を適用できることは言うまでもない。
上記各実施の形態によるDC/DC電力変換装置を構成する複数の回路(A1〜A4、B0〜B4)において、回路内のMOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラ等を駆動するために備えられた電源Vsk(Vs0〜Vs4)について、以下に説明する。
図27は、電源Vskの回路構成を示す図である。各回路(A1〜A4、B0〜B4)の電源Vskは、各回路内の平滑コンデンサCs(k)(Cs0〜Cs4)に発生する電圧を入力電圧Vsi(k)として出力端子Vsh(k)−Com(k)間に出力電圧Vso(k)を生成する。
電圧Vso(k)とVsi(k)の基準電圧をCom(k)としている。平滑コンデンサCs(k)の高電圧側の端子は、p形のMOSFETM2のソース端子に接続され、MOSFETM2のドレイン端子はダイオードD1のカソード端子とチョークコイルL1の一方の端子とに接続されている。ダイオードD1のアノード端子は基準電圧Com(k)に接続され、チョークコイルL1の他方の端子はコンデンサC2の一方の端子に接続され、コンデンサC2の他方の端子は基準電圧Com(k)に接続されている。コンデンサCs(k)、コンデンサC2、MOSFETM2、ダイオードD1、チョークコイルL1で非絶縁降圧形のDC/DCコンバータ10を構成し、このDC/DCコンバータ10を介して入力電圧Vsi(k)は出力電圧Vso(k)に変換される。
クロック発生回路d1の出力は、抵抗R9とコンデンサC3とで構成する鋸波形成部を介して、コンパレータ回路d3の入力の一方に入力される。誤差増幅回路d2の入力の一方には、抵抗R2とツェナーダイオードZ2とで構成される目標電圧が入力され、入力の他方には、Vso(k)の測定電圧が抵抗R3とR4で分圧されて入力されている。また、誤差増幅回路d2の出力は、コンパレータ回路d3の入力の他方に入力され、その接続点は抵抗R5とR6の接続点に接続される。抵抗R5の他方の端子は電圧Vso(k)の出力端子Vsh(k)に接続され、抵抗R6の他方の端子は基準電圧Com(k)に接続される。
コンパレータ回路d3の出力端子は、n形のMOSFETM1のゲート端子に接続され、MOSFETM1のソース端子は基準電圧Com(k)に、ドレイン端子は抵抗R7の一方の端子に接続されている。抵抗R7の他方の端子は、MOSFETM2のゲート端子と抵抗R8の一方の端子とに接続されている。また、抵抗R8の他方の端子は、MOSFETM2のソース端子に接続されている。
一方、実施の形態1に示したような昇圧動作の場合、VL−Vcom間にエネルギ源が接続されて平滑コンデンサCs1に電圧が発生するが、それ以外の平滑コンデンサCs(k)は、動作開始時には電圧が発生していない状態である。しかし、平滑コンデンサCs1の電圧で電源Vs1が動作して、回路A1内のMOSFETがオンオフ動作することにより、回路A2〜A4のMOSFETの寄生ダイオードが動作し、エネルギが平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に移行する。この寄生ダイオードを用いた動作の電力変換効率は良いものではないが、各平滑コンデンサCs(k)にエネルギが移行するのに1秒も時間を要しない。このように、各平滑コンデンサCs(k)に電圧が発生し各電源Vskが動作する。
抵抗R1は、電力損失を抑えるため比較的大きな抵抗値にしているため、電源Vskの動作前における抵抗R1を介したエネルギ供給では、各回路内のMOSFETを動作させるのに十分ではない。電源Vskが動作開始すると、非絶縁形のDC/DCコンバータ10が動作して該DC/DCコンバータ10を介して電圧Vsi(k)から電圧Vso(k)に変換され、そのエネルギ量は、各回路内のMOSFETを動作させるのに十分である。
Claims (12)
- 制御電極によりオンオフ動作が制御される半導体スイッチング素子から成る高圧側スイッチおよび低圧側スイッチを直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続した回路を複数個直列に接続し、該各回路内の上記高圧側スイッチと上記低圧側スイッチとの接続点を中間端子として、隣接して直列接続される該各回路の中間端子間にそれぞれコンデンサおよびインダクタの直列体を配して接続し、
上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記各直列体のコンデンサの充放電により直流/直流変換を行うことを特徴とするDC/DC電力変換装置。 - トランスを備えて、上記複数の回路を該トランスの1次巻線に接続された第1の回路と該トランスの2次巻線に接続された第2の回路とで構成し、上記直列体は上記1次巻線あるいは上記2次巻線に直列に接続されることを特徴とする請求項1に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記複数の回路内の所定の回路の平滑コンデンサの正負端子に入出力用の電圧端子を接続し、上記所定の回路は、両側が上記複数の回路内の他の回路に接続されて中間に位置することを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記駆動用インバータ回路内の上記半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための駆動用ゲート信号を生成する駆動用ゲート信号生成手段と、上記整流回路内の上記半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための整流用ゲート信号を、上記駆動用ゲート信号とは別に生成する整流用ゲート信号生成手段とを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記各直列体のコンデンサ容量とインダクタンスとで決まる共振周期は等しく、
上記整流用ゲート信号は、上記駆動用ゲート信号の各パルスの立ち上がりタイミングから上記共振周期の1/2の期間の範囲内で発生されるパルスから成ることを特徴とする請求項4に記載のDC/DC電力変換装置。 - 上記整流用ゲート信号の各パルスは、上記駆動用ゲート信号のパルスと、立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間早いことを特徴とする請求項5に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記整流用ゲート信号の各パルスは、パルス幅が上記共振周期の1/2と該一致することを特徴とする請求項5または6に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記整流回路の上記中間端子の出力電流あるいは上記直列体を流れる電流を検出する電流検出手段を備え、上記整流用ゲート信号生成手段は、上記電流検出手段による検出電流に応じて上記整流用ゲート信号を生成することを特徴とする請求項5または6に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記電流検出手段は、上記直列体内の上記コンデンサあるいは上記インダクタの両端電圧を検出し、該検出電圧から上記直列体を流れる電流を検出することを特徴とする請求項8に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記平滑コンデンサの端子に接続される、該DC/DC電力変換装置の入出力用端子の対を複数組備えることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記各回路は、該回路を動作させるための電源を備え、該各電源は、上記各回路内の平滑コンデンサからDC/DCコンバータを介して電力供給することを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC電力変換装置。
- 上記各半導体スイッチング素子は、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードを有するパワーMOSFET、あるいはダイオードを逆並列に接続した半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のDC/DC電力変換装置。
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