JP4834865B2 - Bidirectional buck-boost chopper circuit - Google Patents

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Description

本発明は、双方向昇降圧チョッパ回路に関し、特に、スイッチング損失の低減に関する。   The present invention relates to a bidirectional buck-boost chopper circuit, and more particularly to reduction of switching loss.

燃料電池自動車等の電気自動車駆動用では100kWの出力レンジで動作する高効率で大電力のチョッパ回路が用いられる。従来、この電気自動車の分野では、ハードスイッチングによる変換器が使用されている。   For driving an electric vehicle such as a fuel cell vehicle, a high-efficiency, high-power chopper circuit that operates in an output range of 100 kW is used. Conventionally, hard switching converters are used in the field of electric vehicles.

従来、リアクトルを用いて、電圧の昇圧や降圧を行う昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路が知られている。このリアクトルを用いた昇圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力を出力することで昇圧を行う。また、降圧動作では、トランジスタ等のスイッチング素子を高速にオン・オフすることによってリアクトルに直流電力を蓄積し、この直流電力をダイオードを介して環流させることで降圧を行う。昇降圧チョッパ回路は、この昇圧チョッパ回路と降圧チョッパ回路とを組み合わせることで構成している。   Conventionally, a step-up chopper circuit and a step-down chopper circuit that perform voltage step-up and step-down using a reactor are known. In this step-up operation using a reactor, DC power is accumulated in the reactor by turning on and off switching elements such as transistors at high speed, and boosting is performed by outputting this DC power. In step-down operation, DC power is accumulated in the reactor by turning on and off switching elements such as transistors at high speed, and step-down is performed by circulating this DC power through a diode. The step-up / down chopper circuit is configured by combining the step-up chopper circuit and the step-down chopper circuit.

これらスイッチング素子の動作として、ハードスイッチング方式とソフトスイッチング方式が知られている。ハードスイッチング方式では、スイッチング素子のターンオンあるいはターンオフにおいて、過渡電圧と過渡電流が交差する時間が長いため、電力損失が大きいという問題が指摘されている。このスイッチング損失は、スイッチング周波数の高周波化に伴って増大する。ハードスイッチング方式を用いた燃料電池回路としては、例えば特許文献1が知られている。   As the operation of these switching elements, a hard switching method and a soft switching method are known. In the hard switching system, there is a problem that power loss is large because the time during which the transient voltage and the transient current cross each other is long when the switching element is turned on or turned off. This switching loss increases as the switching frequency increases. For example, Patent Document 1 is known as a fuel cell circuit using a hard switching system.

これに対して、ソフトスイッチング方式では、共振現象等を利用して電圧又は電流をゼロとした状態でスイッチング動作を行うことによって、電力損失を低減させようとするものである。燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野では低損失が求められるため、ソフトスイッチングによるチョッパ回路が求められている。   On the other hand, in the soft switching system, the power loss is reduced by performing the switching operation in a state where the voltage or current is zero using a resonance phenomenon or the like. Low loss is required not only in fuel cell vehicles but also in the field of using semiconductor power conversion devices, so a chopper circuit by soft switching is required.

従来、大電力用チョッパ回路としては、Cブリッジチョッパ回路が知られている(例えば、特許文献2)。Cブリッジチョッパ回路は、例えば2つのスイッチと1つのコンデンサを用いた構成であり、ロスレススナバ回路による大電流遮断が可能で、無損失である点で大電流用途に適している。   Conventionally, a C bridge chopper circuit is known as a high power chopper circuit (for example, Patent Document 2). The C-bridge chopper circuit has, for example, a configuration using two switches and one capacitor, and is suitable for high-current applications because it can cut off a large current by a lossless snubber circuit and is lossless.

しかしながら、このCブリッジチョッパ回路は、主スイッチとダイオードが主回路に直列接続されているため、全体の電力損失が大きいという課題があり、また、コンデンサで接続された二つの主スイッチを同時ターンオンすると、出力ダイオードの逆回復時のリカバリ電流により発生する過電圧と、スナバコンデンサの充電電圧が重畳することで、大きな過電圧が発生し、出力ダイオードが破損するおそれがあるという課題がある。   However, this C-bridge chopper circuit has a problem that the overall power loss is large because the main switch and the diode are connected in series to the main circuit, and when two main switches connected by a capacitor are turned on simultaneously. The overvoltage generated by the recovery current at the time of reverse recovery of the output diode and the charging voltage of the snubber capacitor are superimposed, which causes a problem that a large overvoltage is generated and the output diode may be damaged.

そこで、本出願の発明者らは、準共振形回生アクティブスナバ(Quasi-resonant Regenerating Active Snubber:QRAS)方式のチョッパ回路を提案している(例えば、非特許文献1、特許文献3参照)。QRASチョッパ回路では、主スイッチと補助スイッチを備え、主スイッチにリアクトルを直列接続する構成によって、主スイッチに流れる電流を遅延させて、主スイッチのターンオン時に電流が零となるようにしている。   Accordingly, the inventors of the present application have proposed a quasi-resonant regenerating active snubber (QRAS) type chopper circuit (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 3). In the QRAS chopper circuit, a main switch and an auxiliary switch are provided and a reactor is connected in series to the main switch so that the current flowing through the main switch is delayed so that the current becomes zero when the main switch is turned on.

特開2002−63923号公報JP 2002-63923 A 特開2004−274877号公報JP 2004-274877 A 特開2005−261124号公報JP 2005-261124 A 電気学会産業応用部門大会講演論文集 弦田,神頭、河村「高効率大電力チョッパ回路QRAS」2004-6Proceedings of the Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Tsuruma, Kamigami, Kawamura “High-efficiency, high-power chopper circuit QRAS” 2004-6

上記したQRASチョッパ回路では、主スイッチにリアクトルを接続することでソフトスイッチングを実現しているが、リアクトルに電流が流れることによる内部抵抗で発生する熱損失によって変換効率が低下するという問題がある。   In the above-mentioned QRAS chopper circuit, soft switching is realized by connecting a reactor to the main switch. However, there is a problem that conversion efficiency is reduced due to heat loss generated by internal resistance caused by current flowing through the reactor.

また、QRASチョッパ回路の主スイッチのターンオン時およびターンオフ時に、主スイッチも過電流過電圧が発生するという問題がある。この主スイッチのターンオフ過電圧は、スナバコンデンサのクランプ電圧が主スイッチに印加されることで発生する。また主スイッチのターンオン時に、出力ダイオードの逆回復により主スイッチに過大な電流が流れるという問題もある。   There is also a problem that the main switch also generates an overcurrent overvoltage when the main switch of the QRAS chopper circuit is turned on and off. The turn-off overvoltage of the main switch is generated by applying a snubber capacitor clamp voltage to the main switch. There is also a problem that when the main switch is turned on, an excessive current flows through the main switch due to reverse recovery of the output diode.

また、出力ダイオードの逆回復によって、出力ダイオードに大きな逆スパイク電圧が発生し、出力ダイオード自体が破損するおそれがあるという問題もある。   In addition, there is a problem that a large reverse spike voltage is generated in the output diode due to reverse recovery of the output diode, and the output diode itself may be damaged.

上記したように、従来提案されているソフトスイッチングによりスイッチング動作を行うチョッパ回路では、(a)リアクトルに流れる電流によって発生する熱損失の課題、(b)主スイッチのターンオン時およびターンオフ時、あるいは出力ダイオードの逆回復による主スイッチの過電流過電圧や、出力ダイオードの逆回復の逆スパイク電圧による、主スイッチや出力ダイオードの破損の課題等の種々の課題を有している。   As described above, in the conventionally proposed chopper circuit that performs switching operation by soft switching, (a) the problem of heat loss caused by the current flowing through the reactor, (b) when the main switch is turned on and off, or output There are various problems such as overcurrent overvoltage of the main switch due to reverse recovery of the diode and damage to the main switch and output diode due to reverse spike voltage of reverse recovery of the output diode.

燃料電池電気自動車を高効率運転させるには、燃料電池、二次電池および負荷となるモータとの間において、双方向で昇降圧の電力変換を行う必要がある。ここで、双方向とは電源から負荷に向かう方向と、負荷から電源側に回生される方向である。燃料電池電気自動車等の負荷が種々に変動する場合には、電源側と負荷側の電圧関係も種々に変化し、双方向において昇圧と降圧を行う場合が生じる。   In order to drive a fuel cell electric vehicle with high efficiency, it is necessary to perform bidirectional buck-boost power conversion between the fuel cell, the secondary battery, and the motor as a load. Here, the bidirectional means the direction from the power source to the load and the direction of regeneration from the load to the power source side. When the load of a fuel cell electric vehicle or the like fluctuates variously, the voltage relationship between the power supply side and the load side also changes variously, and boosting and stepping down may occur in both directions.

したがって、双方向昇降圧チョッパ回路では、電源側から負荷側に向かう昇圧動作、電源側から負荷側に向かう降圧動作、負荷側から電源側に向かう昇圧動作、負荷側から電源側に向かう降圧動作の4つの電力変換動作を行うことが求められる。主スイッチとリアクトルから成るチョッパ回路を用いて双方向昇降圧チョッパ回路を構成すると、例えば図11に示される回路構成が想定される。図11の回路構成では、双方向昇降圧チョッパ回路は、一つのリアクトルL1を介在させて4つの主スイッチS1〜S4でブリッジを組むことで構成する例を示している。この構成例において、ハードスイッチングによってスイッチング動作させた場合には、前記したように電力損失が大きいという問題がある。 Therefore, in the bidirectional buck-boost chopper circuit, the step-up operation from the power source side to the load side, the step-down operation from the power source side to the load side, the step-up operation from the load side to the power source side, and the step-down operation from the load side to the power source side are performed. It is required to perform four power conversion operations. When a bidirectional buck-boost chopper circuit is configured using a chopper circuit composed of a main switch and a reactor, for example, a circuit configuration shown in FIG. 11 is assumed. In the circuit configuration of FIG. 11, an example is shown in which the bidirectional buck-boost chopper circuit is configured by forming a bridge with four main switches S 1 to S 4 with one reactor L 1 interposed. In this configuration example, when the switching operation is performed by hard switching, there is a problem that the power loss is large as described above.

また、上記のソフトスイッチングを行うチョッパ回路を用いて、双方向昇降圧チョッパ回路を構成した場合においても、各チョッパ回路は上記した熱損失や素子破損の課題を有している。   Further, even when a bidirectional buck-boost chopper circuit is configured using the above-described chopper circuit that performs soft switching, each chopper circuit has the above-described problems of heat loss and element damage.

したがって、低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路が求められているが、現在要求されるような低損失でかつ高信頼性が得られる双方向昇降圧チョッパ回路は提案されていない。   Therefore, there is a need for a bidirectional buck-boost chopper circuit with low loss and high reliability, but a bidirectional buck-boost chopper circuit with low loss and high reliability as currently required has been proposed. Not.

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, to reduce the loss of the bidirectional buck-boost chopper circuit, and to suppress overvoltage and overcurrent.

また、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることを目的とする。   Moreover, it aims at reducing the heat loss which generate | occur | produces in a reactor by soft switching operation, and improving conversion efficiency.

また、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことを目的とする。   It is another object of the present invention to prevent overcurrent overvoltage when the main switch is turned on.

また、本発明は出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことを目的とする。   Another object of the present invention is to prevent overvoltage due to reverse recovery of the output diode.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第1の端子と第2の端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路であり、両端子間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な4つのチョッパ部を備える。   The bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention is a bidirectional buck-boost chopper circuit that performs a boost operation and a buck operation bidirectionally between a first terminal and a second terminal. Alternatively, four electrically equivalent chopper sections that perform a step-down operation are provided.

4つのチョッパ部は、それぞれ、以下の構成によってスナバ補助ZVZCT(Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper)チョッパ部を構成する。各チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルと、一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続したスナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える。   Each of the four chopper units constitutes a snubber-assisted ZVZCT (Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper) chopper unit with the following configuration. Each chopper unit is equivalent to three main reactors constituting one reactor, and one pole is connected to one end of the series connection body of the main reactor, and the other pole is directly connected to one voltage terminal of the DC power source. The main switch connected to the main switch, the series connection of the snubber diode and the snubber capacitor connected between the poles of the main switch, the connection point of the snubber diode and the snubber capacitor, and the connection point of the series connection of the two main reactors And an auxiliary switch connected between them.

主スイッチのターンオン時における電流を零とするために、従来はリアクトルを用いた構成とするのに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ部は、補助スイッチを備えた構成とする。この補助スイッチをオンさせることによってスナバコンデンサの電圧を零電圧として、主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成し、この零電圧となる時点で、主スイッチをオンさせることで、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、ターンオン時の主スイッチの電流及び電圧を零とする。   In order to make the current at the time of turning on the main switch zero, a reactor is conventionally used, whereas the chopper unit provided in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention is provided with an auxiliary switch. To do. By turning on this auxiliary switch, the voltage of the snubber capacitor is set to zero voltage, the voltage at the time of turning on the main switch is set to zero voltage, and a regenerative resonance between the snubber capacitor and the main reactor is generated via the auxiliary switch. When the zero voltage is reached, the main switch is turned on, and the current due to the regenerative resonance is caused to flow in a direction to cancel the main current of the main switch, so that the current and voltage of the main switch at the time of turn-on become zero.

これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において、零電圧でかつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ部の変換効率を向上させ、また、過電流過電圧を防ぐ。   This makes it possible to perform soft switching at zero voltage and zero current at the time of turning on the main switch without using a reactor as in the conventional chopper circuit, thereby eliminating the heat loss and improving the conversion efficiency of the chopper part, It also prevents overcurrent overvoltage.

また、補助スイッチにより、出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ。   In addition, the auxiliary switch regenerates the charge accumulated in the output diode to the DC power supply, thereby preventing overvoltage due to reverse recovery of the output diode.

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルを備え、各チョッパ部は、この3つの主リアクトルを共有リアクトルとして有する。また、各チョッパ部は、各補助スイッチの一端をこの共有リアクトルに接続する。この共有リアクトルによって4つのチョッパ部を接続し、各チョッパ部による双方向の昇降圧動作を可能とする。   Further, the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention includes three main reactors that equivalently constitute one reactor, and each chopper section has the three main reactors as a shared reactor. Each chopper unit connects one end of each auxiliary switch to this shared reactor. Four chopper parts are connected by this shared reactor, and bidirectional chopper operation by each chopper part is enabled.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える4つのチョッパ部は、第1の端子から第2の端子へ昇圧動作を行う第1の昇圧チョッパ部と、第1の端子から第2の端子へ降圧動作を行う第1の降圧チョッパ部と、第2の端子から第1の端子へ昇圧動作を行う第2の昇圧チョッパ部と、第2の端子から第1の端子へ降圧動作を行う第2の降圧チョッパ部であり、各チョッパ回路を切り換えて動作させることで、一つの回路で双方向の昇降圧動作の4つの動作を行うことができる。   The four chopper units included in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention include a first boost chopper unit that performs a boost operation from the first terminal to the second terminal, and a step-down from the first terminal to the second terminal. A first step-down chopper unit that operates, a second step-up chopper unit that performs a step-up operation from the second terminal to the first terminal, and a second step that performs the step-down operation from the second terminal to the first terminal. It is a step-down chopper unit, and by switching each chopper circuit to operate, four operations of bidirectional step-up / step-down operation can be performed with one circuit.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路は、第1の端子に接続した第2の昇圧チョッパ部と第1の端子に接続した第1の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する3つの主リアクトル中の1つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。   In the bidirectional buck-boost chopper circuit according to the present invention, the second step-up chopper unit connected to the first terminal and the first step-down chopper unit connected to the first terminal constitute a main reactor when the auxiliary switch is turned on. A regenerative current is caused to flow in the opposite direction to the main current with respect to one same main reactor among the three main reactors.

また、第2の端子に接続した第1の昇圧チョッパ部と第2の端子に接続した第2の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に主リアクトルを構成する3つの主リアクトル中の、上記の主リアクトルと異なる1つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流す。   In addition, the first step-up chopper unit connected to the second terminal and the second step-down chopper unit connected to the second terminal include the above-described three main reactors that constitute the main reactor when the auxiliary switch is turned on. A regenerative current is caused to flow in the direction opposite to the main current with respect to one same main reactor different from the main reactor.

本発明を昇圧型チョッパ回路に適用した場合の、より詳細な形態は、一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルの直列接続体と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備える構成である。   When the present invention is applied to a step-up chopper circuit, a more detailed form is as follows: a series connection body of three main reactors equivalently constituting one reactor, one end of which is connected to a high potential side terminal of a DC power supply; , One pole connected to the other end of the series connection of the main reactor, the other pole connected directly to the low voltage terminal of the DC power supply, and the output diode and output connected between both poles of the main switch Connection of series connection body of smoothing capacitor, series connection body of snubber diode and snubber capacitor, connection point of snubber diode and snubber capacitor, and connection body of two main reactors connected between both poles of main switch And an auxiliary switch connected between the points.

本発明の補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、3つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに対して、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。これによって、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ他に、主リアクトルに通流させる方向を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。   The auxiliary switch of the present invention allows the electric charge accumulated in the output diode to flow in the direction opposite to the main current of the main reactor to the main reactor on the DC power source side among the three main reactors when turning on. Regenerate to power. Thus, in addition to preventing overvoltage due to reverse recovery of the output diode, heat loss generated in the main reactor can be reduced by making the direction of flowing through the main reactor opposite to the main current of the main reactor.

本発明の主スイッチは、ターンオン時に、スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、3つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、直流電源に回生する。この主リアクトルに通流させる回生電流を主リアクトルの主電流と逆方向とすることによって、主リアクトルで発生する熱損失を低減させることができる。   The main switch of the present invention, when turned on, regenerates resonance between the snubber capacitor and the main reactor connected to the DC power supply side, and charges stored in the snubber capacitor are transferred to the main reactor on the DC power supply side among the three main reactors. Then, it flows in the direction opposite to the main current of the main reactor and regenerates to the DC power supply. Heat loss generated in the main reactor can be reduced by setting the regenerative current passed through the main reactor in the opposite direction to the main current of the main reactor.

主スイッチのターンオン時において、零電流かつ零電圧によるソフトスイッチングを行わせるために、補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させる。これによって、主スイッチを零電圧かつ零電流の状態からオン動作させることができる。   When the main switch is turned on, in order to perform soft switching with zero current and zero voltage, the main switch is turned on after the auxiliary switch is turned on. As a result, the main switch can be turned on from a zero voltage and zero current state.

また、補助スイッチは、逆阻止型IGBT、又は、逆並列ダイオード付きIGBTとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないIGBTとダイオードの直列接続で構成することができる。   The auxiliary switch can be configured by a reverse blocking IGBT, a series connection of an IGBT with an antiparallel diode and a diode, or a series connection of an IGBT and a diode that does not have a reverse blocking capability.

以上説明したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、双方向昇降圧チョッパ回路の損失を低下させ、過電圧、過電流を抑制することができる。   As described above, according to the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, it is possible to reduce the loss of the bidirectional buck-boost chopper circuit and suppress overvoltage and overcurrent.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、補助スイッチをオンさせることによって、スナバコンデンサの電圧を零電圧として主スイッチのターンオン時の電圧を零電圧とし、また、この零電圧となる時点で、補助スイッチをオンさせることで、補助スイッチを介してスナバコンデンサと主リアクトルとの回生共振を生成させ、この回生共振による電流を主スイッチの主電流を打ち消す方向に通流させることで、主スイッチを零電圧、零電流の状態でターンオンさせることができる。   According to the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, by turning on the auxiliary switch, the voltage of the snubber capacitor is set to zero voltage, the voltage when the main switch is turned on is set to zero voltage, and when this zero voltage is reached. By turning on the auxiliary switch, a regenerative resonance between the snubber capacitor and the main reactor is generated via the auxiliary switch, and a current caused by this regenerative resonance is passed in a direction to cancel the main current of the main switch. Can be turned on with zero voltage and zero current.

これによって、従来のチョッパ回路のようにリアクトルを用いることなく、主スイッチのターンオン時において零電圧で、かつ零電流でソフトスイッチングを行って、熱損失を無くしてチョッパ回路の変換効率を向上させることができ、また、過電流過電圧を防ぐことができる。これにより、ソフトスイッチング動作によってリアクトルで発生する熱損失を低減し、変換効率を向上させることができる。   As a result, soft switching is performed at zero voltage and zero current when the main switch is turned on without using a reactor as in the conventional chopper circuit, thereby eliminating the heat loss and improving the conversion efficiency of the chopper circuit. In addition, overcurrent overvoltage can be prevented. Thereby, the heat loss which generate | occur | produces in a reactor by soft switching operation | movement can be reduced, and conversion efficiency can be improved.

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路によれば、主スイッチのターンオン時における過電流過電圧を防ぐことができ、補助スイッチによって出力ダイオードに蓄積された電荷を直流電源に回生させることで、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐことができる。   Further, according to the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, it is possible to prevent an overcurrent overvoltage when the main switch is turned on, and to regenerate the electric charge accumulated in the output diode by the auxiliary switch to the DC power supply. Overvoltage due to reverse recovery of the diode can be prevented.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

以下、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の構成例について、図1を用いて説明する。   Hereinafter, a configuration example of the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention will be described with reference to FIG.

図1において、双方向昇降圧チョッパ回路は、電源側と負荷側との間で、電源側から負荷側の方向、および負荷側から電源側の方向の双方向において、それぞれ昇圧動作および降圧動作の、計4つの動作態様について電力変換を行う。   In FIG. 1, the bidirectional step-up / step-down chopper circuit performs a step-up operation and a step-down operation between the power source side and the load side in both directions from the power source side to the load side and from the load side to the power source side. The power conversion is performed for a total of four operation modes.

図1では、電源側は直流電源Eと入力コンデンサCinの並列接続で構成し、負荷側は負荷RLと出力コンデンサCoutの並列接続で構成している。 In Figure 1, the power source side is constituted by a parallel connection of the input capacitor C in the DC power supply E, the load side is constituted by parallel connection of the load RL and the output capacitor C out.

双方向昇降圧チョッパ回路は、2つの昇圧チョッパ部と2つの降圧チョッパ部とによって、双方向かつ昇圧および降圧の4つの動作態様を実現する。   The bidirectional step-up / step-down chopper circuit realizes four operation modes, bidirectional and step-up and step-down, by two step-up chopper units and two step-down chopper units.

以下、図1において、電源側から負荷側に向かう方向を順方向とし、負荷側から電源側に向かう方向を逆方向として説明する。   Hereinafter, in FIG. 1, the direction from the power supply side to the load side is assumed to be the forward direction, and the direction from the load side to the power supply side is assumed to be the reverse direction.

各チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトル(L1〜L3)と、一方の極を主リアクトルの直列接続体の一端(リアクトルL1あるいはリアクトルL3)に接続し、他方の極を直流電源Eの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチS1〜S4と、主スイッチS1〜S4の両極間に接続するスナバダイオードD1〜D4とスナバコンデンサC1〜C4の直列接続体と、スナバダイオードD1〜D4とスナバコンデンサC1〜C4との接続点と、2つの主リアクトル(L1〜L3)の直列接続体の接続点との間(リアクトルL1とリアクトルL2の間、あるいはリアクトルL3とリアクトルL1の間)に接続した補助スイッチS1a〜S4aとを備える。 Each chopper unit is equivalent to three main reactors (L 1 to L 3 ) that constitute one reactor, and one pole is connected to one end (reactor L 1 or reactor L 3 ) of the series connection body of the main reactors. The main switches S 1 to S 4 that directly connect the other pole to one voltage terminal of the DC power source E, and the snubber diodes D 1 to D 4 and the snubber that are connected between both poles of the main switches S 1 to S 4 Connection of capacitors C 1 to C 4 in series, snubber diodes D 1 to D 4 and snubber capacitors C 1 to C 4, and connection of two main reactors (L 1 to L 3 ) Auxiliary switches S 1a to S 4a connected between the points (between reactor L 1 and reactor L 2 or between reactor L 3 and reactor L 1 ) are provided.

電源側から負荷側に向かう順方向において昇圧動作を行う順方向昇圧チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する2つの主リアクトルL2,L3と、一方の極を主リアクトルL2,L3の直列接続体の一端(ここでは、リアクトルL2に接続されるリアクトルL1)に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチS1と、主スイッチS1の両極間に接続するスナバダイオードD1とスナバコンデンサC1の直列接続体と、スナバダイオードD1とスナバコンデンサC1との接続点と、2つの主リアクトルL2とL3の間に接続した補助スイッチS1aとにより構成される。 The forward step-up chopper unit that performs the step-up operation in the forward direction from the power supply side to the load side has two main reactors L 2 and L 3 that equivalently constitute one reactor, and one pole is connected to the main reactor L 2 , one end of the series connection of L 3 (in this case, reactor L 1 connected to the reactor L 2) connected to a main switch S 1 directly connected to the other pole to one terminal of the load side, the main switch a series connection of the snubber diode D 1 and the snubber capacitor C 1 to be connected between both electrodes of the S 1, and the connection point between the snubber diode D 1 and the snubber capacitor C 1, between the two main reactor L 2 and L 3 The auxiliary switch S 1a is connected.

電源側から負荷側に向かう順方向において降圧動作を行う順方向降圧チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する2つの主リアクトルL1,L2と、一方の極を主リアクトルL1,L2の直列接続体の一端(ここでは、リアクトルL2に接続されるリアクトルL3)に接続し、他方の極を直流電源Eの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチS4と、主スイッチS4の両極間に接続するスナバダイオードD4とスナバコンデンサC4の直列接続体と、スナバダイオードD4とスナバコンデンサC4との接続点と、2つの主リアクトルL1とL2の間に接続した補助スイッチS4aとにより構成される。 The forward step-down step-down chopper unit that performs step-down operation in the forward direction from the power supply side to the load side has two main reactors L 1 and L 2 that equivalently constitute one reactor, and one pole is connected to the main reactor L 1 , one end of the series connection of L 2 (in this case, reactor L 3 is connected to the reactor L 2) connected to a main switch S 4 for connecting directly to the other pole to one of the voltage terminal of the DC power source E, a series connection of the snubber diode D 4 and the snubber capacitor C 4 to connect between the two electrodes of the main switch S 4, and the connection point between the snubber diode D 4 and the snubber capacitor C 4, the two main reactor L 1 and L 2 And an auxiliary switch S 4a connected therebetween.

また、負荷側から電源側に向かう逆方向において昇圧動作を行う逆方向昇圧チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する2つの主リアクトルL1,L2と、一方の極を主リアクトルL1,L2の直列接続体の一端(ここでは、リアクトルL2に接続されるリアクトルL3)に接続し、他方の極を直流電源Eの一方の電圧端子に直接に接続する主スイッチS3、主スイッチS3の両極間に接続するスナバダイオードD3とスナバコンデンサC3の直列接続体と、スナバダイオードD3とスナバコンデンサC3との接続点と、2つの主リアクトルL1とL2の間に接続した補助スイッチS3aとにより構成される。 In addition, the reverse boost chopper that performs a boost operation in the reverse direction from the load side to the power supply side has two main reactors L 1 and L 2 that equivalently constitute one reactor, and one pole as the main reactor L. 1, L (in this case, reactor L 2 reactor L 3 is connected to) the second end of the series connection connected to the main switch S 3 that connect directly to the other pole to one of the voltage terminal of the DC power source E , snubber diode D 3 and the series connection of the snubber capacitor C 3, snubber diode D 3 and the connection point of the snubber capacitor C 3, the two main reactor L 1 and L 2 to be connected between both electrodes of the main switch S 3 And an auxiliary switch S3a connected between the two.

負荷側から電源側に向かう逆方向において降圧動作を行う逆方向降圧チョッパ部は、等価的に1つのリアクトルを構成する2つの主リアクトルL1,L2と、一方の極を主リアクトルL1,L2の直列接続体の一端(ここでは、リアクトルL3に接続されるリアクトルL2)に接続し、他方の極を負荷側の一方の端子に直接に接続する主スイッチS2、主スイッチS2の両極間に接続するスナバダイオードD2とスナバコンデンサC2の直列接続体と、スナバダイオードD2とスナバコンデンサC2との接続点と、2つの主リアクトルL3とL2の間に接続した補助スイッチS2aとにより構成される。 The reverse step-down chopper unit that performs step-down operation in the reverse direction from the load side to the power source side is equivalent to two main reactors L 1 and L 2 that constitute one reactor, and one pole is connected to the main reactor L 1 , (in this case, reactor L 2 which is connected to the reactor L 3) at one end of the series connection of L 2 connected to the main switch S 2 that connect directly to the other pole to one terminal of the load side, the main switch S connecting a series connection of the snubber diode D 2 and the snubber capacitor C 2 to be connected between two of the poles, the connection point of the snubber diode D 2 and the snubber capacitor C 2, between the two main reactor L 3 and L 2 And the auxiliary switch S 2a .

双方向昇降圧チョッパ回路は、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルL1,L2,L3を備える。上記の順方向昇圧チョッパ部、順方向降圧チョッパ部、逆方向昇圧チョッパ部、および逆方向降圧チョッパ部は、3つの主リアクトルL1,L2,L3のうちで、チョッパ回路の回路を構成する上において、主リアクトルL2を共有する構成とすることで、一つの双方向昇降圧チョッパ回路を構成している。 The bidirectional buck-boost chopper circuit includes three main reactors L 1 , L 2 , and L 3 that equivalently constitute one reactor. The forward step-up chopper unit, the forward step-down chopper unit, the reverse step-up chopper unit, and the reverse step-down chopper unit constitute the circuit of the chopper circuit among the three main reactors L 1 , L 2 , and L 3. in order to, with the construction to share the main reactor L 2, constitute one of the bidirectional buck-boost chopper circuit.

上記各チョッパ部は、スナバ補助ZVZCT(Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper)チョッパ回路を構成している。   Each chopper unit constitutes a snubber-assisted ZVZCT (Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper) chopper circuit.

ここで、図2は、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図であり、図2(a)は、上記した各チョッパ部の内の昇圧動作を行う回路構成を切り出して示し、図2(b)は、上記した各チョッパ部の内の降圧動作を行う回路構成を切り出して示している。図2(a),(b)のチョッパ回路構成は、共に主スイッチS1と補助スイッチS2と、主リアクトルL1,L2と、スナバダイオードD1及びスナバコンデンサC2と、出力ダイオードD5及び出力平滑コンデンサC3とを備える。 Here, FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of a chopper section constituting the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, and FIG. 2A is a circuit for performing a boosting operation in each of the chopper sections described above. The configuration is cut out and shown in FIG. 2B, and the circuit configuration for performing the step-down operation in each of the chopper units described above is cut out and shown. The chopper circuit configurations of FIGS. 2A and 2B are the main switch S 1 , auxiliary switch S 2 , main reactors L 1 and L 2 , snubber diode D 1 and snubber capacitor C 2 , and output diode D. 5 and an output smoothing capacitor C 3.

図2(a)に示す昇圧チョッパ回路構成では、主リアクトルL1,L2は2分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に1つのリアクトルを構成し、一端を直流電源E1の高電位側端子に接続している。主スイッチS1は、一方の極を主リアクトルL1,L2の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源E1の低電圧端子に直接に接続する。主スイッチS1の両極間は、出力ダイオードD5と出力平滑コンデンサC3との直列接続体を並列に接続し、出力平滑コンデンサC3には負荷が並列に接続される。また、主スイッチS1の両極間にはスナバダイオードD1とスナバコンデンサC2の直列接続体を接続している。補助スイッチS2は、スナバダイオードD1とスナバコンデンサC2との接続点と、2つの主リアクトルL1とL2の直列接続体の接続点との間に接続する。 In the step-up chopper circuit configuration shown in FIG. 2A, the main reactors L 1 and L 2 are two reactors connected in series, but equivalently constitute one reactor and one end is connected to the DC power source E 1. Is connected to the high potential side terminal. The main switch S 1 has one pole connected to the other end of the series connection body of the main reactors L 1 and L 2 and the other pole directly connected to the low voltage terminal of the DC power supply E 1 . Between both poles of the main switch S 1 , a series connection body of an output diode D 5 and an output smoothing capacitor C 3 is connected in parallel, and a load is connected in parallel to the output smoothing capacitor C 3 . Further, a series connection body of a snubber diode D 1 and a snubber capacitor C 2 is connected between both poles of the main switch S 1 . The auxiliary switch S 2 is connected between the connection point of the snubber diode D 1 and the snubber capacitor C 2 and the connection point of the series connection body of the two main reactors L 1 and L 2 .

次に、図2(b)に示す降圧チョッパ回路構成では、主リアクトルL1,L2は2分割したリアクトルを直列接続したものであるが、等価的に1つのリアクトルを構成し、一端を負荷RLおよび平滑コンデンサC3側端子に接続している。主スイッチS1は、一方の極を主リアクトルL1,L2の直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源E1の高電圧端子に直接に接続する。主スイッチS1の一方の極には、出力ダイオードD5が接続され、主リアクトルL2の一方の端部には出力平滑コンデンサC3が負荷が並列に接続される。また、主スイッチS1の両極間にはスナバダイオードD1とスナバコンデンサC2の直列接続体を接続している。補助スイッチS2は、スナバダイオードD1とスナバコンデンサC2との接続点と、2つの主リアクトルL1とL2の直列接続体の接続点との間に接続する。 Next, in the step-down chopper circuit configuration shown in FIG. 2 (b), the main reactors L 1 and L 2 are two reactors connected in series, but equivalently constitute one reactor and one end is loaded. It is connected to R L and the smoothing capacitor C 3 side terminal. The main switch S 1 has one pole connected to the other end of the series connection body of the main reactors L 1 and L 2 and the other pole directly connected to the high voltage terminal of the DC power supply E 1 . To one pole of the main switch S 1 is output diode D 5 is connected, at one end of the main reactor L 2 load output smoothing capacitor C 3 is connected in parallel. Further, a series connection body of a snubber diode D 1 and a snubber capacitor C 2 is connected between both poles of the main switch S 1 . The auxiliary switch S 2 is connected between the connection point of the snubber diode D 1 and the snubber capacitor C 2 and the connection point of the series connection body of the two main reactors L 1 and L 2 .

なお、このチョッパ回路の構成において、前記したQRASチョッパ回路とは、リアクトルに接続される回生ダイオードや、主スイッチングと補助スイッチの共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除した点、補助スイッチS2は逆阻止型のIGBTである点、主スイッチに接続される電流遅延用のリアクトルを削除した点、主スイッチのターンオン時において零電流のみではなく、零電流でかつ零電圧によりスイッチングを行う点で相違している。 In the configuration of this chopper circuit, the above-described QRAS chopper circuit is different from the above-described QRAS chopper circuit in that the regenerative diode connected to the reactor and the diode for providing a common snubber protection function for the main switching and the auxiliary switch are eliminated. 2 is a reverse-blocking IGBT, the point where the current delay reactor connected to the main switch is deleted, and not only zero current but also switching at zero current and zero voltage when the main switch is turned on Is different.

なお、補助スイッチS2として逆阻止型のIGBTを用いることで、従来必要であった回生ダイオードを削除することができる。 The auxiliary switch S 2 as by using a reverse blocking type IGBT, it is possible to remove the conventionally required regenerative diode.

また、このチョッパ回路構成の補助スイッチS2は、ターンオフ動作が零電流スイッチングとなるため、主スイッチングS1と補助スイッチS2の共通スナバ保護機能を持たせるためのダイオードを削除することができる。 In addition, since the auxiliary switch S 2 having the chopper circuit configuration has zero-current switching as the turn-off operation, the diode for providing a common snubber protection function for the main switching S 1 and the auxiliary switch S 2 can be eliminated.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチを介して主リアクトルの一部に出力ダイオードの蓄積電荷を通流させることで消滅させ、これにより逆回復電流を抑制することができる。   The chopper circuit configuration included in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention is extinguished by passing the stored charge of the output diode through a part of the main reactor via the auxiliary switch, thereby suppressing the reverse recovery current. Can do.

図2(a),(b)において、補助スイッチS2のターンオン時において、出力ダイオードD5に蓄積していた電荷による電流IR(図2(a),(b)中の破線で示す)は、主リアクトルL2を主リアクトルの主電流の方向とは逆方向に流れる。この電流IRは主リアクトルL2の通電電流を減少させる。そのため、この主リアクトルL2で発生する有効電力分ΔPR=IR 2・R2は、主リアクトルL2の抵抗分R2による損失分を減少させるものとして働く。なお、主スイッチS1をオンとする前に補助スイッチS2をオンとすることで、出力ダイオードD5に蓄積された電荷を入力側に回生する。 2A and 2B, when the auxiliary switch S 2 is turned on, the current I R caused by the charge accumulated in the output diode D 5 (indicated by the broken line in FIGS. 2A and 2B) flows in a direction opposite to the direction of the main current of the main reactor and main reactor L 2. This current I R decreases the energization current of main reactor L 2 . Therefore, active power component? Pr = I R 2 · R 2 which occurs in the main reactor L 2 acts as reducing the loss due to the resistance component R 2 in the main reactor L 2. Note that by turning on the auxiliary switch S 2 before turning on the main switch S 1, regenerates the charge accumulated in the output diode D 5 to the input side.

したがって、このチョッパ回路構成によれば、出力ダイオードD5の蓄積電荷が消滅する際の電流IRは主リアクトルの損失を減らす方向となり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。 Therefore, according to the chopper circuit configuration, the current I R at the time of storing charge of the output diode D 5 disappears becomes a direction to reduce the loss of the main reactor, which acts in a direction to increase the efficiency of the chopper circuit.

従来のQRASチョッパ回路では、リアクトルL2が大きいため、出力ダイオードD5の蓄積電荷を消滅することができず、出力ダイオードのターンオフ時に、蓄積電荷による大きな逆回復サージ電圧が発生する。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、効率を高める方向に作用する蓄積電荷消滅電流が流れるため逆回復電流抑制回路とし、出力ダイオードによる大きな逆回復サージ電圧は発生しない。 In the conventional QRAS chopper circuit, since the reactor L 2 is large, the accumulated charge in the output diode D 5 cannot be eliminated, and a large reverse recovery surge voltage due to the accumulated charge is generated when the output diode is turned off. On the other hand, in the chopper circuit configuration provided in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, the stored charge annihilation current that acts in the direction of increasing the efficiency flows, so that a reverse recovery current suppression circuit is used, and a large reverse recovery surge voltage by the output diode Does not occur.

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、回生共振現象を利用することで零電圧零電流の状態を作り出してターンオンさせることでスイッチング損失を低減することができる。   In addition, the chopper circuit configuration provided in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention can reduce the switching loss by using the regenerative resonance phenomenon to create a zero voltage zero current state and turning it on.

従来のQRASチョッパ回路では、主スイッチS1のターンオン時に電流がゆっくり立ち上がるように、主スイッチS1と電源の一体との間にリアクトルを接続している。これに対して、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、補助スイッチS2によって回生パスを形成することによって、このリアクトルを不要としている。この回生パスは、スナバコンデンサC2の回生共振現象を利用するものであり、これによって主スイッチS1に零電圧零電流の状態を作り出す。 In conventional QRAS chopper circuit, such that the current rises slowly during turn of the main switch S 1, which connects the reactor between the integral of the main switch S 1 and a power supply. In contrast, the chopper circuit arrangement comprising a bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, by forming a regenerative path by auxiliary switch S 2, are not necessary to the reactor. This regenerative path utilizes the regenerative resonance phenomenon of the snubber capacitor C 2 , thereby creating a state of zero voltage and zero current in the main switch S 1 .

これによって、従来ターンオン時に発生していた電源電圧を大幅に越えるスナバコンデンサのクランプ電圧を電源電圧までの低い電圧に抑制することができる。そのため、スナバコンデンサの容量を主スイッチのターンオン時間に合わせて小さく選択することができ、スナバ回生電力自体を小さくすることができ、チョッパ回路全体の効率を向上させることができる。   As a result, the clamp voltage of the snubber capacitor, which greatly exceeds the power supply voltage generated at the time of turn-on, can be suppressed to a low voltage up to the power supply voltage. Therefore, the capacity of the snubber capacitor can be selected to be small according to the turn-on time of the main switch, the snubber regenerative power itself can be reduced, and the efficiency of the entire chopper circuit can be improved.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、主スイッチS1のターンオフをソフトスイッチング化するためにスナバコンデンサC2を設けているが、このスナバコンデンサC2に蓄積されたエネルギーを主スイッチS1のターンオン時に、補助スイッチS2及び入力側を通って、主スイッチS1に接続される逆並列ダイオードに流れることで主スイッチS1に流れ込む電流を零とし、さらにスナバコンデンサC2の放電によって主スイッチS1の両端にかかる電圧を零とする。 In the chopper circuit configuration provided in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, the snubber capacitor C 2 is provided for soft-switching the main switch S 1 , and the energy stored in the snubber capacitor C 2 is used. during turn of the main switch S 1, the auxiliary switch through the S 2 and the input-side, and zero current flowing into the main switch S 1 that flows to the antiparallel diode is connected to the main switch S 1, further snubber capacitor C 2 with zero voltage across the main switch S 1 by the discharge.

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成では、回生電流Is(図2(a),(b)中の一点鎖線で示す)は、主リアクトルL2の通電電流を減少させる方向で回生するため、回生作用時に発生する有効電力分ΔPs=IS 2・R2は、主リアクトルL2の損失を減らす方向になり、チョッパ回路の効率を高める方向に作用する。なお、R2は主リアクトルL2の内部抵抗である。 Further, the chopper circuit arrangement bidirectional buck chopper circuit of the present invention comprises, a regenerative current Is (FIG. 2 (a), the shown by the one-dot chain line in (b)) reduces the energization current of the main reactor L 2 Since the power is regenerated in the direction, the active power component ΔPs = I S 2 · R 2 generated during the regenerative action acts to reduce the loss of the main reactor L 2 and to increase the efficiency of the chopper circuit. R 2 is the internal resistance of the main reactor L 2 .

上記したように、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、出力ダイオードの蓄積電荷を消滅させる逆回復電流抑制回路として作用する他、回生共振を用いて回生リアクトルを不要とするソフトスイッチングとして作用する。   As described above, the chopper circuit configuration included in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention functions as a reverse recovery current suppression circuit that extinguishes the accumulated charge of the output diode, and does not require a regenerative reactor by using regenerative resonance. Acts as soft switching.

また、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成は、主リアクトルを分割した構成とすることで、回生リアクトルを不要とする他、出力ダイオードやスナバコンデンサの蓄積されるエネルギーを直接に電源側に回生するのではなく、主リアクトルの主電流を打ち消す方向で流すことで、主リアクトルでの電力損失を低減させることができる。   In addition, the bidirectional chopper circuit of the present invention has a chopper circuit configuration in which the main reactor is divided so that the regenerative reactor is not required and the energy stored in the output diode and snubber capacitor is directly used. Power loss in the main reactor can be reduced by flowing in a direction that cancels the main current of the main reactor instead of regenerating to the power source side.

本発明のチョッパ回路は、スナバコンデンサのエネルギーを、補助的な回生コンデンサを用いることなく、直接に主リアクトル移行させることができる。例えば、配線のリアクトルの影響でスナバコンデンサの充電電圧が出力電圧よりも高く充電された場合でも、入力電源方向へは主リアクトルL2に回生エネルギーを移行し、また、出力方向への回生エネルギーは、主リアクトルL1にそれぞれ移行させて回生させることができる。そのため、主リアクトルと別にリアクトルを用いて主回路以外の補助回路パスを介して回生する方式よりも高い効率とすることができる。 The chopper circuit of the present invention can transfer the energy of the snubber capacitor directly to the main reactor without using an auxiliary regenerative capacitor. For example, even if the charging voltage of the snubber capacitor is charged higher than the output voltage due to the influence of the wiring reactor, the regenerative energy is transferred to the main reactor L 2 in the input power direction, and the regenerative energy in the output direction is The main reactor L 1 can be made to regenerate each. Therefore, it is possible to achieve higher efficiency than a method of using a reactor separately from the main reactor and regenerating via an auxiliary circuit path other than the main circuit.

次に、図3〜図5を用いて本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備えるチョッパ回路構成の動作例について説明する。なお、図3は昇圧チョッパ回路構成の動作図であり、図4は降圧チョッパ回路構成の動作図であり、図5は各部の基本動作波形図である。   Next, an operation example of the chopper circuit configuration provided in the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 is an operation diagram of the step-up chopper circuit configuration, FIG. 4 is an operation diagram of the step-down chopper circuit configuration, and FIG. 5 is a basic operation waveform diagram of each part.

図3に示す昇圧チョッパ回路構成において、モード1(図3(a)のMode1)では、主スイッチS1がオフの状態において、-t2の時点で補助スイッチS2がオンし、出力ダイオードD5のキャリア消滅のモードが始まる。この瞬間、補助スイッチS2は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサC2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチS2の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードD5のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。 In the step-up chopper circuit configuration shown in FIG. 3, in mode 1 (Mode 1 in FIG. 3A), the auxiliary switch S 2 is turned on at the time of -t 2 and the output diode D is in the state where the main switch S 1 is turned off. 5 carrier disappearance mode begins. This moment, the auxiliary switch S 2 is turned on from the current zero, it turns on the soft switching. During this time, the voltage of the snubber capacitor C 2 maintains a substantially constant voltage not discharged. This mode ends when the current of the auxiliary switch S 2 increases and the carrier of the output diode D 5 disappears from the point when the load current is almost reached, reversely recovers and is turned off.

なお、図3(a)において、実線は電源側から負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチS2aがオンすることによって、出力ダイオードD5に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。 In FIG. 3A, the solid line indicates the main current flowing from the power supply side to the load side, and the broken line indicates the current flowing in the reverse direction by the carriers accumulated in the output diode D 5 when the auxiliary switch S 2a is turned on. It is.

モード2(図3(b)のMode2)では、-t1の時点において、出力ダイオードD5がオフし、スナバコンデンサC2の電圧VC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図3(b)中の破線は、この電流を示している。また、図3(b)中の実線は、主リアクトルL1に流れる電流が、出力ダイオードD5がオフすることで補助スイッチS2aを通して環流する電流を示している。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 3B), at the time of -t 1 , the output diode D 5 is turned off, and the voltage V C2 of the snubber capacitor C 2 resonates in a sinusoidal manner and goes from positive to zero. The broken line in FIG.3 (b) has shown this electric current. Also, the solid line in FIG. 3 (b) indicates the current that flows through the main reactor L 1 circulates through the auxiliary switch S 2a when the output diode D 5 is turned off.

モード3(図3(c)のMode3)では、スナバコンデンサC2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC2が零電圧となる時点t0において、主スイッチS1がオンとなり、共振回生電流(図3(c)中の破線)は、主スイッチS1の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチS1は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルL2にモード1及びモード2の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS1の電流を相殺しつつ、補助スイッチS2を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 3C), all charges accumulated in the snubber capacitor C 2 are discharged, and at time t 0 when the voltage V C2 becomes zero voltage, the main switch S 1 is turned on and resonance occurs. regenerative current (the broken line in FIG. 3 (c)) is Tsuryu in a direction to cancel the main current of the main switch S 1. At this time, the main switch S 1 is turned on from zero current. The regenerative energy stored in the main reactor L 2 during the mode 1 and mode 2 is regenerated to the input power source via the auxiliary switch S 2 while canceling out the current of the main switch S 1 as a negative current source. , Almost linearly decreasing to zero.

モード4(図3(d)のMode4)では、t1において、主リアクトルL2の回生電流が減少して零となり、ダイオードD1がオフし、主リアクトルL1及びL2の電流は、主スイッチS1を介して再び直線状に増加に向かう。 In mode 4 (Mode 4 in FIG. 3D), at t 1 , the regenerative current of the main reactor L 2 decreases to zero, the diode D 1 is turned off, and the currents of the main reactors L 1 and L 2 are toward increased again linearly through a switch S 1.

モード5(図3(e)のMode5)では、t2において、主スイッチS1、補助スイッチS2が同時にオフされる。このとき、主スイッチS1はスナバコンデンサC2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS2は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS2は零電流となった時点で主スイッチS1より先に、ターンオフしてもよい。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 3E), at time t 2 , the main switch S 1 and the auxiliary switch S 2 are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 1 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 2 , and the auxiliary switch S 2 is turned off by zero current, and both are turned off by soft switching. However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 2 may be turned off prior to the main switch S 1 when zero current is reached.

モード6(図3(f)のMode6)では、t3において、出力ダイオードD5がオンし、主リアクトルL1,L2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。t4で補助スイッチS2が再びオンし、モード1より次サイクルが開始される。 In mode 6 (Mode 6 in FIG. 3 (f)), at t 3 , the output diode D 5 is turned on, and the energy stored in the main reactors L 1 and L 2 is supplied to the load. At t 4 , the auxiliary switch S 2 is turned on again, and the next cycle is started from mode 1.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードD5の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。 As described above, operate in soft switching in the main switch auxiliary switch both overcurrent by reverse recovery current of the output diode D 5, the overvoltage does not occur.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路では、昇圧チョッパ回路構成と降圧チョッパ回路構成の回路構成は対称性を有しているため、両チョッパ回路構成はほぼ同様の動作となる。   In the bidirectional buck-boost chopper circuit according to the present invention, the circuit configuration of the step-up chopper circuit configuration and the step-down chopper circuit configuration are symmetrical, and therefore both the chopper circuit configurations operate in substantially the same manner.

図4に示す降圧チョッパ回路構成において、モード1(図4(a)のMode1)では、主スイッチS1がオフの状態において、-t2の時点で補助スイッチS2がオンし、出力ダイオードD5のキャリア消滅のモードが始まる(図4(a)中破線で示す電流)。この瞬間、補助スイッチS2は電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサC2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチS2の電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオードD5のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、このモードは終了する。 In the step-down chopper circuit configuration shown in FIG. 4, in mode 1 (Mode 1 in FIG. 4A), the auxiliary switch S 2 is turned on at the time of -t 2 and the output diode D is in the state where the main switch S 1 is turned off. The carrier annihilation mode of 5 starts (current indicated by a broken line in FIG. 4A). This moment, the auxiliary switch S 2 is turned on from the current zero, it turns on the soft switching. During this time, the voltage of the snubber capacitor C 2 maintains a substantially constant voltage not discharged. This mode ends when the current of the auxiliary switch S 2 increases and the carrier of the output diode D 5 disappears from the point when the load current is almost reached, reversely recovers and is turned off.

なお、図4(a)において、実線は負荷側に流れる主電流を示し、破線は補助スイッチS2がオンすることによって、出力ダイオードD5に蓄積されるキャリアにより逆方向に流れる電流である。 In FIG. 4A, the solid line indicates the main current flowing to the load side, and the broken line is the current flowing in the reverse direction by the carriers accumulated in the output diode D 5 when the auxiliary switch S 2 is turned on.

モード2(図4(b)のMode2)では、-t1の時点において、出力ダイオードD5がオフし、スナバコンデンサC2の電圧VC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図4(b)中の破線は、この電流を示している。また、図4(b)中の実線は、主リアクトルL1に流れる電流が、出力ダイオードD5がオフすることで補助スイッチS2を通して環流する電流を示している。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 4B), at the time of -t 1 , the output diode D 5 is turned off, and the voltage V C2 of the snubber capacitor C 2 resonates in a sinusoidal manner and goes from positive to zero. The broken line in FIG.4 (b) has shown this electric current. Also, the solid line in FIG. 4B indicates the current that flows through the main reactor L 1 and circulates through the auxiliary switch S 2 when the output diode D 5 is turned off.

モード3(図4(c)のMode3)では、スナバコンデンサC2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC2が零電圧となる時点t0において、主スイッチS1がオンとなり、共振回生電流(図4(c)中の破線)は、主スイッチS1の主電流を打ち消す方向に通流する。このとき、主スイッチS1は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルL2にモード1の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS1の電流を相殺しつつ、補助スイッチS2を介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 4C), all charges accumulated in the snubber capacitor C 2 are discharged, and at time t 0 when the voltage V C2 becomes zero voltage, the main switch S 1 is turned on and resonance occurs. regenerative current (the broken line in FIG. 4 (c)) is Tsuryu in a direction to cancel the main current of the main switch S 1. At this time, the main switch S 1 is turned on from zero current. The regenerative energy stored in the main reactor L 2 during the mode 1 period is regenerated to the input power source via the auxiliary switch S 2 while canceling the current of the main switch S 1 as a negative current source, and is almost linear. Decreases to zero.

モード4(図4(d)のMode4)では、t1において、主リアクトルL2の回生電流が減少して零となり、ダイオードD1がオフし、主リアクトルL1及びL2の電流は、主スイッチS1を介して再び直線状に増加に向かう。 In mode 4 (Mode 4 in FIG. 4D), at t 1 , the regenerative current of main reactor L 2 decreases to zero, diode D 1 is turned off, and the currents of main reactors L 1 and L 2 are the main currents. toward increased again linearly through a switch S 1.

モード5(図4(e)のMode5)では、t2において、主スイッチS1、補助スイッチS2が同時にオフされる。このとき、主スイッチS1はスナバコンデンサC2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS2は零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS2は零電流となった時点で主スイッチS1より先に、ターンオフしてもよい。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 4E), at time t 2 , the main switch S 1 and the auxiliary switch S 2 are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 1 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 2 , and the auxiliary switch S 2 is turned off by zero current, and both are turned off by soft switching. However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 2 may be turned off prior to the main switch S 1 when zero current is reached.

モード6(図4(f)のMode6)では、t3において、出力ダイオードD5がオンし、主リアクトルL1,L2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。t4で補助スイッチS2が再びオンし、モード1より次サイクルが開始される。 In mode 6 (Mode 6 in FIG. 4 (f)), at t 3 , the output diode D 5 is turned on, and the energy stored in the main reactors L 1 and L 2 is supplied to the load. At t 4 , the auxiliary switch S 2 is turned on again, and the next cycle is started from mode 1.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードD5の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。 As described above, operate in soft switching in the main switch auxiliary switch both overcurrent by reverse recovery current of the output diode D 5, the overvoltage does not occur.

上記した、Mode1の補助スイッチS2がオンすることによる出力ダイオードD5の回復動作(リカバリ動作)、Mode2のスナバコンデンサC2の放電動作(零電位に、蓄積エネルギーをリアクトルに遷移させるZVT動作(Zero Voltage Transition)、Mode3の主スイッチS1の逆並列ダイオードに逆電流がながれ、主スイッチS1の順電流を零とするZCS(Zero Current Switching零電流)動作は、主スイッチS1のターンオン時の部分共振動作を構成する。 As described above, the recovery operation (recovery operation) of the output diode D 5 when the auxiliary switch S 2 of Mode 1 is turned on, the discharge operation of the snubber capacitor C 2 of Mode 2 (ZVT operation (transition of the stored energy to zero potential and reactor) Zero Voltage Transition), ZCS (Zero Current Switching Zero Current) operation in which a reverse current flows through the anti-parallel diode of the main switch S 1 in Mode 3 and the forward current of the main switch S 1 is zero is when the main switch S 1 is turned on. The partial resonance operation is configured.

なお、ZCS(Zero Current Switching零電流)動作は、補助スイッチS1aのターンオン時には、Mode1においてリアクトルによって電流変化が抑制されることにより生じ、また、補助スイッチS1aのターンオフ時には、Mode4において、エネルギー回生動作が終了した後、ダイオードによる逆阻止状態で零電流を保持した状態からの動作により生じる。 Incidentally, ZCS (Zero Current Switching zero current) operation, when turning on the auxiliary switch S 1a, caused by the current change is suppressed by the reactor in the Mode1, also at the time of turn-off of the auxiliary switch S 1a, in Mode4, energy regeneration After the operation is completed, it is caused by the operation from the state where the zero current is maintained in the reverse blocking state by the diode.

次に、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作について、図6〜図10を用いて説明する。なお、図6は順方向昇圧動作の動作図であり、図8は順方向降圧動作の動作図であり、図9は逆方向昇圧動作の動作図であり、図10は逆方向降圧動作の動作図であり、図7は、各動作における波形図である。以下では、各動作について、Mode1〜Mode6の6つの動作状態について示し、図8中に示す数1〜6は、このMode1〜Mode6の6つの動作状態に対応している。また、図6、8〜10では、主に各昇降圧チョッパ部での動作説明を行うために、電源側および負荷側における動作を簡略し、電源側の入力コンデンサCinと負荷側の出力コンデンサCoutとの間の電流状態によって動作状態を説明する。 Next, the operation of the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 is an operation diagram of the forward step-up operation, FIG. 8 is an operation diagram of the forward step-down operation, FIG. 9 is an operation diagram of the reverse step-up operation, and FIG. 10 is an operation of the reverse step-down operation. FIG. 7 is a waveform diagram in each operation. Hereinafter, for each operation, six operation states of Mode1 to Mode6 will be shown, and the numbers 1 to 6 shown in FIG. 8 correspond to the six operation states of Mode1 to Mode6. Further, in FIG 6,8~10 mainly in order to perform the operations described in KakuNoboru step-down chopper unit, and simplify the operation of the power supply side and load side, power supply side of the input capacitor C in the load side of the output capacitor The operation state will be described based on the current state between Cout .

はじめに、順方向昇圧動作について、図6、図7を用いて説明する。順方向昇圧動作は、前記図1に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチS1、補助スイッチS1a等を備える順方向昇圧チョッパ部によって行われる。 First, the forward boost operation will be described with reference to FIGS. The forward boost operation is performed by a forward boost chopper unit including a main switch S 1 , an auxiliary switch S 1a and the like in the bidirectional buck-boost chopper circuit shown in FIG.

順方向昇圧動作では、主スイッチS4に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチS2、S3、補助スイッチS2a、S3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチS2の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。 On the forward step-up operation, the conductive state is applied constantly to the on-gate to the main switch S 4, the main switch S 2, S 3, and stopped state auxiliary switch S 2a, the S 3a as normally-off. Moreover, operating the anti-parallel diode of the main switch S 2 as the output diode.

図6に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、モード1(図6(a)のMode1)では、主スイッチS1および補助スイッチS1aがオフの状態において、補助スイッチS1aがオンすることによって、補助スイッチS1a、主リアクトルL3、主スイッチS4 、入力コンデンサCin、出力コンデンサCout、主スイッチS2の逆並列ダイオード、スナバコンデンサC1の経路が形成される。図6(a)中の実線はこの経路を示している。 In the bidirectional buck-boost chopper circuit shown in FIG. 6, in the mode 1 (Mode1 in FIG. 6 (a)), the main switch S 1 and the auxiliary switch S 1a is in the OFF state, by the auxiliary switch S 1a is turned on, A path of the auxiliary switch S 1a , the main reactor L 3 , the main switch S 4 , the input capacitor C in , the output capacitor C out , the antiparallel diode of the main switch S 2 , and the snubber capacitor C 1 is formed. The solid line in FIG. 6A indicates this route.

主スイッチS2の逆並列ダイオード(ここでは出力ダイオードに相当する)に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチS1aがオンとなった瞬間、補助スイッチS1aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチS1aがターンオンする間、スナバコンデンサC1の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。 Carriers accumulated in the anti-parallel diode of the main switch S 2 (here corresponding to the output diode) flows in the opposite direction to the forward direction of the diode, the carrier extinction is started. Moment the auxiliary switch S 1a is turned on, the auxiliary switch S 1a is turned on from the current zero, it will be turned on at soft switching. While the auxiliary switch S 1a is turned on, the voltage of the snubber capacitor C 1 is not discharged and maintains a substantially constant voltage.

補助スイッチS1aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチS2の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード1は終了する。 From the point in time when the current of the auxiliary switch S 1a increases and almost reaches the load current, the accumulated carriers of the anti-parallel diode of the main switch S 2 flow through the path and disappear, reversely recover and enter the off state. This mode 1 is completed by the recovery and extinction operation of the diode.

また、図7中の“1”で示す状態は、主スイッチS1に流れる電流が零、補助スイッチ1aの電圧が降下し、電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が減少する状態を示している。 Further, the state indicated by “1” in FIG. 7 indicates a state in which the current flowing through the main switch S 1 is zero, the voltage of the auxiliary switch 1a is decreased, and the current increases, and the current flowing through the output diode is decreased. It shows the state to do.

モード2(図6(b)のMode2)では、主スイッチS2の逆並列ダイオード(出力ダイオードに相当)がオフし、スナバコンデンサC1の電圧VC1は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図6(b)中の実線は、スナバコンデンサC1、補助スイッチS1a、主リアクトルL3、主スイッチS4 、入力コンデンサCinの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサC1の電圧を零電圧に遷移させるZVT動作である。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 6B), the anti-parallel diode (corresponding to the output diode) of the main switch S 2 is turned off, and the voltage VC 1 of the snubber capacitor C 1 resonates in a sine wave shape and changes from positive to zero. Head to. The solid line in FIG. 6B shows the current flowing through the path of the snubber capacitor C 1 , the auxiliary switch S 1a , the main reactor L 3 , the main switch S 4 , and the input capacitor Cin. This mode is a ZVT operation in which the voltage of the snubber capacitor C 1 is changed to zero voltage.

また、図7中の“2”で示す状態は、主スイッチS1に流れる電流が増加し、補助スイッチ1aの電流が増加する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。 The state indicated by “2” in FIG. 7 indicates a state in which the current flowing through the main switch S 1 increases and the current through the auxiliary switch 1a increases, and the current flowing through the output diode indicates a zero state. Yes.

モード3(図6(c)のMode3)では、スナバコンデンサC2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC2が零電圧となる時点において、主スイッチS1がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチS1の主電流を打ち消す方向に通流する。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 6C), all charges accumulated in the snubber capacitor C 2 are discharged, and when the voltage V C2 becomes zero, the main switch S 1 is turned on and the resonance regenerative current is turned on. Flows in a direction to cancel the main current of the main switch S 1 .

図6(c)の実線は、このモードにおける、主スイッチS1、スナバダイオードD1、主リアクトルL3、主スイッチS4、入力コンデンサCin の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサC1からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチS1は電流零からのターンオンとなる。モード1及びモード2の期間中に主リアクトルL3に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS1の電流を相殺しつつ、補助スイッチS1aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチS1の順電流を零とするZCS(Zero Current Switching 零電流)動作である。 The solid line in FIG. 6C shows the path of the main switch S 1 , snubber diode D 1 , main reactor L 3 , main switch S 4 , and input capacitor C in in this mode. In this mode, the main switch S 1 is turned on from zero current due to cancellation by the circulating current from the snubber capacitor C 1 . The regenerative energy stored in the main reactor L 3 during the mode 1 and mode 2 is regenerated to the input power source via the auxiliary switch S 1a while canceling the current of the main switch S 1 as a negative current source. , Almost linearly decreasing to zero. This operation is a ZCS (Zero Current Switching zero current) operation in which the forward current of the main switch S 1 is zero.

また、図7中の“3”で示す状態は、主スイッチS1の電圧が零、補助スイッチ1aの電流が減少する状態を示し、また、出力ダイオードに流れる電流が零状態を示している。 Further, a state indicated by “3” in FIG. 7 indicates a state in which the voltage of the main switch S 1 is zero and the current of the auxiliary switch 1a decreases, and the current flowing through the output diode indicates a zero state.

モード4(図6(d)のMode4)では、主リアクトルL3の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードD1がオフし、主リアクトルL3の電流は、主スイッチS1を介して再び直線状に増加に向かう。図6(d)の実線は、このモードにおける、主スイッチS1、主リアクトルL3、主スイッチS4、入力コンデンサCin の経路を示している。また、図7中の“4”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。 In mode 4 (Mode4 in FIG. 6 (d)), becomes zero regenerative current of the main reactor L 3 is reduced, snubber diode D 1 is turned off, the current of the main reactor L 3 is connected via a main switch S 1 Again, it increases linearly. The solid line in FIG. 6D shows the path of the main switch S 1 , the main reactor L 3 , the main switch S 4 , and the input capacitor C in in this mode. Further, the state indicated by “4” in FIG. 7 indicates the voltage and current state at this time.

モード5(図3(e)のMode5)では、主スイッチS1、補助スイッチS1aが同時にオフされる。このとき、主スイッチS1はスナバコンデンサC1によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS1aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図6(e)の実線は、このモードにおける、入力コンデンサCin、主スイッチS4、主リアクトルL3〜L1、スナバダイオードD1、スナバコンデンサC1の経路を示している。また、図7中の“5”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 3E), the main switch S 1 and the auxiliary switch S 1a are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 1 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 1 , and the auxiliary switch S 1a is turned off by zero current, and both are turned off by soft switching. The solid line in FIG. 6E shows the path of the input capacitor C in , the main switch S 4 , the main reactors L 3 to L 1 , the snubber diode D 1 , and the snubber capacitor C 1 in this mode. Further, the state indicated by “5” in FIG. 7 indicates the voltage and current state at this time.

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS1aは零電流となった時点で主スイッチS1より先に、ターンオフしてもよい。 However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 1a may be turned off prior to the main switch S 1 when zero current is reached.

モード6(図6(f)のMode6)では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチS2の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルL1〜L3に蓄えられたエネルギーが負荷(出力コンデンサCout)へ供給される。図6(f)の実線は、このモードにおける、入力コンデンサCin、主スイッチS4、主リアクトルL3〜L1、主スイッチS2の逆並列ダイオード、出力コンデンサCoutの経路を示している。また、図7中の“6”で示す状態は、このときの電圧、電流状態を示している。 In mode 6 (Mode 6 of FIG. 6 (f)), the voltage rise due to increased current in the main reactor, the anti-parallel diode of the main switch S 2 is turned on, the main reactor L 1 ~L 3 the energy stored in the load (Output capacitor C out ). The solid line in FIG. 6 (f) indicates the path of the input capacitor C in , the main switch S 4 , the main reactors L 3 to L 1 , the antiparallel diode of the main switch S 2 , and the output capacitor C out in this mode. . Further, the state indicated by “6” in FIG. 7 indicates the voltage and current state at this time.

このモード6の後、補助スイッチS1aが再びオンすることによって、前記したモード1に戻って次サイクルが開始される。 After this mode 6, when the auxiliary switch S 1a is turned on again, the mode is returned to the mode 1 and the next cycle is started.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード(ここでは、主スイッチS2の逆並列ダイオード)の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。 As described above, it operates in the main switch auxiliary switch both the soft switching, output diode (here, the main anti-parallel diode of the switch S 2) over-current, over-voltage is not generated by the reverse recovery current.

次に、順方向降圧動作について、図8を用いて説明する。順方向降圧動作は、前記図1に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチS4、補助スイッチS4a等を備える順方向降圧チョッパ部によって行われる。 Next, the forward step-down operation will be described with reference to FIG. The forward voltage step-down operation is performed by a forward voltage step-down chopper unit including a main switch S 4 , an auxiliary switch S 4a and the like in the bidirectional step-up / step-down chopper circuit shown in FIG.

順方向降圧動作では、主スイッチS2に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチS1、S3、補助スイッチS1a、S3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチS3の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。 On the forward step-down operation, the conductive state is applied constantly to the on-gate to the main switch S 2, a main switch S 1, S 3, and stopped state auxiliary switch S 1a, the S 3a as normally-off. Moreover, operating the anti-parallel diode of the main switch S 3 as wheeling diode.

図8に示す降圧チョッパ部において、モード1(図8(a)のMode1)では、主スイッチS1,S3がオフの状態において、補助スイッチS4aがオンし、主スイッチS2、主リアクトルL1、補助スイッチS4a、スナバコンデンサD4、主スイッチS3の逆並列ダイオード(環流ダイオードとして動作)、出力コンデンサCoutの経路が形成される。図6(a)中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード(主スイッチS3の逆並列ダイオード)によるキャリア消滅が行われる。 In the step-down chopper unit shown in FIG. 8, in mode 1 (Mode 1 in FIG. 8A), the auxiliary switch S 4a is turned on and the main switch S 2 and the main reactor are turned on when the main switches S 1 and S 3 are turned off. A path of L 1 , auxiliary switch S 4a , snubber capacitor D 4 , anti-parallel diode (operating as a freewheeling diode) of main switch S 3 , and output capacitor C out is formed. The solid line in FIG. 6A indicates this route. In this mode, the carrier disappears by wheeling diode (anti-parallel diode of the main switch S 3) is performed.

補助スイッチS4aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサC4の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチS4a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード(主スイッチS2の逆並列ダイオード)のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード1は終了する。 The auxiliary switch S4a is turned on from zero current and is turned on by soft switching. During this time, the voltage of the snubber capacitor C 4 is not discharged and is maintained at a substantially constant voltage. When the current of the auxiliary switch S 4a increases and almost reaches the load current, the carrier of the output diode (the anti-parallel diode of the main switch S 2 ) disappears, reversely recovers and turns off, and mode 1 ends. To do.

モード2(図8(b)のMode2)では、出力ダイオード(主スイッチS2の逆並列ダイオード)がオフし、スナバコンデンサC4の電圧VC4は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図8(b)中の実線は、主リアクトルL1に流れる電流が、出力ダイオード(主スイッチS2の逆並列ダイオード)がオフすることで補助スイッチS4aを通して環流する電流を示している。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 8B), the output diode (the antiparallel diode of the main switch S 2 ) is turned off, and the voltage V C4 of the snubber capacitor C 4 resonates in a sinusoidal manner and goes from positive to zero. . The solid line in FIG. 8 (b) in the current flowing through the main reactor L 1 is, output diode (anti-parallel diode of the main switch S 2) indicates the current circulating through the auxiliary switch S 4a by turning off.

このモードは、スナバコンデンサC4の電圧を零電圧に遷移させるZVT動作である。 This mode is a ZVT operation in which the voltage of the snubber capacitor C 4 is changed to zero voltage.

モード3(図8(c)のMode3)では、スナバコンデンサC4に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC4が零電圧となる時点において、主スイッチS4がオンとなり、主リアクトルL1からの共振回生電流は、主スイッチS4の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチS4は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルL2にモード1の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS4の電流を相殺しつつ、補助スイッチS4aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 8C), all charges accumulated in the snubber capacitor C 4 are discharged, and when the voltage V C4 becomes zero, the main switch S 4 is turned on and the main reactor L resonance regenerative current from 1 Tsuryu in a direction to cancel the main current of the main switch S 4. As a result, the main switch S 4 is turned on from zero current. The regenerative energy stored in the main reactor L 2 during the mode 1 period is regenerated to the input power source through the auxiliary switch S 4a while canceling the current of the main switch S 4 as a negative current source, and is almost linear. Decreases to zero.

この動作は、主スイッチS4の順電流を零とするZCS(Zero Current Switching 零電流)動作である。 This operation is ZCS (Zero Current Switching zero current) operation with zero forward current of the main switch S 4.

モード4(図8(d)のMode4)では、主スイッチS4はオン状態となり、主リアクトルL1の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード(主スイッチS2の逆並列ダイオード)がオフし、主リアクトルL1の電流は、主スイッチS4を介して再び直線状に増加に向かう。 Mode 4 In (Mode4 in FIG 8 (d)), the main switch S 4 is in the ON state, becomes zero regenerative current of the main reactor L 1 is decreased, the output diode (anti-parallel diode of the main switch S 2) is turned off Then, the current of the main reactor L 1 again increases linearly via the main switch S 4 .

モード5(図4(e)のMode5)では、主スイッチS4、補助スイッチS4aが同時にオフされる。このとき、主スイッチS4はスナバコンデンサC4による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS4aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 4E), the main switch S 4 and the auxiliary switch S 4a are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 4 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 4 , and the auxiliary switch S 4a is turned off by zero current, and both are turned off by soft switching.

図8(e)の実線は、このモードにおける経路を示している。   A solid line in FIG. 8E indicates a route in this mode.

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS2は零電流となった時点で主スイッチS1より先に、ターンオフしてもよい。 However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 2 may be turned off prior to the main switch S 1 when zero current is reached.

モード6(図8(f)のMode6)では、主スイッチS4、補助スイッチS4aはオフ状態であり、出力ダイオード(主スイッチS2の逆並列ダイオード)がオンし、主リアクトルL1,L2に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図8(f)の実線は、このモードにおける、主スイッチS3、主リアクトルL3〜L1、主スイッチS2の逆並列ダイオード、出力コンデンサCoutの経路を示している。 In mode 6 (Mode 6 in FIG. 8F), the main switch S 4 and the auxiliary switch S 4a are in the off state, the output diode (the antiparallel diode of the main switch S 2 ) is turned on, and the main reactors L 1 , L The energy stored in 2 is supplied to the load. The solid line in FIG. 8F shows the paths of the main switch S 3 , the main reactors L 3 to L 1 , the antiparallel diode of the main switch S 2 , and the output capacitor C out in this mode.

その後、補助スイッチS4aが再びオンし、前記したモード1より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図7と同様であるのでここでの説明は省略する。 Thereafter, the auxiliary switch S 4a is turned on again, and the next cycle is started from the mode 1 described above. The voltage and current states are the same as those in FIG.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。   As described above, both the main switch and the auxiliary switch operate by soft switching, and overcurrent and overvoltage due to the reverse recovery current of the output diode do not occur.

次に、逆方向昇圧動作について、図9を用いて説明する。逆方向昇圧動作は、前記図1に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチS3、補助スイッチS3a等を備える逆方向昇圧チョッパ部によって行われる。 Next, the reverse boost operation will be described with reference to FIG. The reverse boost operation is performed by the reverse boost chopper unit including the main switch S 3 and the auxiliary switch S 3a in the bidirectional step-up / down chopper circuit shown in FIG.

逆方向昇圧動作では、主スイッチS2に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチS1、S4、補助スイッチS1a、S4aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチS4の逆並列ダイオードを出力ダイオードとして動作する。 On the reverse boost operation, the conductive state is applied constantly to the on-gate to the main switch S 2, a main switch S 1, S 4, and stopped state auxiliary switch S 1a, the S 4a as normally-off. Moreover, operating the anti-parallel diode of the main switch S 4 as the output diode.

図9に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチS3および補助スイッチS3aがオフの状態において、主スイッチS2は常時導通状態であるため、出力コンデンサCoutから主リアクトルL3〜L1、主スイッチS4、入力コンデンサCinの経路で流れる状態にある(Mode6の状態)。この状態において、モード1(図9(a)のMode1)において、補助スイッチS3aがオンすることによって、補助スイッチS3a、主リアクトルL1、主スイッチS2 、出力コンデンサCout、入力コンデンサCin、主スイッチS4の逆並列ダイオード、スナバダイオードD3の経路が形成される。図9(a)中の実線はこの経路を示している。 In the bidirectional step-up / step-down chopper circuit shown in FIG. 9, when the main switch S 3 and the auxiliary switch S 3a are in the OFF state, the main switch S 2 is always in a conductive state, so that the main reactors L 3 to L are output from the output capacitor C out. 1 is in a state of flowing through the path of the main switch S 4 and the input capacitor C in (mode 6 state). In this state, when the auxiliary switch S 3a is turned on in mode 1 (Mode 1 in FIG. 9A), the auxiliary switch S 3a , the main reactor L 1 , the main switch S 2 , the output capacitor C out , and the input capacitor C in , a path of the anti-parallel diode of the main switch S 4 and the snubber diode D 3 is formed. A solid line in FIG. 9A indicates this route.

主スイッチS4の逆並列ダイオード(ここでは出力ダイオードに相当する)に蓄積されていたキャリアは、ダイオードの順方向に対して逆の方向に流れ、キャリア消滅が開始される。補助スイッチS3aがオンとなった瞬間、補助スイッチS3aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンすることになる。補助スイッチS3aがターンオンする間、スナバコンデンサC3の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。 Carriers accumulated in the anti-parallel diode of the main switch S 4 (here corresponding to the output diode) flows in the opposite direction to the forward direction of the diode, the carrier extinction is started. Moment the auxiliary switch S 3a is turned on, the auxiliary switch S 3a is turned on from the current zero, it will be turned on at soft switching. While the auxiliary switch S 3a is turned on, the voltage of the snubber capacitor C 3 is not discharged and maintains a substantially constant voltage.

補助スイッチ3aの電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から主スイッチS4の逆並列ダイオードの蓄積キャリアは、前記経路を流れて消滅し、逆回復してオフ状態となる。このダイオードの回復消滅動作によって、このモード1は終了する。 Auxiliary current switch 3a is increased, the accumulation carrier substantially anti-parallel diode of the main switch S 4 from the time it reaches the load current, and disappears flows the path, it turned off and reverse recovery. This mode 1 is completed by the recovery and extinction operation of the diode.

モード2(図9(b)のMode2)では、主スイッチS4の逆並列ダイオード(出力ダイオードに相当)がオフし、スナバコンデンサC3の電圧VC1は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図9(b)中の実線は、スナバコンデンサC3、補助スイッチ3a、主リアクトルL1、主スイッチS2 、出力コンデンサCoutの経路で流れる電流を示している。このモードは、スナバコンデンサC3の電圧を零電圧に遷移させるZVT動作である。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 9B), the anti-parallel diode (corresponding to the output diode) of the main switch S 4 is turned off, and the voltage V C1 of the snubber capacitor C 3 resonates in a sinusoidal manner and changes from positive to zero. Head to. The solid line in FIG. 9B shows the current flowing through the path of the snubber capacitor C 3 , the auxiliary switch 3 a , the main reactor L 1 , the main switch S 2 , and the output capacitor C out . This mode is ZVT operation to transition the voltage of the snubber capacitor C 3 to zero voltage.

モード3(図6(c)のMode3)では、スナバコンデンサC3に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC3が零電圧となる時点において、主スイッチS3がオンとなり、共振回生電流は、主スイッチS3の主電流を打ち消す方向に通流する。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 6C), all charges accumulated in the snubber capacitor C 3 are discharged, and when the voltage V C3 becomes zero, the main switch S 3 is turned on and the resonance regenerative current is turned on. is Tsuryu in a direction to cancel the main current of the main switch S 3.

図9(c)の実線は、このモードにおける、主スイッチS3、スナバダイオードD3、主リアクトルL1、主スイッチS2、出力コンデンサCout の経路を示している。このモードでは、スナバコンデンサC3からの環流電流による打ち消しによって、主スイッチS3は電流零からのターンオンとなる。モード1及びモード2の期間中に主リアクトルL1に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS3の電流を相殺しつつ、補助スイッチS3aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。この動作は、主スイッチS3の順電流を零とするZCS(Zero Current Switching 零電流)動作である。 The solid line in FIG. 9C shows the path of the main switch S 3 , snubber diode D 3 , main reactor L 1 , main switch S 2 , and output capacitor C out in this mode. In this mode, the main switch S 3 is turned on from zero current due to cancellation by the circulating current from the snubber capacitor C 3 . The regenerative energy stored in the main reactor L 1 during the period of mode 1 and mode 2 is regenerated to the input power source via the auxiliary switch S 3a while canceling the current of the main switch S 3 as a negative current source. , Almost linearly decreasing to zero. This operation is ZCS (Zero Current Switching zero current) operation with zero forward current of the main switch S 3.

モード4(図9(d)のMode4)では、主リアクトルL1の回生電流が減少して零となり、スナバダイオードD3がオフし、主リアクトルL1の電流は、主スイッチS3を介して再び直線状に増加に向かう。図9(d)の実線は、このモードにおける、主スイッチS3、主リアクトルL1、主スイッチS2、出力コンデンサCout の経路を示している。 In mode 4 (Mode 4 in FIG. 9D), the regenerative current of the main reactor L 1 decreases to zero, the snubber diode D 3 is turned off, and the current of the main reactor L 1 passes through the main switch S 3. Again, it increases linearly. The solid line in FIG. 9 (d) in this mode, the main switch S3, the main reactor L 1, the main switch S 2, shows the path of the output capacitor C out.

モード5(図9(e)のMode5)では、主スイッチS3、補助スイッチS3aが同時にオフされる。このとき、主スイッチS3はスナバコンデンサC3によって零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS3aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。図9(e)の実線は、このモードにおける、出力コンデンサCout、主スイッチS2、主リアクトルL1〜L3、スナバダイオードD3、スナバコンデンサC3の経路を示している。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 9E), the main switch S 3 and the auxiliary switch S 3a are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 3 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 3 , and the auxiliary switch S 3a is turned off by zero current, and both are turned off by soft switching. The solid line in FIG. 9E shows the path of the output capacitor C out , the main switch S 2 , the main reactors L 1 to L 3 , the snubber diode D 3 , and the snubber capacitor C 3 in this mode.

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS3aは零電流となった時点で主スイッチS3より先に、ターンオフしてもよい。 However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 3a may be turned off prior to the main switch S 3 when zero current is reached.

モード6(図9(f)のMode6)では、主リアクトルの電流増加による電圧上昇によって、主スイッチS4の逆並列ダイオードがオン状態となり、主リアクトルL1〜L3に蓄えられたエネルギーが入力側(入力コンデンサCin)へ回生される。図9(f)の実線は、このモードにおける、出力コンデンサCout、主スイッチS2、主リアクトルL3〜L1、主スイッチS4の逆並列ダイオード、入力コンデンサCinの経路を示している。 In mode 6 (Mode 6 of Fig. 9 (f)), the voltage rise due to increased current in the main reactor, the anti-parallel diode of the main switch S 4 is turned on, the main reactor L 1 ~L 3 the energy stored in the input Regenerated to the side (input capacitor C in ). The solid line in FIG. 9F shows the path of the output capacitor C out , the main switch S 2 , the main reactors L 3 to L 1 , the antiparallel diode of the main switch S 4 , and the input capacitor C in in this mode. .

このモード6の後、補助スイッチS3aが再びオンすることによって、前記したモード1に戻って次サイクルが開始される。 After the mode 6, the auxiliary switch S3a is turned on again to return to the mode 1 and start the next cycle.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオード(ここでは、主スイッチS2の逆並列ダイオード)の逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。 As described above, it operates in the main switch auxiliary switch both the soft switching, output diode (here, the main anti-parallel diode of the switch S 2) over-current, over-voltage is not generated by the reverse recovery current.

次に、逆方向降圧動作について、図10を用いて説明する。逆方向降圧動作は、前記図1に示す双方向昇降圧チョッパ回路において、主スイッチS2、補助スイッチS2a等を備える逆方向降圧チョッパ部によって行われる。 Next, the reverse step-down operation will be described with reference to FIG. The reverse step-down operation is performed by a reverse step-down chopper unit including a main switch S 2 , an auxiliary switch S 2a, etc. in the bidirectional step-up / step-down chopper circuit shown in FIG.

逆方向降圧動作では、主スイッチS4に常時オンゲートに印加して導通状態とし、主スイッチS1、S3、補助スイッチS1a、S3aを常時オフとして停止状態とする。また、主スイッチS1の逆並列ダイオードを環流ダイオードとして動作する。 On the reverse step-down operation, the conductive state is applied constantly to the on-gate to the main switch S 4, the main switch S 1, S 3, and stopped state auxiliary switch S 1a, the S 3a as normally-off. Moreover, operating the anti-parallel diode of the main switch S 1 as wheeling diode.

図10に示す降圧チョッパ部において、モード1(図10(a)のMode1)では、主スイッチS1, S3がオフの状態において、補助スイッチS2aがオンし、主スイッチS4、主リアクトルL3、補助スイッチS2a、スナバコンデンサD2、主スイッチS1の逆並列ダイオード(環流ダイオードとして動作)、入力コンデンサCinの経路が形成される。図10(a)中の実線はこの経路を示している。このモードでは、環流ダイオード(主スイッチS1の逆並列ダイオード)によるキャリア消滅が行われる。 In the step-down chopper unit shown in FIG. 10, in mode 1 (Mode 1 in FIG. 10A), the auxiliary switch S 2a is turned on, the main switch S 4 , and the main reactor in the state where the main switches S 1 and S 3 are turned off. A path of L 3 , auxiliary switch S 2a , snubber capacitor D 2 , anti-parallel diode of main switch S 1 (operating as a freewheeling diode), and input capacitor C in is formed. The solid line in FIG. 10A shows this route. In this mode, the carrier disappears by wheeling diode (anti-parallel diode of the main switch S 1) is performed.

補助スイッチS2aは電流零からのオンとなり、ソフトスイッチングでターンオンする。この間、スナバコンデンサC2の電圧は放電せずほぼ一定電圧を維持する。補助スイッチS2a電流が増加し、ほぼ負荷電流に達した時点から出力ダイオード(主スイッチS4の逆並列ダイオード)のキャリアが消滅し、逆回復してオフ状態となることで、モード1は終了する。 The auxiliary switch S 2a is turned on from zero current and is turned on by soft switching. During this time, the voltage of the snubber capacitor C 2 maintains a substantially constant voltage not discharged. Mode 1 ends when the carrier of the output diode (the anti-parallel diode of the main switch S 4 ) disappears from the point when the current of the auxiliary switch S 2a increases and almost reaches the load current, reversely recovers and turns off. To do.

モード2(図10(b)のMode2)では、入力ダイオード(主スイッチS4の逆並列ダイオード)がオフし、スナバコンデンサC2の電圧VC2は正弦波状に共振を起こし正から零へと向かう。図10(b)中の実線は、主リアクトルL3に流れる電流が、出力ダイオード(主スイッチS4の逆並列ダイオード)がオフすることで補助スイッチS2aを通して環流する電流を示している。 In mode 2 (Mode 2 in FIG. 10B), the input diode (the antiparallel diode of the main switch S 4 ) is turned off, and the voltage V C2 of the snubber capacitor C 2 resonates in a sine wave shape and goes from positive to zero. . The solid line in FIG. 10 (b) in the current flowing through the main reactor L 3 is, output diode (anti-parallel diode of the main switch S 4) indicates the current circulating through the auxiliary switch S 2a by turning off.

このモードは、スナバコンデンサC2の電圧を零電圧に遷移させるZVT動作である。 This mode is a ZVT operation in which the voltage of the snubber capacitor C 2 is changed to zero voltage.

モード3(図10(c)のMode3)では、スナバコンデンサC2に蓄積していた電荷を全て放電し、電圧VC2が零電圧となる時点において、主スイッチS2がオンとなり、主リアクトルL3からの共振回生電流は、主スイッチS2の主電流を打ち消す方向に通流する。これにより、主スイッチS2は電流零からのターンオンとなる。主リアクトルL3にモード1の期間中に蓄えられた回生エネルギーは、負の電流源として主スイッチS2の電流を相殺しつつ、補助スイッチS2aを介して入力電源へと回生され、ほぼ直線状に減少して零となる。 In mode 3 (Mode 3 in FIG. 10 (c)), all charges accumulated in the snubber capacitor C 2 are discharged, and when the voltage V C2 becomes zero, the main switch S 2 is turned on and the main reactor L resonance regenerative current from 3 Tsuryu in a direction to cancel the main current of the main switch S 2. Accordingly, the main switch S 2 is the turn-on of the current zero. The regenerative energy stored in the main reactor L 3 during the mode 1 period is regenerated to the input power source through the auxiliary switch S 2a while canceling the current of the main switch S 2 as a negative current source, and is almost linear. Decreases to zero.

この動作は、主スイッチS2の順電流を零とするZCS(Zero Current Switching 零電流)動作である。 This operation is ZCS (Zero Current Switching zero current) operation with zero forward current of the main switch S 2.

モード4(図10(d)のMode4)では、主スイッチS2はオン状態となり、主リアクトルL1の回生電流が減少して零となり、出力ダイオード(主スイッチS4の逆並列ダイオード)がオフし、主リアクトルL3の電流は、主スイッチS2を介して再び直線状に増加に向かう。 Mode 4 In (Mode4 in FIG 10 (d)), the main switch S 2 is turned on, becomes zero and the regenerative current of the main reactor L 1 is decreased, the output diode (anti-parallel diode of the main switch S 4) is turned off Then, the current of the main reactor L 3 again increases linearly via the main switch S 2 .

モード5(図10(e)のMode5)では、主スイッチS2、補助スイッチS2aが同時にオフされる。このとき、主スイッチS2はスナバコンデンサC2による零電圧からのターンオフとなり、補助スイッチS2aは零電流ターンオフとなり、共にソフトスイッチングでオフする。 In mode 5 (Mode 5 in FIG. 10E), the main switch S 2 and the auxiliary switch S 2a are simultaneously turned off. At this time, the main switch S 2 is turned off from zero voltage by the snubber capacitor C 2, the auxiliary switches S 2a becomes zero current turn-off, turn off both soft switching.

図10(e)の実線は、このモードにおける経路を示している。   A solid line in FIG. 10E indicates a route in this mode.

但し、本発明は同時オフに限定されない。補助スイッチS2aは零電流となった時点で主スイッチS2より先に、ターンオフしてもよい。 However, the present invention is not limited to simultaneous off. The auxiliary switch S 2a may be turned off prior to the main switch S 2 when zero current is reached.

モード6(図10(f)のMode6)では、主スイッチS2、補助スイッチS2aはオフ状態であり、出力ダイオード(主スイッチS4の逆並列ダイオード)がオンし、主リアクトルL3に蓄えられたエネルギーが負荷へ供給される。図10(f)の実線は、このモードにおける、主スイッチS1、主リアクトルL1〜L3、主スイッチS4の逆並列ダイオード、入力コンデンサCinの経路を示している。 In mode 6 (Mode 6 in FIG. 10 (f)), the main switch S 2 and the auxiliary switch S 2a are in the off state, the output diode (the antiparallel diode of the main switch S 4 ) is turned on, and is stored in the main reactor L 3 . The supplied energy is supplied to the load. The solid line in FIG. 10 (f) is, in this mode shows the main switch S 1, the main reactor L 1 ~L 3, the anti-parallel diode of the main switch S 4, the path of the input capacitor C in.

その後、補助スイッチS2aが再びオンし、前記したモード1より次サイクルが開始される。なお、電圧、電流状態は、前記した図7と同様であるのでここでの説明は省略する。 Thereafter, the auxiliary switch S 2a is turned on again, and the next cycle is started from the mode 1 described above. The voltage and current states are the same as those in FIG.

以上のようにして、主スイッチ・補助スイッチともにソフトスイッチングで動作し、出力ダイオードの逆回復電流による過電流、過電圧が発生しない。   As described above, both the main switch and the auxiliary switch operate by soft switching, and overcurrent and overvoltage due to the reverse recovery current of the output diode do not occur.

なお、本発明の双方向昇降圧チョッパ回路に各チョッパ部では、補助スイッチを主スイッチよりわずかに早くオンさせることでソフトスイッチングを行うが、主スイッチと補助スイッチを同時にもしくは補助スイッチを主スイッチよりも後にオンさせることでターンオンのソフトスイッチングを行わず、回生動作のみを行うように動作させることもできる。   In each chopper part of the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention, soft switching is performed by turning on the auxiliary switch slightly earlier than the main switch. However, the main switch and the auxiliary switch can be switched simultaneously or the auxiliary switch from the main switch. However, by turning it on later, it is possible to operate so as to perform only the regenerative operation without performing the soft switching of the turn-on.

また、本発明のチョッパ回路は、主スイッチと補助スイッチを直並列接続して構成する他に、電源システム全体を多重化構成としてもよい。   The chopper circuit of the present invention may be configured by multiplexing the entire power supply system in addition to the main switch and auxiliary switch connected in series and parallel.

また、本発明のチョッパ回路の主リアクトルは分割構造としても、一体構造としてもよい。   Further, the main reactor of the chopper circuit of the present invention may have a split structure or an integral structure.

また、本発明のチョッパ回路において、主スイッチの逆並列ダイオードは、零電圧零電流のソフトスイッチングを行わない場合には、削除してもよい。   In the chopper circuit of the present invention, the antiparallel diode of the main switch may be deleted when soft switching of zero voltage and zero current is not performed.

また、本発明のチョッパ回路において、入力電源に回生する電流リプル吸収能力がある場合には、入力平滑コンデンサを削除してもよい。   Further, in the chopper circuit of the present invention, the input smoothing capacitor may be deleted when the input power supply has a current ripple absorption capability.

また、本発明に係わるチョッパ回路では、昇圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が少ない場合(昇圧率が低く、主スイッチのオン期間が短い場合)、もしくは、降圧動作時に入力電圧と出力電圧の電圧差が大きい場合(降圧率が高く、主スイッチのオン期間が短い場合)、スナバコンデンサに電圧が残留する場合がある。この場合、ダイオードリカバリ電流消滅による低電流の効果と、残留電圧による低電圧の効果で、その分、低電圧・低電流からのターンオンとなり、電圧・電流の重なりが少なくなってスイッチング損失が低減される。   In the chopper circuit according to the present invention, when the voltage difference between the input voltage and the output voltage is small during the boosting operation (when the boosting rate is low and the main switch ON period is short), or the input voltage and the output voltage during the bucking operation. Is large (when the step-down rate is high and the ON period of the main switch is short), the voltage may remain in the snubber capacitor. In this case, the low current effect due to the diode recovery current extinction and the low voltage effect due to the residual voltage result in a turn-on from the low voltage / low current, thereby reducing the overlap of voltage / current and reducing the switching loss. The

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。   The present invention is not limited to the embodiments described above. Various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明のチョッパ回路は、燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野に適用することができる。   The chopper circuit of the present invention can be applied not only to a fuel cell vehicle but also to a field using a semiconductor power converter.

本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の一回路構成例を示す図である。It is a figure which shows the circuit structural example of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路を構成するチョッパ部の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the chopper part which comprises the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える昇圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the operation example of the pressure | voltage rise chopper circuit structure with which the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention is provided. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路が備える降圧チョッパ回路構成の動作例を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the operation example of the pressure | voltage fall chopper circuit structure with which the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention is provided. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の基本動作波形図である。It is a basic operation waveform diagram of the bidirectional buck-boost chopper circuit of the present invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向昇圧動作を説明するための動作図である。It is an operation | movement diagram for demonstrating the forward boosting operation | movement of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の動作を説明するための動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram for demonstrating operation | movement of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の順方向降圧動作を説明するための動作図である。It is an operation | movement diagram for demonstrating the forward step-down operation | movement of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇圧動作を説明するための動作図である。It is an operation | movement diagram for demonstrating the reverse pressure | voltage rise operation | movement of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 本発明の双方向昇降圧チョッパ回路の逆方向昇降動作を説明するための動作図である。It is an operation | movement diagram for demonstrating the reverse raising / lowering operation | movement of the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit of this invention. 従来のチョッパ回路により想定される双方向昇降圧チョッパ回路を示す図である。It is a figure which shows the bidirectional | two-way buck-boost chopper circuit assumed with the conventional chopper circuit.

符号の説明Explanation of symbols

E,E1…直流電源
1〜S4…主スイッチ
1a〜S4a…補助スイッチ
1〜C4…スナバコンデンサ
1〜D4…スナバダイオード
1〜L3,L2…主リアクトル
in…入力コンデンサ
out…出力コンデンサ
0…平滑出力コンデンサ
E, E1 ... DC power source S 1 to S 4 ... main switch S 1a to S 4a ... auxiliary switch C 1 -C 4 ... snubber capacitor D 1 to D 4 ... snubber diode L 1 ~L 3, L 2 ... main reactor C in … Input capacitor C out … Output capacitor C 0 … Smoothing output capacitor

Claims (10)

電源側端子と負荷側端子との間において昇圧動作および降圧動作を双方向で行う双方向昇降圧チョッパ回路において、
前記電源側端子と負荷側端子との間において、昇圧動作又は降圧動作を行う電気的に等価な4つのチョッパ部を備え、
前記各チョッパ部は、
等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルと、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記3つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備えることを特徴とする、双方向昇降圧チョッパ回路。
In a bidirectional buck-boost chopper circuit that performs a boost operation and a step-down operation bidirectionally between a power supply side terminal and a load side terminal ,
Between the power supply side terminal and the load side terminal, comprising four electrically equivalent chopper parts that perform a step-up operation or a step-down operation,
Each chopper part is
Three main reactors equivalently constituting one reactor,
A main switch in which one pole is connected to one end of the series connection body of the main reactor, and the other pole is directly connected to one voltage terminal of the DC power supply;
A series connection body of a snubber diode and a snubber capacitor connected between both poles of the main switch,
A bidirectional buck-boost chopper circuit comprising an auxiliary switch connected between a connection point of the snubber diode and a snubber capacitor and a connection point of a series connection body of the three main reactors.
前記各チョッパ部は、前記3つの主リアクトルを共有リアクトルとして有し、当該3つの主リアクトル中の中間の主リアクトルの両端に前記各チョッパ回路の補助スイッチを対称に接続することを特徴とする、請求項1に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   Each of the chopper parts has the three main reactors as a shared reactor, and the auxiliary switches of the chopper circuits are symmetrically connected to both ends of an intermediate main reactor in the three main reactors. The bidirectional buck-boost chopper circuit according to claim 1. 前記各チョッパ部は、各補助スイッチの一端を前記共有リアクトルに接続することを特徴とする、請求項2に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   3. The bidirectional buck-boost chopper circuit according to claim 2, wherein each chopper unit connects one end of each auxiliary switch to the shared reactor. 前記4つのチョッパ部は、
電源側端子から負荷側端子へ昇圧動作を行う第1の昇圧チョッパ部と、
電源側端子から負荷側端子へ降圧動作を行う第1の降圧チョッパ部と、
負荷側端子から電源側端子へ昇圧動作を行う第2の昇圧チョッパ部と、
負荷側端子から電源側端子へ降圧動作を行う第2の降圧チョッパ部であること特徴とする、請求項1から請求項3の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
The four chopper parts are
A first step-up chopper unit that performs a step-up operation from the power supply side terminal to the load side terminal ;
A first step-down chopper unit that performs step-down operation from the power supply side terminal to the load side terminal ;
A second step-up chopper unit that performs a step-up operation from the load side terminal to the power source side terminal ;
4. The bidirectional step-up / step-down chopper circuit according to claim 1, wherein the bidirectional step-up / step-down chopper circuit is a second step-down chopper unit that performs step-down operation from a load side terminal to a power source side terminal .
前記電源側端子に接続した第2の昇圧チョッパ部と前記電源側端子に接続した第1の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する3つの主リアクトル中の1つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流し、
前記負荷側端子に接続した第1の昇圧チョッパ部と前記負荷側端子に接続した第2の降圧チョッパ部は、補助スイッチのオン時に前記主リアクトルを構成する3つの主リアクトル中の、前記した主リアクトルと異なる1つの同じ主リアクトルに対して主電流と逆方向に回生電流を流すことを特徴とする、請求項4に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
First step-down chopper unit connected to the second step-up chopper unit connected to the power supply side terminal to the power source side terminal, one and the same main in three main reactor constituting the main reactor during on of the auxiliary switch A regenerative current is applied to the reactor in the direction opposite to the main current,
Second step-down chopper unit connected to the first said load side terminal and the boost chopper unit connected to the load side terminal, in three main reactor constituting the main reactor during on of the auxiliary switch, the main mentioned above The bidirectional buck-boost chopper circuit according to claim 4, wherein a regenerative current is caused to flow in a direction opposite to the main current to one same main reactor different from the reactor.
前記チョッパ部は、
一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する3つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電圧端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備え、
当該補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧又は低電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧又は低電圧とすることを特徴とする、請求項1から請求項5の何れか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。
The chopper part is
A series connection of three main reactors equivalently constituting one reactor, one end of which is connected to the high potential side terminal of the DC power supply;
A main switch in which one pole is connected to the other end of the series connection body of the main reactor, and the other pole is directly connected to a low voltage terminal of the DC power supply;
A series connection body of an output diode and an output smoothing capacitor connected between both poles of the main switch,
A series connection body of a snubber diode and a snubber capacitor connected between both poles of the main switch,
An auxiliary switch connected between the connection point of the snubber diode and the snubber capacitor and the connection point of the series connection body of the two main reactors,
6. The auxiliary switch according to claim 1, wherein the voltage at the time of turning on the main switch is set to zero voltage or low voltage by setting the voltage of the snubber capacitor to zero voltage or low voltage. A bidirectional buck-boost chopper circuit according to one.
前記補助スイッチは、ターンオン時に、出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項6に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   The auxiliary switch causes the electric charge accumulated in the output diode to flow through the main reactor on the DC power source side of the two main reactors in the direction opposite to the main current of the main reactor at the time of turn-on. The bidirectional buck-boost chopper circuit according to claim 6, wherein the bidirectional buck-boost chopper circuit is regenerated. 前記主スイッチは、ターンオン時に、当該スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項6に記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   When the main switch is turned on, the regenerative resonance between the snubber capacitor and the main reactor connected to the DC power source side causes the electric charge accumulated in the snubber capacitor to be transferred to the main reactor on the DC power source side of the two main reactors. The bidirectional step-up / step-down chopper circuit according to claim 6, wherein the bidirectional current is supplied to the DC power source in a direction opposite to the main current of the main reactor and regenerated. 前記補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させることによって、主スイッチを零電圧かつ零電流もしくは低電圧かつ低電流の状態からオン動作させることを特徴とする、請求項5から請求項8いずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   6. The main switch is turned on from the state of zero voltage and zero current or low voltage and low current by turning on the main switch after turning on the auxiliary switch. 8. The bidirectional buck-boost chopper circuit according to any one of 8. 前記補助スイッチは、逆阻止型IGBT、又は、逆並列ダイオード付きIGBTとダイオードの直列接続、あるいは逆阻止能力を有さないIGBTとダイオードの直列接続で構成することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一つに記載の双方向昇降圧チョッパ回路。   The auxiliary switch is configured by a reverse blocking IGBT, a series connection of an IGBT with an antiparallel diode and a diode, or a series connection of an IGBT and a diode having no reverse blocking capability. Item 12. The bidirectional buck-boost chopper circuit according to any one of Items 9.
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