JP4848111B2 - スイッチング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スナバ回路を有するPWM(パルス幅変調)方式のスイッチング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は、PWM方式のスイッチング装置において、スナバ回路を有するものを示しており、ブリッジ回路の一部を構成するMOSFETからなるスイッチQ11,Q12のうち、スイッチQ11に並列にコンデンサC11とダイオードD13の直列回路、スイッチQ12に並列にダイオードD14とコンデンサC12の直列回路がそれぞれ接続され、ダイオードD13、ダイオードD14およびコンデンサC12の直列回路に並列に抵抗R11が接続され、コンデンサC11、ダイオードD13およびダイオードD14の直列回路に並列に抵抗R12が接続されている。
【0003】
この場合、スイッチQ11、スイッチQ12は、出力電圧に応じてPWM変調された波形によりオンオフされ、これにより所定の出力を発生するようになっている。また、これらスイッチQ11、Q12は、デットタイムの時間をおいて交互にオンオフされるようになっている。
【0004】
この場合、コンデンサC11、C12には、常時入力電圧がチャージされており、スナバ効果を発揮するのは、これらコンデンサC11、C12に印加される電圧波形が入力電圧以上になったときである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようなスイッチング装置では、例えば、スイッチQ12のオフ時に、回路中の寄生インダクタンスなどによりスパイク電圧が発生すると、この時のエネルギーをコンデンサC12にチャージし、その後、抵抗R12を通して消費させるようになっており、この抵抗R12での電力消費が電力変換の効率を著しく低下させるという問題があった。
【0006】
また、コンデンサC11、C12には、常時入力電圧がチャージされることから、スイッチQ11、Q12は、ゼロ電圧スイッチングができない。このため、スイッチQ11、Q12のオフ時に回路中の寄生インダクタンスによりスイッチング電流の立ち下がりが遅れると、電圧波形とのクロスロスにより損失が発生し、これらの損失により電力変換の効率の低下を招くという問題もあった。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電力変換時の効率改善を図ることができるPWM方式のスイッチング装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、
第1および第2のLCスナバ回路を備える第1および第2のスイッチング素子の直列回路と、LCスナバ回路を備えない第3および第4のスイッチング素子の直列回路が並列接続されてなるブリッジ回路を有し、前記第3および第4のスイッチング素子のいずれか一方がオンとなり、前記第4のスイッチング素子がオン状態で前記第1のスイッチング素子がパルス変調された波形でオンオフされ、前記第3のスイッチング素子がオン状態で前記第2のスイッチング素子がパルス変調された波形でオンオフされるスイッチング装置において、
前記第1のLCスナバ回路は、
前記第4のスイッチング素子と同期してオンオフされる第1の補助スイッチング素子と、
前記第4のスイッチング素子及び前記第1の補助スイッチング素子がオン状態で、前記第1のスイッチング素子のオフの際に発生する電圧によって前記第1の補助スイッチング素子を通してチャージされる第1のコンデンサと、および
前記第1のスイッチング素子がオンになると、前記第1のコンデンサのチャージエネルギーを共振電流として前記第1のスイッチング素子を介して放出する第1のインダクタと、
から構成され、
前記第2のLCスナバ回路は、
前記第3のスイッチング素子と同期してオンオフされる第2の補助スイッチング素子と、
前記第3のスイッチング素子及び前記第2の補助スイッチング素子がオン状態で、前記第2のスイッチング素子のオフの際に発生する電圧によって前記第2の補助スイッチング素子を通してチャージされる第2のコンデンサと、および
前記第2のスイッチング素子がオンになると、前記第2のコンデンサのチャージエネルギーを共振電流として前記第2のスイッチング素子を介して放出する第2のインダクタと、
から構成されることを特徴とするスイッチング装置が提供される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。
【0010】
図1は、本発明が適用されるブリッジ回路を使用したPWM方式のインバータ装置の概略構成を示している。
【0011】
図において、Q1、Q2、Q3、Q4は、スイッチング素子としてのMOSFETからなるスイッチで、スイッチQ1とQ2の直列回路に、スイッチQ3とQ4の直列回路が並列に接続され、ブリッジ回路が構成されている。ここで、スイッチQ1、Q2、Q3、Q4は、それぞれ内部寄生ダイオードD1、D2、D3、D4を有するとともに、ゲート駆動回路Vg1、Vg2、Vg3、Vg4が各別に接続されている。
【0012】
これらスイッチQ1、Q2、Q3、Q4のブリッジ回路には、直流入力電圧Eiが印加され、また、スイッチQ1とQ2の接続点と、スイッチQ3とQ4の接続点との間には、インダクタL0とコンデンサC0からなるフィルタ回路が接続され、このフィルタ回路のコンデンサC0両端より交流出力電圧Eoが発生するようになっている。
【0013】
このようなスイッチQ1、Q2、Q3、Q4からなるブリッジ回路に対し以下のようなスナバ回路が構成される。
【0014】
スイッチQ1とQ2の直列回路と並列にコンデンサCi1、Ci2の直列回路が接続され、これらコンデンサCi1とCi2の接続点とスイッチQ1とQ2の接続点との間には、補助スイッチング素子としてのMOSFETからなるスイッチQ5、図示極性ダイオードD7、コンデンサCs1の直列回路および補助スイッチング素子としてのMOSFETからなるスイッチQ6、図示極性ダイオードD8、コンデンサCs2の直列回路がそれぞれ接続されている。さらに、ダイオードD7とコンデンサCs1の接続点とスイッチQ1とQ3の接続点との間には、インダクタLs1と図示極性ダイオードD9の直列回路、ダイオードD8とコンデンサCs2の接続点とスイッチQ2とQ4の接続点との間には、インダクタLs2と図示極性ダイオードD10の直列回路がそれぞれ接続されている。ここで、スイッチQ5、Q6は、それぞれ内部寄生ダイオードD5、D6を有するとともに、ゲート駆動回路Vg5、Vg6が各別に接続されている。また、ダイオードD9、D10は、スイッチQ1、Q2のオフ時にインダクタLs1、Ls2側に電流を流さないためのものである。
【0015】
次に、このように構成された実施の形態の動作を説明する。
【0016】
この場合、図2(a)に示す出力電圧Eoが“+”の領域では、同図(b)に示すようにスイッチQ1は、同図(d)に示すスイッチQ4がオン状態のままで、出力電圧に応じてPWM変調された波形によりオンオフされ、また、出力電圧Eoが“−”の領域では、同図(c)に示すようにスイッチQ2は、同図(e)に示すスイッチQ3がオン状態のままで、出力電圧に応じてPWM変調された波形によりオンオフされるようになり、インダクタL0とコンデンサC0からなるフィルタ回路を介して交流出力電圧Eoが発生される。
【0017】
この状態で、スイッチQ4のオンオフ動作に同期して同図(f)に示すようにスイッチQ5がオンオフされ、また、スイッチQ3のオンオフ動作に同期して同図(g)に示すようにスイッチQ6がオンオフされる。
【0018】
いま、説明を簡単にするため、出力電圧Eoが“−”領域でのスイッチQ2の動作について説明すると、この領域では、スイッチQ3がオン状態のままで、スイッチQ2がPWM変調された波形によりオンオフを繰り返すが、いま、スイッチQ2がオンからオフに切換わると、この瞬間、いままでスイッチQ2に流れていた電流は、コンデンサCs2側に移行し、ダイオードD8、スイッチQ6を介して流れる。
【0019】
この場合、図3(a)に示すようにスイッチQ2のオンオフ波形に対して、スイッチQ2の電圧波形および電流波形は、同図(b)(c)となり、スイッチQ2がオフとなった瞬間のコンデンサCs2の電流波形は、同図(d)に示すようになる。ここで、スイッチQ2のオフ時の時間軸を拡大した図4に示すように、スイッチQ2がオフに切換わると、インダクタL0に流れている電流は、コンデンサCs2に流れるようになり、コンデンサCs2の電流波形は、同図(d)に示すように立ち上がる。これにより、スイッチQ2の電圧波形は、同図(b)に示すようにコンデンサCs2にエネルギーをチャージしている時間だけ遅れて立ち上がるようになり、同図(c)に示す電流波形とのクロスロスを軽減することができる。
【0020】
その後、スイッチQ2がオンすると、ダイオードD8は逆バイアスになるので、コンデンサCs2にチャージされたエネルギーは、インダクタLs2とコンデンサCs2による共振電流となってスイッチQ2に流れ放出される。この場合、スイッチQ2のオン時の時間軸を拡大した図5に示すように、スイッチQ2がオンに切換わると、スイッチQ2とコンデンサCs2には、同図(c)(d)に示すように、インダクタLs2とコンデンサCs2の共振によるサイン波形の電流A、Bが流れるようになる。
【0021】
従って、このようにすれば、スイッチQ2のオフ時、コンデンサCs2にエネルギーをチャージしている時間だけ遅れて電圧波形を立ち上げるようにしたので、このときの電圧波形と電流波形のクロスオーバを軽減することができ、クロスオーバによる損失の低減により電力変換時の効率の著しい改善を図ることができる。
【0022】
また、コンデンサCs2に貯えられるエネルギーは、インダクタLs2とコンデンサCs2の共振電流としてスイッチQ2を通して放出されるので、従来の抵抗で熱エネルギーとして消費させるものと比べ、エネルギーの無駄遣いが軽減され、さらなる電力変換時の効率改善を図ることができる。
【0023】
なお、上述では、出力電圧Eoの“−”領域において、スイッチQ2がPWM変調された波形によりオンオフされる場合を説明したが、出力電圧Eoの“+”領域において、スイッチQ1がPWM変調された波形によりオンオフされる場合も、コンデンサCs1、インダクタLs1、ダイオードD7の動作により同様な動作を実現することができる。
【0024】
また、上述では、一貫してインバータ装置について述べたが、DC/DC装置であっても良い。
【0025】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、電力変換の効率改善を図ることができるPWM方式のスイッチング装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のPWM方式のインバータ装置の概略構成を示す図。
【図2】一実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート。
【図3】一実施の形態の各部の動作波形を示す図。
【図4】一実施の形態のスイッチのオフ時の時間軸を拡大した動作波形を示す図。
【図5】一実施の形態のスイッチのオン時の時間軸を拡大した動作波形を示す図。
【図6】従来のPWM方式のインバータ装置の概略構成を示す図。
【符号の説明】
Q1〜Q6…スイッチ
D1〜D6…内部寄生ダイオード
Vg1〜Vg6…ゲート駆動回路
L0…インダクタ
C0…コンデンサ
Ci1、Ci2…コンデンサ
Ls1、Ls2…インダクタ
Claims (1)
- 第1および第2のLCスナバ回路を備える第1および第2のスイッチング素子の直列回路と、LCスナバ回路を備えない第3および第4のスイッチング素子の直列回路が並列接続されてなるブリッジ回路を有し、前記第3および第4のスイッチング素子のいずれか一方がオンとなり、前記第4のスイッチング素子がオン状態で前記第1のスイッチング素子がパルス変調された波形でオンオフされ、前記第3のスイッチング素子がオン状態で前記第2のスイッチング素子がパルス変調された波形でオンオフされるスイッチング装置において、
前記第1のLCスナバ回路は、
前記第4のスイッチング素子と同期してオンオフされる第1の補助スイッチング素子と、
前記第4のスイッチング素子及び前記第1の補助スイッチング素子がオン状態で、前記第1のスイッチング素子のオフの際に発生する電圧によって前記第1の補助スイッチング素子を通してチャージされる第1のコンデンサと、および
前記第1のスイッチング素子がオンになると、前記第1のコンデンサのチャージエネルギーを共振電流として前記第1のスイッチング素子を介して放出する第1のインダクタと、
から構成され、
前記第2のLCスナバ回路は、
前記第3のスイッチング素子と同期してオンオフされる第2の補助スイッチング素子と、
前記第3のスイッチング素子及び前記第2の補助スイッチング素子がオン状態で、前記第2のスイッチング素子のオフの際に発生する電圧によって前記第2の補助スイッチング素子を通してチャージされる第2のコンデンサと、および
前記第2のスイッチング素子がオンになると、前記第2のコンデンサのチャージエネルギーを共振電流として前記第2のスイッチング素子を介して放出する第2のインダクタと、
から構成されることを特徴とするスイッチング装置。
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