JP5099194B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明にかかる電力変換装置を車載主機に接続された電力変換装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
「状態1」
主スイッチM2をオン状態とすることで、インダクタ16から出力された電流がダイオードDm1(主スイッチM1)に流れていた状態から、主スイッチM2に流れる状態に移行した状態である。この際、補助回路SCの動作は、スナバコンデンサ18が、主スイッチM1,M2のいずれにも並列接続されていない状態Aにある。
「状態2」
補助スイッチS2,S4をオン状態とすることで、主スイッチM2に、コンデンサ18を並列接続する状態である。これは、補助回路SCの状態Bに対応する。ここでは、スナバコンデンサ18に電荷が蓄積されていないため、オン状態への切り替えによって、補助スイッチS2,S4に電流が流れない。このため、補助スイッチS2,S4にスイッチング損失は生じない。
「状態3」
主スイッチM2をオフ状態に切り替えた状態である。これにより、インダクタ16から主スイッチM2へと出力されていた電流が、ダイオードDs2(補助スイッチS2)を介してスナバコンデンサ18に流れ込む。そして、スナバコンデンサ18の充電電圧がコンバータCVの出力電圧(コンデンサ20の端子間電圧)となることで、インダクタ16を流れる電流は、ダイオードDm1(主スイッチM1)を介してコンデンサ20側に出力されるようになる。
「状態4」
補助スイッチS2をオフ操作することで、スナバコンデンサ18が、主スイッチM1,M2のいずれにも並列接続されていない状態である。これは、補助回路SCの動作状態が、状態Cであることを示す。
「状態5(図3に記載)」
主スイッチM2をオン操作することで、インダクタ16から出力される電流の流通経路は、ダイオードDm1(主スイッチM1)を備える経路から、主スイッチM2を備える経路に切り替わる。主スイッチM2のオン操作は、補助回路SCの動作状態が状態Cのときに行われるため、スナバコンデンサ18は放電しない。
「状態6」
補助スイッチS1,S3をオン状態とすることで、主スイッチM1にスナバコンデンサ18を並列接続した状態である。これは、補助回路SCの動作状態としては、状態Dに対応する。この際、コンデンサ18の端子電圧は、コンバータCVの出力電圧となっているため、上記オン状態への切り替えによって補助スイッチS1,S3に電流は流れない。このため、状態Dへの切り替えに際して補助スイッチS1,S3に損失は生じない。
「状態7」
主スイッチM2をオフ状態に切り替えた状態である。これにより、インダクタ16から出力された電流は、補助スイッチS1、スナバコンデンサ18、ダイオードDs3(補助スイッチS3)を介してコンデンサ20側に出力されるようになる。この際、主スイッチM2の入力端子および出力端子間の電圧の上昇速度は、スナバコンデンサ18の充電電圧の低下速度によって制限される。このため、主スイッチM2のオフ状態への切り替えをゼロ電圧スイッチング(ZVS)とすることができる。
「状態8」
スナバコンデンサ18を、主スイッチM1,M2のいずれとも並列接続しない状態である。この状態は、補助回路SCの動作状態としては、状態Aに対応する。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第3の実施形態>
以下、第3の実施形態について、先の第2の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第4の実施形態>
以下、第4の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第5の実施形態>
以下、第5の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第6の実施形態>
以下、第6の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第7の実施形態>
以下、第7の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第8の実施形態>
以下、第8の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第9の実施形態>
以下、第9の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第10の実施形態>
以下、第10の実施形態について、先の第5の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第11の実施形態>
以下、第11の実施形態について、先の第6の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<第12の実施形態>
以下、第12の実施形態について、先の第7の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
「第1流通規制要素について」
第1流通規制要素としては、IGBTや電界効果トランジスタに限らない。例えばサイリスタ等であってもよい。また例えばフォトMOSリレー等であってもよい。
「第2流通規制要素について」
ダイオードや、IGBT、電界効果トランジスタに限らない。例えばサイリスタ等であってもよい。また例えばフォトMOSリレー等であってもよい。
「切替回路について」
切替回路としては、スナバコンデンサ18を充電するための第1接続状態とスナバコンデンサ18を放電させるための第2接続状態と、スナバコンデンサ18が上記いずれの接続状態でもない第3接続状態との3つの接続状態を実現可能なものに限らない。例えば、第1接続状態と第2接続状態との2つの接続状態のみを実現可能なものとしてもよい。
「補助用規制要素について」
補助用規制要素としては、IGBTや電界効果トランジスタ、ダイオードに限らない。例えばサイリスタ等であってもよい。また例えばフォトMOSリレー等であってもよい。
「切替制御手段について」
切替制御手段としては、スナバコンデンサ18を充電するための第1接続状態とスナバコンデンサ18を放電させるための第2接続状態とのそれぞれの間に、スナバコンデンサ18が上記いずれの接続状態でもない状態に切り替えるものに限らない。例えば、第1の実施形態における力行制御時において、主スイッチM2がオフ状態である状態3〜状態4の間、スナバコンデンサ18をこれに並列接続する第1接続状態とし、主スイッチM2のオン状態への切り替えと同時にスナバコンデンサ18を主スイッチM1に並列接続する第2接続状態に切り替えてもよい。同様に、第1の実施形態における力行制御時において、主スイッチM2がオフ状態である状態7〜状態8の間、スナバコンデンサ18を主スイッチM1に並列接続する第1接続状態とし、主スイッチM2のオン状態への切り替えと同時にスナバコンデンサ18を主スイッチM2に並列接続する第1接続状態に切り替えてもよい。
「静電容量可変手段について」
上記第2、第3の実施形態において、寄生ダイオードを備えず且つ逆バイアスに対する耐圧を有する開閉器を用いるなら、一対の開閉器(サブスイッチSs5,Ss6)に代えて、単一の開閉器を用いてもよい。
「低電流時の制御について」
インダクタ16を流れる電流が小さい場合の制御としては、上記第2〜第4の実施形態において例示したものに限らない。例えば、低電流時において主スイッチM1,M2のスイッチング周波数を低下させてもよい。これにより、インダクタ16に蓄えられるエネルギが増大することから、このエネルギをスナバコンデンサ18の充電電圧が出力電圧Vout等の高電圧となる際の充電エネルギよりも大きくすることができる。
「そのほか」
・上記第1〜4の実施形態において、高電圧バッテリ12側をコンデンサ20側にして降圧コンバータとして利用してもよい。
Claims (12)
- 電流の流通経路を開閉する機能である開閉機能を有する第1流通規制要素と、電流の流通方向を規制する機能である整流機能および前記開閉機能の少なくとも一方を有する第2流通規制要素とが電圧の印加される一対の端子である高電位側端子および低電位側端子間に直列接続されて且つ、前記第1流通規制要素および前記第2流通規制要素の接続点にインダクタが接続される電力変換装置において、
コンデンサと、
前記コンデンサの一方の端子および他方の端子のそれぞれを前記第1流通規制要素の高電位側の端子および低電位側の端子のそれぞれに接続する第1接続状態、および前記一方の端子および前記他方の端子のそれぞれを前記第2流通規制要素の高電位側の端子および低電位側の端子のそれぞれに接続する第2接続状態の切り替えが可能な切替回路とを備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記切替回路は、前記第1接続状態、前記第2接続状態、および前記コンデンサを前記第1流通規制要素および前記第2流通規制要素のいずれとも並列接続されない第3接続状態の3つの接続状態の切り替えが可能な回路であることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記第1流通規制要素を周期的に開状態および閉状態に操作する開閉操作手段と、
前記第1流通規制要素を開状態および閉状態とする操作の2周期を単位として前記切替回路による接続状態を周期的に切り替える切替制御手段とを備え、
該切替制御手段は、前記第1流通規制要素が1度目に閉状態とされる期間において前記第1接続状態として且つ、前記第1流通規制要素が2度目に閉状態とされる期間において前記第2接続状態とする切り替え処理を周期的に行うことを特徴とする請求項1または2記載の電力変換装置。 - 前記切替回路は、前記第1接続状態、前記第2接続状態、および前記コンデンサが前記第1流通規制要素および前記第2流通規制要素のいずれとも並列接続されない第3接続状態の3つの接続状態に切り替え可能な回路であり、
前記切替制御手段は、前記第1流通規制要素が1度目に閉状態に切り替えられた後、前記第1接続状態に切り替える処理、前記第1流通規制要素が1度目に開状態に切り替えられた後、前記第3接続状態に切り替える処理、前記第1流通規制要素が2度目に閉状態に切り替えられた後、前記第2接続状態に切り替える処理、および前記第2流通規制要素が2度目に開状態に切り替えられた後、前記第3接続状態に切り替える処理の4つの処理を周期的に行うことを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。 - 前記コンデンサの静電容量を可変とする静電容量可変手段と、
前記インダクタに流れる電流が小さい場合、前記静電容量可変手段を操作して前記コンデンサの静電容量を低減する静電容量制御手段とをさらに備ることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記切替制御手段は、前記コンデンサの充電電圧が前記高電位側端子および前記低電位側端子間の電圧の「1/2」以上であることを条件に前記第1接続状態への切り替えを禁止して前記第1流通規制要素が開状態に切り替えられる際に前記第2接続状態とし、前記高電位側端子および前記低電位側端子間の電圧の「1/2」未満であることを条件に前記第2接続状態への切り替えを禁止して前記第1流通規制要素が開状態に切り替えられる際に前記第1接続状態とする禁止手段を備えることを特徴とする請求項3または4記載の電力変換装置。
- 前記切替回路は、前記第1流通規制要素および前記第2流通規制要素の接続点と前記コンデンサの前記他方の端子との間、前記接続点と前記コンデンサの前記一方の端子との間、前記コンデンサの前記一方の端子と前記高電位側端子との間、および前記コンデンサの前記他方の端子と前記低電位側端子との間のそれぞれに、前記整流機能および前記開閉機能の少なくとも一方を有する第1補助用規制要素、第2補助用規制要素、第3補助用規制要素および第4補助用規制要素のそれぞれを備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置は、前記インダクタ側から前記高電位側端子側へと電力を出力するものであり、
前記第1補助用規制要素および前記第4補助用規制要素は、前記開閉機能を備え、
前記第2補助用規制要素は、前記整流機能として前記接続点側から前記コンデンサ側への電流の流れを許容して且つ逆方向への電流の流れを阻止する機能を有し、
前記第3補助用規制要素は、前記整流機能として前記コンデンサの前記一方の端子から前記高電位側端子への電流の流れを許容して且つ逆方向への電流の流れを阻止する機能を有することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記高電位側端子側から前記インダクタ側への電力の出力を行わないものであり、
前記第2補助用規制要素および前記第3補助用規制要素のそれぞれは、ダイオードであることを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記高電位側端子側から前記インダクタ側へと電力を出力するものであり、
前記第2補助用規制要素および前記第3補助用規制要素は、前記開閉機能を備え、
前記第1補助用規制要素は、前記整流機能として前記コンデンサ側から前記接続点側への電流の流れを許容して且つ逆方向への電流の流れを阻止する機能を有し、
前記第4補助用規制要素は、前記整流機能として前記低電位側端子側から前記コンデンサの前記他方の端子側への電流の流れを許容して且つ逆方向への電流の流れを阻止する機能を有することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記インダクタ側から前記高電位側端子側への電力の出力を行わないものであり、
前記第1補助用規制要素および前記第4補助用規制要素のそれぞれは、ダイオードであることを特徴とする請求項10記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記インダクタ側から前記高電位側端子側への電力の出力と、前記高電位側端子側から前記インダクタ側への電力の出力との双方を行うものであり、
前記第1補助用規制要素、前記第2補助用規制要素、前記第3補助用規制要素、および前記第4補助用規制要素のそれぞれは、前記開閉機能を有することを特徴とする請求項7記載の電力変換装置。
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