JP5267004B2

JP5267004B2 - 直流昇圧回路

Info

Publication number: JP5267004B2
Application number: JP2008245171A
Authority: JP
Inventors: 誠谷津; 義彦山方
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP2010081696A

Description

本発明は、半導体スイッチ素子およびリアクトルを用い、直流電源電圧を昇圧して出力する直流昇圧回路に関する。

図５に、特許文献１に示された従来の技術を用いた昇圧チョッパの回路図を示す。図５において、ダイオードＤ１を逆並列接続した半導体スイッチＴ１とダイオードＤ２を逆並列接続した半導体スイッチＴ２とを直列接続した半導体素子直列アームと並列にコンデンサ５及び負荷６が、前記半導体素子直列アームの半導体スイッチＴ１と並列に直流電源１とリアクトル３の直列回路が、それぞれ接続されている。

このような回路構成における各部の動作波形を図６に示す。スイッチ素子Ｔ１をオンすると、直流電源１→リアクトル３→スイッチ素子Ｔ１→直流電源１の経路で電流ｉｉｎ（瞬時値）が流れ、リアクトル３にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ素子Ｔ１をオフすると、スイッチ素子Ｔ１に流れていた電流ｉＴ１（瞬時値）は、ダイオードＤ２→コンデンサ５の経路に転流し、リアクトル３に蓄えられていたエネルギーによりコンデンサ５を直流電源１より高い電圧に充電する。このようなスイッチ素子Ｔ１のオンオフ動作を繰り返すことで昇圧を行い、負荷６に直流電源１より高い電圧を供給している。
特開平８−２６６０３８号公報（図２）

図５の回路において、直流電源１の平均電圧Ｖｉ、平均電流Ｉｉと負荷６に供給する平均電圧Ｖｏ、平均電流Ｉｏの関係は、変換回路が理想的なもの（損失がないもの）であるとすれば、
Ｖｉ×Ｉｉ＝Ｖｏ×Ｉｏ（＝変換電力）
の関係が成り立つ。また、Ｖｉ：Ｖｏ＝Ｉｏ：Ｉｉと表すことができる。ここで、スイッチ素子Ｔ１およびダイオードＤ２は、電源側電流Ｉｉをスイッチングし、かつ負荷側電圧Ｖｏが印加される。そのため、昇圧比（Ｖｏ／Ｖｉ）が大きくなれば、Ｖｏ、Ｉｉが大きくなりスイッチ素子Ｔ１およびダイオードＤ２の電圧及び電流の責務は大きくなり、逆に昇圧比を小さくすれば責務も小さくなる。しかし、昇圧比が小さくて１（Ｖｉ＝Ｖｏ）に近い場合でも、Ｉｉの電流をＶｏの電圧でスイッチングするためＴ１とＤ２の責務低減には限界があり、装置の小形、低損失化の制約となり問題であった。
そこで本発明は、昇圧比の小さい場合、従来に比べ損失を低減し、装置の小形、高効率化が可能な直流昇圧回路を提供することにある。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、直流電源電圧を半導体素子のスイッチングにより昇圧して出力する直流昇圧回路において、中間端子を備えたリアクトルと、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を直列接続した半導体素子直列アームと、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサと、前記リアクトルの中間端子と出力端子の一方の端子との間に接続された出力ダイオードと、前記出力端子の一方の端子と前記半導体素子直列アームの他方の端子との間に接続された充電用ダイオードと、を備え、前記直流電源の一方の端子を前記リアクトルの一方の端子に、前記直流電源の他方の端子を前記半導体素子直列アームの一方の端子に、前記リアクトルの他方の端子を前記半導体素子直列アームの直列接続点に、各々接続し、前記直流電源の他方の端子を出力端子の他方の端子とする。

第２の発明においては、直流電源電圧を半導体素子のスイッチングにより昇圧して出力する直流昇圧回路において、中間端子を備えたリアクトルと、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を直列接続した半導体素子直列アームと、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサと、前記リアクトルの中間端子と出力端子の一方の端子との間に接続された出力ダイオードと、前記出力ダイオードと逆並列接続された充電用半導体スイッチ素子と、を備え、前記直流電源の一方の端子を前記リアクトルの一方の端子に、前記直流電源の他方の端子を前記半導体素子直列アームの一方の端子に、前記リアクトルの他方の端子を前記半導体素子直列アームの直列接続点に、各々接続し、前記直流電源の他方の端子を出力端子の他方の端子とする。

第３の発明においては、第１の発明又は第２の発明において、前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチ素子のオンオフ動作により、前記直流電源から前記リアクトルへエネルギーを蓄積する動作と、前記リアクトルの中間端子から出力端子へエネルギーを放出する動作を繰り返し行う。

第４の発明においては、第１の発明又は第２の発明において、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサに蓄積された電荷を前記直列アームを構成する半導体スイッチ素子の動作により、前記直流電源へ放出させる。

第５の発明においては、第１の発明において、前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチのオンオフ動作により、前記直流電源から出力端子側への昇圧動作と、出力端子側から前記充電用ダイオードを介して直流電源側への充電動作の双方向動作を行う。

第６の発明においては、第２の発明において、前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチのオンオフ動作により、前記直流電源から出力端子側への昇圧動作と、出力端子側から前記充電用半導体スイッチ素子を介しての直流電源側への充電動作の双方向動作を行う。

本発明では、中間端子を備えたリアクトルを用い、半導体スイッチ素子のスイッチングによる間接的な昇圧動作を行うことで、半導体スイッチ素子の電圧及び電流責務の低減が可能になり、特に昇圧比の小さい用途において装置の小形軽量化、高効率化、低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の要点は、中間端子を備えたリアクトルと、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を直列接続した半導体素子直列アームと、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサと、前記リアクトルの中間端子と出力端子の一方の端子との間に接続された出力ダイオードと、を備え、前記直流電源の一方の端子を前記リアクトルの一方の端子に、前記直流電源の他方の端子を前記半導体素子直列アームの一方の端子に、前記リアクトルの他方の端子を前記半導体素子直列アームの直列接続点に、各々接続し、前記直流電源の他方の端子を出力端子の他方の端子とし、スイッチ素子のスイッチング動作により、昇圧動作を行い、さらに、出力ダイオードにスイッチ素子を逆並列接続する方法、又は負荷端子と半導体素子直列アームの一方との間にダイオードを接続する方法により、負荷からの回生電力をスイッチ素子の動作により、直流電源側へ回生する点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。ダイオードＤ１を逆並列接続した半導体スイッチＴ１とダイオードＤ２を逆並列接続した半導体スイッチＴ２とを直列接続した半導体素子直列アーム１１と並列にコンデンサ２が、半導体素子直列アーム１１のスイッチ素子Ｔ１と並列に直流電源１と中間端子付リアクトル３の直列回路が、リアクトル３の中間端子と直流電源１の負極端子Ｎｉとの間にはダイオード４とコンデンサ５の直列回路が、またコンデンサ５と並列に負荷６が、各々接続された構成である。ここで、８はリアクトルの洩れインダクタンス、配線インダクタンスなどからなる浮遊インダクタンスである。

このような回路構成において、スイッチ素子Ｔ１をオンすると、直流電源１→リアクトル３→洩れインダクタンス８→スイッチ素子Ｔ１→直流電源１の経路で電流ｉｉｎが流れ、リアクトル３と浮遊インダクタンス８にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチ素子Ｔ１をオフすると、スイッチ素子Ｔ１に流れていた電流の大部分は、中間端子を備えたリアクトル３の磁気作用により、リアクトル３の中間端子→ダイオード４→コンデンサ５の経路に転流し、リアクトル３に蓄えられていたエネルギーによりコンデンサ５を直流電源１より高い電圧に充電する。この時、リアクトル３の漏れインダクタンスや配線インダクタンス８の電流は、ダイオード２→コンデンサ２の経路に転流し、コンデンサ２を高い電圧に充電する。そこでスイッチ素子Ｔ１がオフの期間にスイッチ素子Ｔ２をオンすることで、コンデンサ２に充電された余分なエネルギーは直流電源１側に回生される。
このスイッチ素子Ｔ１、Ｔ２のオンオフを一定の時比率で繰り返すことにより、負荷６に安定した電圧を供給することができる。

ここで、入力電圧４００V、出力電圧５００V、出力４００Wの装置を例として説明する。図５に示す従来方式では、スイッチ素子Ｔ１の電圧及び電流責務は入力電流１０Aと出力電圧５００Vの状態でスイッチングするため、５００W×α（α：T1のスイッチング性能係数）の損失を発生することになる。一方、図１に示す本発明の方式によれば、例えばリアクトルの中間端子の巻き数比を１：３とし、スイッチ素子Ｔ１の時比率を図２に示すように５０％で動作させると、コンデンサＣ２の電圧は８００Vとなり、スイッチ素子Ｔ１のスイッチング電流は４Aとなる。従って、スイッチ素子Ｔ１の責務は電流４Aと電圧８００Vの状態でスイッチングするため。３２０W×αの損失であり、従来方式に比べ大幅に減少させることが可能となる。

図３に、本発明の第２の実施例を示す。図１との相違点は、負荷６の正極側端子Ｐｏと半導体素子直列アーム１１の半導体スイッチ素子Ｔ２コレクタ側端子との間にダイオード７を接続した点である。この図３の回路の場合、通常の昇圧動作は図１の回路と同様である。しかし、負荷６側から回生電力がある場合、その回生電流は負荷６→ダイオード７→コンデンサ２→負荷６の経路で流れ、コンデンサ２に蓄えられる。そこで、コンデンサ２、半導体素子直列アーム１１、リアクトル３および直流電源１で構成される降圧形チョッパ回路により、半導体素子直列アーム１１のスイッチ素子Ｔ２をオンオフ動作させる。その結果、コンデンサ２に蓄積された回生電力を直流電源１に回生（充電）することが可能となる。即ち、スイッチ素子Ｔ１をオンさせると、コンデンサ２→スイッチ素子Ｔ２→リアクトル３→直流電源１→コンデンサ２の経路で電流が流れ、スイッチ素子Ｔ２をオフさせると、リアクトル３の電流は直流電源１→ダイオードＤ１→リアクトル３の経路で還流し、コンデンサ２の電荷が直流電源１に回生される。

図４に、本発明の第３の実施例を示す。図１との相違点は、ダイオード４と逆並列にスイッチ素子Ｔ３が接続されている点である。この図４の回路の場合、通常の昇圧動作は図１の回路と同様である。しかし、負荷６側から回生電力がある場合、その回生電流は負荷６からコンデンサ５を充電し、コンデンサ５の電圧を上昇させようとする。そこで、コンデンサ５、スイッチ素子Ｔ３、リアクトル３及びダイオードＤ１で構成される降圧形チョッパ回路により、スイッチ素子Ｔ３をオンオフ動作させ、コンデンサ５に蓄積された回生電力を直流電源１に回生（充電）する。

即ち、スイッチ素子Ｔ３をオンさせると、コンデンサ５→スイッチ素子Ｔ３→リアクトル３の中間端子→直流電源１→コンデンサ２の経路で電流が流れ、スイッチ素子Ｔ２をオフさせると、リアクトル３の電流は直流電源１→ダイオードＤ１→リアクトル３の経路で還流し、コンデンサ５の電荷が直流電源１に回生される。
尚、上記第２の実施例と第３の実施例を併用できることは言うまでもない。

本発明は、昇圧形のＤＣ−ＤＣコンバータを用いる、直流電源装置、無停電電源装置、充電装置などへの適用が可能である。

本発明の第１の実施例を示す回路図である。図１の各部の動作例を示す波形図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。本発明の第３の実施例を示す回路図である。従来の実施例を示す回路図である。図５の各部の動作例を示す波形図である。

符号の説明

１・・・直流電源２、５・・・コンデンサ３・・・リアクトル
４、７、Ｄ１、Ｄ２・・・ダイオード６・・・負荷
８・・・洩れインダクタンス１１・・・半導体素子直列アーム
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３・・・スイッチ素子

Claims

直流電源電圧を半導体素子のスイッチングにより昇圧して出力する直流昇圧回路において、中間端子を備えたリアクトルと、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を直列接続した半導体素子直列アームと、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサと、前記リアクトルの中間端子と出力端子の一方の端子との間に接続された出力ダイオードと、前記出力端子の一方の端子と前記半導体素子直列アームの他方の端子との間に接続された充電用ダイオードと、を備え、前記直流電源の一方の端子を前記リアクトルの一方の端子に、前記直流電源の他方の端子を前記半導体素子直列アームの一方の端子に、前記リアクトルの他方の端子を前記半導体素子直列アームの直列接続点に、各々接続し、前記直流電源の他方の端子を出力端子の他方の端子とすることを特徴とする直流昇圧回路。
直流電源電圧を半導体素子のスイッチングにより昇圧して出力する直流昇圧回路において、中間端子を備えたリアクトルと、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を直列接続した半導体素子直列アームと、前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサと、前記リアクトルの中間端子と出力端子の一方の端子との間に接続された出力ダイオードと、前記出力ダイオードと逆並列接続された充電用半導体スイッチ素子と、を備え、前記直流電源の一方の端子を前記リアクトルの一方の端子に、前記直流電源の他方の端子を前記半導体素子直列アームの一方の端子に、前記リアクトルの他方の端子を前記半導体素子直列アームの直列接続点に、各々接続し、前記直流電源の他方の端子を出力端子の他方の端子とすることを特徴とする直流昇圧回路。
前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチ素子のオンオフ動作により、前記直流電源から前記リアクトルへエネルギーを蓄積する動作と、前記リアクトルの中間端子から出力端子へエネルギーを放出する動作を繰り返し行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流昇圧回路。
前記半導体素子直列アームと並列接続されたコンデンサに蓄積された電荷を前記直列アームを構成する半導体スイッチ素子の動作により、前記直流電源へ放出させることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流昇圧回路。
前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチのオンオフ動作により，前記直流電源から出力端子側への昇圧動作と，出力端子側から前記充電用ダイオードを介して直流電源側への充電動作の双方向動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の直流昇圧回路。
前記半導体素子直列アームを構成する半導体スイッチのオンオフ動作により，前記直流電源から出力端子側への昇圧動作と，出力端子側から前記充電用半導体スイッチ素子を介しての直流電源側への充電動作の双方向動作を行うことを特徴とする請求項２に記載の直流昇圧回路。