JP5271691B2 - Ac−dcコンバータ - Google Patents
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Description
詳細な動作説明に先立って、図1の回路図において電流、電圧を表す記号を定義する。まず、MOSFETQ1〜Q3のドレイン−ソース間電圧VQ1〜VQ3は、ドレイン側を正とする。また、MOSFETQ1〜Q3と、それぞれ並列に接続されたダイオードD1〜D3とに流れる合成された電流IQD1〜IQD3は、MOSFETQ1〜Q3のドレインからソースへ流れる向きを正とする。さらに、交流電源V1の電圧を入力電圧とし、平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流を入力電流とする。
図2,図3は、電流ILs1,ILs2が正の期間の動作を説明する回路図である。また、この回路においては、MOSFETQ2は常時オン状態である。図4は、動作を説明する電圧・電流波形図である。
まず、モードAでは、MOSFETQ1がオン状態、MOSFETQ3がオフ状態である。交流電源V1の電圧が平滑用リアクトルLs1,Ls2に印加され、交流電源V1,平滑用リアクトルLs1,MOSFETQ1,MOSFETQ2,平滑用リアクトルLs2に電流が流れる。平滑用リアクトルLs1、Ls2の電流ILs1とILs2が徐々に増加し、平滑用リアクトルLs1,Ls2に交流電源V1のエネルギーが蓄積される。この時、スナバコンデンサC3と共振用コンデンサCrは、図2(A)に示す極性で充電されている。
その後、時刻t1でMOSFETQ1をオフすると、MOSFETQ1に並列接続されているスナバコンデンサC1の電圧VQ1は、ゼロ電圧から徐々に増加していく。したがって、MOSFETQ1は、時刻t1でゼロ電圧スイッチングされる。整流ダイオードDs1は逆バイアスされており、平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流ILs1,ILs2は、スナバコンデンサC1へ流れる。
その後、電圧VQ1が増加し、時刻t2で整流ダイオードDs1が順バイアスされると、整流ダイオードDs1が導通し、モードCとなる。平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流ILs1,ILs2は、スナバコンデンサC3と共振用コンデンサCrへ流れる。この時、スナバコンデンサC3は蓄積していた電荷を放電し、電圧VQ3は減少する。電圧VQ3がゼロ電圧になるとダイオードD3が導通する。ここで、共振用リアクトルLrには、共振用コンデンサCrの電圧が印加され、共振用リアクトルLrに電流が徐々に流れる。したがって、平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流ILs1,ILs2は、共振用リアクトルLrと、ダイオードD3−共振用コンデンサCrの経路とに分流し、その後合流して出力側へ供給される。また、平滑用リアクトルLs1,Ls2に蓄積されたエネルギーの一部が共振用コンデンサCrに蓄積され、電流ILs1,ILs2は減少していく。
その後、時刻t3でMOSFETQ3をオンする。この時、電圧VQ3はゼロ電圧であるから、MOSFETQ3はゼロ電圧スイッチングされ、モードDとなる。モードCと同様に、平滑用リアクトルLs1,Ls2の電流ILs1,ILs2は、共振用リアクトルLrとMOSFETQ3−共振用コンデンサCrの経路とに分流し、その後合流して出力側へ供給される。また、モードCと同様に電流ILs1,ILs2は減少していく。
その後、時刻t4で共振用コンデンサCrの充電が終了し、モードEの状態となる。平滑用リアクトルLs1,Ls2の電流ILs1,ILs2は、共振用リアクトルLrを通り、出力側へ流れ、電流ILs1,ILs2は減少する。引き続き、共振用リアクトルLrには、共振用コンデンサCrの電圧が印加される。共振用コンデンサCrの電荷は、MOSFETQ3,共振用リアクトルLrを介して放電し、共振用リアクトルLrに、共振用コンデンサCrのエネルギーが蓄積される。
その後、時刻t5でMOSFETQ3をオフすると、モードFの状態となる。この時、MOSFETQ3に並列に接続されているスナバコンデンサC3は、ゼロ電圧から徐々に増加するため、MOSFETQ3はゼロ電圧スイッチングされる。電圧VQ3の増加に伴い、MOSFETQ1の電圧VQ1は減少して、スナバコンデンサC1に蓄積されていた電荷が放電される。また、平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流ILs1,ILs2は、共振用リアクトルLrに流れ、平滑用リアクトルLs1,Ls2に蓄積されたエネルギーが出力側に供給され、電流ILs1,ILs2は徐々に減少する。
その後、時刻t6で電圧VQ1がゼロ電圧になると、ダイオードD1が導通し、モードGの状態になる。また、スナバコンデンサC3への充電が終了し、モードFで共振用コンデンサCrに流れていた電流が出力側へ流れる。ダイオードD1を流れる電流は、平滑用リアクトルLs1,Ls2に流れる電流ILs1,ILs2と合流し、共振用リアクトルLrを通り、出力側へ流れる。共振用リアクトルLrに蓄積されたエネルギーが平滑用コンデンサCsに供給され、電流ILrは徐々に減少していく。これに伴い、ダイオードD1の導通電流も減少していく。
その後、時刻t7でMOSFETQ1をオンする。この時、すでに電圧VQ1はゼロ電圧であるから、MOSFETQ1はゼロ電圧スイッチングされ、モードHの状態になる。モードGと同様に、共振用リアクトルLrに蓄積されたエネルギーが平滑用コンデンサCsに供給され、電流ILrは徐々に減少していく。これに伴い、ダイオードD1の導通電流も減少していく。
その後、時刻t8でダイオードD1に電流が流れなくなり、MOSFETQ1の電流IQD1が負から正に変化し、モードIとなる。また、引き続き、共振用リアクトルLrは平滑用コンデンサCsにエネルギーを供給するため、電流ILrは減少していく。
その後、共振用リアクトルLrの電流ILrがゼロに達すると、モードAの状態に戻る。この時、共振用コンデンサCrとスナバコンデンサC3と共振用リアクトルLrとで共振電流が流れ、波形が振動することがある。
電流ILs1,ILs2が負の期間は、図5,図6に示すような電流の流れになる。電流ILs1,ILs2が正の期間は、平滑用リアクトルLs1,MOSFETQ1,ダイオードD2,平滑用リアクトルLs2の順に流れる。一方、電流ILs1,ILs2が負の期間には、平滑用リアクトルLs2,MOSFETQ2,ダイオードD1,平滑用リアクトルLs1の順に電流が流れる。スイッチング動作をさせるスイッチング素子は、MOSFETQ1からMOSFETQ2に切り替わり、電流ILs1,ILs2が正の場合と同様の回路動作をする。
Claims (14)
- 各々が整流素子と主スイッチング素子とを直列接続した2組の上下アームを並列接続して形成されたコンバータの主スイッチング回路、
前記各主スイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバコンデンサ、
前記各主スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたとダイオード及び/又はボディダイオード、
前記コンバータの交流端子である2組の前記上下アームの直列接続点間に、平滑用リアクトルを介して接続された交流電源、および
前記コンバータの直流端子である前記主スイッチング回路の両端間に、それぞれ並列接続された平滑用コンデンサと直流負荷を備えたAC−DCコンバータにおいて、
前記主スイッチング回路の一方の直流端子と前記平滑用コンデンサの一端との間に挿入された共振用リアクトル、
前記共振用リアクトルの一端に接続された、補助スイッチング素子と共振用コンデンサとの直列接続体、
前記補助スイッチング素子と前記共振用リアクトルと前記共振用コンデンサとを含み、前記スイッチング回路の両端と、前記平滑用コンデンサとの間に接続された補助回路、及び
前記各主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子とをオンオフさせる制御手段
を備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。 - 第1,第2の主スイッチング素子と、第1,第2の整流素子と、前記第1の整流素子と前記第1の主スイッチング素子とを直列接続した第1の上下アームと、前記第2の整流素子と前記第2の主スイッチング素子とを直列接続した第2の上下アームと、前記第1,第2の上下アームを並列接続した主スイッチング回路と、前記第1,第2の上下アームの各主スイッチング素子と整流素子との直列接続点と交流電源との間に接続した平滑用リアクトルと、前記主スイッチング回路の両端間に接続し且つ直流負荷に並列接続した平滑用コンデンサと、前記各主スイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバコンデンサと、前記各主スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたダイオード及び/又はボディダイオードを備え、前記交流電源のエネルギーを前記直流負荷に供給するAC−DCコンバータにおいて、前記主スイッチング回路の一端と前記平滑用コンデンサの一端との間に挿入された共振用リアクトルと、前記共振用リアクトルの一端に接続された補助スイッチング素子と共振用コンデンサとの直列接続体と、前記補助スイッチング素子と前記共振用リアクトルと前記共振用コンデンサとを含み,前記スイッチング回路の両端と,前記平滑用コンデンサとの間に接続された補助回路と、前記第1,第2の主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子とをオンオフさせる制御手段とを備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1または2において、前記補助回路は、前記共振用リアクトルに、前記補助スイッチング素子と前記共振用コンデンサとの直列接続体が並列接続され、前記補助スイッチング素子に並列接続されたスナバコンデンサと、前記補助スイッチング素子に逆並列接続されたダイオード及び/又はボディダイオードを備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1または2において、前記補助回路は、前記主スイッチング回路の一端と前記共振用リアクトルの接続点と、前記主スイッチング回路の他端との間に接続された前記補助スイッチング素子と前記共振用コンデンサとの直列接続体と、前記補助スイッチング素子に並列接続されたスナバコンデンサと、前記補助スイッチング素子に逆並列接続されたダイオード及び/又はボディダイオードを備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜4のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記交流電源のエネルギーを前記平滑用リアクトルに蓄積し、前記平滑用リアクトルが放出したエネルギーを前記共振用コンデンサに蓄積し、前記共振用コンデンサが放出したエネルギーを、前記補助スイッチング素子を介して前記共振用リアクトルに蓄積し、前記共振用リアクトルに蓄積されたエネルギーを利用して、前記主スイッチング素子がオンする前に、主スイッチング素子に並列接続された前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を引き抜くように構成したことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜5のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記交流電源の半周期内において、前記主スイッチング素子の一方をオンに固定した状態で、前記主スイッチング素子の他方と前記補助スイッチング素子を、共にオフする期間を挟んで、交互にオン/オフさせるように構成したことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1または2において、前記制御手段は、2つの前記主スイッチング素子を同期してオン/オフさせるとともに、それらの一方と、前記補助スイッチング素子を、共にオフする期間を挟んで、交互にオン/オフさせるように構成したことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1または2において、前記制御手段は、2つの前記主スイッチング素子がオンの状態かつ前記補助スイッチング素子がオフの状態から、まず2つの前記主スイッチング素子がオン状態の時に、前記補助スイッチング素子をターンオンし、次に前記補助スイッチング素子がオン状態の時に、2つの前記主スイッチング素子をターンオフし、次に2つの前記主スイッチング素子がオフ状態の時に、前記補助スイッチング素子をターンオフし、最後に補助スイッチング素子がオフ状態の時に、2つの前記主スイッチング素子をターンオンし、2つの前記主スイッチング素子がオンの状態かつ前記補助スイッチング素子がオフの状態に戻るスイッチング動作を繰り返すようにしたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜8のいずれかにおいて、前記平滑用コンデンサの電圧を検出する第1の電圧センサと前記平滑用リアクトルに流れる入力電流を検出する電流センサとを備え、前記制御手段は、2つの前記主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子のオン期間とオフ期間の割合を制御するPWM制御と,前記入力電流を正弦波状に制御する力率改善制御とを備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜9のいずれかにおいて、前記制御手段は、2つの前記主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子のスイッチング周波数を、前記交流電源の電圧が低下した場合には下げ、前記交流電源の電圧が増加した場合には上げるようにしたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜9のいずれかにおいて、前記制御手段は、2つの前記主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子のスイッチング周波数を、入力電流が増加した場合には下げ、前記入力電流が低下した場合には上げるようにしたことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 各々が整流素子と主スイッチング素子とを直列接続した3組の上下アームが並列接続されて形成されたコンバータの主スイッチング回路、
前記各主スイッチング素子にそれぞれ並列接続されたスナバコンデンサ、
前記各主スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続されたダイオード及び/又はボディダイオード、
前記コンバータの交流端子である3組の前記上下アーム内の直列接続点間に、平滑用リアクトルを介して接続された交流電源、および
前記コンバータの直流端子である前記主スイッチング回路の両端間に、それぞれ並列接続された平滑用コンデンサと直流負荷を備えたAC−DCコンバータにおいて、
前記主スイッチング回路の一方の直流端子と前記平滑用コンデンサの一端との間に挿入された共振用リアクトル、
前記共振用リアクトルの一端に接続された、補助スイッチング素子と共振用コンデンサとの直列接続体、
前記補助スイッチング素子と前記共振用リアクトルと前記共振用コンデンサとを含み、前記スイッチング回路の両端と、前記平滑用コンデンサとの間に接続された補助回路、および
前記3つの主スイッチング素子と前記補助スイッチング素子とをオン/オフさせる制御手段
とを備えたことを特徴とするAC−DCコンバータ。 - 請求項12において、前記交流電源のエネルギーを前記平滑用リアクトルに蓄積し、前記平滑用リアクトルが放出したエネルギーを前記共振用コンデンサに蓄積し、前記共振用コンデンサが放出したエネルギーを、前記補助スイッチング素子を介して前記共振用リアクトルに蓄積し、前記共振用リアクトルに蓄積されたエネルギーを利用して、前記主スイッチング素子がオンする直前に、前記主スイッチング素子に並列接続された前記スナバコンデンサに蓄えられた電荷を引き抜くように構成したことを特徴とするAC−DCコンバータ。
- 請求項1〜13のいずれかにおいて、前記整流素子をスイッチング素子に変更し、前記平滑用コンデンサと並列に直流電源を接続し、双方向に電力変換するように構成したことを特徴とするAC−DCコンバータ。
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