JP5460835B1 - Dc/dc電圧変換装置およびその電圧変換制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】それぞれスイッチ素子と整流素子が逆並列接続されてなる2つのパワー半導体ユニットからなる対を2対以上含み、各対の一方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の正極側端子の間で直列接続され、他方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の負極側端子の間で前記一方のパワー半導体ユニットとは逆方向に直列接続されてなるパワーモジュールをリアクトルと直列に接続し、リアクトル電流の極性が正か負のいずれか一方のみの場合と、正又は負の一方の極性に留まる場合とで切り替わる際の過渡的な電圧変動が生じるのを抑制するように制御する。
【選択図】図9
Description
このようなDC/DC電圧変換装置は直流を交流に変換するインバータと組み合わせてシステムを構成する場合があり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の電気駆動システム、太陽光発電用の電力変換システム、エアーコンディショナ等の電力変換システムが挙げられる。
図1から図15を用いて、この発明の実施の形態1によるDC/DC電圧変換装置につき説明する。図1はこの発明の実施の形態1によるDC/DC電圧変換装置の全体構成を示すブロック図である。DC/DC電圧変換装置1は変換主回路2と制御ユニット3から構成されている。DC/DC電圧変換装置1は電力経路の接続端子として変換主回路2の一次側に正極側端子P1、負極側端子N1、二次側に正極側端子P2、負極側端子N2を備えている(以下単に端子と略す場合あり)。
図2はこの実施の形態によるDC/DC電圧変換装置の一次側と二次側の間の電圧変換と電力の流れを模式的に示した図である。DC/DC電圧変換装置1の一次側には端子P1、N1に直流電源4が、二次側には端子P2、N2に電気機器5が接続される。
図2において、直流電源4はリチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池といった二次電池の他、太陽電池、燃料電池などの電源に電気二重層キャパシタや二次電池を組み合わせたものなどが想定される。電気機器5は電気負荷を含んで発電装置や蓄電装置と組み合わさって成る機器である。
ここで、図2の(a)に示すように、直流電源4が放電動作であり電気機器5が電力消費動作の場合、DC/DC電圧変換装置1は一次側から二次側の方向へ電圧を昇圧して電力を送り込む。また、図2の(b)に示すように、直流電源4が充電動作であり電気機器5が電力供給動作の場合、DC/DC電圧変換装置1は二次側から一次側の方向へ電圧を降圧して電力を送り込む。
この時、電圧の変換は制御ユニット3から出力されるゲート駆動信号8に従い、変換主回路2に備わるパワー半導体ユニット内のスイッチ素子のオン、オフを制御することによってなされる。
変換主回路2は、一次側端子電圧V1を平滑化する一次側平滑キャパシタ(第1の平滑キャパシタ)C1と、二次側端子電圧V2を平滑化する二次側平滑キャパシタ(第2の平滑キャパシタ)C2と、エネルギの蓄積、放出を行う、インダクタLおよびエネルギ移行用キャパシタC0と、4個のパワー半導体ユニットPU1〜PU4を備えている。
上記パワー半導体ユニットの数等はこれに限定されず、変換主回路2は、変換主回路2の一次側、二次側のそれぞれの正極側端子P1,P2と負極側端子N1,N2の間に接続され電圧を平滑する第1および第2の平滑キャパシタC1,C2と、それぞれがスイッチ素子(IGBT)と整流素子(Di)が逆並列接続されてなる2つのパワー半導体ユニット(PU)からなるパワー半導体ユニットの対を2対以上含み、各対の一方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子P1と二次側の正極側端子P2の間で直列接続され、他方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子P1と二次側の負極側端子N2の間で前記一方のパワー半導体ユニットとは逆方向に直列接続されてなるパワーモジュール(PU1〜PU4)と、二次側端のパワー半導体ユニットの対を除いて、各パワー半導体ユニットの対の一方のパワー半導体ユニットと他方のパワー半導体ユニットのそれぞれの二次側端間に接続されたエネルギ移行用キャパシタ(C0)と、一次側端のパワー半導体ユニットの対と一次側の正極側端子P1の間接続されたインダクタ(L)とで構成される。
一次側平滑キャパシタC1の両端子は、変換主回路2の一次側の正極側端子P1、負極側端子N1に接続されており、負極側端子N1は変換主回路2の二次側の負極側端子N2とも接続の上、Vcomとして接地されている。正極側端子P1は、平滑キャパシタC1の一方の端子とインダクタLの一方の端子に接続され、平滑キャパシタC1の他方の端子は負極側端子N1およびVcomに接続される。
また、平滑キャパシタC2の両端子は、変換主回路2の二次側の正極側端子P2、負極側端子N2に接続されている。
パワー半導体ユニットPU4のPiNダイオードDi4はIGBT4に対し逆並列に接続され、PiNダイオードDi4のアノード端子(A)がIGBT4のエミッタ端子(E)へ、PiNダイオードDi4のカソード端子(K)がIGBT4のコレクタ端子(C)へ接続されている。同様にPiNダイオードDi3、Di2、Di1は、それぞれIGBT3、IGBT2、IGBT1へ逆並列に接続されている。
インダクタLは上記のように、一方の端子を変換主回路2の一次側の正極側端子P1と平滑キャパシタC1の端子の接続点に接続され、他方の端子をIGBT3とIGBT2の接続点に接続されている。
上述のように、DC/DC電圧変換装置1は、一次側から二次側へ電圧を昇圧、あるいは、二次側から一次側へ電圧を降圧するよう電圧変換する。この昇圧動作、降圧動作は、IGBTのオン、オフ動作のタイミングをゲート駆動信号8であるGate4、Gate3、Gate2、Gate1で調整することによって制御される。
このゲート駆動信号8による電圧変換の制御について、昇圧動作時と降圧動作時とに分けて説明する。
1) オンデューティ50%未満の場合:
但し、オンデューティはGate1信号とGate2信号に対する値に関するものであり、Gate4信号とGate3信号はそれぞれGate1信号、Gate2信号と相補であるから、Gate3信号とGate4信号のオンデューティは100%−(Gate1信号、Gate2信号のオンデューティ)の関係となる。
インダクタ電流ILは、インダクタLを正極側端子P1側の接続端子からIGBT3側の接続端子の方向に流れる極性を正とする。
図4の(a)において、Gate1信号がハイ「H」の場合にIGBT1が、Gate2信号がハイの場合にIGBT2がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。
同様に、Gate2信号とGate3信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、Gate1信号とGate2信号は位相差が180度である。即ち、ゲート駆動信号8は、相補信号として対を成す信号が2通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT1→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。電気機器5には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
IGBT1、PiNダイオードDi3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT1側接続端子の電位はおよそVcom=0、IGBT3側接続端子の電位はおよそVLとなる。よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=エネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0となる。
正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れ、インダクタLに蓄積されたエネルギが放出される。
また、電圧VLは、PiNダイオードDi3とPiNダイオードDi4に電流が導通し、およそV2となることから、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧と正極側端子P1側接続端子の電圧の差は(V1−V2)で負となり、インダクタ電流ILはIL<0の方向へ向けて減少する。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→IGBT2→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れ、エネルギがインダクタLに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタC0から放出される。また、同時に平滑キャパシタC2にも電流が流れてエネルギが蓄えられる。
IGBT2、PiNダイオードDi4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT2側接続端子の電位はおよそVL、IGBT4側接続端子の電位はおよそV2となる。よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=V2−Vc0となる。
スイッチングモードBでは、VL=Vc0=V2/2
スイッチングモードCでは、VL=(V2−Vc0)=V2/2
スイッチングモードDでは、VL=V2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差と、IGBT1、IGBT2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
L・ILrpl=ton・(V1−V2/2) (1a)
スイッチングモードD:
L・ILrpl=−toff・(V1−V2) (1b)
但し、Lは、インダクタLのインダクタンス、ILrplは、インダクタLに流れるリップル電流成分(交流電流成分)の振幅を示す。
=1/(1−ton/T) (3)
但し、ton+toff=T/2
また、式(3)の左辺、V2/V1は、DC/DC電圧変換装置1の一次側電圧V1と二次側電圧V2との比率であり、DC/DC電圧変換比である。
図4に示される、ゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の動作では、ton/T<0.5であり、式(3)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、2未満となる。よって、V2<(V1×2)である。
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向に向けて変化し、
スイッチングモードDでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態に向けて変化する。
このことから、IGBTのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、IGBTのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
次に、昇圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合について説明する。
図5は、当該時の動作波形を示しており、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切り替わりタイミングである。
図5の(a)において、図4の(a)と同様に、Gate1信号がハイ「H」の場合にIGBT1が、Gate2信号がハイの場合にIGBT2がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。
Gate3信号がハイの場合にIGBT3が、Gate4信号がハイの場合にIGBT4がオンするが、昇圧動作時には、逆並列接続されたPiNダイオードDi3、PiNダイオードDi4を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→IGBT2→IGBT1→負極側端子N1の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄積される。
電圧VLは、IGBT1とIGBT2に電流が導通し、およそVcom=0となることから、インダクタLのIGBT2側接続端子の電圧VLと正極側端子P1側の接続端子の電圧との差は、(V1−0)で正となり、インダクタ電流ILは正の方向へ増加する。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT1→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出され、エネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。電気機器5には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
IGBT1、PiNダイオードDi3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT1側接続端子の電位は、およそVcom=0、IGBT3(PiNダイオードDi3)側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのIGBT3(PiNダイオードDi3)側接続端子の電圧VL=Vc0となる。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→IGBT2→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0から放出される。
IGBT2、PiNダイオードDi4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT2側接続端子の電位は、およそVL、IGBT4(PiNダイオードDi4)側接続端子の電位は、およそV2となる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=V2−Vc0となる。
スイッチングモードAでは、VL=0
スイッチングモードBでは、VL=Vc0=V2/2
スイッチングモードCでは、VL=(V2−Vc0)=V2/2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差と、IGBT1、IGBT2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
L・ILrpl=(ton−toff)/2・V1 (4a)
スイッチングモードB、C:
L・ILrpl=−toff・(V1−V2/2) (4b)
=1/(1−ton/T) (6)
但し、ton+toff=T
式(6)は、式(3)と等しいものであり、即ち、オンデューティが50%未満であっても50%以上であっても無関係にオンデューティの変化に合わせて連続的にDC/DC電圧変換比は調整される。
なお、図5に示されるゲート駆動信号のオンデューティが50%以上の動作では、ton/T≧0.5であり、式(6)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、2以上となる。よって、V2≧(V1×2)である。
スイッチングモードAでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向に増加するよう変化し、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態に向けて変化する。
このことから、IGBTのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合についても、IGBTのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
降圧動作時:
1) オンデューティ50%未満の場合:
降圧動作では図2の(b)に示すように、電圧V1≦電圧V2の関係で、DC/DC変換装置1の二次側に接続した電気機器5が発生する電力をV2からV1へDC/DC電圧変換して直流電源4で回収する。
図6に降圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の場合の波形を示する。図6の(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切り替わりタイミングを示している。
降圧動作時には、逆並列接続されたPiNダイオードDi1、Di2を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。
図6の(a)のゲート駆動信号と図6の(c)のスイッチングモードとその切り替えタイミングは、昇圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満での、図4の(a)、図4の(c)と同じである。
即ち、降圧動作時も昇圧動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードB→D→C→D→Bの順に切り替わる。
電流が、正極側端子P2→IGBT4→IGBT3→インダクタL→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄積される。その電流導通の方向から、インダクタ電流ILの極性は負である。
また、IGBT3とIGBT4がオンして電流が導通することから、電圧VLは、およそV2となる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧と正極側端子P1側の接続端子の電圧との差は、(V1−V2)で負となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から負方向へ増加する。
電流が、エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT3→インダクタL→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→PiNダイオードDi1の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0から放出される。また、平滑キャパシタC2には、電気機器5の発電電圧V2が印加され、平滑キャパシタC2にエネルギが供給される。
IGBT1(PiNダイオードDi1)、IGBT3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT1(PiNダイオードDi1)側接続端子の電位は、およそVcom=0、IGBT3側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=Vc0となる。
電流が、正極側端子P2→IGBT4→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi2→インダクタL→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出され、エネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。
PiNダイオードDi2、IGBT4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT2(PiNダイオードDi2)側接続端子の電位は、およそVL、IGBT4側接続端子の電位は、およそV2となる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=V2−Vc0となる。
よって、昇圧動作時と同様にエネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0は、二次側端子電圧V2の1/2倍の、V2/2となる。
スイッチングモードBでは、VL=Vc0=V2/2
スイッチングモードCでは、VL=(V2−Vc0)=V2/2
スイッチングモードDでは、VL=V2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差と、IGBT1、IGBT2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、昇圧動作時のゲート駆動信号のオンデューティが50%未満での関係を示す式(1a)、(1b)と同じとなる。
このため、同様に、式(2)、式(3)の関係が成り立つ。
即ち、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(3)で示される。
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードDでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、IGBTのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、昇圧動作時と同様にIGBTのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
次に、降圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合について説明する。
図7は、当該時の動作波形を示しており、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切り替わりタイミングである。
図7の(a)において、Gate3信号がハイの場合にIGBT3が、Gate4信号がハイの場合にIGBT4がオンし、コレクタからエミッタに向けて電流が流れる。
Gate1信号がハイの場合にIGBT1が、Gate2信号がハイの場合にIGBT2がオンするが、降圧動作時には、逆並列接続されたPiNダイオードDi1、Di2を、アノードからカソードに向けて電流が流れる。
即ち、降圧動作時も昇圧動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組み合わせは、スイッチングモードA→B→A→C→Aの順に切り替わる。
電流が、正極側端子P2→IGBT4→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi2→インダクタL→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。
IGBT2(PiNダイオードDi2)、IGBT4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT2側接続端子の電位は、およそVL、IGBT4側接続端子の電位は、およそV2となる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=V2−Vc0となる。
電流が、エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT3→インダクタL→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→PiNダイオードDi1の経路に流れ、エネルギがインダクタLに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタC0から放出される。
IGBT1(PiNダイオードDi1)、IGBT3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のIGBT1側接続端子の電位は、およそVcom=0、IGBT3側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのIGBT3側接続端子の電圧VL=Vc0となる。
電流が、インダクタL→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→PiNダイオードDi1→PiNダイオードDi2の経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出される。
電圧VLは、PiNダイオードDi1とPiNダイオードDi2に電流が導通し、およそVcom=0となることから、インダクタLのIGBT2側接続端子の電圧VLと正極側端子P1側の接続端子の電圧との差は、V1で正となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から正の方向へ向けて変化する。
スイッチングモードAでは、VL=Vcom=0
スイッチングモードBでは、VL=Vc0=V2/2
スイッチングモードCでは、VL=(V2−Vc0)=V2/2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差とIGBT1、IGBT2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffの関係は、昇圧動作時のゲート駆動信号のオンデューティが50%以上での関係を示す式(4a)、(4b)と同じとなる。このため、同様に式(5)、式(6)の関係が成り立つ。
即ち、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(6)で示される。
スイッチングモードAでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、IGBTのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合についても、IGBTのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
制御ユニット3は、外部から変換主回路2の一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL(例えば図3の変換主回路2がV1,V2,ILのための検出器(図示省略)を含む、これらの検出器より得る)、及び、図示しない外部装置からのDC/DC電圧変換比指示を入力して内部で制御演算を行い、変換主回路2内のIGBT4、IGBT3、IGBT2、IGBT1のスイッチング動作を制御するゲート駆動信号8(Gate4、Gate3、Gate2、Gate1)を出力する。
なお、変換制御部10、ゲートPWM生成部11はマイクロコンピュータ等で構成され得る。
このインダクタ電流の負帰還マイナー制御演算を適用すれば外周のDC/DC電圧変換比の負帰還制御系の制御帯域を高周波数に設定可能となり、電圧変換比指示への変換比制御の追従応答性が向上する。
各ゲート駆動回路121〜124は対応するIGBT1〜4のエミッタ電位と信号接続しており、ゲート駆動信号8の電圧を電源電圧VD1〜4とするかエミッタ電位とするかを切り替えることで、スイッチオン、スイッチオフを制御する。電源電圧VD1〜4も各IGBT1〜4に応じて個別に供給する必要から、4通りの相互に絶縁された電源電圧VD1、VD2、VD3、VD4をゲート電源回路13で作り、それぞれゲート駆動回路(1)121、ゲート駆動回路(2)122、ゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124に供給する。
ゲート駆動回路(1)121はGate1信号を出力しIGBT1を、ゲート駆動回路(2)122はGate2信号を出力しIGBT2を、ゲート駆動回路(3)123はGate3信号を出力しIGBT3を、ゲート駆動回路(4)124はGate4信号を出力しIGBT4をそれぞれスイッチング動作する。
なお、例えば制御ユニット3の記憶部(図示省略)に予め求めた図8に示す特性のデータ(テーブル)を格納しておき、このデータに基づいてオンデューティを求めることが考えられる。
オンデューティが0%の場合にDC/DC電圧変換装置1の一次側電圧V1と二次側電圧V2は等しくなる。オンデューティが大きくなるに連れ、電圧変換比V2/V1は大きくなる。昇圧動作時は一次側から二次側の方向へ昇圧比V2/V1が1.0以上の範囲で電力を送り、降圧動作時は二次側から一次側の方向へ降圧比V1/V2が1.0以下の範囲で電力を送る。
図12、図13は、昇圧動作時であってオンデューティ50%未満で、一次側から二次側へ電力を供給する場合を示している。
図12は、DC/DC電圧変換装置の負荷電力が大きく、インダクタ電流ILの極性が正に留まる場合での動作波形を示しており、図12の、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切り替わりタイミング、(d)はスイッチ素子と整流素子に導通する電流を示している。
オンデューティ50%未満の動作において、スイッチングモードは前述のように、B→D→C→D→Bの順で循環するよう切り替わる。
まず、スイッチングモードDにて、IGBT3とIGBT4がオン、IGBT1とIGBT2がオフであって、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れる。すなわち、半導体素子の内、PiNダイオードDi3とPiNダイオードDi4に電流が流れ、PiNダイオードDi3とPiNダイオードDi4には順方向に電流が流れることによる定常損失が生じる。
次に、スイッチングモードBに切り替わると、IGBT1とIGBT3がオン、IGBT2とIGBT4がオフであって、
電流が、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT1→負極側端子N1の経路に流れる。半導体素子の内、IGBT1とPiNダイオードDi3に電流が流れ、IGBT1とPiNダイオードDi3には順方向に電流が流れることによる定常損失が生じる。また、スイッチングモードDからスイッチングモードBへの切り替えに際し、PiNダイオードDi4は導通状態から非導通状態へ移る。
一方、IGBT1は図12の(d)のタイミングm1に示すように、非導通状態から導通状態に移る。これはターンオンと呼ばれる動作である。IGBT1のスイッチングとIGBT4、PiNダイオードDi4のスイッチングは相補の動作であるため、IGBT1のターンオンのタイミングで、PiNダイオードDi4にリカバリ電流が流れる。このリカバリ電流はIGBT1の電流に重畳するため、IGBT1のターンオン時のスイッチング損失(ターンオン損失Esw(on))の多さに影響を及ぼす。
スイッチングモードBからスイッチングモードDへの切り替えにて、IGBT1は導通状態から非導通状態へ移る。これはターンオフと呼ばれる動作であり、この際、スイッチング損失としてターンオフ損失Esw(off)が生じる。
電流が、正極側端子P1→インダクタL→IGBT2→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れる。
半導体素子の内、IGBT2とPiNダイオードDi4に電流が流れ、定常損失が生じる。
また、スイッチングモードDからスイッチングモードCへの切り替えに際し、図12(d)のタイミングm4に示すように、PiNダイオードDi3は導通状態から非導通状態に移るため、リカバリ電流による逆回復損失Errが発生する。
IGBT2は、非導通状態から導通状態に移り、ターンオン損失Esw(on)を生じる。IGBT2のスイッチングとIGBT3、PiNダイオードDi3のスイッチングは相補の動作であるため、IGBT2のターンオンのタイミングで、上記のようにPiNダイオードDi3にリカバリ電流が流れる。
スイッチングモードCからスイッチングモードDへの切り替えにて、IGBT2は導通状態から非導通状態へ移り、ターンオフ損失Esw(off)を生じる。
GBT1は、スイッチングモードBへ移る際のターンオン損失Esw(on)、期間中にインダクタ電流ILと同じ量の電流が流れることによる定常損失、スイッチングモードBから移る際のターンオフ損失Esw(off)の三つの成分が生じることとなる。
同様にIGBT2は、スイッチングモードCを対象に、上記のIGBT1と相似のターンオン損失Esw(on)、定常損失、ターンオフ損失Esw(off)の三つの損失成分が生じる。
同様にPiNダイオードDi4は、スイッチングモードD、スイッチングモードC、スイッチングモードDの期間を、上記のPiNダイオードDi3と相似な波形で電流が流れる。損失として、定常損失と、逆回復損失Errが発生する。
オンデューティ50%未満の動作において、スイッチングモードは前述のように、B→D→C→D→Bの順で循環するよう切り替わる。
まず、スイッチングモードDにて、IGBT3とIGBT4がオン、IGBT1とIGBT2がオフであって、スイッチングモードDへ切り替わり後は、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れつつ、インダクタ電流ILはゼロへ向けて減衰して行く。
半導体素子の内、PiNダイオードDi3とPiNダイオードDi4に電流が流れ、定常損失が生じる。
インダクタ電流ILがゼロを跨いで負極性になると、負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2→IGBT4→IGBT3→インダクタL→正極側端子P1の経路に電流が流れつつ、インダクタ電流ILは負方向に増加して行く。
半導体素子の内、IGBT3とIGBT4に電流が流れ、定常損失が生じる。インダクタ電流ILがゼロの状態からIGBT3、IGBT4がターンオンすることから、非導通状態から導通状態に移る際のターンオン損失Esw(on)は発生しない(図13の(a)(d)参照、以下同様)。
半導体素子の内、PiNダイオードDi1とIGBT3に電流が流れ、定常損失が生じる。
インダクタ電流ILがゼロを跨いで正極性になると、電流が、正極側端子P1→インダクタL→PiNダイオードDi3→エネルギ移行用キャパシタC0→IGBT1→負極側端子N1の経路に流れつつ、インダクタ電流ILは正方向に拡大して行く。
半導体素子の内、IGBT1とPiNダイオードDi3に電流が流れ、定常損失が生じる。
インダクタ電流ILがゼロの状態からIGBT1がターンオンすることから、ターンオン損失Esw(on)は発生しない。
また、スイッチングモードDからスイッチングモードBへの切り替えに際し、IGBT4は導通状態から非導通状態へ移り、ターンオフ損失Esw(off)が生じる。
インダクタ電流ILがゼロを跨いで負極性になると、負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2→IGBT4→IGBT3→インダクタL→正極側端子P1の経路に電流が流れつつ、インダクタ電流ILは負方向に増加して行く。
半導体素子の内、IGBT3とIGBT4に電流が流れ、定常損失が生じる。インダクタ電流ILがゼロの状態からIGBT3、IGBT4がターンオンすることから、非導通状態から導通状態に移る際のターンオン損失Esw(on)は発生しない。
また、スイッチングモードBからスイッチングモードDへの切り替えに際し、IGBT1は導通状態から非導通状態へ移り、ターンオフ損失Esw(off)が生じる。
半導体素子の内、IGBT4とPiNダイオードDi2に電流が流れ、定常損失が生じる。
また、インダクタ電流ILが負極性の状態から減衰してゼロを跨ぐ際に、IGBT4がターンオフすることから、IGBT4にターンオフ損失Esw(off)は発生しない。
インダクタ電流ILがゼロを跨いで正極性になると、
電流が、正極側端子P1→インダクタL→IGBT2→エネルギ移行用キャパシタC0→PiNダイオードDi4→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れつつ、インダクタ電流ILは正方向に増加して行く。
半導体素子の内、IGBT2とPiNダイオードDi4に電流が流れ、定常損失が生じる。
インダクタ電流ILがゼロの状態からIGBT2がターンオンすることから、IGBT2にターンオン損失Esw(on)は発生しない。
また、スイッチングモードDからスイッチングモードCへの切り替えに際し、IGBT3は導通状態から非導通状態へ移り、ターンオフ損失Esw(off)が生じる。
インダクタ電流ILがゼロを跨いで負極性になり負方向に増加していくと、IGBT3とIGBT4に電流が流れ、定常損失が生じる。
インダクタ電流ILがゼロの状態からIGBT3、IGBT4がターンオンすることから、ターンオン損失Esw(on)は発生しない。
また、スイッチングモードCからスイッチングモードDへの切り替えに際し、IGBT2は導通状態から非導通状態へ移り、ターンオフ損失Esw(off)が生じる。
IGBT1は、スイッチングモードB内でインダクタ電流ILが正極性の期間中にインダクタ電流ILと同じ量の電流が流れることによる定常損失、スイッチングモードBから移る際のターンオフ損失Esw(off)の二つの成分が生じることとなる。
同様にIGBT2は、スイッチングモードCを対象に、上記のIGBT1と相似の定常損失、ターンオフ損失Esw(off)の二つの損失成分が生じる。
同様にPiNダイオードDi2は、スイッチングモードC内でインダクタ電流ILが負極性の期間中に定常損失が生じる。
PiNダイオードDi4は、スイッチングモードD内でインダクタ電流ILが正極性の期間中、及び、スイッチングモードC内でインダクタ電流ILが正極性の期間中に定常損失が生じる。
IGBTには、ターンオン損失Esw(on)、定常損失、ターンオフ損失Esw(off)の三つの損失成分が生じ、また、
PiNダイオードDiには、定常損失と、逆回復損失Errの二つの損失成分が生じる。
一方、インダクタ電流ILの極性がゼロを跨いで正極性と負極性が切り替わる場合は、
IGBTには、定常損失、ターンオフ損失Esw(off)の二つの損失成分が生じ、また、
PiNダイオードDiには、定常損失だけが生じる。
従って、インダクタ電流ILが正極性に留まる場合と、ゼロを跨いで正極性と負極性が切り替わる場合とでは、IGBTにターンオン損失Esw(on)が発生するか否か、PiNダイオードDiに逆回復損失Errが発生するか否かの相違がある。
図14の(a)において、スイッチオン回路(1)を用いてターンオンすると、オーバーシュートを伴って高い電流勾配di/dtで、早く立ち上がる。スイッチオン回路(2)を用いてターンオンすると、スイッチオン回路(1)を用いる場合に比べて、少ないオーバーシュート量でもって低い電流勾配di/dtで、ゆっくりと立ち上がる。
図9を参照して、制御ユニット3内の変換制御部10は、電圧変換比の負帰還演算を行ってIGBT1とIGBT2のオンデューティの目標量Ldutyを出力する。
また、インダクタ電流ILの値を用いて、スイッチオン回路(1)とスイッチオン回路(2)のいずれを選択するかの切り替え信号DCselをゲート駆動部12へ出力する。
ゲート駆動回路12xはスイッチオン回路(1)24、スイッチオン回路(2)25、スイッチオフ回路26のいずれかを動作させてゲート駆動信号8を生成し出力する。
スイッチオン回路(1)24は、小信号用の電界効果トランジスタ等の半導体スイッチ241と回路抵抗242から成る。同様にスイッチオン回路(2)25は、半導体スイッチ251と回路抵抗252、スイッチオフ回路26は、半導体スイッチ261と回路抵抗262から成る。ここで(回路抵抗242の抵抗値)<(回路抵抗252の抵抗値)の関係である。
Gpwmがスイッチオン論理の場合に半導体スイッチ241か半導体スイッチ251の何れかが閉となって、ゲート駆動信号8(Gate)の電圧は電源電圧VDとなる。よって、対応する変換主回路2内のIGBTがスイッチオンする。
Gpwmがスイッチオフ論理の場合に半導体スイッチ261が閉となって、ゲート駆動信号8(Gate)の電圧はエミッタ電位と等しくなる。よって、対応する変換主回路2内のIGBTがスイッチオフする。
信号バッファ21の出力と切り替え信号DCselが回路切り替え器23に入力し、スイッチオン回路(1)24とスイッチオン回路(2)25のどちらを動作させるか選択して、選択した側のスイッチオン回路内の半導体スイッチを閉とするよう制御信号を伝送する。
回路切り替え器23でのスイッチオン回路の選択は、図11に示す形態で行われる。
すなわち、スイッチオン回路(2)25が選択されている状態で、インダクタ電流の絶対値が|ILt|A以上となれば、スイッチオン回路(1)24を選択するよう切り替える。また、スイッチオン回路(1)24が選択されている状態で、インダクタ電流の絶対値が(|ILt|−ΔILh)A未満となれば、スイッチオン回路(2)25を選択するよう切り替える。
すなわち、インダクタ電流の絶対値が大きくなり第1の閾値|ILt|A以上に上昇した場合に、低い回路抵抗値のスイッチオン回路(1)24で動作させ、インダクタ電流の絶対値が小さくなり第2の閾値(|ILt|−ΔILh)A未満に減少した場合に、高い回路抵抗値のスイッチオン回路(2)25で動作させる。
スイッチオン回路(1)24では、IGBTのゲート電荷充電速度が速く、スイッチオン回路(2)25では、IGBTのゲート電荷充電速度が遅い。よって、IGBTのターンオン時の電流、電圧の波形は上述の図14に図示されるものとなる。
図15の(c)の従来のDC/DC電圧変換装置の二次側電圧V2の波形では、インダクタ電流ILがゼロを跨いで負極性から正極性に移った後、再び電流ILがゼロへ向けて変化するタイミングTf2で電圧波形はポイントpy1に示すように乱れる。また、インダクタ電流ILが正の方向へ更に増加して行き、リップルによってもゼロを跨がないようになったタイミングTf4でもポイントpy2に示すように電圧波形は乱れる。
図15の(a)のインダクタ電流ILは、各スイッチングモードの中間のタイミング(電流波形中の○印)で、マイクロプロセッサあるいは電子回路(図示省略)などによってサンプリングされ、制御ユニット3に入力され、スイッチオン回路(1)とスイッチオン回路(2)の切り替え判定に用いられる。
切り替えの判定条件は、図11に示したように、タイミングTf1でスイッチオン回路(1)からスイッチオン回路(2)へ切り替える。
続いて、インダクタ電流ILが正の方向へ更に増加して行くと、タイミングTf3でスイッチオン回路(2)からスイッチオン回路(1)へ切り替える。
この動作により、タイミングTf2での電圧波形の乱れは、ポイントpz1に示す程度となる。また、タイミングTf4でもポイントpz2に示す程度となる。
以下、この発明の実施の形態2によるDC/DC電圧変換装置を図16から図17を用いて説明する。
この発明の実施の形態2によるDC/DC電圧変換装置は、制御ユニット3内のゲートPWM生成部11の動作を除いて、先の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置の場合と同じであり、以下では、実施の形態1と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。
図16にて、スイッチング周波数の切り替えはインダクタ電流ILに関して幅ΔILhのヒステリシスをもって行われる。
すなわち、スイッチング周波数fsw(2)が選択されている状態で、インダクタ電流の絶対値が|Ilta|A以上となれば、スイッチング周波数fsw(1)で動作するよう切り替える。また、スイッチング周波数fsw(1)が選択されている状態で、インダクタ電流の絶対値が(|ILta|−ΔILha)A未満となれば、スイッチング周波数fsw(2)で動作するよう切り替える。
ここで、スイッチング周波数fswは、fsw(2)の方が高周波となるfsw(2)>fsw(1)の関係である。
すなわち、ゲートPWM生成部11はインダクタ電流の絶対値が大きくなり|ILta|A以上に上昇した場合に、周波数の低いスイッチング周波数fsw(1)でゲートPWM信号を生成出力させ、インダクタ電流の絶対値が小さくなり(|ILta|−ΔILha)A未満に減少した場合に、スイッチング周波数fsw(1)より周波数の高いスイッチング周波数fsw(2)でゲートPWM信号を生成出力する。
一方、実施の形態1で説明したように、インダクタ電流ILが正極性に留まる場合と、ゼロを跨いで正極性と負極性が切り替わる場合とでは、IGBTにターンオン損失Esw(on)が発生するか否か、PiNダイオードDiに逆回復損失Errが発生するか否かの相違が有り、IGBTとPiNダイオードDiに生じる損失量が異なるため、パワー半導体ユニットの発生損失が不連続となる。
このことを、図17を用いて説明する。図17の(a)はインダクタ電流IL、およびスイッチング周波数、スイッチオン回路の切り替え、、図17の(b)は本実施の形態で動作する場合のDC/DC電圧変換装置の二次側電圧V2の時間波形であって、DC/DC電圧変換装置の負荷量の変動により、インダクタ電流ILが負から正の方向へ増加して行く場合を示している。
図17の(a)のインダクタ電流ILは、電流波形中の○印のタイミングで、マイクロプロセッサあるいは電子回路(図示省略)などによってサンプリングされ、制御ユニット3に入力されて、スイッチオン回路(1)とスイッチオン回路(2)の切り替え判定と共に、スイッチング周波数fsw(1)とスイッチング周波数fsw(2)の切り替え判定に用いられる。
図17では、図示の簡単化のため、|ILt|と|ILta|を等しく、ΔILhとΔILhaを等しく設定している。
続いて、インダクタ電流ILが正の方向へ更に増加して行くと、タイミングTf3aでスイッチング周波数をfsw(1)へ切り替える判定を行い、タイミングTf4a以降で実際のPWM波形として反映される。
同じく、スイッチオン回路(1)とスイッチオン回路(2)の切り替えが、タイミングTf1a、タイミングTf3aで行われている。
以下、この発明の実施の形態3によるDC/DC電圧変換装置を図18から図20を用いて説明する。
この発明の実施の形態3によるDC/DC電圧変換装置は、変換主回路2の整流素子であるダイオードDi4a、Di3aとして、Si材料からなるバイポーラ型のPiNダイオードではなく、バンドギャップがさらに大きいシリコンカーバイド(SiC、炭化珪素)材料のユニポーラ型(ユニポーラ半導体)のショットキーバリア・ダイオード(SBD)を用いている。
変換主回路2の構成、動作を除いて、先の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置の場合と同じであり、以下では、実施の形態1と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。
また、IGBT2がターンオンする際には、IGBT3と逆並列に接続されるショットキーバリアダイオードDi3aのリカバリ電流がIGBT2の導通電流に重畳し、ターンオン損失Esw(on)の量に影響する。
図19はSi製PiNダイオードを用いた場合のIGBTのターンオン時の波形であって、図19の(a)はコレクタ電流波形、(b)はコレクタ−エミッタ間電圧波形である。
ターンオンすると、コレクタ−エミッタ間電圧は低下し、飽和電圧Vce(sat)に到達する。コレクタ電流は勾配di/dtで立ち上がり、オーバーシュートの後、所定値に収束する。このオーバーシュートは、相補動作するSi製PiNダイオードのリカバリ電流が重畳するために生じている。
図19の(b)と同様に、ターンオンすると、コレクタ−エミッタ間電圧は低下し、飽和電圧Vce(sat)に到達する。図19との対比において、IGBTをスイッチオンするためのゲート容量の電荷充電速度を同じとしており、コレクタ電流は、図19の(a)と同じ勾配di/dtで立ち上がる。但し、オーバーシュートは生じていない。これは、SiC製ショットキーバリアダイオードが、ユニポーラ型の整流素子であって、電子のみが電荷の担い手(キャリア)として働くことから、ダイオードの逆バイアス時のリカバリ電流がほとんど流れないためである。
すなわち、同じ二次電圧、同じ絶対値の電流量を扱う場合であっても、DC/DC電圧変換装置1が一次側から二次側へ電力を供給する昇圧力行動作であるか、二次側から一次側へ電力を供給する降圧回生動作であるかによって、一次側の電圧は大きく異なり、昇圧力行動作では一次側電圧は低い目に、降圧回生動作では一次側電圧は高い目になる。
このため、DC/DC電圧変換装置1の負荷量の大小によるパワー半導体ユニットの発生損失の不連続度合いが、さらに抑えられ、インダクタの導通電流ILの極性の取り方の違いに起因して発生する過渡的な電圧変動を、さらに小さくすることができる。
また、スイッチ素子、整流素子の双方の損失が低減し、DC/DC電圧変換装置の動作効率が向上、取り扱い可能な出力電力容量が拡大し、電力密度が増えるという効果が得られる。
以下、この発明の実施の形態4におけるDC/DC電圧変換装置を図21、図22を用いて説明する。
この発明の実施の形態3によるDC/DC電圧変換装置は、制御ユニット3内のゲート駆動部12の構成、動作を除いて、先の実施の形態1から実施の形態3ののDC/DC電圧変換装置の場合と同じであり、以下では、実施の形態1から実施の形態3と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。尚、本実施の形態では、実施の形態3で説明した図18で示す変換主回路2が用いられる。
IGBT3、IGBT4に対応するゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124は図22に示す構成である。
図21のゲート駆動回路(1)121、ゲート駆動回路(2)122と、図22のゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124は、スイッチオン回路(1)24a,24b、スイッチオン回路(2)25a,25b内の回路抵抗242a、252a、242b、252bの抵抗値が異なり、
(回路抵抗242aの抵抗値)<(回路抵抗252aの抵抗値)、
(回路抵抗242bの抵抗値)<(回路抵抗252bの抵抗値)の関係に加え、
(回路抵抗242bの抵抗値)<(回路抵抗242aの抵抗値)、
(回路抵抗252bの抵抗値)<(回路抵抗252aの抵抗値)の関係となっている。
一方、PiNダイオードDi1、Di2には、バイポーラ素子であることからリカバリ電流が流れ、これが重畳して、IGBT3、IGBT4のターンオン損失Esw(on)は多くなる。
また、Si材料に対し、高コストとなるSiC材料の半導体使用量を少なく(ダイオードDi3、Di4のみSiC材料を使用)し、コストの増加を抑えつつも、スイッチ素子、整流素子の双方の損失が低減し、DC/DC電圧変換装置の動作効率が向上、取り扱い可能な出力電力容量が拡大して、電力密度が増えるという効果が得られる。
以下、この発明の実施の形態5におけるDC/DC電圧変換装置を図23を用いて説明する。
変換主回路2の構成、動作を除いて、先の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置の場合と同じであり、以下では、実施の形態1と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。
図23を参照して、本実施の形態のDC/DC電圧変換装置は、変換主回路2の各パワー半導体ユニットPU1〜PU4の整流素子、スイッチ素子すべてに、Si材料よりもバンドギャップがさらに大きいSiC材料のユニポーラ型の素子を用いる。
すなわち、SiC材料によるショットキーバリアダイオード(SBD)を整流素子(ダイオード)Di1a、Di2a、Di3a、Di4aとして用いている。また、IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4の代わりに、SiC材料によるMOS−FETをスイッチ素子FET1、FET2、FET3、FET4を用いている。
また、スイッチ素子、整流素子の何れもが、ユニポーラ型の素子であるため、ターンオン動作、ターンオフ動作での電流勾配di/dtを、Si材料を用いたバイポーラ型素子よりも高く設定できることから、スイッチ素子、整流素子を高周波で動作できる。したがって、DC/DC電圧変換装置に用いるキャパシタ、インダクタなどの受動部品を小型化できることから、DC/DC電圧変換装置自体の小型化、軽量化、電力密度の向上といった効果が得られる。
このため、DC/DC電圧変換装置の負荷量が多く、インダクタの導通電流が、正あるいは負の一方の極性に留まることで生じるスイッチ素子のターンオン動作によるスイッチング損失の増加を抑えることとなり、DC/DC電圧変換装置の負荷量の大小によってインダクタの導通電流の極性の取り方(ゼロを跨いで正負切り替わり/正あるいは負の極性に留まる)の違いでDC/DC電圧変換装置のパワー半導体ユニットの発生損失が不連続となることに起因して発生する過渡的な電圧変動(DC/DC電圧変換性能の悪化)を、抑えることができる。
また、直列接続されたパワーモジュールの複数(2対以上)対のパワー半導体ユニットの内、少なくとも変換主回路の二次側端子の高電位側ノード寄りの半数のパワー半導体ユニットの整流素子は、バンドギャップがSi材料による整流素子のそれよりも大きいユニポーラ半導体による整流ダイオードを用いる。
変換主回路の二次側端子の低電位側ノード寄りのスイッチ素子をスイッチングして、電圧変換装置の一次側から二次側へ電力を供給する昇圧力行動作において、スイッチ素子のターンオン動作時のスイッチング損失が低減され、DC/DC電圧変換装置の負荷量の大小によるパワー半導体ユニットの発生損失の不連続度合いが、さらに緩和されることから、インダクタの導通電流の極性の取り方の違いに起因して発生する過渡的な電圧変動(DC/DC電圧変換性能の悪化)を、さらに小さくすることができる。
また、スイッチ素子、整流ダイオードの双方の損失が低減し、DC/DC電圧変換装置の動作効率が向上、取り扱い可能な出力電力容量が拡大し、電力密度が増えるという効果が得られる。
また、この発明のDC/DC電圧変換装置によれば、パワー半導体ユニットのスイッチ素子、整流素子として、バンドギャップがSiのそれよりも大きい半導体材料を用いて構成するため、実用的な半導体接合部温度の上限が従来のSi材料によるスイッチ素子、整流素子よりも引き上げられことから、DC/DC電圧変換装置が取り扱い可能な出力電力容量が拡大し、電力密度が向上するという効果が得られる。
これは、出力電力を増し、パワーデバイスに生じる損失が増えて半導体接合部温度がさらに高温となっても、スイッチ素子、整流素子の特性の劣化が少なく、耐熱性能が向上しており支障ないためである。
この発明は、これら実施の形態の構成、動作に限定されるものでなく、この発明の範囲内にある限り、別な構成、動作へ変更を加えて実施してもよい。
さらにこの発明は上記各実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
Claims (6)
- 変換主回路と前記変換主回路の電圧変換制御を行う制御ユニットを備えたDC/DC電圧変換装置であって、
前記変換主回路は、
前記変換主回路の一次側、二次側のそれぞれの正極側端子と負極側端子の間に接続され電圧を平滑する第1および第2の平滑キャパシタと、
それぞれがスイッチ素子と整流素子が逆並列接続されてなる2つのパワー半導体ユニットからなるパワー半導体ユニットの対を2対以上含み、各対の一方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の正極側端子の間で直列接続され、他方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の負極側端子の間で前記一方のパワー半導体ユニットとは逆方向に直列接続されてなるパワーモジュールと、
二次側端の前記パワー半導体ユニットの対を除いて、各パワー半導体ユニットの対の一方のパワー半導体ユニットと他方のパワー半導体ユニットのそれぞれの二次側端間に接続されたエネルギ移行用キャパシタと、
一次側端の前記パワー半導体ユニットの対と一次側の正極側端子の間接続されたインダクタと、
を含み、
前記制御ユニットは、前記変換主回路の動作時において、前記インダクタの導通電流が正極性か負極性のいずれか一方に留まる場合に、前記各パワー半導体ユニットのスイッチ素子のゲート容量の電荷充電速度を増加させるよう抵抗値の異なる複数のスイッチオン回路を切り替えて制御を行う手段を含む、
ことを特徴とするDC/DC電圧変換装置。 - 前記制御ユニットは、前記変換主回路の動作時において、前記インダクタの導通電流がゼロを跨いで正極性と負極性と交互に切り替わる場合に、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を高めるよう切り替える手段をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のDC/DC電圧変換装置。
- 前記パワーモジュールの各パワー半導体ユニットの対の前記一方の側のパワー半導体ユニットの整流素子が、バンドギャップがSi材料による整流素子のバンドギャップより大きいユニポーラ半導体のダイオードからなることを特徴とする請求項1または2に記載のDC/DC電圧変換装置。
- 前記制御ユニットは、前記パワーモジュールの各パワー半導体ユニットの対の前記一方の側のパワー半導体ユニットのスイッチ素子のゲート容量の電荷充電速度が、前記他方の側のパワー半導体ユニットのスイッチ素子のゲート容量の電荷充電速度よりも高速となるよう動作することを特徴とする請求項3に記載のDC/DC電圧変換装置。
- 前記各パワー半導体ユニットのスイッチ素子と整流素子のいずれか一方または両方が、バンドギャップがSi材料によるバンドギャップよりも大きい半導体からなる素子であることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。
- 変換主回路の電圧変換制御を制御ユニットで行うDC/DC電圧変換装置の電圧変換制御方法であって、
前記変換主回路が、前記変換主回路の一次側、二次側のそれぞれの正極側端子と負極側端子の間に接続され電圧を平滑する第1および第2の平滑キャパシタと、それぞれがスイッチ素子と整流素子が逆並列接続されてなる2つのパワー半導体ユニットからなるパワー半導体ユニットの対を2対以上含み、各対の一方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の正極側端子の間で直列接続され、他方のパワー半導体ユニット同士が一次側の正極側端子と二次側の負極側端子の間で前記一方のパワー半導体ユニットとは逆方向に直列接続されてなるパワーモジュールと、二次側端の前記パワー半導体ユニットの対を除いて、各パワー半導体ユニットの対の一方のパワー半導体ユニットと他方のパワー半導体ユニットのそれぞれの二次側端間に接続されたエネルギ移行用キャパシタと、一次側端の前記パワー半導体ユニットの対と一次側の正極側端子の間接続されたインダクタとを備え、変換主回路の動作時において、前記インダクタの導通電流が正極性か負極性のいずれか一方に留まる場合に、前記各パワー半導体ユニットのスイッチ素子のゲート容量の電荷充電速度を増加させるよう抵抗値の異なる複数のスイッチオン回路を切り替えて制御を行う、
ことを特徴とするDC/DC電圧変換装置の電圧変換制御方法。
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