JP5503204B2 - 直流安定化電源回路 - Google Patents
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Description
主スイッチ210 ON OFF OFF OFF OFF OFF
主スイッチ212 OFF OFF OFF OFF ON ON
スイッチ222 OFF OFF OFF OFF OFF OFF
スイッチ224 OFF OFF ON ON ON ON
(モード0)
図7は、モード0の動作状態を示す図である。なお、図7〜図11までの各図においては、共通整流器100、インバータ200、トランス300のそれぞれの等価回路が示されている。例えば、トランス300やインバータ200内のトランス230は、理想トランスと励磁インダクタンスとの組合せとして表現されている。また、共通整流器100では、コンデンサ130、132の前段部分が800Vの直流電源で表現されている。また、Routは負荷抵抗を示しており、例えば充電対象となる電池に相当する。
図8は、モード1の動作状態を示す図である。モード1では、主スイッチ210がオンからオフに切り替えられる。主スイッチ210にはコンデンサ214が並列接続されているため、主スイッチ210をオフするとコンデンサ214に電流が転流する。このため、モード0からモード1に切り替わる際に、主スイッチ210の両端電圧は、瞬時ではなく所定の傾きで速やかに上昇する。これに伴って、主スイッチ212の両端電圧VQ2は、800Vから所定の傾きで速やかに減少し、その後800Vの半分の400Vで維持される。この状態では、トランス300の一次巻線の一方端に主スイッチ212の両端電圧VQ2(=400V)が印加されるが、この一次巻線の他方端にもコンデンサ130、132の接続点から同じ400Vの電圧が印加されるため、一次巻線の両端電圧が0Vになり、トランス300の二次巻線の両端電圧も0Vとなる。トランス300の二次巻線側では、4つのダイオード410、412、414、416を介して電流が流れる。
図9は、モード2の動作状態を示す図である。モード2では、スイッチ224がオンされる。これにより、図9に矢印C2で示すように、トランス300の一次巻線、インダクタ220、トランス230の二次巻線の一部、スイッチ224を介した経路で電流が流れる。また、トランス230の二次巻線の一部に電流が流れると、一次巻線の一部にも電流が流れ、図9に矢印C3で示す経路で電流が流れる。なお、トランス230の一次巻線の他の部分および二次巻線の他の部分には、ダイオード226やオフ状態のスイッチ222およびこの寄生ダイオードが直列に接続されているため、これらには電流は流れない。一方、トランス300の一次巻線に電流が流れることで、二次巻線にも電流が流れる。この二次巻線に流れる電流は、図9では矢印C4で示されている。
図10は、モード3の動作状態を示す図である。インダクタ220に流れる電流iLrが負荷電流IO に相当する値に達してモード3の状態に移行すると、トランス300の二次巻線側では、ダイオード410、416がターンオフし、C5で示す経路で電流が流れる。トランス300の一次巻線側では、主スイッチ212に並列に接続されたコンデンサ216とインダクタ220との共振によりC6で示す経路で電流が流れ、インダクタ220に流れる電流iLrが増加した後減少する。このとき、主スイッチ212の両端電圧(コンデンサ216の両端電圧)は、400Vからなだらかに減少し、ほぼ0Vに到達すると、モード3が終了する。
図11は、モード4、5の動作状態を示す図である。主スイッチ212の両端電圧がほぼ0Vに到達すると主スイッチ212がオンされ、モード4の状態に移行する。主スイッチ212がオンされると、主スイッチ212に流れる電流IQ2が徐々に増加するとともにインダクタ220に流れる電流iLrが徐々に減少する。インダクタ220に流れる電流iLrがほぼ0Aに達すると、モード4が終了する。その後、モード5に移行し、トランス230の励磁電流が0Aになると、モード5が終了する。
主スイッチ210 OFF OFF OFF OFF ON ON
主スイッチ212 ON OFF OFF OFF OFF OFF
スイッチ222 OFF OFF ON ON ON ON
スイッチ224 OFF OFF OFF OFF OFF OFF
次に、インバータ200の動作タイミングを制御する制御回路について説明する。上述したインバータ200には、主スイッチ210、212およびスイッチ222、224ののオン/オフのタイミングを制御する制御回路500が接続されている。図12は、制御回路500の構成を示す図である。
Q2:論理積回路546から出力されて主スイッチ212のベースに入力される信号、
Qsn1:論理積回路548から出力されてスイッチ222のベースに入力される信号、
Qsn2:論理積回路550から出力されてスイッチ224のベースに入力される信号、
鋸波:鋸波発生回路510から出力される信号、
比較器出力(516):電圧比較器516から出力される信号、
トグル信号:トグル信号発生回路540から出力される信号、
比較器出力(524):電圧比較器524から出力される信号、
比較器出力(526):電圧比較器526から出力される信号、
反転出力(530):排他的論理和回路528から出力された信号を反転回路530で反転した信号、
トグル信号(遅延):トグル信号発生回路540から出力された信号を遅延回路542を介して所定時間遅延させた信号。
Tr =π√(Lr・2Cr)
ここで、nはトランス300の巻数比、Lr はインダクタ220のインダクタンス、IO は負荷電流値、Vinは直流電源の電圧、Crはコンデンサ214、216の静電容量である。
100 共通整流器
102、104、106 インダクタ
110、112、114、116 主スイッチ
120、122、124、126 コンデンサ
140、142 インダクタ
144、146 スイッチ
200 インバータ
210、212 主スイッチ
214、216 コンデンサ
220 インダクタ
226、228 ダイオード
230 トランス
300 トランス
400 整流器
410、412、414、416 ダイオード
420 インダクタ
422 コンデンサ
500 制御回路
510 鋸波発生回路
512 基準電圧発生回路
514 アナログ乗算器
516、524、526 電圧比較器
520 Vta設定回路
522 Vtb設定回路
528 排他的論理和回路
530 反転回路
540 トグル信号発生回路
542 遅延回路
544、546、548、550 論理積回路
Claims (11)
- 印加される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、第1のトランスを介して前記インバータと接続されて前記トランスから入力される交流電圧を直流電圧に変換する整流器とからなる絶縁型直流/直流変換回路を備え、
前記インバータは、正負2種類の電源ラインの間に直列に挿入されて交互にオン/オフされる第1および第2の主スイッチと、前記第1の主スイッチに並列に接続された第1のコンデンサと、前記第2の主スイッチに並列に接続された第2のコンデンサと、前記第1および第2の主スイッチをオンするときにこのオンする主スイッチの両端電圧が0Vであってこの主スイッチを通して流れる電流が0Aとなるように制御するソフトスイッチング部とを有し、
前記ソフトスイッチング部は、
前記第1および第2の主スイッチの接続点に一方端が接続された共振リアクトルと、
前記共振リアクトルの他方端に二次巻線の中間タップが接続され、この二次巻線の両端のそれぞれが前記正負2種類の電源ラインのそれぞれと第1あるいは第2のスイッチを介して接続され、一次巻線の両端のそれぞれが前記正負2種類の電源ラインのそれぞれとダイオードを介して接続された第2のトランスと、
を備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項1において、
前記正負2種類の電源ラインの間には第3および第4のコンデンサが直列に挿入されており、
前記第2のトランスの一次巻線は中間タップを有し、この中間タップが前記第3および第4のコンデンサの接続点に接続され、前記一次巻線の両端のそれぞれが前記インバータ内の前記正負2種類の電源ラインのそれぞれと別々に前記ダイオードを介して接続されていることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項1において、
前記第2のトランスの一次巻線の両端のそれぞれは、前記インバータ内の前記正負2種類の電源ラインの両方と別々にダイオードを介して接続されていることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項1において、
前記第1および第2の主スイッチのオン/オフタイミングを制御する出力制御手段と、前記第1および第2のスイッチのオン/オフタイミングとを制御するソフトスイッチング制御手段とを有する制御回路をさらに備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項4において、
前記出力制御手段は、
鋸波波形を有する信号を発生する鋸波発生回路と、
前記整流器に流れる負荷電流に対応した基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
前記鋸波波形の電圧と前記基準電圧とを比較する第1の電圧比較器と、
前記第1の電圧比較器の出力に基づいて前記第1および第2の主スイッチを交互にオンする主スイッチ駆動手段と、
を備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項4において、
前記ソフトスイッチング制御手段は、前記第1および第2の主スイッチをオンするタイミングを含む所定期間、前記第1および第2のスイッチをオンすることにより、前記第1および第2の主スイッチをオンする際にこのオンする主スイッチの両端電圧が0Vであってこの主スイッチを通して流れる電流が0Aとなるように制御することを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項6において、
前記ソフトスイッチング制御手段は、
鋸波波形を有する信号を発生する鋸波発生回路と、
前記整流器に流れる負荷電流に対応した第1の比較電圧を発生する第1の比較電圧設定回路と、
前記整流器に流れる負荷電流に対応した第2の比較電圧を発生する第2の比較電圧設定回路と、
前記鋸波波形の電圧と前記第1の比較電圧とを比較する第2の電圧比較器と、
前記鋸波波形の電圧と前記第2の比較電圧とを比較する第3の電圧比較器と、
前記第1あるいは第2の主スイッチをオンする前に前記第1あるいは第2のスイッチをオンする期間を前記第2の電圧比較器の出力に基づいて設定するとともに、前記第1あるいは第2の主スイッチをオンした後に前記第1あるいは第2のスイッチをオンする期間を前記第3の電圧比較器の出力に基づいて設定するオン期間設定回路と、
前記オン期間設定回路の出力に基づいて前記第1および第2のスイッチを交互にオンするスイッチ駆動手段と、
を備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項1において、
前記第2のトランスの一次巻線の少なくとも一方端に接続され、この一方端に電圧サージが生じたときにこの一方端の電圧を所定値に固定するクランプ回路を備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項8において、
前記クランプ回路は、前記第2のトランスの一次巻線の端部と前記正負2種類の電源ラインの一方との間に接続されたダイオードと並列に接続されたコンデンサとダイオードからなる直列回路と、この直列回路を構成するコンデンサとダイオードの接続点と前記正負2種類の電源ラインの他方との間に接続された抵抗とを含んで構成されていることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項1において、
前記第2のトランスの二次巻線の少なくとも一方端に接続され、この一方端に電圧サージが生じたときにこの一方端の電圧を所定値に固定するクランプ回路を備えることを特徴とする直流安定化電源回路。 - 請求項10において、
前記クランプ回路は、前記第2のトランスの一次巻線の端部と前記正負2種類の電源ラインの一方との間に接続された前記第1あるいは第2のスイッチと並列に接続されたコンデンサとダイオードからなる直列回路と、この直列回路を構成するコンデンサとダイオードの接続点と前記正負2種類の電源ラインの他方との間に接続された抵抗とを含んで構成されていることを特徴とする直流安定化電源回路。
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