JP5548569B2 - DC power supply - Google Patents
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Description
本発明は、直流電力を出力する直流電源装置に係わり、その中でも特に半導体スイッチング損失の低減回路を付加した電源装置に関するものである。 The present invention relates to a DC power supply device that outputs DC power, and more particularly to a power supply device to which a semiconductor switching loss reduction circuit is added.
不安定な直流電源の安定化や、直流電圧を変更する場合、あるいは入力と電気的に絶縁された直流電源を出力する必要がある場合にはDC−DCコンバータが用いられる。その中でも、入力と出力が電気的に絶縁された直流電源装置において、絶縁に使用するトランスは使用する周波数の上昇に比例して小型化が可能であるが、半導体スイッチのスイッチング過渡状態で発生するスイッチング損失によって半導体冷却が妨げとなり、スイッチング周波数の上昇に限界がある。そのために、共振回路を利用した転流回路を設けることによって、スイッチング損失を低下させる従来例の構成は特許文献1〜特許文献2と非特許文献1に記載されている。
A DC-DC converter is used when stabilizing an unstable DC power supply, changing a DC voltage, or outputting a DC power supply that is electrically insulated from the input. Among them, in a DC power supply device in which the input and output are electrically isolated, the transformer used for insulation can be reduced in proportion to the increase in the frequency used, but it occurs in the switching transient state of the semiconductor switch. Switching loss hinders semiconductor cooling, and there is a limit to the increase in switching frequency. For this purpose,
図2には、これらに記載されている共振回路の例を示す。101には直流電源、102はフィルタリアクトルとフィルタコンデンサで構成されるフィルタ回路、103は共振回路、104は各半導体スイッチのオン/オフを制御するゲート制御装置である。
FIG. 2 shows an example of a resonance circuit described in these.
図2の回路動作について説明する。Q1〜Q4はインバータ回路を構成する半導体スイッチで、それぞれの半導体スイッチにはD1〜D4のフリーホイールダイオードが付属する。半導体スイッチQ1とQ2との接続点aと半導体スイッチQ3とQ4との接続点bとの間にトランスTの一次巻線が接続され、二次巻線は共振リアクトルLzを介して整流ダイオードD5〜D8よりなるブリッジの接続点cとdに接続される。このブリッジの出力はフィルタ回路102を介して負荷RLに与えられる。
The circuit operation of FIG. 2 will be described. Q1 to Q4 are semiconductor switches constituting an inverter circuit, and free wheel diodes D1 to D4 are attached to the respective semiconductor switches. The primary winding of the transformer T is connected between a connection point a between the semiconductor switches Q1 and Q2 and a connection point b between the semiconductor switches Q3 and Q4, and the secondary winding is connected to the rectifier diodes D5 to D5 via the resonance reactor Lz. It is connected to the connection points c and d of the bridge consisting of D8. The output of this bridge is given to the load RL via the
なお、共振回路103は整流ブリッジの出力側とフィルタ回路102との間に挿入されている。
The
ゲート制御装置104はQ1〜Q4とQzにオンとオフの指令を与える。半導体スイッチとしては、バイポーラトランジスタ・MOSFET・サイリスタ・ゲートターンオフサイリスタ・IGBTなどが考えられるが、ここでは代表例としてIGBTを使用して説明する。
The
図3は図2の公知例を説明するための動作波形の時間変化を表したものである。Iabは点a,b間に流れる電流、Vabは点a,b間の電圧、Izは共振回路103に流れる電流、Vzは共振コンデンサCzの両端の電圧である。Ioは整流ブリッジからフィルタ回路102と負荷RLで環流する電流を示す。
FIG. 3 shows the time change of the operation waveform for explaining the known example of FIG. Iab is a current flowing between the points a and b, Vab is a voltage between the points a and b, Iz is a current flowing through the
回路動作について以上を用いて説明すると、ゲート制御装置104からQ1とQ4にオン信号が与えられて、インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4が導通状態であるとする。電流Iabが流れていて直流電源101から負荷RLにエネルギーを伝達している。
The circuit operation will be described with reference to the above. It is assumed that the
インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4をターンオフする前の時刻t0において共振回路103の半導体スイッチQzをターンオンする信号をゲート制御装置104から与えターンオンさせると、共振コンデンサCzの充電電流が直流電源101より流れ込む。この電流Izは共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの直列共振電流である。半導体スイッチQ1とQ4に流れる電流は負荷側に流れる電流Idと共振電流Izの和であり、正弦波状に増加してゆく。その時、共振コンデンサCzには電圧が発生し、トランスの二次電圧より高い電圧となる。
When a signal for turning on the semiconductor switch Qz of the
時刻t1にて、その充電が完了し電圧は最大値に達する。その後、共振コンデンサCzの放電が始まり、フリーホイールダイオードD9と共振コンデンサCzの経路で放電電流が流れ出す。ここでは、トランスTの巻数比を1:1とすると、フィルタリアクトルLdの電流Idは電流IabとIzの和で一定となるように流れるので、Izが増加するとIabは減少する。 At time t1, the charging is completed and the voltage reaches the maximum value. Thereafter, discharge of the resonance capacitor Cz starts, and a discharge current starts to flow through the path of the free wheel diode D9 and the resonance capacitor Cz. Here, if the turns ratio of the transformer T is 1: 1, the current Id of the filter reactor Ld flows so as to be constant as the sum of the currents Iab and Iz, and therefore Iab decreases as Iz increases.
時刻t2では、IzとIdが等しくなるため、Iabが0となる。放電が進み、やがて時刻t4で共振コンデンサCzは完全に放電し、その電流Izは0となる。一方、フィルタリアクトルLdに流れる電流Idは連続であるから、共振コンデンサの放電電流Izが0となった時点で、電流Idは整流ダイオードD5〜D8に切り替わって流れる電流Ioとなる。このように電流Idの連続性は保たれる。 At time t2, since Iz and Id become equal, Iab becomes 0. As the discharge progresses, the resonant capacitor Cz is completely discharged at time t4, and its current Iz becomes zero. On the other hand, since the current Id flowing through the filter reactor Ld is continuous, when the discharge current Iz of the resonant capacitor becomes 0, the current Id becomes the current Io that switches to the rectifier diodes D5 to D8. Thus, the continuity of the current Id is maintained.
共振電流IzがフリーホイールダイオードD9を流れ、トランス一次側電流Iabが0となる、時刻t2〜t4の間の時刻t3においてゲート制御装置104から半導体スイッチQ1とQ4にターンオフ信号を送り、ターンオフさせると、トランス一次側電圧Vabは0となり、Q1とQ4には入力直流電源電圧Eに等しい程度の電圧が印加される。これは僅かに残るトランスの励磁電流分がフリーホイールダイオードD3と直流電源101、フリーホイールダイオードD2の経路でフリーホイールするためである。半導体スイッチQ1とQ4の電流は時刻t3の時点でほぼ0となるから、ターンオフの過程ではスイッチング損失はほとんど発生しない。
When the resonance current Iz flows through the freewheel diode D9 and the transformer primary current Iab becomes 0, when the
一方、時刻t0の時点で半導体スイッチQzがターンオンするときは、共振リアクトルLzによって共振電流Izは徐々に増加するため、ターンオンの過渡状態ではIzはまだ小さな値であるためスイッチング損失は小さい。また、フリーホイールダイオードD9が導通し共振電流Izが正である期間に、半導体スイッチQzをターンオフさせるとQzの電流はすでに0であるので、スイッチング損失は発生しないことが分かる。 On the other hand, when the semiconductor switch Qz is turned on at the time t0, the resonance current Iz is gradually increased by the resonance reactor Lz. Therefore, the switching loss is small because Iz is still a small value in the turn-on transient state. In addition, when the semiconductor switch Qz is turned off during the period in which the free wheel diode D9 is conductive and the resonance current Iz is positive, the current of Qz is already 0, so that it can be seen that no switching loss occurs.
時刻t5にはゲート制御装置104から、半導体スイッチQ2とQ3にターンオン指令が出され、ターンオンを開始する。この時はフィルタリアクトルLdに流れる電流Idは整流ダイオードD5〜D8を環流している電流Ioと等しい。この時、共振リアクトルLzを通して電流Iabは流れ始めるため急激な増加はできず、また、Idは一定と見なせるため、Ioとの和がIdとなるように変化するから、IabはIoの減少分で増加してゆく。このため、Q2とQ3のターンオン過渡状態ではほとんど電流は流れない。このことからターンオン損失は小さい。このIabはだんだんと増加し、時刻t6にはIdと等しくなり、Ioは0となる。この後の半周期に関しては、以上と同様の原理で動作する。
At time t5, the
引き続き、公知例である図2に基づき説明する。 The description will be continued with reference to FIG.
1つ目の課題として、ダイオードには順方向に通電し電流が流れ始めた直後に逆方向の電圧を印加すると、一定期間逆方向に電流が流れた後に電圧が回復する、リカバリ特性(逆回復特性)がある。図3において、時刻t4からt6の間では整流ダイオードD5〜D8には順方向に電流Ioが流れている。時刻t5において一次側に電圧が印加されて共振リアクトルLzを通して電流が流れ出し、時刻t6でこのダイオードの電流Ioが0となる。この直後、点c,d間が短絡状態となり、共振リアクトルLzに流れていた電流が、c,D5,e,D7,dとc,D6,f,dの2つの経路で整流ダイオードD7,D6が逆方向に流れる方向で短絡される現象が発生する。その後、整流ダイオードD7とD6が逆回復し、電流が0となると、共振リアクトルLzに流れていた電流経路がなくなり、点e,f間に過電圧が発生するという問題がある。 The first problem is that recovery characteristics (reverse recovery) when the diode is applied in the forward direction and a reverse voltage is applied immediately after the current starts flowing, the voltage recovers after the current flows in the reverse direction for a certain period of time. Characteristic). In FIG. 3, the current Io flows through the rectifier diodes D5 to D8 in the forward direction from time t4 to time t6. At time t5, a voltage is applied to the primary side, and current flows out through the resonant reactor Lz. At time t6, the current Io of this diode becomes zero. Immediately after this, the points c and d are short-circuited, and the current flowing through the resonant reactor Lz flows through the rectifier diodes D7 and D6 through two paths c, D5, e, D7, d and c, D6, f, d. A phenomenon occurs in which short circuit occurs in the direction in which the gas flows in the opposite direction. Thereafter, when the rectifier diodes D7 and D6 are reversely recovered and the current becomes zero, there is a problem that the current path that has flowed through the resonant reactor Lz disappears and an overvoltage is generated between the points e and f.
2つ目には、1つ目と同様に時刻t5において、トランスTの一次側には半導体スイッチQ2とQ3がターンオンすることによってステップ状の電圧が印加される。ステップ状の電圧は高周波成分まで含むので、トランスTの周波数特性によっては、Tの内部で漏れインダクタンスと浮遊容量で決まる共振が発生し、Tの二次側に過電圧を発生し、リカバリの時と同様に点e,f間に過電圧を発生する。 Second, similarly to the first, at time t5, a stepped voltage is applied to the primary side of the transformer T by turning on the semiconductor switches Q2 and Q3. Since the stepped voltage includes up to high frequency components, depending on the frequency characteristics of the transformer T, resonance determined by the leakage inductance and stray capacitance occurs inside T, and an overvoltage is generated on the secondary side of T. Similarly, an overvoltage is generated between points e and f.
以上2つの整流ダイオードのリカバリとトランスの周波数特性による過電圧は、時刻t5〜t6間のほぼ同時刻で発生するため、2つの跳ね上がり電圧が重畳した電圧が点e,f間に発生することとなり、整流ダイオードの耐圧を超える可能性もあり、素子の破壊の恐れがある。また、共振コンデンサCzにはこの時、充電されていないのでCzの電圧は0であるから、点e,f間の電圧はそのまま共振回路制御用半導体スイッチQzにも印加され、Qzも同時に破壊してしまうという課題がある。 Since the overvoltage due to the recovery of the two rectifier diodes and the frequency characteristics of the transformer occurs at approximately the same time between times t5 and t6, a voltage in which two jumping voltages are superimposed is generated between points e and f. There is a possibility of exceeding the withstand voltage of the rectifier diode, which may cause destruction of the element. Since the resonance capacitor Cz is not charged at this time and the voltage of Cz is 0, the voltage between the points e and f is directly applied to the resonance circuit control semiconductor switch Qz, and Qz is destroyed at the same time. There is a problem that it ends up.
これを解決した公知例を図4に示し、図4の手法での対策方法について述べる。図4では図2の回路と比較し、共振回路103の共振コンデンサCzと共振回路制御用半導体スイッチQzの接続点gとフィルタ回路のフィルタリアクトルLdとフィルタコンデンサFCの接続点hとの間に新たなスナバダイオードDsを負荷した構成になっている。スナバダイオードDsと共振コンデンサCzの直列回路がフィルタリアクトルLdと並列に接続されている。上記ダイオードのリカバリとトランス内部の周波数特性によって過電圧が生じると点e,fの電圧が高く跳ね上がるが、共振コンデンサCzとスナバダイオードDsに電流が流れCzを充電する。このコンデンサの電圧Vzは次に半導体スイッチQzがオンするまで保持される。このように、e,f間に過電圧が発生した場合、共振コンデンサCz,スナバダイオードDs、及びコンデンサFCのバイパス経路で電流が流れることから、過電圧の抑制効果を生み出す。なお、過電圧発生後に共振コンデンサCzには電荷が充電されるが、共振回路103が動作するので、共振コンデンサCzに蓄えられた電荷は放電し0に戻るため、トランスTの一次側半導体スイッチの損失低減のための回路動作としては何も影響はない。
A known example that solves this problem is shown in FIG. 4, and a countermeasure method using the technique of FIG. 4 is described. 4, compared with the circuit of FIG. 2, a new connection is made between a connection point g of the resonance capacitor Cz of the
この電圧抑制回路の課題は、トランスTと整流ダイオードD5〜D8で発生する過電圧を強制的に別経路でバイパスさせることで抑制しており、根本的な原因解決には至っていない。 The problem of this voltage suppression circuit is suppressed by forcibly bypassing the overvoltage generated in the transformer T and the rectifier diodes D5 to D8 by another path, and has not yet led to a fundamental cause solution.
上記課題を解決する手段の一つは、ダイオードと半導体スイッチとの並列回路と、共振コンデンサと、共振リアクトルとを有する共振回路を整流ダイオードブリッジ回路の直流出力側に設けることである。 One means for solving the above problem is to provide a resonant circuit having a parallel circuit of a diode and a semiconductor switch, a resonant capacitor, and a resonant reactor on the DC output side of the rectifier diode bridge circuit.
さらに、電力変換回路の半導体スイッチを流れる電流がほぼゼロとなったときに前記電力変換回路の半導体スイッチをオフさせる機能を有しても良い。 Furthermore, it may have a function of turning off the semiconductor switch of the power conversion circuit when the current flowing through the semiconductor switch of the power conversion circuit becomes almost zero.
または、トランスの一次側の電圧のスペクトル分布がトランス内部の直列共振周波数を含まず、整流ダイオードのリカバリによる過電圧が整流ダイオードブリッジ回路の素子耐圧を超えない値に、トランスの漏れインダクタンス値を設計しても良い。 Alternatively, the transformer leakage inductance value is designed so that the voltage distribution on the primary side of the transformer does not include the series resonance frequency inside the transformer, and the overvoltage due to recovery of the rectifier diode does not exceed the element breakdown voltage of the rectifier diode bridge circuit. May be.
さらに、電力変換回路の半導体スイッチと共振回路内の半導体スイッチのオン/オフの制御をゲート制御装置によって制御しても良い。 Further, on / off control of the semiconductor switch in the power conversion circuit and the semiconductor switch in the resonance circuit may be controlled by the gate control device.
さらに、共振回路は、ダイオードと半導体スイッチが逆並列に接続された並列回路と、共振コンデンサと、共振リアクトルと、が直列に接続された回路であり、整流ダイオードブリッジ回路の直流出力とフィルタ回路の間に整流ダイオードブリッジ回路と並列に接続しても良い。または、共振リアクトルは、整流ダイオードブリッジ回路の直流出力とフィルタ回路の間に直列に接続され、ダイオードと半導体スイッチが逆並列に接続された並列回路と、共振コンデンサと、が直列に接続された回路が共振リアクトルとフィルタ回路の間に整流ダイオードブリッジ回路と並列に接続しても良い。 Furthermore, the resonant circuit is a circuit in which a parallel circuit in which a diode and a semiconductor switch are connected in antiparallel, a resonant capacitor, and a resonant reactor are connected in series. The DC output of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit You may connect in parallel with a rectifier diode bridge circuit in between. Alternatively, the resonance reactor is connected in series between the DC output of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit, and a parallel circuit in which the diode and the semiconductor switch are connected in antiparallel and a circuit in which the resonance capacitor is connected in series. May be connected in parallel with the rectifier diode bridge circuit between the resonant reactor and the filter circuit.
または、ダイオードと半導体スイッチとの並列回路と、共振コンデンサとが直列接続された共振回路を整流ダイオードブリッジ回路の直流出力側に整流ダイオードブリッジ回路と並列接続し、トランスの漏れインダクタンス値が、トランスの一次側の電圧のスペクトル分布がトランス内部の直列共振周波数を含まない値であって、整流ダイオードのリカバリによる過電圧が整流ダイオードブリッジ回路の素子耐圧を超えない値に設定された構成であっても良い。 Alternatively, a resonant circuit in which a parallel circuit of a diode and a semiconductor switch and a resonant capacitor are connected in series is connected in parallel to the rectifier diode bridge circuit on the DC output side of the rectifier diode bridge circuit, and the leakage inductance value of the transformer is The primary voltage spectrum distribution may be a value that does not include the series resonance frequency inside the transformer, and an overvoltage due to recovery of the rectifier diode may be set to a value that does not exceed the element breakdown voltage of the rectifier diode bridge circuit. .
本発明によれば、従来の回路構成において必然的に発生するトランスT内部共振による過電圧と、整流ダイオードのリカバリによる過電圧を低減させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce overvoltage caused by internal resonance of the transformer T, which inevitably occurs in the conventional circuit configuration, and overvoltage caused by recovery of the rectifier diode.
始に、従来技術で課題となる、整流ダイオードのリカバリ現象とトランスTの二次側過電圧に関して考える。 First, the recovery phenomenon of the rectifier diode and the secondary overvoltage of the transformer T, which are problems in the prior art, will be considered.
まず、トランスTに整流ダイオードブリッジD5〜D8を接続したときの等価回路を図5に示す。図5について説明すると、a〜dはそのまま図1,図2,図4内に示すa〜dと同じ位置を示し、R1,R2はそれぞれトランスTの一次側・二次側の巻線抵抗、Lp1,Lp2はトランス一次側・二次側の漏れインダクタンス、Cp1,Cp2はトランス一次側巻線および二次側巻線の浮遊容量を示す。また、Zabは一次側から二次側を見たインピーダンスを示す。従来例での共振リアクトルLzは、トランスTの漏れインダクタンスを含みLzはLp1とLp2の和で表される。また、半導体スイッチQ1とQ4がターンオンしabに電圧が印加された時を考えると、整流ダイオードD6とD7は導通状態からリカバリしてオフする。この時の整流ダイオードの接合容量をCd6とCd7とする。図5の等価回路において、トランスTの一次側から二次側を見たインピーダンスZabの絶対値の周波数特性を図6に示す。この周波数特性には周波数frにおいてトランス内部での直列共振点106を持つ。これは、図5の等価回路におけるトランス内部で過電圧を発生する直列共振経路105で共振する。この時の直列共振周波数frは下記の〔数1〕で与えられるように、トランスTの漏れインダクタンス(LP1+LP2)とトランス一次側巻線の浮遊容量Cp1とトランス二次側の浮遊容量Cp2と整流ダイオードの接合容量Cd6,Cd7の合成の容量で決定される。
First, an equivalent circuit when the rectifier diode bridges D5 to D8 are connected to the transformer T is shown in FIG. Referring to FIG. 5, a to d indicate the same positions as a to d shown in FIGS. 1, 2, and 4, and R <b> 1 and R <b> 2 are winding resistances on the primary and secondary sides of the transformer T, Lp1 and Lp2 indicate leakage inductances on the primary and secondary sides of the transformer, and Cp1 and Cp2 indicate stray capacitances on the primary and secondary windings of the transformer. Zab indicates the impedance when the secondary side is viewed from the primary side. The resonance reactor Lz in the conventional example includes the leakage inductance of the transformer T, and Lz is represented by the sum of Lp1 and Lp2. Considering the case where the semiconductor switches Q1 and Q4 are turned on and a voltage is applied to ab, the rectifier diodes D6 and D7 are recovered from the conductive state and turned off. The junction capacities of the rectifier diodes at this time are Cd6 and Cd7. FIG. 6 shows the frequency characteristics of the absolute value of the impedance Zab when the secondary side is viewed from the primary side of the transformer T in the equivalent circuit of FIG. This frequency characteristic has a
トランスTの一次側電圧Vabはパルス状の波形が印加されると、その波形は高周波成分までスペクトルが分布するため、トランス内部の直列共振周波数frも含有されるから、過電圧を有する共振波形が二次側に発生する。 When a pulse-shaped waveform is applied to the primary voltage Vab of the transformer T, the spectrum is distributed to the high frequency component, and therefore the series resonance frequency fr inside the transformer is also included. Occurs on the next side.
一方、ダイオードのリカバリ現象による過電圧は共振リアクトルLzとリカバリ時のダイオード電流の時間変化率(di/dt)の積で決定される。 On the other hand, the overvoltage due to the recovery phenomenon of the diode is determined by the product of the resonant reactor Lz and the time rate of change (di / dt) of the diode current during recovery.
これらより、トランスTと整流ダイオードD5〜D8で発生する過電圧の問題に対する根本的な解決は、トランスの漏れインダクタンスを小さくすることである。このことによって、直列共振周波数frは〔数1〕によれば高く成るから、半導体スイッチのターンオン波形に含まれない帯域にすることが可能であり、同時に整流ダイオードリカバリ現象による過電圧も小さくすることが可能となる。 From these, the fundamental solution to the problem of overvoltage generated in the transformer T and the rectifier diodes D5 to D8 is to reduce the leakage inductance of the transformer. As a result, the series resonance frequency fr is increased according to [Equation 1], so that it is possible to make the band not included in the turn-on waveform of the semiconductor switch, and at the same time, the overvoltage due to the rectifier diode recovery phenomenon can be reduced. It becomes possible.
図2や図4の公知例では共振リアクトルLzをトランスTの漏れインダクタンスを利用することとしているが、本発明では、トランスTの二次側の過電圧を防止するために、トランスTの持つ励磁インダクタンスを製造上可能な程度に小さくし、例えば図1または図9に示すように半導体スイッチQzで制御可能な共振リアクトルLzと共振コンデンサCzを有する共振回路103を整流ダイオードD5〜D8の直流出力側に接続し、過電圧問題を解決するものである。
In the known examples of FIGS. 2 and 4, the resonance reactor Lz uses the leakage inductance of the transformer T. However, in the present invention, in order to prevent the overvoltage on the secondary side of the transformer T, the exciting inductance of the transformer T is provided. For example, as shown in FIG. 1 or 9, a
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
以下、本発明の実施例1として、その構成を図1により説明する。 Hereinafter, the configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
101には直流電源、102はフィルタリアクトルLdとフィルタコンデンサFCで構成されるフィルタ回路、107は共振回路、104は各半導体スイッチのゲート制御装置である。Q1〜Q4はインバータ回路を構成する半導体スイッチで、それぞれの半導体スイッチにはD1〜D4のフリーホイールダイオードが付属する。半導体スイッチQ1とQ2との接続点aと半導体スイッチQ3とQ4との接続点bとの間にトランスTの一次巻線が接続され、二次巻線は整流ダイオードD5〜D8よりなるブリッジの接続点cとdに接続される。このブリッジの出力はフィルタ回路102を介して負荷RLに与えられる。
101 is a DC power source, 102 is a filter circuit composed of a filter reactor Ld and a filter capacitor FC, 107 is a resonance circuit, and 104 is a gate control device for each semiconductor switch. Q1 to Q4 are semiconductor switches constituting an inverter circuit, and free wheel diodes D1 to D4 are attached to the respective semiconductor switches. The primary winding of the transformer T is connected between a connection point a between the semiconductor switches Q1 and Q2 and a connection point b between the semiconductor switches Q3 and Q4, and the secondary winding is a connection of a bridge made of rectifier diodes D5 to D8. Connected to points c and d. The output of this bridge is given to the load RL via the
ゲート制御装置104はQ1〜Q4とQzにオンとオフの指令を与える。半導体スイッチとしては、バイポーラトランジスタ・MOSFET・サイリスタ・ゲートターンオフサイリスタ・IGBTなどが考えられるが、本実施例では代表例としてIGBTを使用して説明する。
The
図1に示す構成では、トランスTの持つ励磁インダクタンスを製造上可能な程度に小さくし、その代わりに共振リアクトルLzとして共振回路に加えている。 In the configuration shown in FIG. 1, the exciting inductance of the transformer T is made as small as possible for manufacturing, and is instead added to the resonance circuit as a resonance reactor Lz.
整流ダイオードD5〜D8の出力側e,fに半導体スイッチQzで制御可能な共振リアクトルLzと共振コンデンサCzよりなる共振回路107を直列に接続している。共振回路107はより具体的には、フライホイールダイオードD9が逆並列に接続された半導体スイッチQzと、共振リアクトルLzと、共振コンデンサCzとが直列に接続された回路である。共振回路107は整流ブリッジの出力側とフィルタ回路102との間に整流ダイオードブリッジ回路と並列に挿入されている。
A
また、図7には図1に示す実施例の動作を説明するための動作波形の時間変化を表したものである。基本的な動作は技術背景で述べた図2と同一であるので、それとの差異を説明する。VCは共振コンデンサCzの両端の電圧、VLは共振リアクトルLzの両端の電圧である。Vzは共振回路の電圧でVCとVLの和で示されるIoは整流ブリッジからフィルタ回路102と負荷RLで環流する電流を示す。
FIG. 7 shows a time change of an operation waveform for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. Since the basic operation is the same as that in FIG. 2 described in the technical background, the difference from this will be described. VC is the voltage across the resonant capacitor Cz, and VL is the voltage across the resonant reactor Lz. Vz is a voltage of the resonance circuit, and Io indicated by the sum of VC and VL indicates a current circulating from the rectifier bridge by the
ゲート制御装置104からQ1とQ4にオン信号が与えられて、インバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4が導通状態であるとする。点a,b間に流れる電流Iabが流れていて直流電源101から負荷RLにエネルギーを伝達している。回路動作では、公知例と同様にインバータ回路の半導体スイッチQ1とQ4をターンオフする前の時刻t0において共振回路107の半導体スイッチQzをターンオンする信号をゲート制御装置104から与えQzをターンオンさせると、共振コンデンサCzの充電電流が直流電源101より流れ込む。この電流Izは共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの直列共振電流である。時刻t1からt2までの間では、公知例と同じIzが流れることで共振コンデンサCzを充電し、共振コンデンサCzの両端には電圧VCが発生する。一方、そのIzの時間変化と共振リアクトルLzのインダクタンスとの積で決定される電圧がVLとして発生する。
Assume that the
その充電が時刻t1で完了し放電を始めるため、電流Izは正となるが、Izは時間変化を有するため、Lzではほぼ一定の誘導電圧が発生し続ける。その後の時刻t2では、IzとフィルタリアクトルLdに流れるIdが等しくなり、Iabが0となるため、Izは一定となり時間変化がなるから電圧VLが0となる。この時に電圧Vzは共振コンデンサCzの電圧VCと等しくなる。以後では、公知例と同様に放電が進み、やがて時刻t4で共振コンデンサCzは完全に放電し、その電流Izは0となる。一方、フィルタリアクトルLdに流れる電流Idは連続であるから、共振コンデンサの放電電流Izが0となった時点で、電流Idは整流ダイオードD5〜D8に切り替わって流れる電流Ioとなり、電流連続が保たれる。 Since the charging is completed at time t1 and discharging is started, the current Iz becomes positive. However, since Iz changes with time, a substantially constant induced voltage continues to be generated at Lz. At time t2 thereafter, Iz and Id flowing through the filter reactor Ld become equal, and Iab becomes 0. Therefore, Iz becomes constant and changes with time, so the voltage VL becomes 0. At this time, the voltage Vz becomes equal to the voltage VC of the resonance capacitor Cz. Thereafter, the discharge proceeds in the same manner as in the known example, and eventually the resonant capacitor Cz is completely discharged at time t4, and its current Iz becomes zero. On the other hand, since the current Id flowing through the filter reactor Ld is continuous, when the discharge current Iz of the resonance capacitor becomes 0, the current Id is switched to the rectifier diodes D5 to D8 and flows into the current Io, and the current continuity is maintained. It is.
半導体スイッチQ1とQ4にターンオフに関しては、時刻t2〜t4の間の時刻t3にてゲート制御装置104からゲートオフの信号を送り、ターンオフさせる。半導体スイッチQ1とQ4を流れる電流は時刻t3の時点でほぼ0となるから、ターンオフの過程では損失はほとんど発生させないスイッチングが可能となる。ここで、t3時点で半導体スイッチQ1とQ4を流れるほぼゼロの電流とは、トランスの励磁電流のことである。その値は、トランスの設計と半導体スイッチの駆動周波数に依存するが、例えば駆動周波数を4kHzとした場合、半導体スイッチの電流定格の2%以下の電流、1200Aの半導体スイッチなら24A以下の電流となるようにする。
Regarding the turn-off of the semiconductor switches Q1 and Q4, a gate-off signal is sent from the
本実施例の場合、共振リアクトルLzには共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの共振電流成分のみが流れ、主回路の負荷電流である直流電流成分は流れないから共振リアクトルLzは小型のリアクトルでよい。 In the case of the present embodiment, only the resonance current component of the resonance reactor Lz and the resonance capacitor Cz flows through the resonance reactor Lz, and the direct current component that is the load current of the main circuit does not flow, so the resonance reactor Lz may be a small reactor.
ただし、トランスTの漏れインダクタンスを0とすることは製造上困難である。この漏れインダクタンスの制限値を決定する例として図8を用いて説明する。トランスTの一次側に接続される半導体スイッチがターンオンする際に、トランスTの一次側電圧波形が有するスペクトル分布とトランス内部共振特性によって過電圧が発生する。そのため、図8(a)に示すようにトランスTの一次側の電圧のスペクトル分布が〔数1〕で与えられるトランス内部の直列共振周波数frを含まぬように、トランスTの漏れインダクタンス値を設定することで共振による過電圧を防止可能である。この条件の下で、図8(b)に示すように、整流ダイオードのリカバリによる過電圧が整流ダイオードの素子耐圧の許容値を超えない範囲でトランス漏れインダクタンスの制限値を設定する。 However, it is difficult to make the leakage inductance of the transformer T zero. An example of determining the limit value of the leakage inductance will be described with reference to FIG. When the semiconductor switch connected to the primary side of the transformer T is turned on, an overvoltage is generated due to the spectral distribution of the primary side voltage waveform of the transformer T and the internal resonance characteristics of the transformer. Therefore, as shown in FIG. 8A, the leakage inductance value of the transformer T is set so that the spectral distribution of the voltage on the primary side of the transformer T does not include the series resonance frequency fr inside the transformer given by [Equation 1]. By doing so, it is possible to prevent overvoltage due to resonance. Under this condition, as shown in FIG. 8B, the limit value of the transformer leakage inductance is set so that the overvoltage due to the recovery of the rectifier diode does not exceed the allowable value of the element breakdown voltage of the rectifier diode.
実施例1とは異なる他の実施例を図9を用いて以下に説明する。 Another embodiment different from the first embodiment will be described below with reference to FIG.
本発明は図9の形態においても実現可能である。本実施例においても、共振回路108はフリーホイールダイオードD9が逆並列に接続された半導体スイッチQzと共振コンデンサCzと共振リアクトルLzを有している。具体的には、フリーホイールダイオードD9が逆並列に接続された半導体スイッチQzと共振コンデンサCzを直列接続した回路が、整流ブリッジの出力点eとフィルタリアクトルLdとの間の点fに接続されており、共振リアクトルLzが整流ブリッジの出力点eと点fの間に挿入されている。
The present invention can also be realized in the form of FIG. Also in this embodiment, the
つまり、共振リアクトルLzが整流ダイオードの出力点eとフィルタリアクトルLd接続点fの間に挿入した構成である。 In other words, the resonance reactor Lz is inserted between the output point e of the rectifier diode and the filter reactor Ld connection point f.
動作原理と波形は実施例1と同一である。ただし、この場合には、共振リアクトルLzには負荷電流の直流成分が連続で流れる点で、実施例1とは異なり、実施例1と比較して大きなリアクトルが必要となる。しかし、配線の都合などによって、その配線インダクタンスによりLzの値を満足できる場合には有効な構成である。 The operating principle and waveform are the same as in the first embodiment. However, in this case, unlike the first embodiment, a larger reactor is required compared to the first embodiment in that the direct current component of the load current flows continuously through the resonant reactor Lz. However, this configuration is effective when the value of Lz can be satisfied by the wiring inductance due to the convenience of the wiring.
上述した各実施例によれば、従来の回路構成において必然的に発生するトランスT内部共振による過電圧と、整流ダイオードのリカバリによる過電圧を同時に低減させる効果がある。 According to each of the embodiments described above, there is an effect of simultaneously reducing the overvoltage caused by internal resonance of the transformer T and the overvoltage caused by recovery of the rectifier diode, which are inevitably generated in the conventional circuit configuration.
また、それら二次側の過電圧の原因を取り除いた構成であるため、過電圧への対応策は不要となる。つまり、公知例2ではスナバダイオードDsを導入することで過電圧をバイパスさせていたが、そのような半導体素子が減少することで、装置全体の信頼性向上につながる。 In addition, since the configuration is such that the cause of the overvoltage on the secondary side is eliminated, no countermeasure against the overvoltage is required. That is, in the known example 2, the overvoltage is bypassed by introducing the snubber diode Ds. However, the reduction of such semiconductor elements leads to an improvement in the reliability of the entire apparatus.
一方、従来例では共振リアクトルLzはトランスTの漏れインダクタンスとして構成され、追加のリアクトルは不要であったが、本発明では整流ダイオードD5〜D8の直流出力側に接続される、追加のリアクトルとするため、共振リアクトルLzと共振コンデンサCzの組み合わせの自由度が高まることで半導体スイッチの定格など、設計の自由度を大きく増加させることが可能となる。 On the other hand, in the conventional example, the resonant reactor Lz is configured as a leakage inductance of the transformer T, and no additional reactor is required. However, in the present invention, an additional reactor connected to the DC output side of the rectifier diodes D5 to D8 is used. For this reason, the degree of freedom of the combination of the resonant reactor Lz and the resonant capacitor Cz is increased, so that the degree of freedom of design such as the rating of the semiconductor switch can be greatly increased.
特に、実施例1に示す形態では、共振リアクトルLzには負荷に流れる主回路電流が流れずに共振電流のみとなるためLzの小型のものでよい。 In particular, in the form shown in the first embodiment, the resonance reactor Lz does not flow the main circuit current flowing through the load, but only the resonance current.
このように、本発明は従来の回路に共振回路を付加したのみの構成であり、電圧制御範囲が広く取れ、制御性がよい。またスナバ回路の省略によって公知例よりさらに信頼性が向上し、実績の多いPWM制御インバータ回路に付加すると大きな効果を生む。当然ながら公知例と同様に、スイッチング周波数の高周波化による小型軽量化と、冷却装置の簡素化,高周波電磁ノイズの低減への効果も含んでいる。 Thus, the present invention has a configuration in which a resonance circuit is simply added to a conventional circuit, and a wide voltage control range can be obtained and controllability is good. Further, the omission of the snubber circuit further improves the reliability as compared with the known example, and if it is added to a PWM control inverter circuit with a proven track record, a great effect is produced. Of course, as in the known example, the present invention includes effects of reducing the size and weight by increasing the switching frequency, simplifying the cooling device, and reducing high-frequency electromagnetic noise.
なお、本発明における共振リアクトルLzは、必ずしもリアクトルを増加させる装置を意図するものではなく、配線そのもののインダクタンスを利用しても良い。 Note that the resonance reactor Lz in the present invention is not necessarily intended to be a device that increases the reactor, but may use the inductance of the wiring itself.
101 直流電源
102 フィルタ回路
103,107,108 共振回路
104 ゲート制御装置
105 トランス内部で過電圧を発生する直列共振経路
106 トランス内部での直列共振点
Cd6 整流ダイオードD6の接合容量
Cd7 整流ダイオードD7の接合容量
Cp1 トランスTの等価回路における一次側浮遊容量
Cp2 トランスTの等価回路における二次側浮遊容量
Cz 共振コンデンサ
D1〜D4,D9 フリーホイールダイオード
D5〜D8 整流ダイオード
Ds スナバダイオード
E 入力直流電源電圧
FC フィルタコンデンサ
Fr トランス内部で発生する直列共振の周波数
Ld フィルタリアクトル
Lm トランスTの等価回路における励磁インダクタンス
Lp1 トランスTの等価回路における一次側漏れインダクタンス
Lp2 トランスTの等価回路における二次側漏れインダクタンス
Lz 共振リアクトル
Q1〜Q4 半導体スイッチ
Qz 共振回路制御用半導体スイッチ
R1 トランスTの等価回路における一次巻線抵抗
R2 トランスTの等価回路における二次巻線抵抗
RL 負荷
T トランス
Zab トランスTの一次側から二次側を見たインピーダンス
DESCRIPTION OF
Claims (7)
リアクトルとコンデンサで構成され前記整流ダイオードブリッジ回路の出力側に接続されるフィルタ回路と、
を有する直流電源装置において、
ダイオードと半導体スイッチとの並列回路と、共振コンデンサと、共振リアクトルとを有する共振回路を前記整流ダイオードブリッジ回路の直流出力側と前記フィルタ回路の間に設け、
前記電力変換回路が有する半導体スイッチが全てオフである期間は、前記フィルタ回路のリアクトルに流れる電流は前記整流ダイオードブリッジ回路を流れ、
前記トランスの漏れインダクタンスの値を、前記トランスの一次側の電圧のスペクトル分布が前記トランスの漏れインダクタンスと、前記トランスの浮遊容量と、前記整流ダイオードブリッジ回路の整流ダイオードの接合容量による直列共振周波数を含まないように設定すること
を特徴とする直流電源装置。 DC power supply, power conversion circuit capable of generating AC from DC, primary winding of transformer connected to output of power conversion circuit, secondary winding of transformer, and secondary winding connected to secondary winding A rectifier diode bridge circuit;
A filter circuit composed of a reactor and a capacitor and connected to the output side of the rectifier diode bridge circuit;
In a DC power supply device having
A resonant circuit having a parallel circuit of a diode and a semiconductor switch, a resonant capacitor, and a resonant reactor is provided between the DC output side of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit ,
During the period when all the semiconductor switches included in the power conversion circuit are off, the current flowing through the reactor of the filter circuit flows through the rectifier diode bridge circuit,
The value of the leakage inductance of the transformer, the spectrum distribution of the voltage on the primary side of the transformer is the series resonance frequency due to the leakage inductance of the transformer, the stray capacitance of the transformer, and the junction capacitance of the rectifier diode of the rectifier diode bridge circuit. A DC power supply device characterized in that it is set not to include .
前記電力変換回路の半導体スイッチを流れる電流がほぼゼロとなったときに前記電力変換回路の半導体スイッチをオフさせること
を特徴とする直流電源装置。 The DC power supply device according to claim 1,
A DC power supply device, wherein the semiconductor switch of the power conversion circuit is turned off when a current flowing through the semiconductor switch of the power conversion circuit becomes almost zero.
前記電力変換回路が有する半導体スイッチが全てオフである期間であって、前記共振コンデンサが放電し終わった後、前記フィルタのリアクトルを流れる電流が前記整流ダイオードブリッジ回路に切り替わって流れること
を特徴とした直流電源装置。 The DC power supply device according to claim 1 or 2,
The semiconductor switch of the power conversion circuit is all off, and after the resonant capacitor has been discharged, the current flowing through the reactor of the filter is switched to the rectifier diode bridge circuit and flows . DC power supply.
前記電力変換回路の半導体スイッチと前記共振回路内の半導体スイッチのオン/オフの制御は、ゲート制御装置によって制御されること
を特徴とする直流電源装置。 The DC power supply device according to any one of claims 1 to 3,
ON / OFF control of the semiconductor switch in the power conversion circuit and the semiconductor switch in the resonance circuit is controlled by a gate control device.
前記共振回路は、前記ダイオードと前記半導体スイッチが逆並列に接続された前記並列回路と、前記共振コンデンサと、前記共振リアクトルと、が直列に接続された回路であり、
前記整流ダイオードブリッジ回路の直流出力と前記フィルタ回路の間に前記整流ダイオードブリッジ回路と並列に接続されること
を特徴とする直流電源装置。 The DC power supply device according to any one of claims 1 to 4,
The resonant circuit comprises a parallel circuit in which the said diode semiconductor switches are connected in antiparallel, and the resonant capacitor, the resonant reactor is a circuit but connected in series,
A DC power supply apparatus, wherein the DC power supply device is connected in parallel with the rectifier diode bridge circuit between a DC output of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit.
前記共振リアクトルは、前記整流ダイオードブリッジ回路の直流出力と前記フィルタ回路の間に直列に接続され、
前記ダイオードと前記半導体スイッチが逆並列に接続された前記並列回路と、共振コンデンサと、が直列に接続された回路が前記共振リアクトルと前記フィルタ回路の間に前記整流ダイオードブリッジ回路と並列に接続されること
を特徴とする直流電源装置。 The DC power supply device according to any one of claims 1 to 4,
The resonant reactor is connected in series between the DC output of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit,
A circuit in which the parallel circuit in which the diode and the semiconductor switch are connected in antiparallel and a resonant capacitor are connected in series is connected in parallel with the rectifier diode bridge circuit between the resonant reactor and the filter circuit. DC power supply characterized by the above.
リアクトルとコンデンサで構成され前記整流ダイオードブリッジ回路の出力側に接続されるフィルタ回路と、を有する直流電源装置において、
ダイオードと半導体スイッチとの並列回路と、共振コンデンサとが直列接続された共振回路を前記整流ダイオードブリッジ回路の直流出力側と前記フィルタ回路の間であって、前記整流ダイオードブリッジ回路と並列接続するように設置し、
前記電力変換回路が有する半導体スイッチが全てオフである期間は、前記フィルタ回路のリアクトルに流れる電流は前記整流ダイオードブリッジ回路を流れ、
前記トランスの漏れインダクタンス値を、前記トランスの一次側の電圧のスペクトル分布が前記トランスの漏れインダクタンスと、前記トランスの浮遊容量と、前記整流ダイオードブリッジ回路の整流ダイオードの接合容量による直列共振周波数を含まない値であって、
前記整流ダイオードのリカバリによる過電圧が前記整流ダイオードブリッジ回路の素子耐圧を超えない値に設定すること
を特徴とした直流電源装置。 DC power supply, power conversion circuit capable of generating AC from DC, primary winding of transformer connected to output of power conversion circuit, secondary winding of transformer, and secondary winding connected to secondary winding A rectifier diode bridge circuit;
In a DC power supply device having a reactor and a capacitor, and a filter circuit connected to the output side of the rectifier diode bridge circuit,
A resonance circuit in which a parallel circuit of a diode and a semiconductor switch and a resonance capacitor are connected in series is connected between the DC output side of the rectifier diode bridge circuit and the filter circuit, and is connected in parallel to the rectifier diode bridge circuit. Installed in
During the period when all the semiconductor switches included in the power conversion circuit are off, the current flowing through the reactor of the filter circuit flows through the rectifier diode bridge circuit,
The leakage inductance value of the transformer, contains a spectral distribution of the transformer leakage inductance of the primary side voltage of the transformer, and the stray capacitance of the transformer, the series resonance frequency due to the junction capacitance of the rectifier diode of the rectifier diode bridge circuit No value,
A DC power supply device, wherein an overvoltage due to recovery of the rectifier diode is set to a value that does not exceed an element breakdown voltage of the rectifier diode bridge circuit.
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