JP5769886B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換器に関する。

トランスを備える電力変換器においては、トランスの一次巻線に印加される磁束密度の偏り（偏磁）が累積されてトランスが磁気飽和すると、過電流が流れて回路素子が破損する恐れがある。

特許文献１に開示される技術では、トランスの一次巻線に過電流が流れた際の電流極性を記憶しておき、再起動時には、該電流極性と逆極性の電流がトランスの一次巻線に流れるようにスイッチング素子を制御することで、トランスの磁気飽和を解消する。

特許文献２に開示されるスイッチング電源回路は、トランスの二次巻線を単一とし、二次巻線に誘起される電圧をそれぞれ半波整流する回路を２つ独立して設けることにより、トランスの偏磁を抑制する。

特開平２−３６７６９号公報 特開平４−１７５６７号公報

特許文献１に開示される技術では、過電流が生じた際の電流極性を記憶する記憶回路が必要であり、特許文献２に開示されるスイッチング電源回路は、二次側に半波整流する独立した回路が２つ必要であり、回路が複雑化するという課題があった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でトランスの偏磁を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換器は、一次巻線と二次巻線とを有する共振トランスを備え、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換器であって、２つの共振コンデンサ、２つのスイッチ、および制御部を備える。２つの共振コンデンサは、直列に接続され、分圧された直流電圧がそれぞれ印加される。２つの共振コンデンサの静電容量は互いに異なる。２つのスイッチは、共振トランスの一次巻線と、２つの共振コンデンサの内、それぞれに対応する共振コンデンサとに接続され、いずれか一方がオン状態である場合には、接続される共振コンデンサの端子間電圧に基づき共振トランスの一次巻線に電圧を印加する。制御部は、電力変換器の駆動を開始する際には、定めた一方のスイッチを定めた導通時間の間オン状態にするゲート信号を出力し、その後、スイッチが交互に導通時間の間オン状態になるようにゲート信号を出力し、電力変換器を停止する際には、駆動を開始する際にオン状態にならなかったスイッチが導通時間の間オン状態になった後に、駆動を開始する際にオン状態になったスイッチがオン状態になることなく、２つのスイッチがオフ状態になるようにゲート信号を出力する。

本発明によれば、簡易な構成でトランスの偏磁を防止することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る電力変換器を備える電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態における共振コンデンサおよび共振トランスの電圧の変化の例を示す図である。

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。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換器を備える電力変換装置の構成例を示すブロック図である。電力変換装置は、電力変換器１、電源３、整流回路４、平滑コンデンサＣ１、および二次回路５を備える。電源３が出力する交流電圧は、整流回路４で直流に変換され、平滑コンデンサＣ１で平滑化されて、電力変換器１に供給される。電力変換器１は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して二次回路５に出力する。二次回路５は、交流を直流に変換して出力してもよいし、交流のまま出力してもよい。電源３を直流電源とし、整流回路４の代わりに、電源３の正極側と平滑コンデンサＣ１とに接続されるコイルを備えるよう構成してもよい。

電力変換器１は、共振コンデンサＣ２、Ｃ３、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、共振トランスＴＲ、および制御部２を備える。共振コンデンサＣ２、Ｃ３は直列に接続されている。電力変換器１の駆動開始前には、分圧された直流電圧が共振コンデンサＣ２、Ｃ３にそれぞれ印加される。共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量は同じ値でもよいし、異なる値でもよい。共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量が同じ場合には、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧の値は同じである。共振コンデンサＣ２、Ｃ３を、直列に接続された複数のコンデンサおよび／または並列に接続された複数のコンデンサで構成してもよい。その場合、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量は、複数のコンデンサの合成容量である。またスイッチＳＷ１、ＳＷ２を、複数の素子で構成してもよい。

制御部２は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンとオフを切り替えるためのゲート信号を出力する。制御部２は、例えば図示しない入力電圧検出器が検出した電力変換器１への入力電圧が定めた範囲内になった場合に、電力変換器１の駆動を開始する。制御部２は、例えば電力変換器１への入力電圧が閾値を超えて過電圧となった場合に、電力変換器１を停止する。また例えば図示しない過電流検出器が検出した共振トランスＴＲに流れる電流が閾値を超えて過電流となった場合に、電力変換器１を停止する。

図１の例では、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、ＩＧＢＴに限られず、ゲート信号で制御可能であればよい。スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、直列に接続され、共振コンデンサＣ２、Ｃ３に並列に接続される。共振トランスＴＲは一次巻線と二次巻線を有し、共振トランスＴＲの一次巻線の両端は、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の接続点とスイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続点とにそれぞれ接続される。

図２は、実施の形態における共振コンデンサおよび共振トランスの電圧の変化の例を示す図である。図２を用いて電力変換器１の動作について説明する。共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量は同じ値とし、制御部２は、電力変換器１の駆動を開始する際には、スイッチＳＷ１を定めた導通時間の間オン状態にするゲート信号を出力するものとする。図２において、一点鎖線の間隔が１つのスイッチ（ＳＷ１またはＳＷ２）の１回の導通時間である。また制御部２は、電力変換器１の駆動中は、図２に示すようにスイッチＳＷ１、ＳＷ２が交互に導通時間の間オン状態になるようにゲート信号を出力する。説明をわかりやすくするために、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が共にオフ状態になる短絡防止時間については省略した。

図２において共振コンデンサＣ２の電圧の変化を実線で示し、共振コンデンサＣ３の電圧の変化を点線で示す。スイッチＳＷ１がオン状態であってスイッチＳＷ２がオフ状態である間に、共振コンデンサＣ２の電圧は下がり、共振コンデンサＣ３の電圧は上がる。スイッチＳＷ１がオフ状態であってスイッチＳＷ２がオン状態である間に、共振コンデンサＣ２の電圧は上がり、共振コンデンサＣ３の電圧は下がる。任意の時刻において、共振コンデンサＣ２の電圧と共振コンデンサＣ３の電圧の合計は一定であり、電力変換器１に入力される電圧に一致する。

共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量は同じであるから、電力変換器１に入力される電圧をＶとすると、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧は、１／２Ｖを中心として変化する。共振コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧の波形は、図２に示すように１８０°位相がずれた波形である。共振トランスＴＲの電流は、導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電流である。したがって、図２に示すように、共振トランスＴＲの一次巻線には、導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電圧が印加される。

時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間で、例えば共振トランスＴＲの電流が閾値を超え、過電流検出器が過電流を検出したとする。従来は、過電流の検出後直ちに電力変換器１を停止するか、または過電流を検出したときにオン状態になっているスイッチＳＷ１がオン状態になった時刻Ｔ２から導通時間経過後の時刻Ｔ３において、電力変換器１を停止していた。時刻Ｔ３において電力変換器１を停止した場合には、共振コンデンサＣ３の電圧は、共振コンデンサＣ２の電圧より大きい状態である。

電車の動力を発生する電動機への電力供給に電力変換器１を用いる場合には、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量は、数μＦから数十μＦという比較的大きい値に設定する必要があり、放電するまでに数分を要する。また電力変換器１は、過電圧や過電流検知による停止後、速やかに再び駆動を開始することが求められるので、時刻Ｔ３において電力変換器１を停止した場合、駆動を開始する時点において、共振コンデンサＣ３の電圧は、共振コンデンサＣ２の電圧より大きい状態である。

例えば時刻Ｔ３において電力変換器１を停止した後に電力変換器１の駆動を開始し、スイッチＳＷ１をオン状態にした場合には、さらに共振コンデンサＣ３が充電される。そのため、共振コンデンサＣ３の電圧は、１／２Ｖより大きい値を中心として変化し、共振コンデンサＣ２の電圧は、１／２Ｖより小さい値を中心として変化する。

導通時間において、共振トランスＴＲの一次巻線に印加される磁束密度は、共振トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧に導通時間を乗算した値である。共振トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧が導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電圧である場合には、スイッチＳＷ１が導通時間の間オン状態になることにより共振トランスＴＲの一次巻線に印加される磁束密度は、スイッチＳＷ２が導通時間の間オン状態になることにより打ち消される。したがって電力変換器１の駆動中にスイッチＳＷ１、ＳＷ２が互いに導通時間の間オン状態になっている場合には、共振トランスＴＲの偏磁は生じない。

しかし上述のように、時刻Ｔ３において電力変換器１を停止した後に電力変換器１の駆動を開始し、スイッチＳＷ１をオン状態にした場合には、共振トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧の大きさは導通時間ごとに異なる値となり、共振トランスＴＲの偏磁が生じる。

本実施の形態においては、制御部２は、電力変換器１の駆動を開始する際には、スイッチＳＷ１を定めた導通時間の間オン状態にするゲート信号を出力するものとする。制御部２は、電力変換器１を停止する際には、駆動を開始する際にオン状態にならなかったスイッチＳＷ２が導通時間の間オン状態になった後に、駆動を開始する際にオン状態になったスイッチＳＷ１がオン状態になることなく、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態になるようにゲート信号を出力する。すなわち、時刻Ｔ２からＴ３の間で過電流を検出した場合には、制御部２は、スイッチＳＷ２が導通時間の間オン状態になった直後の時刻Ｔ４において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態となるようにゲート信号を出力する。時刻Ｔ４において電力変換器１を停止した場合には、共振コンデンサＣ２の電圧は、共振コンデンサＣ３の電圧より大きい状態である。

その後電力変換器１を再び駆動するときには、制御部２はスイッチＳＷ１を導通時間の間オン状態にするゲート信号を出力するので、共振コンデンサＣ３が充電され、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧は、図２のように１／２Ｖを中心として変化する。共振トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧は導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電圧であるので、共振トランスＴＲの偏磁は生じない。

制御部２は、上述のように、電力変換器１の駆動を開始する際に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の内、定めたいずれか一方をオン状態にするようゲート信号を出力する。電力変換器１の駆動を開始する際にオン状態にするスイッチ（ＳＷ１またはＳＷ２）を予め定めておくことで、記憶回路を設ける必要がなく、電力変換器１の構成を簡易化することが可能となる。上述の例とは異なり、電力変換器１の駆動を開始する際に、制御部２は、スイッチＳＷ２をオン状態にするゲート信号を出力してもよい。

共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量が異なる場合、共振コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧の最大値と最小値の平均値は異なるが、任意の時刻において、共振コンデンサＣ２の電圧と共振コンデンサＣ３の電圧の合計は一定であり、電力変換器１に入力される電圧に一致する。そして共振トランスＴＲの電流は、導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電流である。したがって共振トランスＴＲの一次巻線に印加される電圧は、導通時間ごとに極性が異なり、振幅の変化が同じ電圧である。共振コンデンサＣ２、Ｃ３の静電容量が異なる場合でも、スイッチＳＷ１、ＳＷ２のオンとオフの切り替えを上述のように行うことで、共振トランスＴＲの偏磁を抑制することが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態に係る電力変換器１によれば、簡易な構成で共振トランスＴＲの偏磁を防止することが可能となる。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２に、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されるスイッチング素子を用いるよう構成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体とは、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子は耐電圧性および許容電流密度が高い。そのため、スイッチング素子の小型化が可能であり、小型化されたスイッチング素子を用いることにより、スイッチング素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

ワイドバンドギャップ半導体は耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であり、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに電力損失が低いため、スイッチング素子の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。電力変換器１の回路構成は図１の回路に限られない。直列に接続され、分圧された入力電圧がそれぞれ印加される２つの共振コンデンサＣ２、Ｃ３、および共振トランスＴＲの一次巻線と、それぞれに対応する共振コンデンサＣ２または共振コンデンサＣ３とに接続され、いずれか一方がオン状態である場合には、接続される共振コンデンサＣ２または共振コンデンサＣ３の端子間電圧に基づき共振トランスＴＲの一次巻線に電圧を印可する２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を備えれば他の回路構成でもよい。

上記実施の形態は、いずれも本発明の趣旨の範囲内で各種の変形が可能である。上記実施の形態は本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は実施形態よりも添付した請求項によって示される。請求項の範囲内、および発明の請求項と均等の範囲でなされた各種変形は本発明の範囲に含まれる。

本発明は、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換器に好適に採用され得る。

１ 電力変換器
２ 制御部
３ 電源
４ 整流回路
５ 二次回路
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ２、Ｃ３ 共振コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２ スイッチ
ＴＲ 共振トランス

Claims (4)

1. 一次巻線と二次巻線とを有する共振トランスを備え、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換器であって、
   直列に接続され、分圧された前記直流電圧がそれぞれ印加され、互いに異なる静電容量を有する２つの共振コンデンサと、
   前記共振トランスの一次巻線と、前記２つの共振コンデンサの内、それぞれに対応する前記共振コンデンサとに接続され、いずれか一方がオン状態である場合には、接続される前記共振コンデンサの端子間電圧に基づき前記共振トランスの一次巻線に電圧を印加する２つのスイッチと、
   前記電力変換器の駆動を開始する際には、定めた一方の前記スイッチを定めた導通時間の間オン状態にするゲート信号を出力し、その後、前記スイッチが交互に前記導通時間の間オン状態になるように前記ゲート信号を出力し、前記電力変換器を停止する際には、前記駆動を開始する際にオン状態にならなかった前記スイッチが前記導通時間の間オン状態になった後に、前記駆動を開始する際にオン状態になった前記スイッチがオン状態になることなく、前記２つのスイッチがオフ状態になるように前記ゲート信号を出力する制御部と、
   を備える電力変換器。
   
2. 前記２つのスイッチは、直列に接続され、前記２つの共振コンデンサに並列に接続され、
   前記共振トランスの一次巻線の両端は、前記２つの共振コンデンサの接続点と前記２つのスイッチの接続点とにそれぞれ接続される、
   請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記スイッチはワイドバンドギャップ半導体によって形成される請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項３に記載の電力変換器。

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