JP5813184B1 - 直流変換装置 - Google Patents
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Description
すなわち、特許文献1のスイッチング電源装置に示された、昇圧チョッパを兼ねたハーフブリッジコンバータでは、このハーフブリッジコンバータがハードスイッチング動作を行うので、高周波化するとスイッチングロスおよびノイズが増加するという問題がある。一方、周波数を低く設定すると、リアクトルが大きくなるという問題がある。
そのため、入力電圧範囲が広く、かつ負荷電流範囲が広い場合であっても、安定した電圧を高効率で出力することができる。
図1は、この発明の実施の形態1に係る直流変換装置を示す概略構成図である。図1において、この直流変換装置は、絶縁型のLLC共振コンバータである共振コンバータ回路14の前段に昇圧コンバータ回路13を設けた2段構成のコンバータである。昇圧コンバータ回路13および共振コンバータ回路14の動作は、制御部12によって制御される。
そのため、入力電圧範囲が広く、かつ負荷電流範囲が広い場合であっても、安定した電圧を高効率で出力することができる。
この発明の実施の形態2に係る直流変換装置は、上記実施の形態1で説明した直流変換装置と同じ回路構成を有している。この実施の形態2では、トランス9のリーケージインダクタンスで形成される共振リアクトル8のインダクタンスLrが大きく、トランス9の励磁インダクタンスLmが小さいことによって、Ln比(=Lm/Lr)が小さくなった場合について説明する。
この発明の実施の形態3に係る直流変換装置は、上記実施の形態1で説明した直流変換装置と同じ回路構成を有している。この実施の形態3では、制御部12が半導体スイッチング素子3と半導体スイッチング素子6とのオンまたはオフタイミングを同期させることで、平滑コンデンサ4に流れる電流量を減らすことができる。
図10は、この発明の実施の形態4に係る直流変換装置を示す概略構成図である。この発明の実施の形態4に係る直流変換装置は、昇圧コンバータ回路13と共振コンバータ回路14とを備え、制御部12による各スイッチング素子のオンオフ制御は、上記実施の形態1と同じである。
図12は、この発明の実施の形態5に係る直流変換装置を示す概略構成図である。図12において、この直流変換装置は、昇圧コンバータ回路13と共振コンバータ回路14とを備え、昇圧コンバータ回路13は、上記実施の形態1と同じ回路構成である。一方、共振コンバータ回路14のトランス9の2次側整流回路は、半導体スイッチング素子10、11を用いた同期整流の回路構成を有している。
図15は、この発明の実施の形態6に係る直流変換装置を示す概略構成図である。図15において、この直流変換装置は、図12に示した直流変換装置に加えて、トランス9の2次巻線に流れる電流値を取得する出力電流検出回路24を有している。
この発明の実施の形態7に係る直流変換装置は、上記実施の形態6で説明した直流変換装置と同じ回路構成を有している。この実施の形態7では、上記実施の形態6と同様に、経年変化による劣化や温度変化により、共振コンデンサ7の容量や、トランス9のリーケージインダクタンスである共振リアクトル8のインダクタンスが変化し、直列共振周波数fsrが変化した場合に、半導体スイッチング素子10、11のターンオフ時に発生するスイッチング損失の発生およびサージの増大に対する課題を対象とする。
一般的に、一定のスイッチング周波数でスイッチング制御を行う場合には、一定の周波数に起因した高いスイッチングノイズが発生することがあり、そのときには、ノイズ発生源として、他の電子機器に対し、誤動作や機能停止等といった弊害を招く恐れがある。
Claims (24)
- 入力電圧を昇圧して直流電圧を出力する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を降圧して直流電圧を出力する絶縁型共振コンバータと、
前記昇圧コンバータおよび前記絶縁型共振コンバータの動作を制御する制御部と、を備え、
前記昇圧コンバータは、昇圧リアクトル、ダイオードおよびコンデンサと、前記昇圧リアクトルへの通電を制御する第1スイッチング素子と、を有し、
前記絶縁型共振コンバータは、1次巻線および2次巻線を有するトランスと、前記トランスの1次側に接続された共振コンデンサおよび共振リアクトルと、前記共振コンデンサおよび前記共振リアクトルへの通電を制御する、互いに直列に接続された第2スイッチング素子および第3スイッチング素子と、前記トランスの2次側に接続された整流回路と、を有し、
前記共振リアクトルは、前記トランスのリーケージインダクタンスで形成され、
前記制御部は、スイッチング周波数の半周期と、前記共振コンデンサと前記共振リアクトルとで構成される直列共振回路の直列共振周波数の半周期に、デッドタイムを加えた時間とが等しくなるように制御する
直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで、固定オンデューティ比かつ固定スイッチング周波数で交互にオンオフ制御する
請求項1に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記固定オンデューティ比をほぼ50%として、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子をオンオフ制御する
請求項2に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第1スイッチング素子をオンオフ制御することにより、前記絶縁型共振コンバータから出力される直流電圧が目標値に近づくように、前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を制御する
請求項1から請求項3までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記入力電圧があらかじめ定められた第1電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止する
請求項1から請求項4までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記入力電圧が前記第1電圧よりも高い第2電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止するとともに、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のデッドタイムを増加させて、前記絶縁型共振コンバータの出力電圧を低下させる
請求項5に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記入力電圧が前記第1電圧よりも高い第2電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止するとともに、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を増加させて、前記絶縁型共振コンバータの出力電圧を低下させる
請求項5に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記昇圧コンバータから出力される前記直流電圧が一定となるように、前記第1スイッチング素子を制御し、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を制御して、前記絶縁型共振コンバータの出力電圧を調整する
請求項1から請求項7までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記絶縁型共振コンバータの出力電流があらかじめ定められた値を超えた場合に、前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を低下させる
請求項1から請求項8までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記絶縁型共振コンバータの出力電流があらかじめ定められた値を超えた場合に、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のデッドタイムを増加させる
請求項1から請求項9までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記絶縁型共振コンバータの出力電流があらかじめ定められた値を超えた場合に、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を増加させる
請求項1から請求項10までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第1スイッチング素子と前記昇圧コンバータから出力される直流電圧の負側に接続されている前記第3スイッチング素子とのオンオフタイミングを同期させる
請求項1から請求項11までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記絶縁型共振コンバータのトランスは複数設けられ、複数のトランスのそれぞれの1次巻線は、互いに直列に接続されている
請求項1から請求項12までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記整流回路は、同期整流回路である
請求項1から請求項13までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を、第1スイッチング周波数から前記第1スイッチング周波数よりも高い第2スイッチング周波数の間まで、あらかじめ定められた周期で増減させ、この周期毎にスイッチング周波数の増減を繰り返す
請求項1から請求項14までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記あらかじめ定められた周期の逆数が、前記スイッチング素子のオンオフにより発生するノイズを測定する受信機の分解能帯域幅以上となるように、前記あらかじめ定められた周期を設定する
請求項15に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第1スイッチング周波数を、前記トランスが磁束飽和に至らない周波数となるように設定する
請求項15に記載の直流変換装置。 - 前記直流変換装置の各スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体で形成される素子である
請求項1から請求項17までの何れか1項に記載の直流変換装置。 - 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を用いた半導体である
請求項18に記載の直流変換装置。 - 入力電圧を昇圧して直流電圧を出力する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を降圧して直流電圧を出力する絶縁型共振コンバータと、
前記昇圧コンバータおよび前記絶縁型共振コンバータの動作を制御する制御部と、を備え、
前記昇圧コンバータは、昇圧リアクトル、ダイオードおよびコンデンサと、前記昇圧リアクトルへの通電を制御する第1スイッチング素子と、を有し、
前記絶縁型共振コンバータは、1次巻線および2次巻線を有するトランスと、前記トランスの1次側に接続された共振コンデンサおよび共振リアクトルと、前記共振コンデンサおよび前記共振リアクトルへの通電を制御する、互いに直列に接続された第2スイッチング素子および第3スイッチング素子と、前記トランスの2次側に接続された整流回路と、を有し、
前記共振リアクトルは、前記トランスのリーケージインダクタンスで形成され、
前記制御部は、前記入力電圧があらかじめ定められた第1電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止し、
前記制御部は、前記入力電圧が前記第1電圧よりも高い第2電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止するとともに、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のデッドタイムを増加させて、前記絶縁型共振コンバータの出力電圧を低下させる
直流変換装置。 - 入力電圧を昇圧して直流電圧を出力する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を降圧して直流電圧を出力する絶縁型共振コンバータと、
前記昇圧コンバータおよび前記絶縁型共振コンバータの動作を制御する制御部と、を備え、
前記昇圧コンバータは、昇圧リアクトル、ダイオードおよびコンデンサと、前記昇圧リアクトルへの通電を制御する第1スイッチング素子と、を有し、
前記絶縁型共振コンバータは、1次巻線および2次巻線を有するトランスと、前記トランスの1次側に接続された共振コンデンサおよび共振リアクトルと、前記共振コンデンサおよび前記共振リアクトルへの通電を制御する、互いに直列に接続された第2スイッチング素子および第3スイッチング素子と、前記トランスの2次側に接続された整流回路と、を有し、
前記共振リアクトルは、前記トランスのリーケージインダクタンスで形成され、
前記制御部は、前記入力電圧があらかじめ定められた第1電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止し、
前記制御部は、前記入力電圧が前記第1電圧よりも高い第2電圧よりも高い場合には、前記第1スイッチング素子のスイッチングを停止するとともに、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を増加させて、前記絶縁型共振コンバータの出力電圧を低下させる
直流変換装置。 - 入力電圧を昇圧して直流電圧を出力する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータから出力された直流電圧を降圧して直流電圧を出力する絶縁型共振コンバータと、
前記昇圧コンバータおよび前記絶縁型共振コンバータの動作を制御する制御部と、を備え、
前記昇圧コンバータは、昇圧リアクトル、ダイオードおよびコンデンサと、前記昇圧リアクトルへの通電を制御する第1スイッチング素子と、を有し、
前記絶縁型共振コンバータは、1次巻線および2次巻線を有するトランスと、前記トランスの1次側に接続された共振コンデンサおよび共振リアクトルと、前記共振コンデンサおよび前記共振リアクトルへの通電を制御する、互いに直列に接続された第2スイッチング素子および第3スイッチング素子と、前記トランスの2次側に接続された整流回路と、を有し、
前記共振リアクトルは、前記トランスのリーケージインダクタンスで形成され、
前記制御部は、前記第2スイッチング素子および前記第3スイッチング素子のスイッチング周波数を、第1スイッチング周波数から前記第1スイッチング周波数よりも高い第2スイッチング周波数の間まで、あらかじめ定められた周期で増減させ、この周期毎にスイッチング周波数の増減を繰り返す
直流変換装置。 - 前記制御部は、前記あらかじめ定められた周期の逆数が、前記スイッチング素子のオンオフにより発生するノイズを測定する受信機の分解能帯域幅以上となるように、前記あらかじめ定められた周期を設定する
請求項22に記載の直流変換装置。 - 前記制御部は、前記第1スイッチング周波数を、前記トランスが磁束飽和に至らない周波数となるように設定する
請求項22に記載の直流変換装置。
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