JP5858217B2 - 交流−交流変換回路 - Google Patents
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Description
この従来技術は、商用周波数の交流電圧を高周波変圧器により高周波交流電圧に絶縁変換し、更に、高周波変圧器の二次側にダイオード整流回路とフィルタ回路とを接続して交流−直流変換を行っている。
高周波変圧器TRの二次巻線はダイオードD1〜D4からなる整流回路DRの交流入力側に接続され、整流回路DRの直流出力側はリアクトルLo及び平滑コンデンサCoからなるフィルタ回路Fに接続されており、フィルタ回路Fの出力側には直流負荷LDが接続されている。
切替スイッチS0を第2の切替接点b側に接続した状態では、高周波変圧器TRの一次巻線に交流電源電圧そのものが印加され、切替スイッチS0を第1の切替接点a側に接続した状態では、高周波変圧器TRの一次巻線に交流電源電圧の1/2の電圧が印加される。ここで、コンデンサC1,C2の容量は等しく、図5(a)における電圧Vc1,Vc2は等しいものとする。
例えば、交流電源Viの電圧が正(コンデンサC1側が正)の時、時刻t1で単方向スイッチS1a,S4aをオンすると、高周波変圧器TRの一次巻線にはコンデンサC1の電圧Vc1とコンデンサC2の電圧Vc2との和、すなわち交流電源Viの電圧(Vp−Vn間の電圧)が正方向に印加される。また、時刻t2で単方向スイッチS1a,S4aをオフすると、高周波変圧器TRの一次巻線の電圧は変圧器TRの漏れインダクタンスの電流が零になるまで負になり、その後、整流回路DR内のダイオードがオンしている期間は零電圧となる。この時、漏れインダクタンスの電流が負から零になる期間(時刻t2〜t3)は、漏れインダクタンスの電流をコンデンサC1,C2に回生するために、単方向スイッチS2b,S3bをオンする必要がある。
これらの動作を高周波にて繰り返すと、高周波変圧器TRの二次側からは交流電源Viよりも高周波の交流電圧が出力されることになり、この高周波交流電圧を整流回路DRによりパルス状の直流電圧に変換し、その後、フィルタ回路Fにより平滑して得た直流電圧を直流負荷LDに供給することができる。
また、交流電源Viの電圧極性が負の場合は、双方向スイッチS1〜S4の動作が変わるだけで基本的には同一である。
交流電源Viの電圧が正(コンデンサC1側が正)の時、単方向スイッチS1aをオンすると、高周波変圧器TRの一次巻線にはコンデンサC1の電圧Vc1が正方向に印加され、単方向スイッチS2aをオンすると、高周波変圧器TRの一次巻線にはコンデンサC2の電圧Vc2が負方向に印加される。動作波形については、前述したフルブリッジ型コンバータの場合と同様である。
これらの動作を高周波で繰り返すことにより、高周波変圧器TRの二次側からは交流電源Viよりも高周波の交流電圧が出力され、以後はフルブリッジ型コンバータの場合と同様である。また、交流電源Viの電圧極性が負の場合は、双方向スイッチS1,S2の動作が変わるだけで基本的には同一である。
しかしながら、この従来技術においてハーフブリッジ型コンバータとして使用する場合には、双方向スイッチS3,S4からなる双方向スイッチ直列回路を使用していない状態となり、回路部品を有効利用しておらず装置の性能を十分に発揮できないという問題があった。また、一方の双方向スイッチ直列回路の責務が大きくなるため、素子の劣化や破損等により装置全体の寿命が短くなるおそれがあった。
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第2の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第1の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第5のスイッチを接続し、
前記切替スイッチを前記第2の切替接点側に接続し、かつ、前記第5のスイッチをオフすることによって前記第1,第2の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第1の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、 前記交流−交流変換回路を備えた装置の温度が低い場合に前記第5のスイッチをオフ状態とし、前記装置の温度が高い場合に前記第5のスイッチをオン状態とするものである。
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第2の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第1の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第5のスイッチを接続し、
前記切替スイッチを前記第2の切替接点側に接続し、かつ、前記第5のスイッチをオフすることによって前記第1,第2の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第1の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、 前記交流−交流変換回路を備えた装置の温度上昇値とほぼ比例関係にある前記交流−交流変換回路の電流検出値または電流指令値が低い場合に前記第5のスイッチをオフ状態とし、前記電流検出値または電流指令値が高い場合に前記第5のスイッチをオン状態とするものである。
図1は、本発明の基本形態に係る交流−交流変換回路の回路図である。図1において、図5(a)と同一機能を有する構成要素には同一の符号を付してあり、以下では図5(a)と異なる部分を中心に説明する。
このような構成において、図5(a)と同様に切替スイッチS0を第1の切替接点a側に接続してハーフブリッジ型コンバータを構成する場合には、スイッチS5をオンすることにより、双方向スイッチS1,S3を互いに並列に接続し、かつ、双方向スイッチS2,S4を互いに並列に接続することができる。つまり、図5(a)においてハーフブリッジ型コンバータを構成した際の双方向スイッチS1の機能を、図1では並列接続された双方向スイッチS1,S3により分担し、同じく図5(a)における双方向スイッチS2の機能を、図1では並列接続された双方向スイッチS2,S4により分担することとなる。
(1)双方向スイッチが並列接続される分だけ、交流電源から流入する電流容量が増大する、
(2)並列接続される双方向スイッチが電流を分担することにより、個々の双方向スイッチの温度上昇を抑制、分散する、
(3)スイッチングパターンを調整して第1,第2の双方向スイッチ直列回路を交互に使用することにより、個々の双方向スイッチの使用頻度や責務を平準化させて装置の寿命を延長させる、
等の作用効果を得ることができる。
なお、交流電源電圧の大きさに応じて切替スイッチS0を切り替えることにより、フルブリッジ型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータとして動作させる点は、図5(a)の従来技術と同様であるため、重複を避けるために説明を省略する。
この第1実施形態は、図1の回路に、温度検出回路10と、第5のスイッチS5に対するオン/オフ制御信号生成回路20とを追加したものである。ここで、温度検出回路10は、例えば双方向スイッチS1〜S4の近傍やケーシング等の温度を検出するものであり、その温度検出値に基づいて、生成回路20がスイッチS5に対するオン/オフ制御信号を生成する。
従って、この実施形態によれば、温度検出値に応じてスイッチS5のオン/オフを切り替えることにより、必要な時だけ、双方向スイッチS1,S3の並列回路及び双方向スイッチS2,S4の並列回路を構成することができ、より効率的な動作が可能となる。
この第2実施形態は、図2における温度検出回路10に代えて電流検出回路30を接続したものであり、電流検出値に基づいて生成回路20が第5のスイッチS5をオンまたはオフさせるオン/オフ制御信号を生成する。
電流値と温度上昇値とはほぼ比例関係にあると考えられるので、温度検出値の代わりに電流検出値を用いても、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。ここで、電流の検出箇所は特に限定されず、高周波変圧器TRの一次側または二次側の電流値、あるいは、装置の最終出力段の直流出力電流値でも良い。
また、電流検出値の代わりに電流指令値を用いても良い。
この第3実施形態は、双方向スイッチS1〜S4を駆動するための制御回路40の構成に特徴がある。すなわち、制御回路40は、双方向スイッチS1〜S4を構成する各素子(単方向スイッチS1a〜S4b)のオンパルス出力積算時間演算回路41と、各素子のオンパルス出力積算時間に基づいて第1,第2の双方向スイッチ直列回路のうち何れを使用するかを決定する各素子出力切替信号生成回路43と、各素子のスイッチングパターンを生成する各素子パルスパターン生成回路42と、各素子出力切替信号生成回路43の出力と各素子パルスパターン生成回路42の出力とから各素子の最終的なパルスパターンを出力する各素子最終パルスパターン生成回路44と、を備えている。
よって、二つの双方向スイッチ直列回路の責務をバランスさせることができ、結果的に回路や装置全体の長寿命化が可能になる。
なお、この第3実施形態は、第1実施形態または第2実施形態と併用しても良い。
C1,C2:コンデンサ
S1,S2,S3,S4:双方向スイッチ
S1a,S1b,S2a,S2b,S3a,S3b,S4a,S4b:単方向スイッチ
S5:スイッチ
S0:切替スイッチ
a,b:切替接点
c:共通接点
DR:整流回路
D1,D2,D3,D4:ダイオード
F:フィルタ回路
Lo:リアクトル
Co:平滑コンデンサ
LD:直流負荷
10:温度検出回路
20:S5オン/オフ制御信号生成回路
30:電流検出回路
40:制御回路
41:各素子オンパルス出力積算時間演算回路
42:各素子パルスパターン生成回路
43:各素子出力切替信号生成回路
44:各素子最終パルスパターン生成回路
Claims (3)
- コンデンサを2個直列接続したコンデンサ直列回路と、第1,第2の双方向スイッチを2個直列接続した第1の双方向スイッチ直列回路と、第3,第4の双方向スイッチを2個直列接続した第2の双方向スイッチ直列回路と、を交流電源に対して並列に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第2の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第1の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第5のスイッチを接続し、
前記切替スイッチを前記第2の切替接点側に接続し、かつ、前記第5のスイッチをオフすることによって前記第1,第2の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第1の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、
前記交流−交流変換回路を備えた装置の温度が低い場合に前記第5のスイッチをオフ状態とし、前記装置の温度が高い場合に前記第5のスイッチをオン状態とすることを特徴とする交流−交流変換回路。 - コンデンサを2個直列接続したコンデンサ直列回路と、第1,第2の双方向スイッチを2個直列接続した第1の双方向スイッチ直列回路と、第3,第4の双方向スイッチを2個直列接続した第2の双方向スイッチ直列回路と、を交流電源に対して並列に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点を変圧器の一次巻線の一端に接続し、前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点を切替スイッチの第2の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端に接続し、前記コンデンサ直列回路の接続点を前記切替スイッチの第1の切替接点を介して前記変圧器の一次巻線の他端子に接続し、
前記第1の双方向スイッチ直列回路の接続点と前記第2の双方向スイッチ直列回路の接続点との間に、第5のスイッチを接続し、
前記切替スイッチを前記第2の切替接点側に接続し、かつ、前記第5のスイッチをオフすることによって前記第1,第2の双方向スイッチ直列回路によりフルブリッジ型コンバータを構成すると共に、前記切替スイッチを前記第1の切替接点側に接続したときに前記コンデンサ直列回路及び前記双方向スイッチ直列回路によりハーフブリッジ型コンバータを構成する交流−交流変換回路であって、前記フルブリッジ型コンバータまたは前記ハーフブリッジ型コンバータにより交流−交流変換を行う交流−交流変換回路において、
前記交流−交流変換回路を備えた装置の温度上昇値とほぼ比例関係にある前記交流−交流変換回路の電流検出値または電流指令値が低い場合に前記第5のスイッチをオフ状態とし、前記電流検出値または電流指令値が高い場合に前記第5のスイッチをオン状態とすることを特徴とする交流−交流変換回路。 - 請求項1または2に記載した交流−交流変換回路において、
前記第5のスイッチをオンにした状態で、前記第1の双方向スイッチ直列回路と前記第2の双方向スイッチ直列回路との何れか一方を使用することを特徴とする交流−交流変換回路。
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