JP5899374B2 - Dc/dcコンバータ - Google Patents
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Description
本発明は、DC/DCコンバータに係り、特に複数の直交変換回路が直列接続されたDC/DCコンバータにおける電力損失低減に関するものである。
本技術分野の背景技術として、例えば特許文献1に記載されたものがある。該特許文献1には、交直変換回路と変圧器と直交変換回路とからなるDC/DCコンバータ回路を、複数接続したDC/DCコンバータ回路について記載されている。該文献では、各直交変換回路の入力側を直列に接続して直流電源に接続すると共に、出力側も直列に接続して電圧平滑回路に接続し、当該電圧平滑回路の出力が負荷に加わる様に接続させている。また、スイッチング動作については、各DC/DCコンバータ回路のスイッチング動作を相互に適当な位相差を持たせて制御させている。
しかし、特許文献1に記載の従来技術は各々のDC/DCコンバータ回路を構成するスイッチング素子や変圧器における電力損失の低減については何ら考慮されていない。そこで本発明では、電力損失を低減出来るDC/DCコンバータを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明にかかるDC/DCコンバータは、直流電圧が印加されると共に、4つのスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で形成されて直流を交流に変換する複数の直交変換回路と、複数の該直交変換回路毎に設けられて、該直交変換回路の交流側と一次側巻線側が接続される複数の変圧器と、複数の該変圧器毎に設けられて、複数の該変圧器の二次側巻線側に接続されると共に、交流を直流に変換する複数の交直変換回路を備え、複数の前記直交変換回路は各々直列に接続され、複数の前記交直変換回路は各々直列に接続され、複数の前記変圧器の一次側巻線と二次側巻線の比は、略同じであり、一の前記直交変換回路における前記スイッチング素子のONとOFFの切替に際して、4つの前記スイッチング素子のうち、3つ以上がONとなる様なフェーズが形成されることを特徴とする。
本発明によれば、電力損失を低減出来るDC/DCコンバータを提供することが可能になる。
以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。なお、本発明の本質を明らかにするため、以下の実施例では回路における各スイッチング素子、ダイオードにおける電圧低下や配線の抵抗、インダクタンス、寄生容量、変圧器の励磁インダクタンス等が無視できる理想的な状態であるものとして説明する。また、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の実施態様を下記実施例に限定することを意図するものではない。
実施例1について図1ないし図5を用いて説明する。図1は、本実施例のDC/DCコンバータの主回路構成図、図2はそのDC/DCコンバータの動作フェーズ毎の各スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24の動作を示す表、図3は動作フェーズ毎の電位関係式を示す表、図4はスイッチング素子の動作−時間線図、図5は図1に白ヌキ丸で図示した各接続点間の電圧−時間線図である。
本実施例のDC/DCコンバータは、直交変換回路11、変圧器12、交直変換回路13からなるDC/DCコンバータ回路15と、直交変換回路21、変圧器22、交直変換回路23からなるDC/DCコンバータ回路25とを有し、直交変換回路11の低電圧側と直交変換回路21の高電圧側が接続点cで、直交変換回路11の高電圧側と直流電源50の高電圧側が接続点aで、直交変換回路21の低電圧側と直流電源50の低電圧側が接続点bで各々接続されている。
また、交直変換回路13の低電圧側と交直変換回路23の高電圧側が接続点rで、交直変換回路13の高電圧側と負荷60の高電圧側が接続点sで、交直変換回路23の低電圧側と負荷60の低電圧側が接続点uで各々接続されている。
前記直交変換回路11は4つのスイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14からなるフルブリッジ回路であり、接続点d及び接続点eで変圧器12の1次側巻線に接続されている。また、交直変換回路13は4つのダイオードD11,D12,D13,D14からなるフルブリッジ回路であり、接続点m及び接続点nで変圧器12の2次側巻線に接続されている。同様に、直交変換回路21は4つのスイッチング素子SW21,SW22,SW23,SW24からなるフルブリッジ回路であり、接続点f及び接続点gで変圧器22の1次側巻線に接続されている。また、交直変換回路23は4つのダイオードD21,D22,D23,D24からなるフルブリッジ回路であり、接続点p及び接続点qで変圧器12の2次側巻線に接続されている。
そして、前記スイッチング素子SW11,SW12,SW13,SW14,SW21,SW22,SW23,SW24の各々のON/OFF動作を制御手段2によって制御する構成としている。
次に本実施例のDC/DCコンバータの動作を説明する。一連のスイッチング動作における主要動作フェーズは図2のPh1〜8に示したものである。また、これら主要動作フェーズにおいて、図1に白ヌキ丸で図示した各接続点間の電圧間の関係式は図3に示したものとなる。図中、例えばVdeについては接続点dと接続点eとの間の電圧を意味し、接続点dの電位が接続点eの電位よりも高い場合を正、逆の場合を負としている。Eは、接続点aと接続点bの間に印加される直流電圧50の出力電圧である。各スイッチング素子のON/OFF動作について図2を用いて説明する。
Ph1では、直交変換回路11についてSW11、SW14がON,SW12、SW13がOFFとなっており、直交変換回路21についてSW22、SW23がON,SW21、SW24がOFFとなっている。これにより、電流の経路は接続点a以降、SW11→接続点d→変圧器12→接続点e→SW14→接続点c→SW23→接続点g→変圧器22→接続点f→SW22→接続点bとなる。
Ph1からPh3に移行するに当たっては、変圧器22に流れ込む電流の方向を逆にするべく、直交変換回路21におけるスイッチング素子のONとOFFを切替える。Ph2は、Ph1からPh3への移行フェーズとなるが、スイッチング素子のONとOFFを切替える直交変換回路21のスイッチング素子SW21〜SW24の4つ全てがONとなる様にする。
Ph3では、直交変換回路11についてSW11、SW14がON,SW12、SW13がOFFとなっており、直交変換回路21についてSW21、SW24がON,SW22、SW23がOFFとなっている。これにより、電流の経路は接続点a以降、SW11→接続点d→変圧器12→接続点e→SW14→接続点c→SW21→接続点f→変圧器22→接続点g→SW24→接続点bとなり、変圧器22を流れる電流の向きが、Ph1と逆になる。
Ph3からPh5に移行するに当たっては、変圧器12に流れ込む電流の方向を逆にするべく、直交変換回路11におけるスイッチング素子のONとOFFを切替える。Ph4は、Ph3からPh5への移行フェーズとなるが、スイッチング素子のONとOFFを切替える直交変換回路11のスイッチング素子SW11〜SW14の4つ全てがONとなる様にする。
Ph5では、直交変換回路11についてSW12、SW13がON,SW11、SW14がOFFとなっており、直交変換回路21についてSW21、SW24がON,SW22、SW23がOFFとなっている。これにより、電流の経路は接続点a以降、SW13→接続点e→変圧器12→接続点d→SW12→接続点c→SW21→接続点f→変圧器22→接続点g→SW24→接続点bとなり、変圧器12を流れる電流の向きが、Ph3と逆になる。
Ph5からPh7に移行するに当たっては、再び変圧器22に流れ込む電流の方向を逆にするべく、直交変換回路21におけるスイッチング素子のONとOFFを切替える。Ph6は、Ph5からPh7への移行フェーズとなるが、スイッチング素子のONとOFFを切替える直交変換回路21のスイッチング素子SW21〜SW24の4つ全てがONとなる様にする。
Ph7では、直交変換回路11についてSW12、SW13がON,SW11、SW14がOFFとなっており、直交変換回路21についてSW22、SW23がON,SW21、SW24がOFFとなっている。これにより、電流の経路は接続点a以降、SW13→接続点e→変圧器12→接続点d→SW12→接続点c→SW23→接続点g→変圧器22→接続点f→SW22→接続点bとなり、変圧器22を流れる電流の向きが、Ph5と逆になる。
Ph7から再びPh1に移行するに当たっては、変圧器12に流れ込む電流の方向を逆にするべく、直交変換回路11におけるスイッチング素子のONとOFFを切替える。Ph8は、Ph7からPh1への移行フェーズとなるが、スイッチング素子のONとOFFを切替える直交変換回路11のスイッチング素子SW11〜SW14の4つ全てがONとなる様にする。
次に、図3を用いて各接続点間の電圧を、フェーズ毎に説明する。先ず、両直交変換回路11、21の各スイッチング素子が、対角線状にONまたはOFFとなって、各変圧器12、22に一方向の電流を流す動作フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7について説明すると、これら動作フェーズにおいては、直交変換回路11の入力側両端電圧Vacと、直交変換回路21の入力側両端電圧Vcbの値について、Vac+Vcb=Eの関係式が成り立つ一方で、Vac、Vcb各々の電圧の値は特定値に定まらない。これは言い方を変えると、(電位を定める要素が設けられていないので)接続点cの電位は接続点bの電位と接続点aの電位の間の任意の値を取ることも可能になっている。VdeとVac、更にはVfgとVcbについては、それぞれ大きさは同じで、電流の向きによって、正負が入れ替わるのみである。即ち、接続点dの後に接続点eに電流が流れる場合、Vde=Vacとなり、接続点eの後に接続点dに電流が流れる場合、Vde=−Vacとなる。また、接続点fの後に接続点gに電流が流れる場合、Vfg=Vcbとなり、接続点gの後に接続点fに電流が流れる場合、Vfg=−Vcbとなる。尚、Vdeとは変圧器12の一次側巻線両端の電圧であり、Vfgとは変圧器22の一次側巻線両端の電圧である。
そして本実施例では、上記動作フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7の切替に際して、動作フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8を経るようにしている。該動作フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8では、直交変換回路11と直交変換回路21の何れかの直交変換回路を構成する4つのスイッチング素子が全てON動作している一方で、他の直交変換回路については負荷に電流通路を形成する2つのスイッチング素子がON動作している。これにより、直交変換回路11の出力側両端電圧Vdeと、直交変換器21の出力側両端電圧Vfgについては、4つのスイッチング素子が全てON動作している直交変換回路の出力側両端電圧が0、他の一方がEまたは−Eとなる。また、動作フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8では、Vac=Vde及びVcb=Vfgの関係が成立する。
そして、Ph2からPh3、Ph4からPh5、Ph6からPh7、Ph8からPh1に移行する際に、出力側両端電圧が0の直交変換回路について、ON状態からOFF状態に切り替えるが、上記のようにON状態からOFF状態に切り替わる際、切替直前の状態において、Vac=Vde及びVcb=Vfgの関係が成立しているため、スイッチング素子両端にかかる電圧は0になり、ソフトスイッチングの一種である零電圧スイッチングを実現できる。
次に、本実施例における各スイッチング素子の動作タイミングと各種電圧波形の関係を図4及び図5を用いて説明する。図4は本実施例における各スイッチング素子の動作タイミングを、横軸を時間としてタイムチャートで示したものである。本図には、図2で定義した主要動作フェーズも表記してある。図中、Tは各々の直交変換回路の交流出力の1周期であり、各々同一の値である。ΔTはPh1開始からPh3開始までの時間間隔であり、双方の直交変換回路で相似の動作をさせる場合にはΔT=T/4となる。各フェーズの所要時間としては、フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7が短く、フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8の時間が大半となる。この様なタイムチャートで切替が行われる様に制御手段2から切替指令を出力する。
そして図4に示したタイムチャートで各スイッチング素子を動作させた場合の各電圧波形を示したのが図5である。図5(a)は、VacとVcbのタイムチャートを示したものである。VacとVcbは、フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8では、いずれかがEで、他方が0となっており、VacとVcbは、(フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8に対するフェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7の時間の長さにもよるが)矩形波状となる。
図5(b)は、VdeとVfgのタイムチャートを示したものである。VdeとVfgは、フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8では、いずれかが0で、他方がEまたは−Eとなっており、VacとVcbは、(フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8に対するフェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7の時間の長さにもよるが)やはり矩形波状となる。
図5(c)は、VmnとVpqのタイムチャートを示したものである。尚、Vmnとは変圧器12の二次側巻線両端の電圧であり、Vpqとは変圧器22の二次側巻線両端の電圧である。VdeとVfgは、フェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8では、いずれかが0で、他方がEまたは−Eを各変圧器の巻線比に応じて変圧された電圧となっており、波形自体は、VmnはVdeと相似し、VpqはVfgと相似する。本実施例では、各変圧器の巻線比を略同じにしており、VmnとVpqの最大値または最小値はおよそ等しくなっている。
図5(d)は、VsrとVruのタイムチャートを示したものである。尚、Vsrとは交直変換回路13の両端の電圧であり、Vruとは交直変換回路23の両端の電圧である。Vsrは交直変換回路13により、Vmnを整流して正になる様になっており、Vsr=│Vmn│である。また、Vruは交直変換回路23により、Vpqを整流して正になる様になっており、Vru=│Vpq│である。│Vmn│と│Vpq│は、一方が0の際、他方が最大値を示し、また本実施例では各変圧器の巻線比を略同じにしており、VmnとVpqの最大値または最小値はおよそ等しくなっているので、VsrとVruは周期をずらして同様の波形となっている。
図5(e)は、Vsuのタイムチャートを示したものである。尚、Vsuとは負荷60に加わる電圧であり、Vsu=Vsr+Vruの関係を有する。上記の様に、VsrとVruは、一方が0の際、他方が最大値を示し、かつ、VsrとVruの最大値はおよそ等しいので、いずれの時刻においてもVsu=Vsr+Vru=定数電圧となる。よって、負荷60には直流電圧が印加されることになる。即ち、変圧器12と変圧器22の巻線比を略同じとすることにより、DC/DCコンバータ101からの出力電圧として負荷60に印加される直流電圧Vsuは時間変動の無い一定値となる。
本実施例にかかるDC/DCコンバータによれば、付加的なスイッチング素子などを設けず、直交変換回路が主スイッチング素子のみで構成された場合であっても、ソフトスイッチングが実現できる。よって、スイッチング損失が生じなくなり、損失の低減を図ることができる。
また、各変圧器12と変圧器22の巻線比を略同じとしており、負荷側直流電圧の変動をなくすことが出来る。
尚、上記実施例では4つのスイッチング素子全てがフェーズPh2,Ph4,Ph6,Ph8に同時にON状態になる場合について説明したが、前記主要フェーズ間の遷移フェーズ状態として、どちらかの直交変換回路に含まれる4つのスイッチング素子のうちの3つがONとなる状態となっても良い。例えばPh1からPh2への遷移状態について言えば、SW11,S14,SW22,SW23がONで、SW21もしくはSW22のどちらか一方がONの状態となっても良い。その場合にも、やはり4つのスイッチング素子のうちの3つがON状態であれば、直交変換回路の出力側両端電圧は0、他の直交変換回路の出力側両端電圧はEまたは−Eとなるので、ON状態からOFF状態に切り替わる際、スイッチング素子両端にかかる電圧は0であり、ソフトスイッチングの一種である零電圧スイッチングを実現できる。
実施例2について図6ないし図8を用いて説明する。尚、実施例1と重複する箇所については、その説明を省略する。図6は、実施例2におけるDC/DCコンバータの主回路構成図、図7はスイッチング素子の動作−時間線図、図8は図6に白ヌキ丸で図示した各接続点間の電圧−時間線図である。
本実施例のDC/DCコンバータは、図1に示したDC/DCコンバータの接続点a、接続点b、接続点cに接続される電位振動手段3を付加したものである。電位振動手段3は、接続点aと接続点bに接続された直流電源50の電力を使用して接続点cの電位を変動させる能動回路であり、図8に示した電圧波形に示される通り三角波を発生させるものである。これにより実施例1と比較して直交変換回路からの交流出力電圧波形として時間変化率の小さな波形を出力することができる。
また、実施例1で説明した如く、動作フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7においては接続点cの電位はVac+Vcb=Eの関係を満たせばよく、(電位を定める要素が設けられていないので)接続点bの電位と接続点aの電位の間の任意の値を取り得るものとなっている。そこで、本実施例では、該接続点cの電位を能動的に制御する。上記の様に、接続点cの電位はVac+Vcb=Eの関係を満たせばよく、電位振動手段3によって接続点cの電位を任意の時間波形形状で振動させても、接続点cを経由して電位振動手段3と(接続点aや接続点bと言った)主回路との間に電流が流れないことから、電位振動手段3は電力容量の小さな回路素子により構成することができる。
また、実施例1で説明した如く、動作フェーズPh1,Ph3,Ph5,Ph7においては接続点cの電位はVac+Vcb=Eの関係を満たせばよく、(電位を定める要素が設けられていないので)接続点bの電位と接続点aの電位の間の任意の値を取り得るものとなっている。そこで、本実施例では、該接続点cの電位を能動的に制御する。上記の様に、接続点cの電位はVac+Vcb=Eの関係を満たせばよく、電位振動手段3によって接続点cの電位を任意の時間波形形状で振動させても、接続点cを経由して電位振動手段3と(接続点aや接続点bと言った)主回路との間に電流が流れないことから、電位振動手段3は電力容量の小さな回路素子により構成することができる。
図8(a)−図8(e)については、図5(a)−図5(e)と三角波か、矩形波か否かで違いはあるものの、Vsr=│Vmn│、Vru=│Vpq│、Vsu=Vsr+Vru=定数電圧と言う関係を同様に有し、実施例1と同様の効果を奏することが出来る。
本実施例によれば、実施例1で説明した直交変換回路が主スイッチング素子のみで構成された場合であっても、ソフトスイッチングが実現できると共に、本質的に負荷側直流電圧の変動が無いという効果に加え、直交変換回路からの交流出力電圧の時間変化率を小さくすることができる。よって、高調波成分を小さく出来、寄生の静電容量Cに流れる漏れ電流を低減でき、損失を減らすことができる。
また、本実施例では、直交変換回路に電位振動手段を設けたが、交直変換回路に設けることも可能である。
実施例3について図9ないし図11を用いて説明する。尚、実施例2と重複する箇所については、その説明を省略する。本実施例では、図6に示した電位振動手段3をLC並列共振回路を含む受動素子で構成したDC/DCコンバータ101の例を説明する。
図9は、実施例3におけるDC/DCコンバータの主回路構成図、図10は図9に白ヌキ丸で図示した各接続点間の電圧−時間線図である。各スイッチング素子の動作タイミングについては図7に示したものと同一である。
図9は、実施例3におけるDC/DCコンバータの主回路構成図、図10は図9に白ヌキ丸で図示した各接続点間の電圧−時間線図である。各スイッチング素子の動作タイミングについては図7に示したものと同一である。
本実施例のDC/DCコンバータにおいては、電位振動手段3は図示の如く接続されたコンデンサC1、C2と、LC並列共振回路を構成するコンデンサC3、リアクトルL3で構成されている。これらコンデンサC3、リアクトルL3の静電容量、インダクタンスの値は、LC並列共振回路の共振周期がT/2となる様に選定されている。
上記実施例で説明したように、接続点cを経由して電位振動手段3と主回路との間に電流が流れないことから、LC共振回路として直列共振回路ではなく、並列共振回路とすることができる。
図10(a)−図10(e)については、図8(a)−図8(e)と三角波か、正弦波状か否かで違いはあるものの、Vsr=│Vmn│、Vru=│Vpq│、Vsu=Vsr+Vru=定数電圧と言う関係を同様に有し、実施例1や実施例2と同様にソフトスイッチングを実現したDC/DCコンバータを提供出来る。
本実施例によれば、直交変換回路からの交流出力電圧の時間変化率を小さくすることができる。よって、高調波成分を小さく出来、寄生の静電容量Cに流れる漏れ電流を低減でき、損失を減らすことができる。本実施例では、直交変換回路に電位振動手段を設けたが、図11に示した様に、交直変換回路に設けることも可能である。即ち、DC/DCコンバータの接続点s、接続点u、接続点rに電位振動手段を接続し、接続点rの電位を振動させても良い。
上記各実施例によれば、交直変換回路、変圧器、直交変換回路はいずれも2つの場合について説明したが、必ずしも2つに限られる訳ではなく、それ以上であっても良い。
以上の各実施例における説明では、本発明の本質を明らかにするために回路における各スイッチング素子、ダイオードにおける電圧低下や配線の抵抗、インダクタンス、寄生容量、変圧器の励磁インダクタンス等が無い理想的な状態につき説明してきたが、実際の回路においてはいずれも大なり小なり存在する。これらの抵抗成分、静電容量成分、インダクタンス成分を補償する付加回路については従来から様々な方式が知られており、本発明の構成にこれら付加回路を付加することや、同一回路トポロジーの範囲で主要回路を改変する等といったことは当然に本発明の範囲に含まれる。
2…スイッチング素子制御手段、3…電位振動手段、C3…共振コンデンサ、L3…共振リアクトル、11,21…直交変換回路、SW11,SW12,SW13,SW14…主スイッチング素子、SW21,SW22,SW23,SW24…主スイッチング素子、12,22…変圧器、13,23…交直変換回路、15,25…DC/DCコンバータ回路、100…電力変換装置、101…DC/DCコンバータ。
Claims (9)
- 直流電圧が印加されると共に、4つのスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で形成されて直流を交流に変換する複数の直交変換回路と、
複数の該直交変換回路毎に設けられて、該直交変換回路の交流側と一次側巻線側が接続される複数の変圧器と、
複数の該変圧器毎に設けられて、複数の該変圧器の二次側巻線側に接続されると共に、交流を直流に変換する複数の交直変換回路を備え、
複数の前記直交変換回路は各々直列に接続され、
複数の前記交直変換回路は各々直列に接続され、
複数の前記変圧器の一次側巻線と二次側巻線の比は、略同じであり、
一の前記直交変換回路における前記スイッチング素子のONとOFFの切替に際して、4つの前記スイッチング素子のうち、3つ以上がONとなる様なフェーズが形成されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項1に記載のDC/DCコンバータであって、更に前記スイッチング素子にON/OFF切替指令を出力する制御手段を備え、
前記制御手段は、一の前記直交変換回路における前記スイッチング素子のON/OFF切替に際して、4つの前記スイッチング素子のうち、3つ以上が同時にONとなる様に切替指令を出力することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項2に記載のDC/DCコンバータであって、前記制御手段は、一の前記直交変換回路における前記スイッチング素子のON/OFF切替に際して、4つの前記スイッチング素子のうち、4つ全てが同時にONとなる様に切替指令を出力することを特徴とするDC/DCコンバータ。
- 請求項1ないし3のいずれか一つに記載のDC/DCコンバータであって、前記交直変換回路は、4つのダイオードを有するフルブリッジ回路で形成されることを特徴とするDC/DCコンバータ。
- 請求項1ないし4のいずれか一つに記載のDC/DCコンバータであって、
前記直交変換回路同士の接続点または前記交直変換回路同士の接続点には、該接続点の電位を振動させる電位制御手段が接続されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項5に記載のDC/DCコンバータであって、
前記電位制御手段は、前記接続点に正弦波状の電位または三角波状の電位を印加することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項5または6に記載のDC/DCコンバータであって、
前記電位制御手段は、前記接続点の電位を能動的に変化させる能動回路であることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項5または6に記載のDC/DCコンバータであって、
前記電位制御手段は、前記接続点の電位を受動的に変化させる受動回路であることを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 請求項8に記載のDC/DCコンバータであって、
前記受動回路は、コンデンサとリアクトルが並列接続されたLC共振回路であることを特徴とするDC/DCコンバータ。
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