JP5919750B2

JP5919750B2 - 電源装置

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Publication number: JP5919750B2
Application number: JP2011251612A
Authority: JP
Inventors: 阿部　康; 康阿部
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-11-17
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Description

本発明は、直流電圧を他の直流電圧に変換して出力する電源装置に関し、詳しくは、直列共振回路を用いて直流電力を交流電力に変換し、高周波トランスで変換した後、整流回路を用いて所定の直流電力に変換する電源装置に関する。

直列共振を利用して直流電圧を所定の直流電圧に変換する電源装置として非特許文献１に開示されている電源装置を図５に示す。この電源装置は、インバータ２と、トランス３と、整流回路４とで構成されている。

電源装置の動作の詳細は非特許文献１の"Analysis of Series-Resonant Converter"で説明されている。
インバータ２は、直流電源１の直流電圧Ｅｄを入力として、スイッチ素子Ｑ１とＱ２を交互にオンオフする。この動作により、コンデンサＣｒとインダクタＬｒとからなるＬＣ回路で共振が起こる。この共振現象により発生した正弦波電流が、トランス３の１次巻線に流れる。トランス３の１次巻線に流れた電流は、変流されてトランス３の２次巻線に流れる。トランス３の２次巻線に流れる電流は、整流回路４で整流されて、平滑コンデンサＣｏを充電する。平滑コンデンサＣｏの電圧が、電源装置の出力電圧である。

この電源装置では、出力電圧を所定値に維持するために、スイッチ素子Ｑ１とＱ２をオンオフする周波数を調節する。したがって、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数が、ＬＣ回路の共振周波数に一致しない場合がある。このとき、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はゼロ電流スイッチング（ゼロ電流でターンオンおよびターンオフするスイッチング）ができず、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング損失が増加するという問題がある。

スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング損失を増加させないために、スイッチ素子Ｑ１とＱ２のそれぞれに、コンデンサＣＺＶ１とＣＺＶ２を並列に接続している。並列接続されたコンデンサにより、スイッチ素子Ｑ１とＱ２はゼロ電圧スイッチング（ゼロ電圧でターンオンおよびターンオフするスイッチング）が可能となり、スイッチング損失の増加を防ぐことができる。

図６は、直流電源１とインバータ２ａとの間にチョッパ６を挿入して、インバータ２ａの入力電圧を一定電圧に維持するようにした電源装置である。
この電源装置では、チョッパ６でインバータ２ａの入力電圧を一定電圧に維持し、ＬＣ回路の共振周波数で、スイッチ素子Ｑ１とＱ２を交互にオンオフする。このようにすると、スイッチ素子Ｑ１とＱ２をＬＣ回路の共振周波数に同期してオンオフすることができるので、コンデンサＣＺＶ１，ＣＺＶ２を削除することができる。

この電源装置の動作は、非特許文献２で説明されている。
なお、図５と図６に記載の電源装置において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフさせる周波数を可能な限り高い周波数とすれば、トランス３の小型化を図ることができる。

Robert L. Steigerwald, "A Comparison of Half-Bridge Resonant Converter Topologies", IEEE Transactions on Power Electronics, VOL.3, NO.2, APRIL, 1988 J Weber, et al., "Galvanic separated high frequency power converter for auxiliary railway supply", EPE2003-Toulouse

しかしながら、前記した電源装置では、ゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングを行うために、コンデンサＣＺＶ１，ＣＺＶ２を設けるか、またはチョッパ６を設けなければならないという問題があった。また、コンデンサＣＺＶ１，ＣＺＶ２を設けた場合であっても、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフする周波数がＬＣ回路の共振周波数からずれると、整流回路４のダイオードＤ１〜Ｄ４が逆回復するときにゼロ電圧スイッチングまたはゼロ電流スイッチングとはならないため、ダイオードＤ１〜Ｄ４で発生する損失が大きくなるという問題があった。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、直列共振回路を用いて直流電力を交流電力に変換し、高周波絶縁トランスで絶縁した後、整流回路を用いて所定の直流電力に変換する電源装置であって、直流入力電圧を一定値に維持する回路を設けなくても、整流回路の損失を低減することができる電源装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明は、直流電力を共振動作によって交流電力に変換するインバータと、インバータによって変換された交流電力を１次巻線に入力して２次巻線に出力するトランスと、トランスの２次巻線に生じた交流電力を直流電力に変換する整流回路とを備えるようにした電源装置である。

そして、整流回路を複数の双方向スイッチと平滑コンデンサで構成している。さらに、整流回路は、インバータの動作に同期して双方向スイッチをオンオフ動作させることによって、平滑コンデンサの両端電圧を所定値に維持する。すなわち、整流回路は、平滑コンデンサの電圧が所定値以下のとき、トランスから平滑コンデンサに向かって充電電流が流れる方向に双方向スイッチを導通させ、平滑コンデンサの電圧が所定値より高いとき、平滑コンデンサからトランスに向かって放電電流が流れる方向に双方向スイッチを導通させる。このとき、双方向スイッチは、インバータの動作に同期してオンオフすることにより、トランスの２次巻線に流れる電流がゼロのときにターンオンまたはターンオフのスイッチング動作を行う。

そして、整流回路を、逆阻止能力を有するスイッチ素子を逆並列に接続した２つの双方向スイッチを直列に接続した双方向スイッチ直列回路で第１のレグと第２のレグを構成し、第１のレグと第２のレグとを平滑コンデンサに並列に接続し、第１のレグの接続中点をトランスの２次巻線の一端に接続し、第２のレグの接続中点をトランスの２次巻線の他端に接続して構成することができる。

また、トランスの２次巻線を第１の巻線と第２の巻線とを直列に接続した構成とすることによって、整流回路を、１つの双方向スイッチからなる第１のレグと１つの双方向スイッチからなる第２のレグと平滑コンデンサとで構成することができる。

すなわち、整流回路を、その一端がトランスの２次巻線の接続中点に接続される平滑コンデンサと、トランスの２次巻線の一端と平滑コンデンサの他端との間に接続される第１のレグと、トランスの２次巻線の他端と平滑コンデンサの他端との間に接続される第２のレグとで構成することもできる。

この場合、トランスの２次巻線は、第１の巻線と第２の巻線が同じ巻数となるように構成するのが良い。
そして、整流回路がいずれの構成をとる場合であっても、双方向スイッチは、逆阻止能力を有するスイッチ素子を逆並列に接続した構成とするのが良い。

また、整流回路がいずれの構成をとる場合であっても、双方向スイッチを構成するスイッチ素子をオンオフさせるための制御回路は、平滑コンデンサの電圧が所定値未満のとき、トランスから平滑コンデンサに向かって充電電流が流れるようにスイッチ素子をオンオフ動作させる。

また、整流回路がいずれの構成をとる場合であっても、双方向スイッチを構成するスイッチ素子をオンオフさせるための制御回路は、平滑コンデンサの電圧が所定値より高いとき、平滑コンデンサからトランスに向かって放電電流が流れるようにスイッチ素子をオンオフ動作させる。

そして、いずれの場合であっても、双方向スイッチのスイッチ素子がオンオフするタイミングは、インバータの動作に同期している。
すなわち、インバータを、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列接続してなり、その両端が直流電源に接続されるとともに、その接続中点がトランスの一端に接続されるコンデンサ直列回路と、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを直列接続してなり、コンデンサ直列回路に並列に接続されるスイッチ素子直列回路と、コンデンサとインダクタとが直列に接続され、その一端がスイッチ素子直列回路の接続中点に接続され、その他端がトランスの他端に接続されるＬＣ共振回路とで構成し、インバータのスイッチ素子をオンオフさせるタイミングに同期して、整流回路のスイッチ素子をオンオフ動作させるようにする。

本発明によれば、電源装置を上記のように構成してインバータのスイッチ素子をオンオフさせるタイミングに同期して、整流回路のスイッチ素子をオンオフ動作させるので、整流回路のスイッチ素子は、ゼロ電流のタイミングでターンオンおよびターンオフすることができる。その結果、整流回路のスイッチ素子のスイッチング損失を低減することができる。

本発明に係る電源装置の第１の実施形態を説明するための図である。図１に示した電源装置各部の電圧波形および電流波形の説明をするための図であり、（ａ）はＱ１のオンオフ状態、（ｂ）はＱ２のオンオフ状態、（ｃ）はＱ１の両端電圧、（ｄ）はＱ１に流れる電流、（ｅ）はトランス３０の１次巻線電圧、（ｆ）はトランス３０の１次巻線に流れる電流、（ｇ）はトランス３０の２次巻線電圧、（ｈ）はトランス３０の２次巻線に流れる電流、（ｉ）は電源装置の出力電圧、（ｊ）は整流回路４０の出力電流、（ｋ）は整流回路４０においてオンするスイッチ素子である。本発明に係る電源装置の第２の実施形態を説明するための図である。図３に示した電源装置各部の電圧波形および電流波形の説明をするための図であり、（ａ）はＱ１のオンオフ状態、（ｂ）はＱ２のオンオフ状態、（ｃ）はＱ１の両端電圧、（ｄ）はＱ１に流れる電流、（ｅ）はトランス３０ａの１次巻線電圧、（ｆ）はトランス３０ａの１次巻線に流れる電流、（ｇ）はトランス３０ａの２次巻線電圧、（ｈ）はトランス３０ａの第１の２次巻線に流れる電流、（ｉ）はトランス３０ａの第２の２次巻線に流れる電流、（ｊ）は電源装置の出力電圧、（ｋ）は整流回路４０ａの出力電流、（ｌ）は整流回路４０ａにおいてオンするスイッチ素子である。従来技術に係る電源装置を説明するための図である。従来技術に係る電源装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。なお、図１〜図４において、図５および図６に示した構成要素と共通する構成要素には同符号を付している。

図１は本発明に係る電源装置の第１の実施形態を説明するための図である。この電源装置は、インバータ２０とトランス３０と整流回路４０と制御回路７０で構成されている。
図において、直流電源１の電圧値はＥｄである。

インバータ２０は、コンデンサ直列回路とスイッチ素子直列回路とＬＣ共振回路とで構成されている。コンデンサ直列回路は、コンデンサＣ１，Ｃ２を直列に接続した回路である。スイッチ素子直列回路は、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を直列に接続した回路である。ＬＣ共振回路は、コンデンサＣｒとインダクタＬｒとを直列に接続した回路である。

コンデンサ直列回路とスイッチ素子直列回路とは、直流電源１の両端に並列に接続されている。ＬＣ共振回路の一端はスイッチ素子直列回路の接続中点に接続され、他端はトランス３０の１次巻線Ｎ１の一端に接続されている。コンデンサ直列回路の接続中点は、トランス３０の１次巻線Ｎ１の他端に接続されている。

なお、インダクタＬｒは、後述するトランス３０の１次巻線Ｎ１の漏れインダクタンスを用いるものであっても良い。
トランス３０は、鉄心３１および１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２とで構成されている。１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２は、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｅｄ／２と出力電圧Ｅｏの比で、鉄心３１に巻き回されている。トランス３０は図５および図６のトランス３と別符号を付しているが、その機能において同一のものである。

整流回路４０は、スイッチ素子を逆並列接続した双方向スイッチを直列接続した第１と第２のレグと、平滑コンデンサＣｏとで構成されている。
第１のレグは、スイッチ素子Ｑｒ１１とＱｒ１２とを逆並列接続した第１の双方向スイッチと、スイッチ素子Ｑｒ１３とＱｒ１４とを逆並列接続した第２の双方向スイッチとを直列接続した回路である。第２のレグは、スイッチ素子Ｑｒ２１とＱｒ２２とを逆並列接続した第３の双方向スイッチと、スイッチ素子Ｑｒ２３とＱｒ２４とを逆並列接続した第４の双方向スイッチとを直列接続した回路である。

スイッチ素子Ｑｒ１１〜Ｑｒ１４およびスイッチ素子Ｑｒ２１〜Ｑｒ２４は、いずれも逆阻止能力を有するスイッチ素子である。
第１のレグと第２のレグの一端は平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続され、第１のレグと第２のレグの他端は平滑コンデンサＣｏの負極端子に接続されている。そして、第１のレグの接続中点は、トランス３０の一端に接続されており、第２のレグの接続中点は、トランス３０の他端に接続されている。

平滑コンデンサＣｏの両端に生じる直流電圧が電源装置の出力電圧であり、その電圧値はＥｏである。電源装置の出力電圧は電圧検出器４１で検出され、制御回路７０に入力される。

なお、図１において、スイッチ素子Ｑ１とＱ２は、ダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）で記載しているが、高い周波数でオンオフ動作をすることができれば、自己消弧能力を有する他のスイッチ素子であっても良い。

また、第１〜第４の双方向スイッチは、ＲＢ−ＩＧＢＴ（逆阻止絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を逆並列接続した回路で記載しているが、逆阻止能力と自己消弧能力とを有する他のスイッチ素子を逆並列接続した構成であっても良い。また、ダイオードを逆並列接続した自己消弧能力を有するスイッチ素子を逆直列に接続した構成であっても良い。より望ましくは、逆阻止能力と自己消弧能力とを有するとともにオン電圧が低いスイッチ素子を逆並列に接続した構成とすれば、スイッチ素子の導通損失を少なくすることができる。

上記主回路の構成に対して、制御回路７０は、電源装置の出力電圧を所定値に維持するように、インバータ回路２０のスイッチ素子Ｑ１とＱ２をオンオフするための制御信号Ｇ１，Ｇ２と、整流回路４０のスイッチ素子Ｑｒ１１〜Ｑｒ１４とスイッチ素子Ｑｒ２１〜Ｑｒ２４とをオンオフするための制御信号Ｇｒ１１〜Ｇｒ１４と制御信号Ｇｒ２１〜Ｇｒ２４とを生成する。

具体的には、制御回路７０は、コンデンサＣｒとインダクタＬｒとを直列に接続したＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒを生成する。
次に、制御回路７０は、生成した共振周波数ｆｒの半周期毎に、インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１とＱ２とを交互にオンオフするためのそれぞれの制御信号Ｇ１とＧ２とを生成する。したがって、スイッチ素子Ｑ１とＱ２とは、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒの半周期毎に、交互にオンオフを行う。

さらに、制御回路７０は、インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がオンオフするタイミングに同期して、整流回路４０の第１の双方向スイッチと第４の双方向スイッチの導通方向を切り換えるための制御信号を生成する。また、制御回路７０は、スイッチ素子Ｑ２がオンオフするタイミングに同期して、第２の双方向スイッチと第３の双方向スイッチの導通方向を切り換えるための制御信号を生成する。

インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作と整流回路４０のスイッチ素子Ｑｒ１１〜Ｑｒ１４とスイッチ素子Ｑｒ２１〜Ｑｒ２４のオンオフ動作との関係を、図２を参照して説明する。

図２は、上記構成を有する電源装置の各スイッチ素子の動作と各部の電圧・電流波形の関係を説明するための図である。
制御回路７０によって生成された制御信号Ｇ１，Ｇ２によって、インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１とＱ２とは、交互にオンオフ動作を繰り返す（図２（ａ）、図２（ｂ））。スイッチ素子Ｑ１とＱ２がオンオフする周波数は、上述のとおり、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒである。

スイッチ素子Ｑ１の電圧Ｖｃｅ１は、スイッチ素子Ｑ１がオンしているとき０［Ｖ］であり、スイッチ素子がオフしているとき（スイッチ素子がオンしているとき）はＥｄ［Ｖ］である（図２（ｃ））。一方、スイッチ素子Ｑ２の電圧Ｖｃｅ２は、スイッチ素子Ｑ１の両端電圧Ｖｃｅ１と逆の電圧となる（図示せず）。

スイッチ素子Ｑ１がターンオンしたとき、すなわちスイッチ素子Ｑ１の電圧Ｖｃｅ１が０［Ｖ］になったとき、コンデンサＣｒとインダクタＬｒのＬＣ共振回路にコンデンサＣ１の電圧Ｅｄ／２［Ｖ］が印加される。この電圧によって、コンデンサＣ１→スイッチ素子Ｑ１→コンデンサＣｒ→インダクタＬｒ→トランス３０の１次巻線Ｎ１→コンデンサＣ１の経路で電流Ｉｃ１が流れる。電流Ｉｃ１は、ＬＣ共振回路に生じた共振電流Ｉｒ１の正側の正弦半波電流である（図２（ｄ））。

一方、スイッチ素子Ｑ２がターンオンしたとき、すなわちスイッチ素子Ｑ２の電圧Ｖｃｅ１が０［Ｖ］になったとき、コンデンサＣｒとインダクタＬｒのＬＣ共振回路にコンデンサＣ２の電圧Ｅｄ／２［Ｖ］が印加される。この電圧によって、コンデンサＣ２→トランス３０の１次巻線Ｎ１→インダクタＬｒ→コンデンサＣｒ→スイッチ素子Ｑ２→コンデンサＣ２の経路で電流Ｉｃ２が流れる。電流Ｉｃ２は、ＬＣ共振回路に生じた共振電流Ｉｒ１の負側の正弦半波電流である（図示せず）。

したがって、スイッチ素子Ｑ１とＱ２がターンオンおよびターンオフするとき、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２に流れる電流は略０［Ａ］である。
また、トランス３０の１次巻線Ｎ１には電流Ｉｃ１とＩｃ２とが合成された電流Ｉｒ１が流れる（図２（ｆ））。

トランス３０の２次巻線Ｎ２には、共振電流Ｉｒ１が変流された電流Ｉｒ２が流れる（図２（ｈ））。
このとき、トランス３０の１次巻線Ｎ１には、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作に同期して、コンデンサＣ１とＣ２の電圧と略等しい振幅値の電圧ＶＴｒ１が、正負に変化する矩形波交流電圧として印加される。矩形波交流電圧ＶＴｒ１の正側振幅値は略Ｅｄ／２［Ｖ］であり、負側振幅値は略−Ｅｄ／２［Ｖ］である（図２（ｅ））。

トランス３０の２次巻線Ｎ２には、１次巻線Ｎ１に印加された電圧が絶縁されかつ変圧された電圧ＶＴｒ２が誘起する。２次巻線Ｎ２に誘起する矩形波交流電圧ＶＴｒ２は第１〜第４の双方向スイッチによってコンデンサＣｏの電圧にクランプされる。したがって、２次巻線Ｎ２に誘起する矩形波交流電圧ＶＴｒ２の正側振幅値は略Ｅｏ［Ｖ］であり、負側振幅値は略−Ｅｏ［Ｖ］である（図２（ｇ））。

ここで、制御回路７０は、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低いとき、コンデンサＣｏを充電するように第１〜第４の双方向スイッチをオンオフさせる。一方、制御回路７０は、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高いとき、コンデンサＣｏを放電するように第１〜第４の双方向スイッチをオンオフさせる。第１〜第４の双方向スイッチがオンオフするタイミングは、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２がオンオフするタイミングと同じタイミングである。

例えば、図２（ｋ）に示すように、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がターンオンしたとき、スイッチ素子Ｑｒ１１とスイッチ素子Ｑｒ２３とが同時にターンオンする。次に、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ２がターンオンしたとき、スイッチ素子Ｑｒ１３とスイッチ素子Ｑｒ２１とが同時にターンオンする。このように、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低いときは、スイッチ素子Ｑｒ１１とスイッチ素子Ｑｒ２３の組合せとスイッチ素子Ｑｒ１３とスイッチ素子Ｑｒ２１の組合せとで、交互にオンオフを繰り返す（図２（i）（ｋ））。

したがって、スイッチ素子Ｑｒ１１，Ｑｒ１３とスイッチ素子Ｑｒ２１，Ｑｒ２３とがターンオンおよびターンオフするとき、それぞれのスイッチ素子に流れる電流は略０［Ａ］である。

この動作によって電流Ｉｒ２は全波整流され、整流回路４０から出力される電流ＩｏはコンデンサＣｏを充電する直流電流（図２（ｊ）の正極性の電流）となる。
次に、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がターンオンしたとき、整流回路４０のスイッチ素子Ｑｒ１４とスイッチ素子Ｑｒ２２とがターンオンする。また、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ２がターンオンしたとき、整流回路４０のスイッチ素子Ｑｒ１２とスイッチ素子Ｑｒ２４とがターンオンする（図２（i）（ｋ））。

したがって、スイッチ素子Ｑｒ１２，Ｑｒ１４とスイッチ素子Ｑｒ２２，Ｑｒ２４とがターンオンおよびターンオフするとき、それぞれのスイッチ素子に流れる電流は略０［Ａ］である。

この動作によって電流Ｉｒ２は全波整流され、整流回路４０から出力される電流ＩｏはコンデンサＣｏを放電する直流電流（図２（ｊ）の負極性の電流）となる。
以上のとおり、整流回路４０が平滑コンデンサＣｏの電圧を充電及び放電する動作によって、本実施形態の電源装置は出力電圧を所定値に維持することができる。

さらに、整流回路４０のスイッチ素子Ｑｒ１１〜Ｑｒ１４とＱｒ２１〜Ｑｒ２４とは、いずれもゼロ電流でターンオンおよびターンオフするので、スイッチング損失を低減することができる。

次に、図３を参照して、本発明に係る電源装置の他の実施形態について説明する。
図３は本発明に係る電源装置の第２の実施形態を説明するための図である。この電源装置は、インバータ２０とトランス３０ａと整流回路４０ａと制御回路７０ａで構成されている。

図において、直流電源１の電圧値はＥｄである。
インバータ２０の構成は、図１に示した実施形態の構成と同じであるので、説明を省略する。

トランス３０ａは、鉄心３１および１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２で構成されている。２次巻線Ｎ２は、第１と第２の巻線Ｎ２１，Ｎ２２のそれぞれの一端を接続してセンタータップ構成とした巻線である。１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の第１と第２の巻線Ｎ２１，Ｎ２２は、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｅｄ／２と出力電圧Ｅｏの比で、鉄心３１に巻き回されている。すなわち、２次巻線の第１の巻線Ｎ２１と第２の巻線Ｎ２２の巻数は同じである。

整流回路４０ａは、スイッチ素子を逆並列接続した第１と第３の双方向スイッチと、平滑コンデンサＣｏとで構成されている。第１の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｑｒ１１とＱｒ１２とを逆並列に接続してなるスイッチである。第３の双方向スイッチは、スイッチ素子Ｑｒ２１とＱｒ２２とを逆並列に接続してなるスイッチである。スイッチ素子Ｑｒ１１，Ｑｒ１２およびスイッチ素子Ｑｒ２１，Ｑｒ２２は、いずれも逆阻止能力を有するスイッチ素子である。

第１の双方向スイッチの一端はトランス３０ａの２次巻線の一端に接続され、第１の双方向スイッチの他端はコンデンサＣｏの正極端子に接続されている。第２の双方向スイッチの一端はトランス３０ａの２次巻線の他端に接続され、第２の双方向スイッチの他端はコンデンサＣｏの正極端子に接続されている。

トランス３０ａの２次巻線のセンタータップは、コンデンサＣｏの負極端子に接続されている。
平滑コンデンサＣｏの両端に生じる直流電圧が電源装置の出力電圧であり、その電圧値はＥｏである。電源装置の出力電圧は電圧検出器４１で検出され、制御回路７０ａに入力される。

なお、図３において、スイッチ素子Ｑ１とＱ２は、ダイオードを逆並列に接続したＩＧＢＴで記載しているが、高い周波数でオンオフ動作をすることができれば、自己消弧能力を有する他のスイッチ素子であっても良い。

また、第１と第３の双方向スイッチは、ＲＢ−ＩＧＢＴを逆並列接続した回路で記載しているが、逆阻止能力と自己消弧能力を有する他のスイッチ素子を逆並列接続した構成であっても良い。また、ダイオードを逆並列接続した自己消弧能力を有するスイッチ素子を逆直列に接続した構成であっても良い。より望ましくは、逆阻止能力と自己消弧能力を有するとともにオン電圧が低いスイッチ素子を逆並列に接続した構成とすれば、スイッチ素子の導通損失を少なくすることができる。

上記主回路の構成に対して、制御回路７０ａは、電源装置の出力電圧を所定値に維持するように、インバータ回路２０のスイッチ素子Ｑ１とＱ２をオンオフするための制御信号Ｇ１，Ｇ２と、整流回路４０ａのスイッチ素子Ｑｒ１１，Ｑ１２とＱｒ２１，２２をオンオフするための制御信号Ｇｒ１１，１２，２１，２２を生成する。

具体的には、制御回路７０ａは、コンデンサＣｒとインダクタＬｒとを直列に接続したＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒを生成する。
次に、制御回路７０ａは、生成した共振周波数ｆｒの半周期毎に、インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１とＱ２とを交互にオンオフするためのそれぞれの制御信号Ｇ１とＧ２とを生成する。したがって、スイッチ素子Ｑ１とＱ２とは、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆｒの半周期毎に、交互にオンオフを行う。

さらに、制御回路７０ａは、インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がオンオフするタイミングに同期して、整流回路４０ａの第１の双方向スイッチの導通方向を切り換えるための制御信号を生成する。また、制御回路７０ａは、スイッチ素子Ｑ２がオンオフするタイミングに同期して、第３の双方向スイッチの導通方向を切り換えるための制御信号を生成する。

インバータ２０のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ動作と整流回路４０ａのスイッチ素子Ｑｒ１１，１２，２１，２２のオンオフ動作との関係を、図４を参照して説明する。
図４は、上記構成を有する電源装置の各スイッチ素子の動作と各部の電圧・電流波形の関係を説明するための図である。

なお、図４（ａ）〜図４（ｆ）までは、インバータ２０の各部電圧・電流波形であり、図２（ａ）〜図２（ｆ）に示した波形と同じであるため、説明を省略する。
トランス３０ａの２次巻線Ｎ２の巻線Ｎ２１，Ｎ２２には、１次巻線Ｎ１に印加された電圧が絶縁されかつ変圧された電圧ＶＴｒ２１，ＶＴｒ２２が誘起する。巻線Ｎ２１に誘起する矩形波交流電圧ＶＴｒ２１は第１の双方向スイッチによってコンデンサＣｏの電圧にクランプされる。また、巻線Ｎ２２に誘起する矩形波交流電圧ＶＴｒ２２は第３の双方向スイッチによってコンデンサＣｏの電圧にクランプされる。したがって、２次巻線Ｎ２の巻線Ｎ２１，Ｎ２２に誘起する矩形波交流電圧ＶＴｒ２１，ＶＴｒ２２の正側振幅値はいずれも略Ｅｏ［Ｖ］であり、負側振幅値はいずれも略−Ｅｏ［Ｖ］である（図４（ｇ））。

トランス３０ａの２次巻線Ｎ２の巻線Ｎ２１とＮ２２には、共振電流Ｉｒ１が変流された電流Ｉｒ２１とＩｒ２２が流れる。２次巻線Ｎ２の巻線Ｎ２１に流れる電流は、共振電流Ｉｒ１の正側半波を変流した電流である（図４（ｈ））。一方、２次巻線Ｎ２の巻線Ｎ２２に流れる電流は、共振電流Ｉｒ１の負側半波を変流した電流である（図４（i））。

ここで、制御回路７０ａは、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低いとき、コンデンサＣｏを充電するように第１と第３の双方向スイッチをオンオフさせる。一方、制御回路７０ａは、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高いとき、コンデンサＣｏを放電するように第１と第３の双方向スイッチをオンオフさせる。

例えば、図４（ｌ）に示すように、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がターンオンしたとき、スイッチ素子Ｑｒ１１が同時にターンオンする。次に、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ２がターンオンしたとき、スイッチ素子Ｑｒ２１が同時にターンオンする。このように、出力電圧Ｅｏが所定値よりも低いときは、スイッチ素子Ｑｒ１１とスイッチ素子Ｑｒ２１が、交互にオンオフを繰り返す（図（ｊ）（ｌ））。

したがって、スイッチ素子Ｑｒ１１，Ｑｒ２１がターンオンおよびターンオフするとき、それぞれのスイッチ素子に流れる電流は略０［Ａ］である。
スイッチ素子Ｑｒ１１，Ｑｒ２１のオンオフ動作によって電流Ｉｒ２１とＩｒ２２とは整流され、整流回路４０ａから出力される電流ＩｏはコンデンサＣｏを充電する直流電流（図４（ｋ）の正極性の電流）となる。

次に、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ１がターンオンしたとき、整流回路４０ａのスイッチ素子Ｑｒ１２がターンオンする。また、出力電圧Ｅｏが所定値よりも高くかつインバータ２０のスイッチ素子Ｑ２がターンオンしたとき、整流回路４０ａのスイッチ素子Ｑｒ２２がターンオンする（図４（ｊ）（ｌ））。

したがって、スイッチ素子Ｑｒ１２，Ｑｒ２４がターンオンおよびターンオフするとき、それぞれのスイッチ素子に流れる電流は略０［Ａ］である。
スイッチ素子Ｑｒ１２，Ｑｒ２２のオンオフ動作によって電流Ｉｒ２１とＩｒ２２は全波整流され、整流回路４０ａから出力される電流ＩｏはコンデンサＣｏを放電する直流電流（図４（ｋ）の負極性の電流）となる。

以上のとおり、整流回路４０ａが平滑コンデンサＣｏの電圧を充電及び放電する動作によって、本実施形態の電源装置は出力電圧を所定値に維持することができる。
さらに、整流回路４０ａのスイッチ素子Ｑｒ１１，１２とスイッチ素子Ｑｒ２１，２２とは、いずれもゼロ電流でターンオンおよびターンオフするので、スイッチング損失を低減することができる。

１・・・直流電源、２，２ａ，２０，２０ａ・・・インバータ、３，３０，３０ａ・・・トランス、４，４０，４０ａ・・・整流器、５・・・負荷、６・・・チョッパ、７０，７０ａ・・・制御回路。

Claims

直流電力を共振動作によって交流電力に変換するインバータと、
１次巻線に入力された前記交流電力を変換して２次巻線に出力するトランスと、
前記インバータの動作に同期して双方向スイッチを選択的にオンオフ動作させることによって前記トランスの２次巻線に生じた交流電力を直流電力に変換するとともに平滑コンデンサで平滑する整流回路と、
を備え、
前記整流回路は、前記平滑コンデンサの電圧が所定値以下のとき、前記トランスから前記平滑コンデンサに向かって充電電流が流れる方向に前記双方向スイッチを導通させ、
前記平滑コンデンサの電圧が所定値より高いとき、前記平滑コンデンサから前記トランスに向かって放電電流が流れる方向に前記双方向スイッチを導通させ、
前記双方向スイッチの導通方向は、電流が略ゼロのときに切り換えられる、
ことを特徴とする電源装置。
前記双方向スイッチの導通方向は、前記交流電力の半周期毎に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記双方向スイッチは、逆阻止能力を有するスイッチ素子を逆並列に接続してなることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の電源装置。
前記インバータは、
第１のコンデンサと第２のコンデンサとを直列接続してなり、その両端が直流電源に接続されるとともに、その接続中点が前記トランスの一端に接続されるコンデンサ直列回路と、
第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とを直列接続してなり、前記コンデンサ直列回路に並列に接続されるスイッチ素子直列回路と、
コンデンサとインダクタとが直列に接続され、その一端が前記スイッチ素子直列回路の接続中点に接続され、その他端が前記トランスの他端に接続されるＬＣ共振回路と、
を備える、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源装置。