JP6366543B2 - DC / DC converter - Google Patents
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Description
この発明は、直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータと、該インバータの出力を整流する整流回路とを備えたDC/DCコンバータに関するものである。 The present invention relates to a DC / DC converter including an inverter that converts a DC voltage into a high-frequency AC voltage and a rectifier circuit that rectifies the output of the inverter.
従来のDC/DCコンバータには、直流電源に対してそれぞれフルブリッジ型のインバータ回路を並列に接続し、各インバータにはそれぞれトランスの一次側を接続し、各トランスの二次側を直列に接続し、その後段に整流回路を設け、整流回路で整流された直流電流を負荷に供給するものが提案されている(例えば、下記の特許文献1参照)。 In a conventional DC / DC converter, a full-bridge type inverter circuit is connected in parallel to the DC power source, and the primary side of each transformer is connected to each inverter, and the secondary side of each transformer is connected in series. Then, a device in which a rectifier circuit is provided in the subsequent stage and a direct current rectified by the rectifier circuit is supplied to a load has been proposed (for example, see Patent Document 1 below).
上記の特許文献1に記載の従来技術では、一次側に対して二次側が高昇圧比となるようなDC/DCコンバータを低損失に構成することが可能となるものの、複数台のトランスの二次側を直列に接続してその後段に単一の整流回路を接続した構成となっている。このため、整流回路で直流化された後の出力電圧を検出し、その検出電圧に基づいて一次側の各インバータ回路の出力電圧を制御しようとしても、直流化される前のトランスの二次側の出力が合算されるため、二次側の直流化後の出力電圧を高精度に制御することが難しいという課題が残されている。 In the prior art described in Patent Document 1, a DC / DC converter in which the secondary side has a high step-up ratio with respect to the primary side can be configured with low loss. The secondary side is connected in series, and a single rectifier circuit is connected to the subsequent stage. For this reason, even if the output voltage after being converted to DC by the rectifier circuit is detected and the output voltage of each inverter circuit on the primary side is controlled based on the detected voltage, the secondary side of the transformer before being converted to DC Therefore, there remains a problem that it is difficult to control the output voltage after DC conversion on the secondary side with high accuracy.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、トランスの二次側の出力電圧を高精度に制御することができるDC/DCコンバータを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a DC / DC converter capable of controlling the output voltage on the secondary side of the transformer with high accuracy.
この発明は、直流電源に対して並列に接続される第1のインバータ回路及び第2のインバータ回路と、上記第1のインバータ回路の交流側に接続される第1の絶縁トランスと、上記第2のインバータ回路の交流側に接続される第2の絶縁トランスと、上記第1の絶縁トランス及び上記第2の絶縁トランスの二次側巻線にそれぞれ接続される第1の整流回路及び第2の整流回路と、上記第1の整流回路の出力を平滑する第1の平滑用コンデンサと、上記第1の平滑用コンデンサの正極に直列に接続されて上記第2の整流回路の出力を平滑する第2の平滑用コンデンサとから構成され、上記第1の平滑用コンデンサ及び上記第2の平滑用コンデンサの合計電圧を負荷に供給するDC/DCコンバータであって、
上記第2の平滑用コンデンサの電圧は上記第1の平滑用コンデンサの電圧より高く設定されるとともに、上記第1のインバータ回路はハードスイッチング回路により、上記第2のインバータ回路はソフトスイッチング回路によりそれぞれ構成されていることを特徴とする。
The present invention includes a first inverter circuit and a second inverter circuit connected in parallel to a DC power supply, a first insulation transformer connected to the AC side of the first inverter circuit, and the second A second insulation transformer connected to the AC side of the inverter circuit, a first rectifier circuit and a second rectifier circuit respectively connected to the first insulation transformer and the secondary winding of the second insulation transformer A rectifier circuit; a first smoothing capacitor for smoothing the output of the first rectifier circuit; and a first smoothing capacitor connected in series to the positive electrode of the first smoothing capacitor to smooth the output of the second rectifier circuit. A DC / DC converter configured to supply a total voltage of the first smoothing capacitor and the second smoothing capacitor to a load.
The voltage of the second smoothing capacitor is set higher than the voltage of the first smoothing capacitor, the first inverter circuit is set by a hard switching circuit, and the second inverter circuit is set by a soft switching circuit. It is configured.
この発明によれば、上記の構成とすることによって、低電圧側の第1のインバータ回路に対して微細な出力電圧制御を行うことができる。この結果として負荷に供給する全体の出力電圧の制御精度が向上する。また、高電圧側の第2のインバータ回路のスイッチング損失を低減できるため、装置全体の損失を低減することができる。その結果、高精度かつ低損失を同時に実現可能なDC/DCコンバータを実現することが可能となる。 According to this invention, with the above configuration, fine output voltage control can be performed on the first inverter circuit on the low voltage side. As a result, the control accuracy of the entire output voltage supplied to the load is improved. Further, since the switching loss of the second inverter circuit on the high voltage side can be reduced, the loss of the entire device can be reduced. As a result, it is possible to realize a DC / DC converter that can simultaneously realize high accuracy and low loss.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるDC/DCコンバータの回路構成図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a DC / DC converter according to Embodiment 1 of the present invention.
この実施の形態1のDC/DCコンバータは、入力となる直流電源1に対して互いに並列に接続された第1のインバータ回路100及び第2のインバータ回路200を備える。
The DC / DC converter according to the first embodiment includes a
第1のインバータ回路100は、直流電力を高周波交流に変換するためのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の自己消弧型半導体からなる4つの半導体スイッチ素子2a〜2dを有し、この第1のインバータ回路100の交流出力側には絶縁トランス3の一次巻線が接続されている。この絶縁トランス3の二次側巻線には、高周波交流を整流するためのダイオードからなる整流回路4が接続され、この整流回路4の後段側には出力平滑用リアクトル5と出力平滑用コンデンサ6が接続されている。また、出力平滑用コンデンサ6に対してはその電圧をセンシングするための電圧センサ7が設けられている。
The
なお、特許請求の範囲における第1の絶縁トランスが上記の絶縁トランス3に、第1の整流回路が上記の整流回路4に、第1の出力平滑用コンデンサが上記の出力平滑用コンデンサ6に、第1の電圧センサが上記の電圧センサ7に、それぞれ対応している。
In the claims, the first insulation transformer is the
第2のインバータ回路200は、直流電力を高周波交流に変換するためのIGBT等の自己消弧型半導体からなる4つの半導体スイッチ素子8a〜8dを有し、これらの各半導体スイッチ素子8a〜8dに対しては個別にスナバコンデンサ9a〜9dが並列に接続されている。また、この第2のインバータ回路200の交流出力側にはリアクトル10が接続されている。この場合のスナバコンデンサ9a〜9dとリアクトル10は、後述するように、第2のインバータ回路200について各半導体スイッチ素子8a〜8dのスイッチング損失を抑制するソフトスイッチング回路を実現するために設けられている。
The
第2のインバータ回路200の交流出力側のリアクトル10の後段側には絶縁トランス11の一次側巻線が接続されている。この絶縁トランス11の二次側巻線には高周波交流を整流するためのダイオードからなる整流回路12が接続され、その整流回路12の後段側には出力平滑用リアクトル13と出力平滑用コンデンサ14が接続されている。また、出力平滑用コンデンサ14に対しては、その電圧をセンシングするための電圧センサ15が設けられている。
The primary winding of the
なお、特許請求の範囲における第2の絶縁トランスが上記の絶縁トランス11に、第2の整流回路が上記の整流回路12に、第2の出力平滑用コンデンサが上記の出力平滑用コンデンサ14に、第2の電圧センサが上記の電圧センサ15に、それぞれ対応している。
In the claims, the second insulation transformer is the
そして、第1のインバータ回路100に対して設けられた出力平滑用コンデンサ6の正極側に、第2のインバータ回路200に対して設けられた出力平滑用コンデンサ14が直列に接続され、さらに両出力平滑用コンデンサ6、14の直列回路に対して並列に全体出力平滑用コンデンサ16が接続されている。したがって、各出力平滑用コンデンサ6、14のそれぞれの直流電圧の和が全体出力平滑用コンデンサ16の出力電圧となる。また、全体出力平滑用コンデンサ16に対してその電圧をセンシグンするための電圧センサ17が設けられている。そして、全体出力平滑用コンデンサ16の後段側に負荷18が接続されている。
An
上記の各電圧センサ7、15、17の検出出力は、制御回路300に入力されるとともに、第1、第2の各インバータ回路100、200を構成するそれぞれの半導体スイッチ素子2a〜2d、8a〜8dの駆動信号は、制御回路300から出力されている。この制御回路300が第1、第2のインバータ回路100、200の各半導体スイッチ素子2a〜2d、8a〜8dの動作を制御することで、負荷18に対して所望の直流電圧を出力する。
The detection outputs of the
次に、上記構成を備えたDC/DCコンバータの動作について説明する。
この実施の形態1のDC/DCコンバータにおいては、第1のインバータ回路100の交流出力を直流平滑化した出力電圧は、第2のインバータ回路200の交流出力を直流平滑化した出力電圧よりも低くなるように制御され、第1、第2のインバータ回路100、200を組み合わせて動作させる。この場合、低電圧側の第1のインバータ回路100では、ハードスイッチングによってデューティ比制御を行う一方、高電圧側の第2のインバータ回路200では、位相シフト方式を採用することでソフトスイッチングを行う。
Next, the operation of the DC / DC converter having the above configuration will be described.
In the DC / DC converter according to the first embodiment, the output voltage obtained by DC smoothing the AC output of the
まず、第1のインバータ回路100は、直流電源1からの入力電圧を、第1のインバータ回路100を構成する各半導体スイッチ素子2a〜2dをスイッチング駆動することによって電力変換を行う。
First, the
この場合、半導体スイッチ素子2a〜2dの内、半導体スイッチ素子2aと2d、または半導体スイッチ素子2bと2cが同時にオンした時に絶縁トランス3の一次側に電圧が発生し、二次側に電力が伝えられる。スイッチング動作は一般的には高周波のPWM動作を行い、半導体スイッチ素子2aと2d、または半導体スイッチ素子2bと2cが同時にオンする時間を等しくする。半導体スイッチ素子2aと2d、または半導体スイッチ素子2bと2cが同時にオンした場合において、直流電源1の電圧をVdc、絶縁トランス3の一次側巻線数をN1、二次側巻線数をN2とした場合、二次側巻線には図2(a)に示すようなVdc×N2/N1の電圧が発生する。
In this case, when the
これに応じて出力平滑用リアクトル5には、図2(b)に示すような電流が流れる。この場合、出力平滑用リアクトル5のインダクタンスをL、出力平滑用コンデンサ6の出力電圧をVout1とすると、ピーク時の電流Δiは次式で与えられる。
Accordingly, a current as shown in FIG. 2B flows through the
なお、それ以外の期間では、電流は出力平滑用リアクトル5→出力平滑用コンデンサ6→整流回路4→出力平滑用リアクトル5の経路で還流するため、電流は減少する。
In other periods, the current flows back through the path of the
次に、第1のインバータ回路100の制御について、図3を用いて説明する。
Next, control of the
制御回路300は、出力平滑用コンデンサ6の電圧を電圧センサ7によってセンシングしている。制御回路300は、その検出された電圧値Vout1と予め設定された出力電圧目標値Vout1*との誤差である差電圧ΔVout1(=Vout1*−Vout1)を差分器20で求め、その差電圧ΔVout1を誤差増幅部21で増幅する。その後、PWM制御部22でこの差電圧ΔVout1の大きさに応じたPWM波形をもつ駆動パルスを生成して半導体スイッチ素子2a〜2dを駆動する。このようなフィードバック制御を行うことにより、出力平滑用コンデンサ6の電圧値Vout1は出力電圧目標値Vout1*に近付くように制御される。
The
次に、第2のインバータ回路200の動作について、図4、図5、図6を用いて説明する。なお、電流の流れる経路は各図中において太い実線で示している。
Next, the operation of the
第2のインバータ回路200は、スイッチング損失を抑制するために位相シフト方式を採用することでソフトスイッチングを行う。
すなわち、例えば図4(a)に示すように、インバータ回路の半導体スイッチ素子8aおよび8dがオン状態の時、絶縁トランス11の一次側には直流電源1→半導体スイッチ素子8a→リアクトル10→絶縁トランス11→半導体スイッチ素子8d→直流電源1の経路で電流が流れる。
The
That is, for example, as shown in FIG. 4A, when the
この時、絶縁トランス11の二次側には絶縁トランス11→整流回路12→出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→絶縁トランス11の経路で電流が流れることで絶縁トランス11の一次側から二次側に電力伝達が行われる。
At this time, a current flows through the path of the insulating
次に、図4(b)に示すように、半導体スイッチ素子8aがオフした時、一次側の電流経路はリアクトル10→絶縁トランス11→半導体スイッチ素子8d→直流電源1→スナバコンデンサ9a→リアクトル10の経路と、リアクトル10→絶縁トランス11→半導体スイッチ素子8d→スナバコンデンサ9b→リアクトル10の経路で電流が流れる。
Next, as shown in FIG. 4B, when the
この時、半導体スイッチ素子8aの両端電圧はスナバコンデンサ9aの効果により、電圧の上昇が遅くなり、電圧上昇する前に電流遮断が行われるため、スイッチングロスが低減される。このようなスイッチングは一般にゼロボルトスイッチングと呼ばれる。また、スナバコンデンサ9aと9bの各電圧の和は直流電源1の電圧に等しくなるので、スナバコンデンサ9aの両端電圧の上昇とスナバコンデンサ9bの両端電圧の下降はほぼ等しくなる。
At this time, the voltage across the
また、この時、二次側電流は出力平滑用リアクトル13のエネルギーによって、出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→出力平滑用リアクトル13の経路、または、出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→絶縁トランス11→整流回路12→出力平滑用リアクトル13の経路で流れる。
Further, at this time, the secondary side current depends on the energy of the
図4(b)の状態はスナバコンデンサ9aの電圧がほぼ直流電源1の電圧に等しくなり、スナバコンデンサ9bの電圧がほぼゼロになるまで流れる。その状態になると、図4(c)に示すリアクトル10→絶縁トランス11→半導体スイッチ素子8d→半導体スイッチ素子8bの逆並列ダイオード→リアクトル10の経路で電流が流れる。
4B flows until the voltage of the
次に、図4(d)のように半導体スイッチ素子8bがオンするが、半導体スイッチ素子8がIGBTなど逆方向に電流が流れない素子の場合、図4(c)と電流の流れる経路は変わらない。この時、半導体スイッチ素子8bの両端にかかる電圧(スナバコンデンサ9bの電圧)はほぼゼロであることから、半導体スイッチ素子8bのスイッチングロスはほぼゼロであり、ゼロボルトスイッチングとなる。
Next, as shown in FIG. 4D, the
この状態から図5(e)に示すように半導体スイッチ素子8dをオフすると、一次側電流経路はリアクトル10→絶縁トランス11→スナバコンデンサ9d→半導体スイッチ素子8bの逆並列ダイオード→リアクトル10の経路、およびリアクトル10→絶縁トランス11→スナバコンデンサ9c→直流電源1→半導体スイッチ素子8bの逆並列ダイオード→リアクトル10の経路となる。
When the
この時、図4(b)での説明と同様に、半導体スイッチ素子8dはゼロボルトスイッチングとなる。さらに電流が流れ続けると、スナバコンデンサ9cの電圧がほぼゼロボルトに低下する。そして、スナバコンデンサ9dの電圧が直流電源1の電圧にほぼ等しくなると、電流経路は図5(f)に示すようにリアクトル10→絶縁トランス11→半導体スイッチ素子8cの逆並列ダイオード→直流電源1→半導体スイッチ素子8bの逆並列ダイオード→リアクトル10となる。
At this time, similarly to the description in FIG. 4B, the
次に、図5(g)に示すように、半導体スイッチ素子8cをオンすると、絶縁トランス11およびリアクトル10には逆方向の電圧が印加され、電流経路は直流電源1→半導体スイッチ素子8c→絶縁トランス11→リアクトル10→半導体スイッチ素子8b→直流電源1の経路で電流が流れる。この時、半導体スイッチ素子8cは両端電圧がほぼゼロの状態でオンするため、ゼロボルトスイッチングとなりスイッチングロスが発生しない。
Next, as shown in FIG. 5 (g), when the
また、この時、絶縁トランス11の二次側には絶縁トランス11→整流回路12→出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→絶縁トランス11の経路で電流が流れることで絶縁トランス11の一次側から二次側に電力伝達が行われる。
Also, at this time, the current flows through the path of the insulating
次に、図5(h)のように半導体スイッチ素子8bがオフした時、一次側の電流経路はリアクトル10→スナバコンデンサ9b→直流電源1→半導体スイッチ素子8c→絶縁トランス11→リアクトル10の経路、およびリアクトル10→スナバコンデンサ9a→半導体スイッチ素子8c→絶縁トランス11→リアクトル10の経路で電流が流れる。
Next, when the
この時、半導体スイッチ素子8bの両端電圧はスナバコンデンサ9bの効果により、電圧の上昇が遅くなり、電圧上昇する前に電流遮断が行われるため、ゼロボルトスイッチングとなる。また、この時、二次側電流は出力平滑用リアクトル13のエネルギーによって、出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→出力平滑用リアクトル13、または出力平滑用リアクトル13→出力平滑用コンデンサ14→整流回路12→絶縁トランス11→整流回路12→出力平滑用リアクトル13の経路で流れる。
At this time, the voltage across the
図5(h)の状態は、スナバコンデンサ9bの電圧がほぼ直流電源1の電圧に等しくなり、スナバコンデンサ9aの電圧がほぼゼロになるまで流れる。そして、その状態になると、図6(i)に示すリアクトル10→半導体スイッチ素子8aの逆並列ダイオード→半導体スイッチ素子8c→絶縁トランス11→リアクトル10の経路で電流が流れる。
The state of FIG. 5 (h) flows until the voltage of the
次に、図6(j)に示すように半導体スイッチ素子8aがオンするが、図6(i)と電流の流れる経路は変わらない。この時、半導体スイッチ素子8aの両端にかかる電圧(スナバコンデンサ9aの電圧)はほぼゼロであることから、ゼロボルトスイッチングとなる。
Next, as shown in FIG. 6 (j), the
この状態から図6(k)に示すように半導体スイッチ素子8cをオフすると、一次側電流経路はリアクトル10→半導体スイッチ素子8aの逆並列ダイオード→スナバコンデンサ9c→絶縁トランス11→リアクトル10の経路、およびリアクトル10→半導体スイッチ素子8aの逆並列ダイオード→直流電源1→スナバコンデンサ9d→絶縁トランス11→リアクトル10の経路となる。
When the
この時、半導体スイッチ素子8cはゼロボルトスイッチングとなる。さらに電流が流れ続けると、スナバコンデンサ9dの電圧がほぼゼロボルトに低下し、スナバコンデンサ9cの電圧が直流電源1の電圧にほぼ等しくなる。そうすると、電流経路は図6(l)に示すように、リアクトル10→半導体スイッチ素子8aの逆並列ダイオード→直流電源1→半導体スイッチ素子8dの逆並列ダイオード→絶縁トランス11→リアクトル10となる。その後、半導体スイッチ素子8dがオンして図4(a)の状態に戻る。
At this time, the
このように、第2のインバータ回路200は、以上のような動作を行うので、第2のインバータ回路200を構成する各半導体スイッチ素子8a〜8dについて、対角に位置する半導体スイッチ素子8aと8d、または半導体スイッチ素子8bと8cがオンする時間比率が高い程、二次側の出力平滑用コンデンサ14に発生する出力電圧を高くすることが可能となる。しかも、図4〜図6で説明したような位相シフト方式の制御により、第2のインバータ回路200は、スイッチング損失を抑制したソフトスイッチング動作が可能となる。
As described above, the
次に、第1、第2のインバータ回路100、200の各交流出力をそれぞれ直流平滑化して得られる各電圧の総和である合計出力電圧値を制御する手法について説明する。
Next, a method for controlling the total output voltage value, which is the sum of the voltages obtained by DC smoothing the AC outputs of the first and
この実施の形態1では、第1のインバータ回路100の交流出力を直流平滑化した出力電圧と、第2のインバータ回路200の交流出力を直流平滑化した出力電圧との総和である合計出力電圧値を、予め設定された合計出力電圧目標値Vout*に制御するため、第1のインバータ回路100を構成する各半導体スイッチ素子2a〜2dをスイッチングする際のデューティ比を制御してPWM動作を行う。
In the first embodiment, the total output voltage value that is the sum of the output voltage obtained by smoothing the alternating current output of the
ここで、上記説明の通り、制御回路300には、各出力平滑用コンデンサ6及び14の電圧をそれぞれ電圧センサ7及び15によってセンシングした電圧値Vout1及びVout2が入力されている。したがって、制御回路300は、センシングされた電圧値Vout1及びVout2、予め設定された合計出力電圧目標値Vout*、並びに第1のインバータ回路100の交流出力を直流平滑化した電圧の仮目標値Vout1**を用いて、第1のインバータ回路100についての出力電圧目標値Vout1*を次のようにして算出する。
Here, as described above, the
すなわち、図7に示すように、両電圧センサ7、15によってセンシングされた電圧の総和である合計出力電圧値(=Vout1+Vout2)と合計出力電圧目標値Vout*との差電圧ΔVout(=Vout*−(Vout1+Vout2))を差分器23で求める。そして、この差電圧ΔVoutを第1のインバータ回路100に接続された出力平滑用コンデンサ6の電圧の仮目標値Vout1**に対して加算器24によって加算する。この場合、上記の仮目標値Vout1**は、ゼロから第1のインバータ回路100が最大のデューティ比の下で出力可能な電圧の間の任意の値とする。そして、加算器24で加算された結果を新たな第1のインバータ回路100についての出力電圧目標値Vout1*(=Vout1**+ΔVout)として設定し、この出力電圧目標値Vout1*を図3に示した前述の差分器20に入力し、その差電圧ΔVout1を誤差増幅部21で増幅する。次いでPWM制御部22で差電圧ΔVout1の大きさに応じたPWM波形をもつ駆動パルスを生成して半導体スイッチ素子2a〜2dを駆動する。
That is, as shown in FIG. 7, the difference voltage ΔVout (= Vout * −) between the total output voltage value (= Vout1 + Vout2) that is the sum of the voltages sensed by both
この場合、第1のインバータ回路100で扱う電力は、第2のインバータ回路200で取り扱う電力よりも小さいため、この第1のインバータ回路100を構成する各半導体スイッチ素子2a〜2dで発生するスイッチング損失も小さくなる。したがって、半導体スイッチ素子2a〜2dの駆動周波数を第2のインバータ回路200を構成する半導体スイッチ素子8a〜8dの駆動周波数よりも高く設定することが可能となる。
In this case, since the electric power handled by the
以上のように、この実施の形態1のDC/DCコンバータは、上記のような低電圧側のハードスイッチング回路構成の第1のインバータ回路100と、高電圧側のソフトスイッチング回路構成の第2のインバータ回路200とを備えているので、取り扱う電力が大きくなる高電圧側の第2のインバータ回路200では低損失となる一方、微細な出力電圧制御が必要となる低電圧側の第1のインバータ回路100では高精度の電圧制御が可能となり、一般的に両立が困難な低損失と高精度の電圧制御を同時に実現することが可能となる。また、第1のインバータ回路100の駆動周波数を高く設定できるため、同じく出力電圧の高精度制御が可能となる。
As described above, the DC / DC converter according to the first embodiment includes the
なお、上記説明における自己消弧型の半導体スイッチ素子2a〜2d、半導体スイッチ素子8a〜8dはIGBT以外にも、GCT、GTO、トランジスタ、MOSFET等でもよい。また、リアクトル10は絶縁トランス11の漏れインダクタンスで兼ねても良く、半導体スイッチ素子2a〜2d、半導体スイッチ素子8a〜8dをMOSFETで構成した場合には逆並列ダイオードに電流を通過させない同期整流動作をさせてもよい。さらに、第1、第2のインバータ回路100、200は、フルブリッジ型のインバータ回路としているが、これに限らずハーフブリッジ型のインバータ回路など、他の回路構成でも構わない。また、この実施の形態1では、ゼロボルトスイッチングを行っているが、ゼロ電流スイッチングを行うことも可能である。
Note that the self-extinguishing
実施の形態2.
上記の実施の形態1では、図7および図3に示した構成により、第1、第2のインバータ回路100、200の各交流出力をそれぞれ直流平滑化して得られる各電圧の総和である合計出力電圧値を合計出力電圧目標値Vout*に制御するために、第1のインバータ回路100の半導体スイッチ素子2a〜2dをスイッチングする場合のデューティ比を制御してPWM動作を行う手法について説明した。
In the first embodiment, with the configuration shown in FIGS. 7 and 3, the total output that is the sum of the voltages obtained by DC smoothing the AC outputs of the first and
これに対して、この実施の形態2では、合計出力電圧値(=Vout1+Vout2)を合計出力電圧目標値Vout*に制御する場合において、第1のインバータ回路100を構成する半導体スイッチ素子2a〜2dをスイッチング駆動する際のデューティ比が予め設定した最大値または最小値を超える場合に対処するための制御について説明する。
On the other hand, in the second embodiment, when the total output voltage value (= Vout1 + Vout2) is controlled to the total output voltage target value Vout *, the
制御回路300は、図7に示した場合と同様に、センシングされた電圧値Vout1及びVout2、予め設定された合計出力電圧目標値Vout*、並びに第1のインバータ回路100の交流出力を直流平滑化した電圧の仮目標値Vout1**を用いて、第1のインバータ回路100についての出力電圧目標値Vout1*を算出する。
The
この第1のインバータ回路100についての出力電圧目標値Vout1*は、図3の場合とは異なり、図8に示すように、まず、デューティ変換回路25によって出力電圧目標値Vout1*の大きさに応じたデューティ比を指定するデューティ指令値X1に変換される。
Unlike the case of FIG. 3, the output voltage target value Vout1 * for the
ここで、デューティ変換回路25から出力されるデューティ指令値X1が、その後段に設置された最大値および最小値を決定するリミッタ26の範囲内の場合、デューティ指令値X1はリミッタ26で何ら制限されることなくそのまま次段のPWM制御部22に入力される。そして、PWM制御部22からはそのデューティ指令値X1に基づくPWM波形をもつ駆動パルスが生成されて第1のインバータ回路100を構成する各半導体スイッチ素子2a〜2dが駆動される。
Here, when the duty command value X1 output from the
これに対して、デューティ指令値X1がリミッタ26で規定される最大値および最小値の範囲外の場合、第1のインバータ回路100については、リミッタ26で規定された限度値X2が次段のPWM制御部22に入力される。そして、PWM制御部22からはその限度値X2に基づくPWM波形をもつ駆動パルスが生成されて第1のインバータ回路100を構成する各半導体スイッチ素子2a〜2dが駆動される。
On the other hand, when the duty command value X1 is outside the range of the maximum value and the minimum value specified by the
さらに、デューティ変換回路25から出力されるデューティ指令値X1がリミッタ26で規定される上限値または下限値を超える場合、制御回路300は、第2のインバータ回路200も同時にデューティ比を変更して駆動制御することにより、全体出力平滑用コンデンサ16の電圧値Voutを合計出力電圧目標値Vout*に追従させるようにする。この点について、以下説明する。
Further, when the duty command value X1 output from the
まず、第1のインバータ回路100についてのデューティ指令値X1がリミッタ26の上限値以上となる場合の第2のインバータ回路200の制御について説明する。
First, the control of the
デューティ指令値X1がリミッタ26の上限値以上となる場合には、差分器27でデューティ指令値X1と上限値との差分ΔXが演算され、この差分ΔXがデューティ補正値として出力される。一方、第2のインバータ回路200に接続された出力平滑用コンデンサ14の電圧の仮目標値Vout2**に基づいて、デューティ変換回路29は仮目標値Vout2**の大きさに応じたデューティ比を指定するデューティ指令値X3に変換する。そして、このデューティ指令値X3に上記のデューティ補正値ΔXが加算器30で加算され、その加算値X4がPWM制御部31に入力される。そして、PWM制御部31からはその補正後のデューティ指令値X4に基づくPWM波形を有する駆動パルスが生成されて第2のインバータ回路200を構成する各半導体スイッチ素子8a〜8dが駆動される。この場合、第2のインバータ回路200は、スイッチング損失を抑制するために位相シフト方式を採用しているので、対角に位置する半導体スイッチ素子8aと8d、および半導体スイッチ素子8bと8cがオンする時間比率が高くなるように制御される。
When the duty command value X1 is equal to or greater than the upper limit value of the
これにより、第2のインバータ回路200に接続された出力平滑用コンデンサ14の電圧は上昇し、それに伴い全体出力平滑用コンデンサ16の電圧も上昇する。そのため、第1のインバータ回路100についての出力電圧目標値Vout1*は低下するため、第1のインバータ回路100を駆動するPWM波形をもつ駆動パルスのデューティ比も減少する。
As a result, the voltage of the
次に、第1のインバータ回路100についてのデューティ指令値X1がリミッタ26の下限値以下となる場合の第2のインバータ回路200の制御について説明する。
Next, the control of the
デューティ指令値X1がリミッタ26の下限値以下となる場合には、上記と同様に、差分器27でデューティ指令値X1と下限値との差分ΔXが演算され、この差分ΔXがデューティ補正値として出力される。一方、第2のインバータ回路200に接続された出力平滑用コンデンサ14の電圧の仮目標値Vout2**に基づいて、デューティ変換回路29は仮目標値Vout2**の大きさに応じたデューティ比を指定するデューティ指令値X3に変換する。そして、このデューティ指令値X3に上記のデューティ補正値ΔXが加算器30で加算される。ただし、この場合、デューティ指令値X3に加算されるデューティ補正値ΔXは負の値となるため、第2のインバータ回路200に対する補正後のデューティ指令値X4は、補正前のデューティ指令値X3よりも小さい値となる。
When the duty command value X1 is less than or equal to the lower limit value of the
次いで、補正後のデューティ指令値X4がPWM制御部31に入力されるので、PWM制御部31からはその補正後のデューティ指令値X4に基づくPWM波形をもつ駆動パルスが生成されて第2のインバータ回路200を構成する各半導体スイッチ素子8a〜8dが駆動される。この場合、第2のインバータ回路200は、スイッチング損失を抑制するために位相シフト方式を採用しているので、対角に位置する半導体スイッチ素子8aと8d、および半導体スイッチ素子8bと8cがオンする時間比率が低くなるように制御される。
Next, since the corrected duty command value X4 is input to the
これにより、第2のインバータ回路200に接続された出力平滑用コンデンサ14の電圧は下降し、それに伴い全体出力平滑用コンデンサ16の電圧も下降する。そのため、第1のインバータ回路100の出力電圧目標値Vout1*は増加するため、第1のインバータ回路100を駆動するPWM波形をもつ駆動パルスのデューティ比も増加する。
As a result, the voltage of the
上記の制御を行う場合、第1のインバータ回路100に対して駆動パルスを生成するためのデューティ比制御の応答速度は、第2のインバータ回路200に対して駆動パルスを生成するためのデューティ比制御の応答速度よりも高速になるように設定することが好ましい。これにより、第1のインバータ回路100のデューティ比制御の応答速度は、第2のインバータ回路200のデューティ比制御の応答速度よりも高速であるので、常に安定した出力電圧制御を実現することができる。
When the above control is performed, the response speed of the duty ratio control for generating the drive pulse for the
以上のように、この実施の形態2では、低電圧側の第1のインバータ回路100を駆動制御する際のデューティ比が予め設定した最大値または最小値を超える場合には、高電圧側の第2のインバータ回路200でデューティ比を変更する制御を行うので、第1のインバータ回路100のデューティ比制御だけで対処できなくなった場合にも第2のインバータ回路200のデューティ比を補正することによって、高精度に出力電圧を維持することができ、全体出力平滑用コンデンサ16の電圧を目標値に追従させることが可能となる。
As described above, in the second embodiment, when the duty ratio when driving the
実施の形態3.
上記の実施の形態1では、第1、第2のインバータ回路100、200の各交流出力をそれぞれ直流平滑化して得られる各電圧の総和である合計出力電圧値を予め設定された合計出力電圧目標値Vout*に制御するため、図7に示したように、各出力平滑用コンデンサ6、14に対して個別に設けられた電圧センサ7、15でセンシングされた各電圧値Vout1、Vout2を加算して合計出力電圧値(=Vout1+Vout2)として利用している。
In the first embodiment, the total output voltage target that is the total output voltage value that is the sum of the voltages obtained by DC smoothing the AC outputs of the first and
これに対して、この実施の形態3では、図9に示すように、全体出力平滑用コンデンサ16に対して設けられた電圧センサ17によってセンシングされた電圧値Voutを合計出力電圧として利用する。図9におけるその他の構成は図7に示した場合と同様であるので詳しい説明は省略する。
In contrast, in the third embodiment, as shown in FIG. 9, the voltage value Vout sensed by the
したがって、図9の構成においても、図7の場合と同様、加算器24からは、新たな第1のインバータ回路100の出力電圧目標値Vout1*が出力されるので、この出力電圧目標値Vout1*を図3に示した前述の差分器20に入力し、その差電圧ΔVout1を誤差増幅部21で増幅し、次いでPWM制御部22で差電圧ΔVout1の大きさに応じたPWM波形をもつ駆動パルスを生成して半導体スイッチ素子2a〜2dを駆動する。
Accordingly, in the configuration of FIG. 9, as in the case of FIG. 7, the
このように、この実施の形態3では、低電圧側の第1のインバータ回路100のデューティ比を制御したPWM動作によって、電圧センサ17でセンシングして得られた合計出力電圧値Voutが合計出力電圧目標値Vout*に制御される。
Thus, in the third embodiment, the total output voltage value Vout obtained by sensing with the
なお、第1のインバータ回路100をスイッチング駆動する場合のデューティ比が予め設定した最大値または最小値を超える場合には、上記の実施の形態2に示した場合と同様にして第2のインバータ回路200をスイッチング駆動する際のデューティ比を補正する。
If the duty ratio when switching driving the
以上のように、この実施の形態3では、全体出力平滑用コンデンサ16の電圧を電圧センサ17でセンシングして得られた電圧値Voutに基づいて低電圧側の第1のインバータ回路100のデューティ比を制御したPWM動作を行うので、電圧センサの個数を削減しても出力電圧を高精度に制御することができ、かつ装置全体の構成を簡素にすることが可能となる。
As described above, in the third embodiment, the duty ratio of the
なお、この発明は、上記の実施の形態1〜3の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態1〜3の構成の一部に変形を加えたり、構成の一部を省略することができ、さらに、各実施の形態1〜3の構成を適宜組み合わせることが可能である。 The present invention is not limited to the configurations of the first to third embodiments described above, and modifications may be made to some of the configurations of the first to third embodiments without departing from the spirit of the present invention. In addition, a part of the configuration can be omitted, and the configurations of the first to third embodiments can be combined as appropriate.
1 直流電源、100 第1のインバータ回路、2a〜2d 半導体スイッチ素子、
3 絶縁トランス、4 整流回路、5 出力平滑用リアクトル、
6 出力平滑用コンデンサ、7 電圧センサ、200 第2のインバータ回路、
8a〜8d 半導体スイッチ素子、9a〜9d スナバコンデンサ、10 リアクトル、11 絶縁トランス、12 整流回路、13 出力平滑用リアクトル、
14 出力平滑用コンデンサ、15 電圧センサ、16 全体出力平滑用コンデンサ、
17 電圧センサ、18 負荷、300 制御回路。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply, 100 1st inverter circuit, 2a-2d Semiconductor switch element,
3 Insulation transformer, 4 rectifier circuit, 5 output smoothing reactor,
6 output smoothing capacitor, 7 voltage sensor, 200 second inverter circuit,
8a to 8d semiconductor switch element, 9a to 9d snubber capacitor, 10 reactor, 11 insulation transformer, 12 rectifier circuit, 13 output smoothing reactor,
14 output smoothing capacitor, 15 voltage sensor, 16 overall output smoothing capacitor,
17 voltage sensor, 18 load, 300 control circuit.
Claims (6)
上記第2の平滑用コンデンサの電圧は上記第1の平滑用コンデンサの電圧より高く設定されるとともに、上記第1のインバータ回路はハードスイッチング回路により、上記第2のインバータ回路はソフトスイッチング回路によりそれぞれ構成されていることを特徴とするDC/DCコンバータ。 A first inverter circuit and a second inverter circuit connected in parallel to the DC power supply, a first insulation transformer connected to the AC side of the first inverter circuit, and the second inverter circuit. A second insulation transformer connected to the alternating current side; a first rectification circuit and a second rectification circuit respectively connected to the first insulation transformer and the secondary winding of the second insulation transformer; A first smoothing capacitor for smoothing the output of the first rectifier circuit, and a second smoothing capacitor connected in series to the positive electrode of the first smoothing capacitor to smooth the output of the second rectifier circuit A DC / DC converter comprising a capacitor and supplying a total voltage of the first smoothing capacitor and the second smoothing capacitor to a load,
The voltage of the second smoothing capacitor is set higher than the voltage of the first smoothing capacitor, the first inverter circuit is set by a hard switching circuit, and the second inverter circuit is set by a soft switching circuit. A DC / DC converter characterized by being configured.
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