JP6395387B2 - コンバーター - Google Patents

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Description

本発明は、包括的には、少なくとも第１及び第２のスイッチ、第１のインダクター、第１のコンデンサー並びに少なくとも２つのダイオードと、第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなるコンバーターに関する。
太陽電池は、太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池によって生成される電気エネルギーは、経時的に抽出し、電力の形態で用いることができる。太陽電池によって提供される直流電力は、ＤＣ−ＤＣコンバーター回路及びＤＣ／ＡＣインバーター回路のような変換装置に提供される。
しかしながら、太陽電池の電流−電圧ドループ特性によって、太陽電池から引き出される電流に対し非線形に出力電力が変化する。光照射レベル及び動作温度のような気候変動に応じて電力−電圧曲線が変化する。
太陽電池アレイを動作させる近最適点は、電力が最大となる電流−電圧曲線の領域又はその近くにある。この点は最大電力点（ＭＰＰ：Maximum Power Point）と呼ばれる。
太陽電池の発電効率を最適にするように太陽電池をＭＰＰ付近で動作させることが重要である。
気候変動に応じて電力−電圧曲線が変化すると、ＭＰＰも気候変動に応じて変化する。
このため、任意の時点でＭＰＰを特定可能である必要がある。
そのために、ＤＣ−ＤＣコンバーターを任意の入力電圧及び／又は入力電流に適応させるためにＤＣ−ＤＣコンバーター回路のスイッチのデューティサイクルが変更される。
ＤＣ−ＤＣコンバーターは寄生容量又は浮遊容量を有する（parasitic or stray）インダクター及びスイッチを含むので、電流フローを急に遮断することにより、ファラデーの法則に従ってスイッチングデバイスの両端の電圧が急上昇することになる。この過渡事象は電磁干渉源となり得る。さらに、デバイスの両端に生成される電圧が、デバイスが耐えることを意図される電圧を超える場合、この電圧によってデバイスが損傷又は破壊する場合がある。スナバーが電流スイッチングデバイスを迂回する短期的な代替の電流経路を与え、それにより誘導性素子をより安全にかつ静かに放電することができる。
そのために、本発明は、少なくとも第１及び第２のスイッチ、第１のインダクター、第１のコンデンサー並びに少なくとも２つのダイオードと、第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなるＤＣ−ＤＣコンバーターに関する。このＤＣ−ＤＣコンバーターは、スナバー回路が、第２のインダクターと、少なくとも第２のコンデンサーと、第３のダイオード及び第４のダイオードとからなることと、第２のインダクターの放電が、第２のコンデンサーと第２のインダクターとからなる共振回路の期間の最大で半分の時間期間中に第２のコンデンサーを通じて、この時間期間後は第１のコンデンサーにおいて行われることとを特徴とする。
このため、電流フローを急に遮断することにより第２のスイッチの両端の電圧が急上昇することが回避される。
特定の特徴によれば、上記ＤＣ−ＤＣコンバーターは３レベルブーストコンバーターである。
第１の実現態様によれば、
第２のインダクターの第１の端子は、第１のスイッチの端子と、第１のコンデンサーの端子とに接続され、
第２のインダクターの第２の端子は、第３のダイオードのアノードと、第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
第３のダイオードのカソードは、第４のダイオードのアノードと、第２のコンデンサーの端子とに接続され、
第２のコンデンサーの第２の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力端子と、第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
第４のダイオードのカソードは、第１のコンデンサーの第２の端子に接続される。
このため、電流フローを急に遮断することにより第２のスイッチの両端の電圧が急上昇することが回避される。
第２の実現態様によれば、
第１のスイッチの端子は、第１のコンデンサーの端子と、第３のダイオードのアノードと、第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
第３のダイオードのカソードは、第４のダイオードのアノードと、第２のコンデンサーの端子とに接続され、
第２のコンデンサーの第２の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力端子と、第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
第１のコンデンサーの第２の端子は、第２のインダクターの第１の端子に接続され、
インダクターの第２の端子は、第４のダイオードのカソードに接続される。
このため、電流フローを急に遮断することにより第２のスイッチの両端の電圧が急上昇することが回避される。
特定の特徴によれば、ＤＣ−ＤＣコンバーターはブーストコンバーターである。
特定の特徴によれば、
第２のスイッチの第１の端子は、第１のコンデンサーの端子と、第３のダイオードのアノードとに接続され、
第３のダイオードのカソードは、第４のダイオードのアノードと、第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
第２のコンデンサーの第２の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの入力端子と、第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
第２のインダクターの第１の端子は、第２のコンデンサーの第１の端子に接続され、
第４のダイオードのカソードは、第２のインダクターの第２の端子に接続される。
このため、電流フローを急に遮断することにより第２のスイッチの両端の電圧が急上昇することが回避される。
特定の特徴によれば、スナバー回路は、第１の端子が第４のダイオードのアノードに接続され、第２の端子が第２のダイオードのアノードに接続される別のコンデンサーを更に備える。
特定の特徴によれば、ＤＣ−ＤＣコンバーターはバックコンバーターである。
特定の特徴によれば、
第１のスイッチの第１の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの第１の入力に接続され、
第３のダイオードのアノードは、第４のダイオードのカソードと、第３のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
第３のダイオードのカソードは、第２のインダクターの第１の端子と、第１のスイッチの第２の端子とに接続され、
第３のダイオードのアノードは、第４のダイオードのアノードと、第２のダイオードのカソードと、第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
第２のコンデンサーの第２の端子は、第２のインダクターの第２の端子と、第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
第２のスイッチの第２の端子は、第２のダイオードのカソードと、第１のインダクターの第１の端子とに接続され、
第１のインダクターの第２の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの第１の出力端子に接続され、
第４のコンデンサーの第２の端子は、ＤＣ−ＤＣコンバーターの第２の入力端子及び第２の出力端子と、第２のダイオードのアノードとに接続される。
このため、電流フローを急に遮断することにより第２のスイッチの両端の電圧が急上昇することが回避される。
特定の特徴によれば、スナバー回路は、第１の端子が第３のダイオードのアノードに接続され、第２の端子が第１のスイッチの第１の端子に接続される別のコンデンサーを更に備える。
特定の特徴によれば、コンバーターは双方向コンバーターであり、双方向コンバーターは、第３及び第４のスイッチと、第３及び第４のダイオードとを更に備え、スナバー回路は第４のスイッチを更に保護し、スナバー回路は第３のコンデンサーを更に備える。
本発明の特性は、実施形態の一例の以下の説明を読むことから更に明らかになり、その説明は添付の図面に関して作成されたものである。
本発明が実施される３レベルブーストコンバーターの第１の例を示す図である。 本発明が実施される３レベルブーストコンバーターの第２の例を示す図である。 本発明が実施されるブーストコンバーターの第３の例を示す図である。 本発明が実施されるバックコンバーターの第４の例を示す図である。 本発明が実施される双方向コンバーターの例を示す図である。 本発明が実施される３レベルコンバーター又は３レベル双方向コンバーターを備える装置の例を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第１段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第２段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第３段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第１段階、第２段階及び第３段階中の電流変動及び電圧変動を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第４段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第５段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第６段階中の等価電気回路を表す図である。 ３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第４段階、第５段階及び第６段階中の電流変動及び電圧変動を表す図である。
図１ａは、本発明が実施される３レベルブーストコンバーターの第１の例である。
３レベルブーストコンバーターは、インダクターＬ１、２つのダイオードＤ１及びＤ２、３つのコンデンサーＣ１、Ｃ２及びＣ３、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２と、本発明によるスナバー回路とからなる。
スナバー回路は、インダクターＬＳＮと、２つのダイオードＤＳＮ１及びＤＳＮ２と、コンデンサーＣＳＮとからなり、スイッチＳ２の導通／非導通状態の変化中のインダクターＬＳＮの脱磁(demagnetisation)を可能にし、コンデンサーＣＳＮの低速な充電／放電を可能にする。
３レベルブーストコンバーターは、２つの入力端子１０ａ及び１１ａを有する。例えば、３レベルブーストコンバーターは太陽光電池モジュールに接続される。本発明はまた、任意のＤＣ電源において適用可能である。
例えば、入力端子１０ａは電源の正極に接続され、入力端子１１ａは電源の負極に接続される。
コンデンサーＣ１は入力端子１０ａ及び１１ａと並列に接続される。
インダクターＬ１の第１の端子は、入力端子１０ａに接続される。インダクターＬ１の第２の端子は、スイッチＳ１の第１の端子と、ダイオードＤ１のアノードとに接続される。
スイッチＳ１の第２の端子は、スナバー回路のインダクターＬＳＮの第１の端子と、コンデンサーＣ２の第１の端子とに接続される。
インダクターＬＳＮは、スイッチＳ２の第１の端子と、ダイオードＤＳＮ１のアノードとに接続される。スイッチＳ２の第２の端子は入力端子１１ａに接続される。
コンデンサーＣ２の第２の端子は、ダイオードＤ１のカソードと、ダイオードＤ２のアノードとに接続される。
ダイオードＤ２のカソードは、３レベルブーストコンバーターの第１の出力端子ｌ２ａに接続される。
ダイオードＤＳＮ１のカソードは、ダイオードＤＳＮ２のアノードと、コンデンサーＣＳＮの第１の端子とに接続される。
ダイオードＤＳＮ２のカソードは、ダイオードＤ２のアノードに接続される。
コンデンサーＣＳＮの第２の端子は、３レベルブーストコンバーターの入力端子１１ａと、第２の出力端子１３ａとに接続される。
コンデンサーＣ３は、出力端子１２ａ及び１３ａと並列に接続される。
図１ｂは、本発明が実施される３レベルブーストコンバーターの第２の例である。
３レベルブーストコンバーターは、インダクターＬ１、２つのダイオードＤ１及びＤ２、３つのコンデンサーＣ１、Ｃ２及びＣ３、第１のスイッチＳ１及び第２のスイッチＳ２と、本発明によるスナバー回路とからなる。
スナバー回路は、インダクターＬＳＮと、２つのダイオードＤＳＮ１及びＤＳＮ２と、コンデンサーＣＳＮとからなり、スイッチＳ２の導通／非導通状態の変化中のインダクターＬＳＮの脱磁を可能にする。
３レベルブーストコンバーターは、２つの入力端子１０ｂ及び１１ｂを有する。例えば、３レベルブーストコンバーターは太陽光電池モジュールに接続される。本発明はまた、任意のＤＣ電源において適用可能である。
例えば、入力端子１０ｂは電源の正極に接続され、入力端子１１ｂは電源の負極に接続される。
コンデンサーＣ１は入力端子１０ｂ及び１１ｂと並列に接続される。
インダクターＬ１の第１の端子は、入力端子１０ｂに接続される。インダクターＬ１の第２の端子は、スイッチＳ１の第１の端子と、ダイオードＤ１のアノードとに接続される。
スイッチＳ１の第２の端子は、スイッチＳ２の第１の端子と、コンデンサーＣ２の第１の端子と、ダイオードＤＳＮ１のアノードとに接続される。スイッチＳ２の第２の端子は入力端子１１ｂに接続される。
コンデンサーＣ２の第２の端子は、ダイオードのＤ１のカソードと、インダクターＬＳＮの第１の端子とに接続される。
インダクターＬＳＮの第２の端子は、ダイオードＤ２のアノードと、ダイオードＤＳＮ２のカソードとに接続される。
ダイオードＤ２のカソードは、３レベルブーストコンバーターの第１の出力端子ｌ２ｂに接続される。
ダイオードＤＳＮ１のカソードは、ダイオードＤＳＮ２のアノードと、コンデンサーＣＳＮの第１の端子とに接続される。
ダイオードＤＳＮ２のカソードは、ダイオードＤ２のアノードに接続される。
コンデンサーＣＳＮの第２の端子は、３レベルブーストコンバーターの入力端子１１ｂと、第２の出力端子１３ｂとに接続される。
コンデンサーＣ３は、出力端子１２ｂ及び１３ｂと並列に接続される。
ここで、一実現形態では、図１ｂのスナバーは、図１ａに開示される３レベルブーストコンバーターのインダクターＬＳＮと同じ場所に位置する第２のインダクターＬＳＮ’を有することができることに留意すべきである。そのような実現形態の変形において、インダクターＬＳＮ’及びインダクターＬＳＮは磁気結合される。
図１ｃは、本発明が実施されるブーストコンバーターの第３の例である。
ブーストコンバーターは、インダクターＬ１、２つのダイオードＤ１及びＤ２、３つのコンデンサーＣ１、Ｃ２及びＣ３、第１のスイッチＳ１１及び第２のスイッチＳ１２と、本発明によるスナバー回路とからなる。
スナバー回路は、インダクターＬＳＮと、２つのダイオードＤＳＮ１及びＤＳＮ１と、２つのコンデンサーＣＳＮ１１及びＣＳＮ１２とからなり、スイッチＳ２の導通／非導通状態の変化中のインダクターＬＳＮの脱磁を可能にする。
ブーストコンバーターは２つの入力端子１０ｃ及び１１ｃを有する。例えば、ブーストコンバーターは太陽光電池モジュールに接続される。本発明はまた、任意のＤＣ電源において適用可能である。
例えば、入力端子１０ｃは電源の正極に接続され、入力端子１１ｃは電源の負極に接続される。
コンデンサーＣ１は、入力端子１０ｃ及び１１ｃと並列に接続される。
インダクターＬ１の第１の端子は、入力端子１０ｃに接続される。インダクターＬ１の第２の端子は、スイッチＳ１１の第１の端子とダイオードＤ１のアノードとに接続される。
スイッチＳ１１の第２の端子は、スナバー回路のインダクターＬＳＮの第１の端子と、コンデンサーＣ２の第１の端子とに接続される。
インダクターＬＳＮは、スイッチＳ２２の第１の端子と、ダイオードＤＳＮ１のアノードとに接続される。スイッチＳ２２の第２の端子は入力端子１１ｃに接続される。
コンデンサーＣ２の第２の端子は、ダイオードＤ１のカソードと、ダイオードＤ２のアノードとに接続される。
ダイオードＤ２のカソードは、ブーストコンバーターの第１の出力端子１２ｃに接続される。
ダイオードＤＳＮ１のカソードは、ダイオードＤＳＮ２のアノードと、コンデンサーＣＳＮ１１の第１の端子とに接続される。
ダイオードＤＳＮ１２のカソードは、ダイオードＤ２のアノードに接続される。
コンデンサーＣＳＮ１１の第２の端子は、ブーストコンバーターの入力端子１１ｃと第２の出力端子１３ｃとに接続される。
コンデンサーＣＳＮ１２の第１の端子は、コンデンサーＣＳＮ１１の第１の端子と、ダイオードＤ２のカソードとに接続される。
コンデンサーＣＳＮ１１及びコンデンサーＣＳＮ１２の挙動は相補的であることに留意しなくてはならない。コンデンサーＣＳＮ１１が充電するときコンデンサーＣＳＮ１２は放電し、コンデンサーＣＳＮ１１が放電するときコンデンサーＣＳＮ１２は充電する。
ここで、一実現形態では、図１ｃのスナバーは、図１ａに開示される３レベルブーストコンバーターのインダクターＬＳＮと同じ場所に位置する第２のインダクターＬＳＮ’を有することができることに留意すべきである。そのような実現形態の変形において、インダクターＬＳＮ’及びインダクターＬＳＮは磁気結合される。
コンデンサーＣ３は、出力端子１２ｃ及び１３ｃと並列に接続される。
図１ｄは、本発明が実施されるバックコンバーターの第４の例である。
バックコンバーターは、インダクターＬ２１、４つのダイオードＤ２１Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４、１つのコンデンサーＣ２２、第１のスイッチＳ２１及び第２のスイッチＳ２２と、本発明によるスナバー回路とからなる。
スナバー回路は、インダクターＬＳＮ２１と、２つのダイオードＤＳＮ２１及びＤＳＮ２２と、２つのコンデンサーＣＳＮ２１及びＣＳＮ２２とからなり、スイッチＳ２２の導通／非導通状態の変化中のインダクターＬＳＮの脱磁を可能にする。
バックコンバーターは２つの入力端子１０ｄ及び１１ｄを有する。例えば、バックコンバーターは太陽光電池モジュールに接続される。本発明はまた、任意のＤＣ電源において適用可能である。
例えば、入力端子１０ｄは電源の正極に接続され、入力端子１１ｄは電源の負極に接続される。
コンデンサーＣＳＮ２１の第１の端子は、入力端子１０ｄと、スイッチＳ２１の第１の端子とに接続される。
コンデンサーＣＳＮ２１の第２の端子は、ダイオードＤＳＮ２１のアノードと、コンデンサーＣＳＮ２２の第１の端子と、ダイオードＤＳＮ２２のカソードとに接続される。
ダイオードＤＳＮ２１のカソードは、インダクターＬＳＮの第１の端子と、スイッチＳ２１の第２の端子とに接続される。
コンデンサーＣＳＮ２２の第２の端子は、入力端子１１ｄと、出力端子１３ｄとに接続される。
ダイオードＤＳＮ２２のアノードは、ダイオードＤ２２のカソードと、コンデンサーＣ２２の第１の端子と、ダイオードＤ２１のアノードとに接続される。
コンデンサーＣ２２の第２の端子は、インダクターＬＳＮの第２の端子と、スイッチＳ２２の第１の端子とに接続される。
スイッチＳ２２の第２の端子は、ダイオードＤ２１のカソードと、インダクターＬ２１の第１の端子とに接続される。
インダクターＬ２１の第２の端子は、出力端子１２ｄと、コンデンサーＣ３の第１の端子とに接続される。
コンデンサーＣ３の第２の端子は出力端子１３ｄに接続される。
コンデンサーＣＳＮ１１及びコンデンサーＣＳＮ１２の挙動は相補的であることに留意しなくてはならない。コンデンサーＣＳＮ１１が充電するとき、コンデンサーＣＳＮ１２は放電し、コンデンサーＣＳＮ１１が放電するとき、コンデンサーＣＳＮ１２は充電する。
実現形態の一変形において、図１ｄのスナバーは、ダイオードＤ２２のカソードとダイオードＤ２１のアノードとの間に配置された第２のインダクターＬＳＮ’を有する場合があることに留意しなくてはならない。そのような実現形態の変形において、第２のインダクターＬＳＮ’及びインダクターＬＳＮは磁気結合されている。
図１ｅは、本発明が実施される双方向コンバーターの例である。
双方向コンバーターは、インダクターＬ３１、４つのダイオードＤ３１、Ｄ３１’、Ｄ３２及びＤ３２’、１つのコンデンサーＣ３２、第１のスイッチＳ３１、第２のスイッチＳ３２、第３のスイッチＳ３１’及び第４のスイッチＳ３２’と、本発明によるスナバー回路とからなる。
スナバー回路は、インダクターＬＳＮ３１と、２つのダイオードＤＳＮ３１及びＤＳＮ３２と、２つのコンデンサーＣＳＮ３１及びＣＳＮ３２とからなり、スイッチＳ３２及びＳ３２’の導通／非導通状態の変化中にインダクターＬＳＮの脱磁を可能にする。
双方向コンバーターは２つの端子１０ｅ及び１１ｅを有する。例えば、双方向コンバーターはバッテリに接続される。
双方向コンバーターは２つの端子１２ｅ及び１３ｅを有する。例えば、双方向コンバーターはＡＣ／ＡＣコンバーターに接続される。
コンデンサーＣＳＮ３１の第１の端子は、端子１０ｅと、ダイオードＤ３２’のカソードと、スイッチＳ２１の第１の端子とに接続される。
コンデンサーＣＳＮ３１の第２の端子は、コンデンサーＣＳＮ３２の第１の端子と、ダイオードＤＳＮ３１のアノードと、ダイオードＤＳＮ３２のカソードとに接続される。
スイッチＳ３２’の第２の端子は、インダクターＬＳＮの第１の端子と、ダイオードＤ３２’のアノードと、ダイオードＤＳＮ３１のカソードとに接続される。
インダクターＬＳＮの第２の端子は、ダイオードＤ３１’のカソードと、スイッチＳ３１’の第１の端子と、コンデンサーＣ３２の第１の端子とに接続される。
スイッチＳ３１’の第２の端子は、ダイオードＤ３１’のアノードと、ダイオードＤ３１のカソードと、インダクターＬ３１の第１の端子と、スイッチＳ３１の第１の端子とに接続される。
スイッチＳ３１の第２の端子は、ダイオードＤ３１のアノードと、ダイオードＤ３２のカソードと、ダイオードＤＳＮ３２のアノードと、スイッチＳ３２の第１の端子とに接続される。
スイッチＳ３２の第２の端子は、ダイオードＤ３２のアノードと、コンデンサーＣ３２の第２の端子と、端子１１ｅ及び１３ｆとに接続される。
スナバー回路は、スイッチＳ３２及びＳ３２’を保護する。
インダクターＬ３１の第２の端子は、端子１２ｅに接続される。
図２は、本発明が実施される３レベルコンバーター又は３レベル双方向コンバーターを備える装置の例である。
装置２０は、例えば、バス２０１によって互いに接続される構成要素と、プログラムによって制御されるプロセッサ２００とに基づくアーキテクチャーを有する。３レベルブーストコンバーター２０５の制御された出力電圧Ｖｏｕｔ又は制御された入力電圧Ｖｉｎを提供するために、プログラムは、スイッチＳ１及びＳ２の制御を可能にする。
ここで、一変形形態において、装置２０は、本明細書において以下で開示するようなプロセッサ２００によって実行される動作と同じ動作を実行する１つ又はいくつかの専用集積回路の形態で実装されることに留意されたい。
バス２０１は、プロセッサ２００を、読取り専用メモリＲＯＭ（：read only memory）２０２と、ランダムアクセスメモリＲＡＭ（：random access memory）２０３と、アナログ／デジタルコンバーターＡＤＣ（：analogue to digital converter）３０６と、
図１ａ若しくは図１ｂに開示されるような３レベルブーストコンバーター又は
図１ｃに開示されるようなブーストコンバーター又は
図１ｄに開示されるようなバックコンバーター又は
図１ｅに開示されるような双方向コンバーターとに連結する。
読取り専用メモリＲＯＭ２０２はプログラム命令を含み、これらのプログラム命令は、装置２０の電源がオンにされるとランダムアクセスメモリＲＡＭ２０３に転送される。
アナログ／デジタルコンバーター２０６は３レベルブーストコンバーター２０５に接続され、出力電圧Ｖｏｕｔを表す電圧をバイナリ情報に変換する。
図３ａは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第１段階中の等価電気回路を表す。
図３に与えられる等価回路は、図１ａに与えられる第１の例のために用いられる。図１ｂ、図１ｃ及び図１ｄに与えられる例のために、図３の教示から同様の等価回路を容易に導出することができる。
ここで、図３及び図５に開示される等価回路は、スイッチＳ２のデューティサイクルが１／２以上であるときに与えられることに留意しなくてはならない。
電流源ＩＬ１はインダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧である。インダクターＬ１の放電は、インダクターＬＳＮと、ダイオードＤＳＮ１と、コンデンサーＣＳＮとを通じて行われる。電圧ＶＳ２はスイッチＳ２の第１の端子と第２の端子との間の電圧である。
スイッチＳ２が導通状態から非導通状態に変化するとき、還流ダイオード（freewheeling diode）Ｄ２は逆ブロック(reverse blocke)されたままであるので、インダクターＬ１の電流ＩＬ１は一定であり、コンデンサーＣＳＮは充電される。
ダイオードＤＳＮ２の端子間の電圧は、コンデンサーＣ２の電圧を負にしたものに等しく、コンデンサーＣＳＮにおける電圧はゼロである。
電流ＩＬ１がコンデンサーＣＳＮに流れる。
ダイオードＤ２における電圧ＶＤ２は以下の式に等しい。
ＶＤ２＝−ＶＣ２−Ｖｏｕｔ−ＶＣＳＮ
式中、ＶＣＳＮはコンデンサーＣＳＮにおける電圧である。
ここで、ＣＳＮ値は、図１ｃ及び図１ｄの例においてそれぞれ、ＣＳＮ１１値とＣＳＮ１２値との和、ＣＳＮ１１値とＣＳＮ１２値との和によって置き換えられるべきであることに留意しなくてはならない。
ここで、Ｌ１は、図１ｄの例ではＬ２１によって置き換えられることにも留意しなくてはならない。
電流ＩＬ１は以下の式に等しい。
ＩＬ１＝ＣＳＮ＊ｄＶＣＳＮ／ｄｔ
このとき、ＶＣＳＮ（ｔ）＝ＩＬ１・ｔ／ＣＳＮである。式中、ｔは時間でありｄは導関数である。
ＣＳＮがＶＤ２−Ｖｏｕｔに達するとき、ＶＤ２＝０である。
ｔ＝ＣＳＮ＊（ＶＣ２−Ｖｏｕｔ）／ＩＬ１のとき、第１段階が終了する。
図３ｂは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第２段階中の等価電気回路を表す。
電流源ＩＬ１は、インダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧であり、電圧源Ｖｏｕｔは３レベルブーストコンバーターの出力における電圧である。インダクターＬ１の放電は、インダクターＬＳＮ、ダイオードＤＳＮ１及びコンデンサーＣＳＮを通じて行われる。電圧ＶＳ２は、スイッチＳ２の第１の端子と第２の端子との間の電圧である。
第１段階が終了すると、ダイオードＤ２は導通するが、ダイオードＤＳＮ２は依然として逆ブロックされている。インダクターＬＳＮ及びコンデンサーＣＳＮは、ダイオードＤＳＮ２が導通するまで振動する。しかしながら、ＬＳＮ及びＣＳＮの共振期間の半分よりも前にＬＳＮが完全に放電される場合、第２段階は終了することがある。
Figure 0006395387
 式中、ωＳＮはインダクターＬＳＮ及びコンデンサーＣＳＮの角周波数であり、ＩＬＳＮはＬＳＮの電流である。
Figure 0006395387
このとき、スイッチＳ２の両端の電圧はＶＳ２＝ＶＣＳＮである。
Figure 0006395387
 となると、第３段階が開始する。
図３ｃは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第３段階中の等価電気回路を表す。
電流源ＩＬ１はインダクターＬ１によって提供された電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧であり、電圧源Ｖｏｕｔは３レベルブーストコンバーターの出力における電圧である。ダイオードＤＳＮ２は導通する。
Figure 0006395387
 の場合、第３段階が開始する。
インダクターＬＳＮは、電圧−ＶＣ２が適用されると脱磁する。
Figure 0006395387
このとき、スイッチＳ２の両端の電圧はＶＳ２＝Ｖｏｕｔである。
このとき、第３段階が終了すると、ダイオードＤＳＮ１は逆バイアスされ、ＶＳ２＝Ｖｏｕｔ−ＶＣ２となる。
図４は、３レベルブーストコンバーターのスイッチが導通状態から非導通状態に移るときの第１段階、第２段階及び第３段階中の電流変動及び電圧変動を表す。
図４の（ａ）は、図３ａ〜図３ｃに開示される３つの段階中の、４０で表される電流ＩＬＳＮ及び４１で表される電流ＩＣＳＮの展開を表す。
図４の（ｂ）は、図３ａ〜図３ｃに開示される３つの段階中の、４５で表される電圧ＶＣＳＮ及び４６で表される電圧ＶＳ２の展開を表す。
図４において４２で表される第１段階の前に、電流ＩＣＳＮはゼロ値に等しい。スイッチＳ２がオフにされると、電流ＩＣＳＮはＩＬＳＮに等しくなる。コンデンサーＣＳＮは充電され、Ｓ２における電圧ＶＳ２は電圧ＶＣＳＮとともに大きくなる。ｔ＝ＣＳＮ＊（ＶＣ２−Ｖｏｕｔ）／ＩＬ１となったとき、第１段階は終了する。
図４において４３で表される第２段階中、ダイオードＤ２は導通しているがダイオードＤＳＮ２は依然として逆ブロックされている。インダクターＬＳＮ及びコンデンサーＣＳＮは、ダイオードＤＳＮ２が導通するまで振動する。電流ＩＣＳＮ及びＩＬＳＮは減少する。
電圧ＶＣＳＮとしての電圧ＶＳ２はＶｏｕｔの電圧値に達する。
Figure 0006395387
 になると、図４の４４で示す第３段階が開始する。電流ＩＬＳＮはコンデンサーＣ２に流れ始め、電圧ＶＳ２はＶｏｕｔ−ＶＣ２に等しくなり、電圧ＶＣ２はＶｏｕｔに等しくなる。
ここで、コンデンサーＣ２の値は、少なくともコンデンサーＣＳＮの値の１００倍に等しいことに留意しなくてはならない。コンデンサーＣ２は充電されているにもかかわらず、コンデンサーＣ２の電圧値は、スイッチＳ１のデューティサイクルを変更することによって一定に保たれる。
スイッチＳ１及びＳ２は同じタイプでない場合があることに留意しなくてはならない。例えば、スイッチＳ１は最大でＶＣ２まで動作することができ、スイッチＳ２は最大でＶｏｕｔまで動作することができる。スイッチＳ１のスイッチング時間はスイッチＳ２のスイッチング時間よりもはるかに短い場合がある。
例えば、スイッチＳ１及びスイッチＳ２は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴとすることができる。
図５ａは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第４段階中の等価電気回路を表す。
電流源ＩＬ１はインダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧であり、電圧源ＶｏｕｔはコンデンサーＣ３の電圧である。
スイッチＳ２は導通状態に切り替えられ、これは誘導性ターンオン効果に対応する。
Figure 0006395387
このとき、ＬＳＮ・ＩＬＳＮ／ｄｔ＝Ｖｏｕｔ−ＶＣ２≧０であり、次にインダクターＬＳＮが磁化される。
ＩＬ１がダイオードＤ２ではなくスイッチＳ２に流れるとき、Ｄ２は逆ブロックされ、両端の電圧は他の素子に依拠して展開する可能性がある。
第４段階の持続期間は、Δｔａ＝ＬＳＮ・ＩＬ１／（Ｖｏｕｔ−ＶＣ２）に等しい。
図５ｂは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第５段階中の等価電気回路を表す。
電流源ＩＬ１は、インダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２は、コンデンサーＣ２の電圧である。
第４段階が終了すると、ダイオードＤ２はブロックされ、コンデンサーＣＳＮの両端の電圧ＶＣＳＮは、電圧ＶＣ２よりも高く、ＶＣ２、ＬＳＮ及びＤＳＮ２を通じて放電する傾向がある。第２段階に開示されるのと同じ共振が生じ、散逸エネルギー伝達は存在しない。
以下の初期条件を考える。
ＶＣＳＮ＝Ｖｏｕｔ及びＩＬＳＮ＝ＩＬ１
Figure 0006395387
スナバーコンデンサーＣＳＮは、ＴＳＮ／２の前に放電しなくてはならない。ＴＳＮはＣＳＮ及びＬＳＮからなる共振回路の期間であり、これはＶｏｕｔ≧ＶＣ２＊２を意味する。
ＶＣＳＮ＝０となると、第５段階が終了し、第６段階が開始する。
図５ｃは、３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの、３レベルブーストコンバーターのインダクター放電の第６段階中の等価電気回路を表す。
電流源ＩＬ１はインダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧であり、電圧源ＶｏｕｔはコンデンサーＣ３の電圧である。
正電流がダイオードＤＳＮ２に流れ続け、ダイオードＤＳＮ１は、電圧ＶＣＳＮがゼロ値に達すると導通する。
第６段階は、以下となる前に開始する。
Figure 0006395387
次に、インダクターＬＳＮは脱磁される。
Figure 0006395387
図６は、３レベルブーストコンバーターのスイッチが非導通状態から導通状態に移るときの第４段階、第５段階及び第６段階中の電流変動及び電圧変動を表す。
図６の（ａ）は、図５ａ〜図５ｃに開示される３つの段階中の、６０で表される電流ＩＬＳＮ及び６１で表される電流ＩＣＳＮの展開を表す。
図６の（ｂ）は、図５ａ〜図５ｃに開示される３つの段階中の、６５で表される電圧ＶＣＳＮ及び６６で表される電圧ＶＳ２の展開を表す。
図６において６２で表される第４段階の前に、スイッチＳ２は非導通状態から導通状態に移る。
Figure 0006395387
このとき、ＬＳＮ・ＩＬＳＮ／ｄｔ＝Ｖｏｕｔ−ＶＣ２≧０であり、次にインダクターＬＳＮが磁化される。
ＩＬ１がダイオードＤ２ではなくスイッチＳ２に流れるとき、Ｄ２は逆ブロックされ、両端の電圧は他の素子に依拠して展開する可能性がある。
第４段階の持続時間は、Δｔａ＝ＬＳＮ・ＩＬ１／（Ｖｏｕｔ−ＶＣ２）に等しい。
図６において６３で表される第４段階が終了すると、第５段階が開始する。ダイオードＤ２はブロックされ、コンデンサーＣＳＮの両端の電圧ＶＣＳＮは電圧ＶＣ２よりも高く、ＶＣ２、ＬＳＮ、及びＤＳＮ２を通じて放電する傾向がある。第２段階において開示されるのと同じ共振が生じ、散逸エネルギー伝達は存在しない。
以下の初期条件を考える。
ＶＣＳＮ＝Ｖｏｕｔ及びＩＬＳＮ＝ＩＬ１
Figure 0006395387
スナバーコンデンサーＣＳＮは、ＴＳＮ／２の前に放電しなくてはならず、ここでＴＳＮはＣＳＮ及びＬＳＮからなる共振回路の期間であり、これはＶｏｕｔ≧ＶＣ２＊２を意味する。
ＶＣＳＮ＝０となると、第５段階が終了し、第６段階が開始する。
電流源ＩＬ１はインダクターＬ１によって提供される電流であり、電圧源ＶＣ２はコンデンサーＣ２の電圧であり、電圧源ＶｏｕｔはコンデンサーＣ３の電圧である。
正電流がダイオードＤＳＮ２に流れ続け、ダイオードＤＳＮ１は、電圧ＶＣＳＮがゼロ値に達すると導通する。
第６段階は、以下となる前に開始する。
Figure 0006395387
次に、インダクターＬＳＮは脱磁される。
Figure 0006395387
当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、上述した本発明の実施形態に対して多くの変更を行うことができる。

Claims (7)

  1. 少なくとも第１及び第２のスイッチ、第１のインダクター（Ｌ１）、第１のコンデンサー（Ｃ２）並びに少なくとも第１及び第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、前記第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなる３レベルブーストコンバーターであって、
    前記スナバー回路は、第２のインダクター（ＬＳＮ）と、第２のコンデンサー（ＣＳＮ）と、第３及び第４のダイオード（ＤＳＮ１、ＤＳＮ２）とからなり、
    前記第１のスイッチの第１の端子は、前記第１のインダクターの第２の端子と、前記第１のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子に接続され、
    前記第２のスイッチの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子に接続され、
    前記第１のインダクターの第１の端子は、該コンバーターの第２の入力端子に接続され、
    前記第１のダイオードのカソードは、前記第１のコンデンサーの第２の端子に接続され、
    前記第２のダイオードのカソードは、該コンバーターの第１の出力端子に接続され、
    前記第２のインダクターの第１の端子は、前記第１のスイッチの第２の端子と、前記第１のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第２のインダクターの第２の端子は、前記第３のダイオードのアノードと、前記第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
    前記第３のダイオードのカソードは、前記第４のダイオードのアノードと、前記第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第２のコンデンサーの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子と、前記第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
    前記第４のダイオードのカソードは、前記第１のコンデンサーの第２の端子に接続され、
    前記コンバーターの第２の出力端子は、前記コンバーターの第１の入力端子に接続され、
    前記第２のダイオードのアノードは、前記第４のダイオードのカソードに接続され、
    前記第２のインダクターの放電は、前記第２のコンデンサーと前記第２のインダクターとからなる共振回路の共振周波数に対応する周期の最大で半分の時間期間中は前記第２のコンデンサーを通じて行われ、該時間期間後は前記第１のコンデンサーにおいて行われることを特徴とする、３レベルブーストコンバーター。
  2. 少なくとも第１及び第２のスイッチ、第１のインダクター（Ｌ１）、第１のコンデンサー（Ｃ２）並びに少なくとも第１及び第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、前記第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなる３レベルブーストコンバーターであって、
    前記スナバー回路は、第２のインダクター（ＬＳＮ）と、第２のコンデンサー（ＣＳＮ）と、第３及び第４のダイオード（ＤＳＮ１、ＤＳＮ２）とからなり、
    前記第１のスイッチの第１の端子は、前記第１のインダクターの第２の端子と、前記第１のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子に接続され、
    前記第２のスイッチの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子に接続され、
    前記第１のインダクターの第１の端子は、該コンバーターの第２の入力端子に接続され、
    前記第１のダイオードのカソードは、前記第１のコンデンサーの第２の端子に接続され、
    前記第２のダイオードのカソードは、該コンバーターの第１の出力端子に接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子と、前記第３のダイオードのアノードと、前記第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
    前記第３のダイオードのカソードは、前記第４のダイオードのアノードと、前記第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第２のコンデンサーの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子と、前記第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
    前記第１のコンデンサーの第２の端子は、前記第２のインダクターの第１の端子に接続され、
    前記第２のインダクターの第２の端子は、前記第４のダイオードのカソードに接続され、
    前記第２のダイオードのアノードは、前記第４のダイオードのカソードに接続され、
    前記第２のインダクターの放電は、前記第２のコンデンサーと前記第２のインダクターとからなる共振回路の共振周波数に対応する周期の最大で半分の時間期間中は前記第２のコンデンサーを通じて行われ、該時間期間後は前記第１のコンデンサーにおいて行われることを特徴とする、３レベルブーストコンバーター。
  3. 少なくとも第１及び第２のスイッチ、第１のインダクター（Ｌ１）、第１のコンデンサー（Ｃ２）並びに少なくとも第１及び第２のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、前記第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなるブーストコンバーターであって、
    前記スナバー回路は、第２のインダクター（ＬＳＮ）と、第２のコンデンサー（ＣＳＮ）と、第３及び第４のダイオード（ＤＳＮ１、ＤＳＮ２）とからなり、
    前記第１のスイッチの第１の端子は、前記第１のインダクターの第２の端子と、前記第１のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子に接続され、
    前記第２のスイッチの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子に接続され、
    前記第１のインダクターの第１の端子は、該コンバーターの第２の入力端子に接続され、
    前記第１のダイオードのカソードは、前記第１のコンデンサーの第２の端子に接続され、
    前記第２のダイオードのカソードは、該コンバーターの第１の出力端子に接続され、
    前記第２のスイッチの第１の端子は、前記第２のインダクターの第２の端子と、前記第３のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第３のダイオードのカソードは、前記第４のダイオードのアノードと、前記第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第２のコンデンサーの第２の端子は、該コンバーターの第１の入力端子と、前記第２のスイッチの第２の端子とに接続され、
    前記第２のインダクターの第１の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子に接続され、
    前記第４のダイオードのカソードは、前記第１のコンデンサーの第２の端子に接続され、
    前記第２のダイオードのアノードは、前記第４のダイオードのカソードに接続され、
    前記第２のインダクターの放電は、前記第２のコンデンサーと前記第２のインダクターとからなる共振回路の共振周波数に対応する周期の最大で半分の時間期間中は前記第２のコンデンサーを通じて行われ、該時間期間後は前記第１のコンデンサーにおいて行われることを特徴とする、ブーストコンバーター。
  4. 前記スナバー回路は、第１の端子が前記第４のダイオードのアノードに接続され、第２の端子が前記第２のダイオードのカソードに接続される、別のコンデンサー（ＣＳＮ２２）を更に備えることを特徴とする、請求項３に記載のブーストコンバーター。
  5. 少なくとも第１及び第２のスイッチ（Ｓ２１、Ｓ２２）、第１のインダクター（Ｌ２１）、第１のコンデンサー（Ｃ２２）並びに少なくとも第１及び第２のダイオードと、前記第２のスイッチを保護するスナバー回路とからなるバックコンバーターであって、
    前記スナバー回路は、第２のインダクター（ＬＳＮ）と、第２のコンデンサーと、第３及び第４のダイオード（ＤＳＮ２１、ＤＳＮ２２）とからなり、
    前記第１のスイッチの第１の端子は、該コンバーターの第１の入力端子に接続され、
    前記第３のダイオードのアノードは、前記第４のダイオードのカソードと、前記第２のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第３のダイオードのカソードは、前記第２のインダクターの第１の端子と、前記第１のスイッチの第２の端子とに接続され、
    前記第２のダイオードのカソードは、前記第４のダイオードのアノードと、前記第１のダイオードのアノードと、前記第１のコンデンサーの第１の端子とに接続され、
    前記第１のコンデンサーの第２の端子は、前記第２のインダクターの第２の端子と、前記第２のスイッチの第１の端子とに接続され、
    前記第２のスイッチの第２の端子は、前記第１のダイオードのカソードと、前記第１のインダクターの第１の端子とに接続され、
    前記第１のインダクターの第２の端子は、該コンバーターの第１の出力端子に接続され、
    前記第２のコンデンサーの第２の端子は、該コンバーターの第２の入力端子及び第２の出力端子と、前記第２のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第２のインダクターの放電は、前記第２のコンデンサーと前記第２のインダクターとからなる共振回路の共振周波数に対応する周期の最大で半分の時間期間中は前記第２のコンデンサーを通じて行われ、該時間期間後は前記第１のコンデンサーにおいて行われることを特徴とする、バックコンバーター。
  6. 前記スナバー回路は、第１の端子が前記第３のダイオードのアノードに接続され、第２の端子が前記第１のスイッチの第１の端子に接続される、別のコンデンサーを更に備えることを特徴とする、請求項５に記載のバックコンバーター。
  7. 少なくとも第１〜第４のスイッチ、第１のインダクター、第１のコンデンサー並びに少なくとも第１〜第４のダイオードと、前記第２及び第４のスイッチを保護するスナバー回路とからなる双方向コンバーターであって、
    前記スナバー回路は、第２のインダクターと、第２及び第３のコンデンサーと、第５及び第６のダイオードとからなり、
    前記第１のスイッチの第１の端子は、前記第３のスイッチの第２の端子と、前記第１のインダクターの第１の端子と、前記第１のダイオードのカソードと、前記第３のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第１のスイッチの第２の端子は、前記第２のスイッチの第１の端子と、前記第１のコンデンサーの第２の端子と、前記第１のダイオードのアノードと、前記第２のダイオードのカソードと、前記第６のダイオードのアノードとに接続され、
    前記第２のスイッチの第２の端子は、前記第２のダイオードのアノードと、前記第３のコンデンサーの第２の端子と、該コンバーターの第２の入力端子及び第２の出力端子とに接続され、
    前記第３のスイッチの第１の端子は、前記第１のコンデンサーの第１の端子と、前記第３のダイオードのカソードと、前記第２のインダクターの第１の端子とに接続され、
    前記第４のスイッチの第１の端子は、前記第４のダイオードのカソードと、前記第２のコンデンサーの第１の端子と、該コンバーターの第１の入力端子とに接続され、
    前記第４のスイッチの第２の端子は、前記第４のダイオードのアノードと、前記第２のインダクターの第２の端子と、前記第５のダイオードのカソードとに接続され、
    前記第１のインダクターの第２の端子は、該コンバーターの第１の出力端子に接続され、
    前記第２のコンデンサーの第２の端子は、前記第３のコンデンサーの第１の端子と、前記第５のダイオードのアノードと、前記第６のダイオードのカソードとに接続され、
    前記第２のインダクターの放電は、前記第２のコンデンサーと前記第２のインダクターとからなる共振回路の共振周波数に対応する周期の最大で半分の時間期間中は前記第２のコンデンサーを通じて行われ、該時間期間後は前記第１のコンデンサーにおいて行われることを特徴とする、双方向コンバーター。
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