JP6714887B2 - 共振インバータおよび共振型電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、メインスイッチの動作電圧を容易に低減できる共振インバータおよび共振型電源装置に関するものである。

下記特許文献１には、複数の共振周波数をもっており、スイッチを１８０°の位相差で駆動できるプッシュプル型共振インバータが開示されている。特許文献１に開示のインバータは、共通の接地によって互いに結合させた２つのシングルエンド型ＥＦ２インバータセクションを少なくとも一つの負荷に結合された共振を有するプッシュプルインバータであり、プッシュプル各セクションの高周波を独立に同調させるような結合を用いていることも開示されている。この構成では、セクション１の第１の高調波共振器と第２の高調波共振器の共振周波数とセクション２の第１の高調波共振器と第２の高調波共振器の共振周波数を別々にコントロールし、各セクションの第２の高調波共振器の共振素子の一部を共有する構成も開示されている。この結果、各セクションのスイッチ素子から見たインピーダンスは、シングルエンドのスイッチ素子から見たインピーダンスと同じであり、各セクションのスイッチ波形とシングルエンドのスイッチ波形が同じになることも開示されている。また、ＥＦ２級動作では、駆動周波数の第２高調波で低いインピーダンスが必要で、このインピーダンスを各セクションの第２の高調波共振器で生成することが開示されている。

開示されているプッシュプルインバータは、シングルエンドのインバータを２つ結合したものであり、単純にシングルエンドインバータの２倍の電力を扱うことが可能になる。また、一般的に高周波のインバータに於いて、ブリッジ回路等のハイサイドスイッチを高周波で駆動することは、短い時間のデッドタイムを保証しなければならず、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの貫通電流防止の観点で難しい。これに対して、開示されているプッシュプルインバータはローサイドスイッチのみを駆動する為、高周波駆動のインバータの電力範囲を拡大するのに有効な方法である。

米国特許第７９２４５８０号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されている従来のプッシュプル型共振インバータでは、各インバータセクション毎に第２の高調波共振器の共振周波数を調整する必要があり、各セクションの共振周波数がずれた場合に、セクション間の波形がアンバランスになり、トランスが飽和あるいは、スイッチの動作電圧が増大し、スイッチの寿命に悪影響を及ぼす恐れがある。また、特許文献１には、第２の高調波共振器の共振周波数を発振周波数の２倍に設定することが開示されているが、必ずしも第２の高調波共振器の共振周波数を発振周波数の２倍の共振周波数に設定することでスイッチの動作電圧を最低にできる訳ではなく、バラツキ等を考慮した場合、スイッチの寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、各セクション間のスイッチの波形アンバランスを排除し、スイッチの動作電圧を低減することによりスイッチの寿命に悪影響を及ぼすことがなく、かつ、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータ及び共振型電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、本発明に係わる共振型インバータは、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、第１のスイッチ及び第２のスイッチのそれぞれに並列接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、第１のスイッチと入力電圧端子との間に設けられた第１のコイルと、第２のスイッチと入力電圧端子との間に設けられた第２のコイルと、第１のコイルと第２のコイルの直列回路と並列に接続されると共に、互いに直列に接続された第３のコイル及び第３の容量素子と、を備え、第１の容量素子及び第２の容量素子と、第１のコイル及び第２のコイルにより複数の第１の共振回路を構成し、第３のコイル及び第３の容量素子により第２の共振回路を構成する。

これにより、共振回路の構成が簡略化できるため、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータを提供することができる。また、共振回路を構成する容量素子が減らせるため、共振周波数の設定が簡略化されることによりスイッチの波形アンバランスが排除されるので、スイッチの動作電圧を低減し、スイッチの寿命に悪影響を及ぼすことがない共振インバータを提供することができる。

また、本発明に係わる共振型インバータ回路は、第２の共振回路は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを駆動する駆動周波数の２倍より大きく２．７５倍以下の共振周波数をもってもよい。これにより、スイッチの動作電圧が低減された共振インバータを提供することができる。

また、本発明に係わる共振型電源装置は、共振インバータと、共振インバータに接続される共振整流器を有する。これにより、整流器も共振型で構成できるので、装置の小型化に寄与する共振型電源装置を提供することができる。

本発明によれば、各セクション間のスイッチの波形アンバランスを排除し、スイッチの動作電圧を低減することによりスイッチの寿命に悪影響を及ぼすことがなく、かつ、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振インバータ回路であり、第３のコイルと第３のコンデンサがインバータセクション間で共有されているものである。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る共振インバータ回路であり、第１の実施形態の構成から、各インバータセクションの第１のコイルを１つのデバイスとして構成し中点を設けたものである。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る共振インバータ回路であり、第１の実施形態の構成から、共振整流器側に絶縁トランスを設けたものである。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る共振インバータ回路であり、第３の実施形態の構成から、各インバータセクションの第１のコイルを１つのデバイスとして構成し中点を設けたものである。 図５は本発明による共振インバータにおいて、第２の共振周波数とスイッチのドレイン−ソース電圧を示した説明図である。 図６は、従来の共振型シングルエンドインバータの例を示した説明図である。 図７は、従来の共振インバータのインピーダンス特性を示した説明図である。

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。

発明の実施の形態を図面を参照し、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る共振コンバータ１ａ（共振型電源装置）の構成を示す回路図である。図１に示す共振コンバータ１ａは、一対の入力端子２ａ−２ｂ（以下、特に指定しない時は入力端子２ともいう）、出力端子３ａ−３ｂ（以下、特に指定しない時は出力端子３ともいう）、共振インバータ４ａ、共振整流器５ａを備え、入力端子２に入力される入力電圧（直流電圧）Ｖ１を出力電圧（直流電圧）Ｖ２に変換して出力端子３から出力する。共振コンバータ１ａは、入力端子２に入力電圧Ｖ１、入力電流ｉ１を入力
して、出力端子３から出力電圧Ｖ２、負荷電流ｉ２を出力する。

共振インバータ４ａは、各インバータセクションに１つずつ、スイッチと入力コンデンサを備える。スイッチは、スイッチ１１（第１のスイッチ）、スイッチ１５（第２のスイッチ）であり、入力コンデンサは、入力コンデンサ６（第１の容量素子）、入力コンデンサ１２（第２の容量素子）である。また、第１の共振コイル７、第２の共振コイル１３、第１の共振コンデンサ８、第２の共振コンデンサ１４を備え、各インバータセクションに共通の第３の共振コイル９、第３の共振コンデンサ１０を備えている。共振コンバータ１ａの一例として、共振降圧型コンバータの回路方式で構成されており、入力端子２から入力される入力電圧Ｖ１を交流電圧に変換する。

ここでいう各インバータセクションとは、少なくとも入力コンデンサ６と、スイッチ１１と、第１の共振コンデンサ８と、第１の共振コイル７とを含む第１のインバータセクションと、少なくとも入力コンデンサ１２と、スイッチ１５と、第２の共振コンデンサ１４と、第２の共振コイル１３とを含む第２のインバータセクションをいう。

入力端子２ａは、入力コンデンサ６の一端と第１の共振コイル７の一端と接続されている。第１の共振コイル７の他端は、第１のスイッチ１１のドレイン及び第１の共振コンデンサ８の一端と接続されている。第１のスイッチ１１のソースは、第１の共振コンデンサ８の他端、入力コンデンサ６の他端及び入力端子２ｂと接続されている。従って、第１のスイッチ１１と第１の共振コンデンサ８とは並列に接続されている。第１のスイッチ１１は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第１のスイッチ１１のドレインと接続され、アノードは第１のスイッチ１１のソースと接続されている。第１のスイッチ１１のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。以上により第１のインバータセクションを構成する。

入力端子２ａは、入力コンデンサ１２の一端と第２の共振コイル１３の一端と接続されている。第２の共振コイル１３の他端は、第２のスイッチ１５のドレイン及び第２の共振コンデンサ１４の一端と接続されている。第２のスイッチ１５のソースは、第２の共振コンデンサ１４の他端、入力コンデンサ１２の他端及び入力端子２ｂと接続されている。従って、第２のスイッチ１５と第２の共振コンデンサ１４とは並列に接続されている。第２のスイッチ１５は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第２のスイッチ１５のドレインと接続され、アノードは第２のスイッチ１５のソースと接続されている。第２のスイッチ１５のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。以上により第２のインバータセクションを構成する。

第１の共振コイル７と第１の共振コンデンサ８により共振回路を構成し、第２の共振コイル１３と第２の共振コンデンサ１４により共振回路を構成することで、複数の第１の共振回路を構成している。

第３の共振コイル９の一端と、第３の共振コンデンサ１０（第３の容量素子）の一端は、直列に接続されている。第３の共振コイル９の他端は、第２の共振コイル１３の他端、第２のスイッチ１５のドレイン及び第２の共振コンデンサ１４の一端と接続される。第３の共振コンデンサ１０の他端は、第１の共振コイル７の他端、第１のスイッチ１１のドレイン及び第１の共振コンデンサ８の一端と接続される。第３の共振コイル９と、第３の共振コンデンサ１０によって、第２の共振回路が構成されている。

この時、スイッチ１１、１５には、それぞれ入力端子２ｂから２ａの方向に逆方向導通ダイオードと２ｂ−２ａ間端子間容量が含まれるが、前記端子間容量については、それぞれ共振コンデンサ８、１４に含まれるものとして考慮する。

共振整流器５ａは、各インバータセクションに１つずつ整流ダイオード２６、３３、出力コンデンサ２７、３４、共振コイル２２、２９、共振コンデンサ２３、３０、共振コイル２４、３１、共振コンデンサ２５、３２を備えている。共振コンデンサ２５、３２には、整流ダイオード２６、３３の接合容量を含むものとする。共振整流器５ａは、共振インバータ４ａで生成された交流電圧を入力し出力電圧Ｖ２に変換して出力端子３に出力する。共振インバータ４ａに接続される整流器も共振型とすることで、共振型電源装置全体を小型化することができる。

第１の実施形態では、第２の共振回路を構成している第３の共振コイル９と第３の共振コンデンサ１０がインバータセクション間に挿入されている為、従来の共振インバータと比較すると、第２の共振周波数の調整は１ヶ所で良い。また、駆動周波数の２倍の周波数で前記インピーダンスが低くなるように設定したことと、メインスイッチの動作電圧が最低条件になることは必ずしも同じにはならない。共振インバータ４ａにおいて、スイッチ１１、１５の動作電圧を低減する為には、第３の共振コンデンサ１０、第３の共振コイル９を用いて、共振インバータ４ａのインピーダンス最低点を２倍よりも大きく２．７５倍以下に設定すること、駆動周波数と駆動周波数の３倍で前記インピーダンスが最大となるように共振コンデンサ８、１４、共振コイル７、１３を設定すると良い。これについては、図５を参照して後述する。

動作点は次のように求められる。プッシュプルインバータの場合であっても、シングルエンドインバータと基本構成は同じである。これは、スイッチ１１とスイッチ１５が相補的にオン、オフする為で、スイッチ１１がオフの時、スイッチ１５がオンになるために、第２の共振周波数を決定する第３の共振コイル９と第３の共振コンデンサ１０の動作がシングルエンドの場合と同じように考えられるからである。図６に示される従来の共振インバータのインピーダンスは図７のように表され、プッシュプルコンバータの場合、２つのセクションが同一条件で同じように動いていることになる。実施例１で一つのセクションに着目すると、第１の共振コイル７のインダクタンスをＬＦとし、第１の共振コンデンサ８の容量をＣＦとし、ＬＦ、ＣＦで構成される並列インピーダンスをＺＦとする。また、第３の共振コイル９のインダクタンスをＬＭＲとし、第３の共振コンデンサ１０の容量をＣＭＲとし、ＬＭＲ、ＣＭＲで構成される直列インピーダンスをＺＭＲと定義すると、入力インピーダンスＺｉｎは次の式で表される。

この時、並列インピーダンスＺＦは、（２）式で表される。

直列インピーダンスＺＭＲは、（３）式で表される。

であるから、Ｚｉｎは（４）式のように変形できる。

これを整理し、Ｚｉｎを角周波数ωで表すと（５）式で表される。

この時、ＬＦとＣＦによる共振周波数を（６）式のように定義する。

ＬＭＲとＣＭＲによる共振周波数を（７）式のように定義する。

ＬＦとＣＭＲによる共振周波数を（８）式のように定義する。

（５）式は、（９）式のように変形できる。

入力インピーダンスＺｉｎが最小となる条件は、分母が０の時であるから、（１０）式のように表せる。

入力インピーダンスが最小となる条件を駆動周波数の０倍と２倍に設定するには、
駆動周波数をｆｓとし、角周波数をωｓ＝２πｆｓとすると、（１１）式となる。

一方で、入力インピーダンスが最大となる条件は、分母が０になる条件であるから、
（１２）式のように表せる。

この４次方程式を簡素化する為、α、βを次のように定義すると、（１３）および（１４）式のようになる。

（１２）式は（１５）式のように変形できる。

ただし（１３）、（１４）式より、（１６）式、（１７）式のようになる。

（１５）式の４次方程式の解は、（１８）式のようになる。

しかし、ωは正の値をとるから、入力インピーダンスＺｉｎが最大となる第１共振周波数と第３共振周波数は（１９）式、（２０）式のように求められる。

ここで、第１共振周波数を１倍、第３共振周波数を３倍に持つように入力インピーダンスＺｉｎを構成するには、（２１）式のように定義する。

（２２）式の両辺を２乗すると、（２３）式になる。

左式の右辺と右式の右辺は等しいから、βを消去してαを求めると（２５）式になる。

（２５）式を（２３）の左式に代入して、βを求めると（２６）式になる。

（２６）式と（１１）式を（１４）式に代入すると、（２７）式になる。

（２７）式をωＦＦ２について解くと（２８）式になる。

（２５）式と（１１）式を（１３）式に代入すると、（２９）式になる。

となり、（２９）式に（２８）式を代入すると、（３０）式となる。

（３０）式をωＦＭについて解くと、共振周波数は正だから、（３１）式になる。

（３１）式を（２８）式に代入してωＦＦを求めると 共振周波数は正だから、（３２）式になる。

（６）式に（３２）式を代入してＬＦを求めると（３３）式になる。

（８）式に（３１）式を代入すると、（３４）式になる。

（３４）式に（３３）式を代入することでＣＭＲを求めると（３５）式になる。

（１１）式より、ωｓは（３６）式と表すことができる。

（３６）式に（３５）式を代入してＬＭＲを求めると（３７）式になる。

以上の手順により、駆動周波数ｆｓとスイッチ１１のドレイン−ソース（コレクターエ
ミッタ）間容量を含んだ第１の共振コンデンサ８（ＣＦ）を定義することで、第３の共振コンデンサ１０（ＣＭＲ）、第１の共振コイル７（ＬＦ），第３の共振コイル９（ＬＭＲ）を求めることができる。

上記手法によって、スイッチ１１のドレイン−ソース間容量を含んだ共振コンデンサ８（ＣＦ）を最初に決定し、ドレイン−ソース（コレクタ−エミッタ）間のインピーダンスを計算した結果を表１に表す。スイッチ１５についても、プッシュプルインバータの為、第２の共振コイルが１３、第２の共振コンデンサが１４になるだけで同じである。
ただし、共振条件は、入力インピーダンスＺｉｎが最小となる第２共振周波数をＦ２とし、入力インピーダンスＺｉｎが最大となる第１共振周波数Ｆ１と第３共振周波数Ｆ３がそれぞれ駆動周波数ｆｓの１倍と、３倍の場合である。共振インバータのみを考えた場合、入力インピーダンスＺｉｎとスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスは等しくなる。

図５は、上述のスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間電圧と第２共振周波数Ｆ２の関係を示す。横軸は、駆動周波数ｆｓを１．００とした場合の第２の共振周波数Ｆ２であり、縦軸はスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間電圧である。また、ドットを四角で表示したものは第３の共振コンデンサの容量を小容量にした場合、ドットを菱型で表示したものは第３の共振コンデンサの容量を中容量にした場合、ドットを三角で表示したものは第３の共振コンデンサの容量を大容量にした場合の、スイッチのドレイン−ソース間電圧を示している。

図５より、第２の共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍よりも小さい値（横軸が２．００未満）にした場合、如何なる場合でも、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧が、第２の共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍にした場合に比べて高くなる。また、第２の共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍よりも高い値（横軸が２．００より大きい）にした場合、ある特定の範囲内で、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧が、第２の共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍に設定した場合に比べて低くなることを見出した。図５より、第３の共振コンデンサの容量がどの容量でも、スイッチのドレインーソース間の動作電圧を低減させるには、Ｚｉｎが最小となる第２共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍よりも大きくし２．７５倍以下にすると第２の共振周波数Ｆ２を駆動周波数ｆｓの２倍に設定した場合に比べて低くなるので、スイッチ素子の動作電圧を低減できる。式で表すと、２ｆｓ＜Ｆ２≦２．７５ｆｓとなる。調整を簡略化する為に、例えばスイッチのドレイン−ソース間電圧を入力電圧の３倍以下に抑えるには、第１及び第２の共振コンデンサＣＦを中容量に設定して、第３の共振コイルと第３の共振コンデンサで設定される第２の共振周波数Ｆ２を２．５ｆｓに設定すると第２の共振周波数Ｆ２が２．２５ｆｓ〜２．７５ｆｓの範囲でばらついても良いことがわかる。

このように、従来の共振インバータと比較して、共振回路を構成する要素が少なくなるので、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータを提供することができる。また
、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース間容量を含んだ第１及び第２の共振容量ＣＦを決めて、提案した方法で計算することによって、容易にメインスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスを計算できるので、前記インピーダンスが最低となる第２の共振周波数Ｆ２を許容されるバラツキの範囲内に入るように選定することによって、Ｆ２＝２ｆｓに設定した時よりも低いスイッチのドレイン−ソース電圧となり、結果的にスイッチの寿命にできるだけ悪影響を及ぼさない信頼性のある共振インバータを実現できる。

（実施形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る共振インバータ回路である。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態で示した第１の共振コイル７、第２の共振コイル１３を一つのデバイスとして構成し、中点を入力端子２ａに接続したものである。他の構成は、第１の実施形態と共通である。第１、第２の共振コイルを一つにできるので、実装部品を減らすことができるとともにコイルのインダクタンスバラツキを抑えることができる。第３の共振コイル、第３のコンデンサがセクション間で共有されているため、第１の実施形態で示した共振インバータよりもバラツキの小さい共振インバータを実現できる。第２の実施形態では、実装する共振素子数を、５個で構成することができる。

（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る共振インバータ回路である。第１の実施形態と第３の実施形態との相違点は、絶縁型インバータの実施例で、共振整流器５ａ側に絶縁トランス４０を付加したものである。他の構成は、第１の実施形態と共通である。絶縁型においても非絶縁型と同様に共振インバータを実現できる。

（実施形態４）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る共振インバータ回路である。第３の実施形態と第４の実施形態との相違点は、第３の実施形態で示した第１の共振コイル７、第２の共振コイル１３を一つのデバイスとして構成し、中点を入力端子２ａに接続したものである。他の構成は、第１の実施形態と共通である。実施形態３と同様に共振インバータを実現できると共に、実装する共振素子数を削減し、小型化、低コスト化に寄与した共振インバータを提供することができる。

以上、本発明の一実施形態の共振インバータおよび共振型電源装置について説明したが、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

例えば、第１のスイッチ１１と第２のスイッチ１５は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）について説明したが、これに限らずバイポーラトランジスタ等の他のスイッチにも適用できる。

また例えば、共振インバータは降圧型のものについて説明したが、これに限らず昇圧型の共振インバータにも適用することができる。

提案した共振型インバータは、シングルエンドインバータに比べて２倍の電力に対応することが可能で、駆動回路も高周波化に対応できる。駆動周波数は、数百ＭＨｚまでの高周波に対応することが期待されており、次世代半導体ＧａＮやＳｉＣを用いる事で大幅な小型化、高効率化が実現できる。

１ａ 共振型コンバータ
２ａ 入力端子（正極）
２ｂ 入力端子（負極）
３ａ 出力端子（正極）
３ｂ 出力端子（負極）
４ａ 共振型インバータ
５ａ 共振整流器
６、１２ 入力コンデンサ
７ 第１の共振コイルＬＦ
８ 第１の共振コンデンサＣＦ（メインスイッチ１１のドレイン−ソース間容量
を含む）
９ 第３の共振コイルＬＭＲ
１０ 第３の共振コンデンサＣＭＲ
１１ 第１のメインスイッチ
１３ 第２の共振コイルＬＦ
１４ 第２の共振コンデンサＣＦ（メインスイッチ１５のドレイン−ソース間容量
を含む）
１５ 第２のメインスイッチ
２１、２８ 共振コンデンサ
２２、２９ 共振コイル
２３、３０ 共振コンデンサ
２４、３１ 共振コイル
２５、３２ 共振コンデンサ（整流ダイオードのアノード−カソード間接合容量を含む）
２６、３３ 整流ダイオード
２７、３４ 出力容量
４０ 絶縁トランス

Claims (2)

1. 交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、
   前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチのそれぞれに並列接続された第１の容量素子及び第２の容量素子と、
   前記第１のスイッチと入力電圧端子との間に設けられた第１のコイルと、
   前記第２のスイッチと前記入力電圧端子との間に設けられた第２のコイルと、
   前記第１のコイルと前記第２のコイルの直列回路と並列に接続されると共に、互いに直列に接続された第３のコイル及び第３の容量素子と、を備え、
   前記第１の容量素子及び第２の容量素子と、前記第１のコイル及び第２のコイルにより複数の第１の共振回路を構成し、前記第３のコイル及び前記第３の容量素子により一つの第２の共振回路を構成し、
   前記第２の共振回路は、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数の２倍より大きく２．７５倍以下の共振周波数をもつことを特徴とする共振インバータ。
2. 請求項１に記載の共振インバータと、前記共振インバータに接続される共振整流器を有することを特徴とする共振型電源装置。

Images