JP6999387B2 - Power converter - Google Patents
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Description
電力変換装置に関し、特に、半導体スイッチング素子のソフトスイッチングを行なう電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device that performs soft switching of a semiconductor switching element.
近年、電力変換装置の大容量化および高周波スイッチング化に伴ない、主回路の半導体スイッチング素子のスイッチング損失および電磁干渉(EMI)ノイズの増大が大きな問題となってきている。スイッチング損失およびEMIノイズを低減させる方法として、共振型電力変換装置が用いられており、種々の回路構成が提案されている。 In recent years, with the increase in capacity and high frequency switching of power converters, the increase in switching loss and electromagnetic interference (EMI) noise of semiconductor switching elements in the main circuit has become a big problem. A resonance type power conversion device is used as a method for reducing switching loss and EMI noise, and various circuit configurations have been proposed.
共振型電力変換装置の代表例としては、電力変換装置に補助共振回路を設け、補助共振回路の共振動作により半導体スイッチング素子をソフトスイッチングさせる、補助共振転流ポール方式の電力変換装置が存在する(たとえば特開2011-55580号公報(特許文献1)参照)。 As a typical example of the resonance type power conversion device, there is an auxiliary resonance commutation pole type power conversion device in which an auxiliary resonance circuit is provided in the power conversion device and the semiconductor switching element is soft-switched by the resonance operation of the auxiliary resonance circuit. For example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-55580 (Patent Document 1).
上記の特許文献1に記載される共振型電力変換装置は、直列接続された2つの半導体スイッチング素子からなるハーフブリッジ回路を複数並列に接続したフルブリッジ構成のインバータである。特許文献1では、複数のハーフブリッジ回路の各々に対して補助共振回路を設けることで、各ハーフブリッジ回路を構成する半導体スイッチング素子のソフトスイッチングを実現している。
The resonance type power conversion device described in
しかしながら、複数のハーフブリッジ回路にそれぞれ対応するように、複数の補助共振回路を設ける必要があり、電力変換装置の構成が複雑かつ大型化することが懸念される。この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、直流電力および交流電力の間で電力変換を行なう電力変換装置において、簡易な構成で半導体スイッチング素子のスイッチング損失およびEMIノイズを低減することができる新たな構成を提供することである。 However, it is necessary to provide a plurality of auxiliary resonance circuits so as to correspond to each of the plurality of half-bridge circuits, and there is a concern that the configuration of the power conversion device becomes complicated and large. The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is a switching loss of a semiconductor switching element with a simple configuration in a power conversion device that converts power between DC power and AC power. And to provide a new configuration that can reduce EMI noise.
本発明に係る電力変換装置は、直流電力および交流電力の間で電力変換を行なう電力変換装置であって、高電位側直流端子および低電位側直流端子と、高電位側直流端子および第1のノードの間に接続された第1のスイッチング素子と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間に接続された第2のスイッチング素子と、高電位側直流端子および第2のノードの間に接続された第3のスイッチング素子と、第2のノードおよび低電位側直流端子の間に接続された第4のスイッチング素子と、第1のノードに電気的に接続された第1の交流端子と、第2のノードに電気的に接続された第2の交流端子と、第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路とを備える。制御回路は、第3および第4のスイッチング素子を、交流周波数に同期してオンオフさせるとともに、第1および第2のスイッチング素子を、交流周波数よりも高い周波数でオンオフさせる。 The power conversion device according to the present invention is a power conversion device that performs power conversion between DC power and AC power, and is a high-potential side DC terminal, a low-potential side DC terminal, a high-potential side DC terminal, and a first. A first switching element connected between the nodes, a second switching element connected between the first node and the low potential side DC terminal, and between the high potential side DC terminal and the second node. A connected third switching element, a fourth switching element connected between the second node and the low potential side DC terminal, and a first AC terminal electrically connected to the first node. A second AC terminal electrically connected to the second node and a control circuit for controlling the on / off of the first to fourth switching elements are provided. The control circuit turns the third and fourth switching elements on and off in synchronization with the AC frequency, and turns the first and second switching elements on and off at a frequency higher than the AC frequency.
好ましくは、電力変換装置は、第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、補助共振回路とをさらに備える。補助共振回路は、リアクトルを含み、第1および第2のキャパシタとリアクトルとの共振動作により第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成される。 Preferably, the power converter further comprises a first capacitor connected in parallel to the first switching element, a second capacitor connected in parallel to the second switching element, and an auxiliary resonant circuit. The auxiliary resonant circuit includes a reactor and is configured to soft-switch the first and second switching elements by the resonant operation of the first and second capacitors and the reactor.
好ましくは、補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含む。リアクトルは、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間に電気的に接続される。 Preferably, the auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The reactor is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node.
好ましくは、補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第3および第4のキャパシタをさらに含む。リアクトルは、第3および第4のキャパシタの接続ノードと第1のノードとの間に電気的に接続される。補助共振回路は、第3および第4のキャパシタの接続ノードと第1のノードとの間にリアクトルと電気的に直列に接続された双方向スイッチをさらに含む。 Preferably, the auxiliary resonant circuit further comprises third and fourth capacitors electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The reactor is electrically connected between the connection node of the third and fourth capacitors and the first node. The auxiliary resonant circuit further includes a bidirectional switch electrically connected in series with the reactor between the connecting nodes of the third and fourth capacitors and the first node.
好ましくは、補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に接続された一次巻線と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間にリアクトルと電気的に直列に接続された二次巻線とを有する第1のトランスと、一次巻線および低電位側直流端子の間に電気的に接続された第1の補助スイッチング素子と、二次巻線および低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2の補助スイッチング素子とを含む。 Preferably, the auxiliary resonance circuit is the primary winding electrically connected between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal, and the reactor and the electrical between the first node and the low potential side DC terminal. A first transformer with a secondary winding connected in series with, a first auxiliary switching element electrically connected between the primary winding and the low potential side DC terminal, and the secondary winding and It includes a second auxiliary switching element electrically connected between the low potential side DC terminals.
好ましくは、第1のトランスの一次巻線および二次巻線の巻線比は2:1である。
好ましくは、第1のトランスは、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に接続されたリセット巻線を有する。補助共振回路は、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間にリセット巻線と電気的に直列に接続されたダイオードをさらに含む。
Preferably, the winding ratio of the primary winding and the secondary winding of the first transformer is 2: 1.
Preferably, the first transformer has a reset winding electrically connected between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The auxiliary resonant circuit was electrically connected in series with the reset winding between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. Includes more diodes.
好ましくは、補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含む。リアクトルは、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間に電気的に接続される。補助共振回路は、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、低電位側直流端子および高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2のダイオードと、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、低電位側直流端子および高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第3および第4のダイオードと、第2のトランスとをさらに含む。第2のトランスは、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間にリアクトルと電気的に直列に接続された一次巻線と、第1および第2のダイオードの接続ノードと前記第3および第4のダイオードの接続ノードとの間に電気的に接続された二次巻線とを有する。 Preferably, the auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The reactor is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node. The auxiliary resonance circuit is the first and first electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. The third and third electrical connections are electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. It further includes a diode of 4 and a second transformer. The second transformer is the primary winding electrically connected in series with the reactor between the connecting node of the first and second auxiliary switching elements and the first node, and the first and second diodes. It has a secondary winding electrically connected between the connection node and the connection node of the third and fourth diodes.
好ましくは、第2のトランスの一次巻線および二次巻線の巻線比は1:2である。
好ましくは、補助共振回路は、第5のダイオードと、第6のダイオードとをさらに含む。第5のダイオードは、高電位側直流端子および第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、第1の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続される。第6のダイオードは、低電位側直流端子および第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、第2の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続される。
Preferably, the winding ratio of the primary winding and the secondary winding of the second transformer is 1: 2.
Preferably, the auxiliary resonant circuit further comprises a fifth diode and a sixth diode. The fifth diode is electrically connected in series with the first auxiliary switching element between the high potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements. The sixth diode is electrically connected in series with the second auxiliary switching element between the low potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements.
好ましくは、第1および第2のスイッチング素子の各々は、第1の電力用半導体スイッチング素子と、第1の電力用半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第1の還流ダイオードとを有する。第3および第4のスイッチング素子の各々は、第2の電力用半導体スイッチング素子と、第2の電力用半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第2の還流ダイオードとを有する。第1の還流ダイオードは、第2の還流ダイオードに比べて逆回復時間が短い。 Preferably, each of the first and second switching elements has a first power semiconductor switching element and a first freewheeling diode connected in antiparallel to the first power semiconductor switching element. Each of the third and fourth switching elements has a second power semiconductor switching element and a second freewheeling diode connected in antiparallel to the second power semiconductor switching element. The first freewheeling diode has a shorter reverse recovery time than the second freewheeling diode.
好ましくは、第1の還流ダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成される。 Preferably, the first freewheeling diode is formed of a wide bandgap semiconductor.
好ましくは、制御回路は、パルス幅変調制御によって、第1および第2のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御信号を生成する。 Preferably, the control circuit generates a control signal for controlling the on / off of the first and second switching elements by pulse width modulation control.
本発明に係る電力変換装置は、高電位側直流端子および低電位側直流端子と、高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、第1のノードに電気的に接続された交流端子と、第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、リアクトルを含み、第1および第2のキャパシタとリアクトルとの共振動作により第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とを備える。補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含む。リアクトルは、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間に電気的に接続される。 The power conversion device according to the present invention includes a high potential side DC terminal and a low potential side DC terminal, a first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node, and a first unit. A second switching element electrically connected between the node and the low potential side DC terminal, an AC terminal electrically connected to the first node, and a first switching element connected in parallel. The first capacitor, the second capacitor connected in parallel to the second switching element, and the reactor are included, and the first and second switching elements are made by the resonance operation between the first and second capacitors and the reactor. It includes an auxiliary resonance circuit configured for soft switching. The auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The reactor is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node.
本発明に係る電力変換装置は、高電位側直流端子および低電位側直流端子と、高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、第1のノードに電気的に接続された交流端子と、第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、リアクトルを含み、第1および第2のキャパシタとリアクトルとの共振動作により第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とを備える。補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に接続された一次巻線と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間にリアクトルと電気的に直列に接続された二次巻線とを有する第1のトランスと、一次巻線および低電位側直流端子の間に電気的に接続された第1の補助スイッチング素子と、二次巻線および低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2の補助スイッチング素子とを含む。 The power conversion device according to the present invention includes a high potential side DC terminal and a low potential side DC terminal, a first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node, and a first unit. A second switching element electrically connected between the node and the low potential side DC terminal, an AC terminal electrically connected to the first node, and a first switching element connected in parallel. The first capacitor, the second capacitor connected in parallel to the second switching element, and the reactor are included, and the first and second switching elements are made by the resonance operation between the first and second capacitors and the reactor. It includes an auxiliary resonance circuit configured for soft switching. The auxiliary resonance circuit is electrically connected to the primary winding between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal, and electrically in series with the reactor between the first node and the low potential side DC terminal. A first transformer with a connected secondary winding, a first auxiliary switching element electrically connected between the primary winding and the low potential side DC terminal, and the secondary winding and low potential side. It includes a second auxiliary switching element electrically connected between the DC terminals.
好ましくは、第1のトランスの前記一次巻線および二次巻線の巻線比は2:1である。
好ましくは、第1のトランスは、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に接続されたリセット巻線を有する。補助共振回路は、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間にリセット巻線と電気的に直列に接続されたダイオードをさらに含む。
Preferably, the winding ratio of the primary winding and the secondary winding of the first transformer is 2: 1.
Preferably, the first transformer has a reset winding electrically connected between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The auxiliary resonant circuit was electrically connected in series with the reset winding between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. Includes more diodes.
本発明に係る電力変換装置は、高電位側直流端子および低電位側直流端子と、高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、第1のノードおよび低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、第1のノードに電気的に接続された交流端子と、第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、リアクトルを含み、第1および第2のキャパシタとリアクトルとの共振動作により第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とを備える。補助共振回路は、高電位側直流端子および低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含む。リアクトルは、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間に電気的に接続される。補助共振回路は、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、低電位側直流端子および高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2のダイオードと、低電位側直流端子から高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、低電位側直流端子および高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第3および第4のダイオードと、第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと第1のノードとの間にリアクトルと電気的に直列に接続された一次巻線と、第1および第2のダイオードの接続ノードと前記第3および第4のダイオードの接続ノードとの間に電気的に接続された二次巻線とを有する第2のトランスとをさらに含む。
The power conversion device according to the present invention includes a high potential side DC terminal and a low potential side DC terminal, a first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node, and a first unit. A second switching element electrically connected between the node and the low potential side DC terminal, an AC terminal electrically connected to the first node, and a first switching element connected in parallel. The first capacitor, the second capacitor connected in parallel to the second switching element, and the reactor are included, and the first and second switching elements are made by the resonance operation between the first and second capacitors and the reactor. It includes an auxiliary resonance circuit configured for soft switching. The auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal. The reactor is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node. The auxiliary resonance circuit is the first and first electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. The third and third electrical connections are electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. Connection of the first and second diodes and the primary winding electrically connected in series with the reactor between the
好ましくは、第2のトランスの一次巻線および二次巻線の巻線比は1:2である。
好ましくは、補助共振回路は、高電位側直流端子および第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、第1の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続された第5のダイオードと、低電位側直流端子および前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、第2の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続された第6のダイオードとをさらに含む。
Preferably, the winding ratio of the primary winding and the secondary winding of the second transformer is 1: 2.
Preferably, the auxiliary resonance circuit is a fifth diode electrically connected in series with the first auxiliary switching element between the high potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements. And a sixth diode electrically connected in series with the second auxiliary switching element between the low potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements.
この発明によれば、直流電力および交流電力の間で電力変換を行なう電力変換装置において、簡易な構成で半導体スイッチング素子のスイッチング損失およびEMIノイズを低減することができる。 According to the present invention, in a power conversion device that converts power between DC power and AC power, switching loss and EMI noise of a semiconductor switching element can be reduced with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the figure are designated by the same reference numerals, and the explanations are not repeated in principle.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う電力変換装置1の主回路構成図である。本実施の形態1に従う電力変換装置1は、直流電力および交流電力の間で双方向の電力変換を行なうAC/DCコンバータである。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a main circuit configuration diagram of a
図1を参照して、本実施の形態1に従う電力変換装置1は、直流端子T1,T2と、交流端子T3,T4と、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)Q1~Q4と、キャパシタC0,C5と、リアクトルL1と、制御回路5とを備える。
With reference to FIG. 1, the
直流端子T1(高電位側直流端子)は直流電源P1の正極端子と電気的に接続され、直流端子T2(低電位側直流端子)は直流電源P1の負極端子と電気的に接続される。直流端子T1には直流正母線PL1が接続され、直流端子T2には直流負母線NL1が接続される。交流端子T3およびT4の間には、交流系統P2が電気的に接続される。本明細書において「電気的に接続」とは、直接的な接続、あるいは、他要素を介した接続によって電気エネルギの伝達が可能な接続状態を示すものとする。 The DC terminal T1 (high potential side DC terminal) is electrically connected to the positive terminal of the DC power supply P1, and the DC terminal T2 (low potential side DC terminal) is electrically connected to the negative terminal of the DC power supply P1. The DC positive bus PL1 is connected to the DC terminal T1, and the DC negative bus NL1 is connected to the DC terminal T2. An AC system P2 is electrically connected between the AC terminals T3 and T4. As used herein, the term "electrically connected" refers to a connection state in which electrical energy can be transmitted by direct connection or connection via other elements.
スイッチング素子Q1は、直流正母線PL1(すなわち直流端子T1)およびノードaの間に電気的に接続される。スイッチング素子Q2は、ノードaおよび直流負母線NL1(すなわち直流端子T2)の間に電気的に接続される。ノードaは交流端子T3と電気的に接続される。ノードaは「第1のノード」に対応し、交流端子T3は「第1の交流端子」に対応する。 The switching element Q1 is electrically connected between the DC positive bus PL1 (that is, the DC terminal T1) and the node a. The switching element Q2 is electrically connected between the node a and the DC negative bus NL1 (that is, the DC terminal T2). The node a is electrically connected to the AC terminal T3. The node a corresponds to the "first node", and the AC terminal T3 corresponds to the "first AC terminal".
スイッチング素子Q3は、直流正母線PL1およびノードbの間に電気的に接続される。スイッチング素子Q4は、ノードbおよび直流負母線NL1の間に電気的に接続される。ノードbは交流端子T4と電気的に接続される。ノードbは「第2のノード」に対応し、交流端子T4は「第2の交流端子」に対応する。 The switching element Q3 is electrically connected between the DC positive bus PL1 and the node b. The switching element Q4 is electrically connected between the node b and the DC negative bus NL1. The node b is electrically connected to the AC terminal T4. The node b corresponds to the "second node", and the AC terminal T4 corresponds to the "second AC terminal".
なお、図1では、スイッチング素子として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いているが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの任意の自己消弧型のスイッチング素子を用いることができる。スイッチング素子Q1~Q4にはそれぞれ、ダイオードD1~D4が逆並列に接続されている。ダイオードD1~D4の各々は、対応するスイッチング素子のオフ時にフリーホイール電流を流すために設けられている。スイッチング素子がMOSFETである場合、フリーホイールダイオードは寄生のダイオード(ボディダイオード)で構成してもよい。スイッチング素子がダイオードを内蔵しないIGBTである場合、フリーホイールダイオードはIGBTに逆並列に接続されたダイオードで構成される。 Although MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as the switching element in FIG. 1, any self-extinguishing type switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) can be used. Diodes D1 to D4 are connected in antiparallel to each of the switching elements Q1 to Q4, respectively. Each of the diodes D1 to D4 is provided to carry a freewheel current when the corresponding switching element is off. When the switching element is a MOSFET, the freewheel diode may be composed of a parasitic diode (body diode). When the switching element is an IGBT without a built-in diode, the freewheel diode is composed of diodes connected in antiparallel to the IGBT.
スイッチング素子Q1およびQ2は、「第1ハーフブリッジ回路A」を構成する。スイッチング素子Q3およびQ4は、「第2ハーフブリッジ回路B」を構成する。第1ハーフブリッジ回路Aおよび第2ハーフブリッジ回路Bは、直流正母線PL1および直流負母線NL1の間に互いに並列に接続される。すなわち、電力変換装置1はフルブリッジ回路を有する。
The switching elements Q1 and Q2 constitute a "first half-bridge circuit A". The switching elements Q3 and Q4 form a "second half-bridge circuit B". The first half-bridge circuit A and the second half-bridge circuit B are connected in parallel to each other between the DC positive bus PL1 and the DC negative bus NL1. That is, the
キャパシタC0は、直流正母線PL1および直流負母線NL1の間に接続され、直流端子T1およびT2間の電圧(すなわち直流電源P1の出力電圧)を平滑化する。 The capacitor C0 is connected between the DC positive bus PL1 and the DC negative bus NL1 and smoothes the voltage between the DC terminals T1 and T2 (that is, the output voltage of the DC power supply P1).
リアクトルL1は、ノードa(第1のノード)および交流端子T3の間に接続される。キャパシタC5は、交流端子T3およびT4の間に接続される。交流端子T3およびT4間の電圧を平滑化する。リアクトルL1およびキャパシタC5は、フルブリッジ回路から出力される交流電力に含まれるスイッチング周波数の成分を除去するためのフィルタを構成する。 The reactor L1 is connected between the node a (first node) and the AC terminal T3. The capacitor C5 is connected between the AC terminals T3 and T4. Smooth the voltage between the AC terminals T3 and T4. The reactor L1 and the capacitor C5 constitute a filter for removing a component of the switching frequency included in the AC power output from the full bridge circuit.
制御回路5は、第1ハーフブリッジ回路Aおよび第2ハーフブリッジ回路の各々におけるスイッチング素子のオンオフを制御する。制御回路5は、スイッチング素子Q1~Q4をそれぞれオンオフするためのゲート信号G1~G4を出力する。スイッチング素子Q1~Q4の各々はH(論理ハイ)レベルのゲート信号Gに応答してオンし、L(論理ロー)レベルのゲート信号Gに応答してオフする。これにより、電力変換装置1は、直流電源P1から供給される直流電力を交流電力に変換して交流端子T3,T4から出力する逆変換動作および、交流系統P2から供給される交流電力を直流電力に変換して直流端子T1,T2から出力する順変換動作を実行することができる。
The
次に、図2および図3を用いて、電力変換装置1の逆変換動作について説明する。逆変換動作では、電力変換装置1は、直流電源P1の直流電力を交流電力に変換して負荷2に供給する。なお、以下の説明では、直流電源P1の出力電圧(電源電圧)をVdcとし、負荷2(または負荷3)に印加される電圧をVoutとし、リアクトルL1に印加される電圧をVLとする。
Next, the inverse conversion operation of the
最初に、スイッチング素子Q1およびQ4をオンすると、図2(A)に示す回路状態となる。ノードaの電位Va=Vdcになり、ノードbの電位Vb=0になるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、電流が次第に増加する形で流れる。このときの電圧・電流の向きを正(+)とし、これと逆の場合を負(-)として表す。 First, when the switching elements Q1 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 2A is obtained. Since the potential Va = Vdc of the node a and the potential Vb = 0 of the node b, the voltage VL = Va-Vout-Vb = Vdc-Vout is added to the reactor L1, and the current is as shown by the arrow in the figure. It flows in a gradually increasing form. The direction of the voltage / current at this time is represented as positive (+), and the opposite case is represented as negative (-).
次に、スイッチング素子Q1をオフし、スイッチング素子Q2をオンすると、すなわちスイッチング素子Q2およびQ4をオンすると、図2(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、リアクトルの電流維持作用のため、向きおよび大きさを急変できず、正の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流は次第に減少する。
Next, when the switching element Q1 is turned off and the switching element Q2 is turned on, that is, when the switching elements Q2 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 2B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot suddenly change its direction and magnitude due to the current maintaining action of the reactor, and continues to flow in the positive direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
図2(A)の回路状態と図2(B)の回路状態とが交互に繰り返されることにより、負荷2には正の電圧が印加されることとなる。この正の電圧の大きさは、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期に対するスイッチング素子Q1のオン期間の比に依存し、理想的には0~Vdcの間で変化させることができる。なお、スイッチング素子Q4は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期においてオンに固定されている。
By alternately repeating the circuit state of FIG. 2A and the circuit state of FIG. 2B, a positive voltage is applied to the
次に、スイッチング素子Q2およびQ3をオンすると、図3(A)に示す回路状態となる。ノードbの電位Vb=Vdcになり、ノードaの電位Va=0なるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=-Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、負の電流が、絶対値が次第に増加する形で流れる。 Next, when the switching elements Q2 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 3A is obtained. Since the potential Vb = Vdc of the node b and the potential Va = 0 of the node a, the voltage VL = Va-Vout-Vb = -Vdc-Vout is added to the reactor L1, and as shown by the arrow in the figure, it is negative. The current flows in a form in which the absolute value gradually increases.
次に、スイッチング素子Q1およびQ3をオンすると、図3(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、電流維持作用のため即時0になれず、負の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流の絶対値は次第に減少する。
Next, when the switching elements Q1 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 3B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintenance action, and continues to flow in the negative direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
図3(A)の回路状態と図3(B)の回路状態とが交互に繰り返されることにより、負荷2には負の電圧が印加されることとなる。この負の電圧の大きさは、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期に対するススイッチング素子Q2のオン期間の比に依存し、理想的には0~-Vdcの間で変化させることができる。なお、スイッチング素子Q3は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期においてオンに固定されている。
By alternately repeating the circuit state of FIG. 3A and the circuit state of FIG. 3B, a negative voltage is applied to the
電力変換装置1においては、交流端子T3,T4から出力する交流電力の周波数(交流周波数)に同期して、図2のスイッチング動作および図3のスイッチング動作を1/2周期ごとに交互に実行することにより、直流電力が当該周波数の交流電力に変換される。スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ制御は、後述するように、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)制御に従って実行される。これに対して、スイッチング素子Q3,Q4のオンオフ制御は、交流周波数で実行される。
In the
次に、図4および図5を用いて、電力変換装置1の順変換動作について説明する。順変換動作では、電力変換装置1は、交流系統P2の交流電力を直流電力に変換して負荷3(直流電源P1を含む)に供給する。以下の説明では、交流系統P2の出力電圧(電源電圧)をV2とする。図4は、交流系統P2の出力電圧が正である場合の回路状態を示し、図5は、交流系統P2の出力電圧が負である場合の回路状態を示す。
Next, the forward conversion operation of the
図4を参照して、交流系統P2の出力電圧が正であるとき、スイッチング素子Q2およびQ4をオンすると、図4(A)に示す回路状態となる。リアクトルL1および交流系統P2の直列回路は短絡され、図中の矢印で示すように電流が流れる。このときの電流の向きを正(+)とし、これと逆の場合を負(-)として表す。 With reference to FIG. 4, when the switching elements Q2 and Q4 are turned on when the output voltage of the AC system P2 is positive, the circuit state shown in FIG. 4A is obtained. The series circuit of the reactor L1 and the AC system P2 is short-circuited, and a current flows as shown by an arrow in the figure. The direction of the current at this time is represented as positive (+), and the opposite case is represented as negative (-).
次に、スイッチング素子Q1をオンし、スイッチング素子Q2をオフすると、すなわちスイッチング素子Q1およびQ4をオンすると、図4(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、リアクトルの電流維持作用のため、向きおよび大きさを急変できず、正の方向に流れ続ける。ノードaの電位Va=Voutになる。 Next, when the switching element Q1 is turned on and the switching element Q2 is turned off, that is, when the switching elements Q1 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 4B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot suddenly change its direction and magnitude due to the current maintaining action of the reactor, and continues to flow in the positive direction. The potential Va = Vout of the node a.
図4(A)の回路状態と図4(B)の回路状態とが交互に繰り返されることにより、負荷3には正の電圧が印加されることとなる。この正の電圧の大きさは、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期に対するスイッチング素子Q2のオン期間の比に依存し、理想的にはV2~∞の間で変化させることができる。なお、スイッチング素子Q4は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期においてオンに固定されている。
By alternately repeating the circuit state of FIG. 4A and the circuit state of FIG. 4B, a positive voltage is applied to the
図5を参照して、交流系統P2の出力電圧が負であるとき、スイッチング素子Q1およびQ3をオンすると、図5(A)に示す回路状態となる。リアクトルL1および交流系統P2の直列回路は短絡され、図中の矢印で示すように、負の方向に電流が流れる。 With reference to FIG. 5, when the switching elements Q1 and Q3 are turned on when the output voltage of the AC system P2 is negative, the circuit state shown in FIG. 5A is obtained. The series circuit of the reactor L1 and the AC system P2 is short-circuited, and a current flows in the negative direction as shown by the arrow in the figure.
次に、スイッチング素子Q1をオフし、スイッチング素子Q2をオンすると、すなわちスイッチング素子Q2およびQ3をオンすると、図5(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、電流維持作用のため即時0になれず、負の方向に流れ続ける。ノードaの電位Va=0になり、ノードbの電位Vb=Voutになる。 Next, when the switching element Q1 is turned off and the switching element Q2 is turned on, that is, when the switching elements Q2 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 5B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintenance action, and continues to flow in the negative direction. The potential Va = 0 of the node a, and the potential Vb = Vout of the node b.
図5(A)の回路状態と図5(B)の回路状態とが交互に繰り返されることにより、負荷3には正の電圧が印加されることとなる。この正の電圧の大きさは、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期に対するスイッチング素子Q1のオン期間の比に依存し、理想的にはV2~∞の間で変化させることができる。なお、スイッチング素子Q3は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期においてオンに固定されている。
By alternately repeating the circuit state of FIG. 5A and the circuit state of FIG. 5B, a positive voltage is applied to the
電力変換装置1においては、交流端子T3,T4に入力される交流電力の周波数に同期して、図4のスイッチング動作および図5のスイッチング動作を1/2周期ごとに交互に実行することにより、交流電力が直流電力に変換される。スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ制御は、後述するように、PWM制御に従って実行される。これに対して、スイッチング素子Q3,Q4のオンオフ制御は、交流周波数で実行される。
In the
図6は、電力変換装置1の逆変換動作時におけるスイッチング素子Q1~Q4のオンオフ制御を説明するための動作波形図である。図6には、スイッチング素子Q1~Q4の各々の動作波形と、ノードab間の電圧Vabの動作波形が示されている。
FIG. 6 is an operation waveform diagram for explaining on / off control of the switching elements Q1 to Q4 at the time of the reverse conversion operation of the
図6を参照して、電力変換装置1の制御回路5(図1)は、周期的な搬送波CW(三角波またはのこぎり波)の電圧と、正弦波信号V*(変調波)の電圧とを比較し、比較結果に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2に対してゲート信号G1,G2をそれぞれ出力する。搬送波CWは、正弦波信号V*の極性に応じて2種類用意される。
With reference to FIG. 6, the control circuit 5 (FIG. 1) of the
具体的には、正弦波信号V*の電位が搬送波CWの電位よりも高いときには、スイッチング素子Q1がオンされ、スイッチング素子Q2がオフされる。一方、正弦波信号V*の電位が搬送波CWの電位よりも低いときには、スイッチング素子Q1がオフされ、スイッチング素子Q2がオンされる。すなわち、スイッチング素子Q1,Q2は、搬送波CWの周波数(以下、キャリア周波数とも称する)でオンオフが制御される。 Specifically, when the potential of the sinusoidal signal V * is higher than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q1 is turned on and the switching element Q2 is turned off. On the other hand, when the potential of the sinusoidal signal V * is lower than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q1 is turned off and the switching element Q2 is turned on. That is, the switching elements Q1 and Q2 are controlled on and off by the frequency of the carrier wave CW (hereinafter, also referred to as carrier frequency).
これに対して、スイッチング素子Q3,Q4は、正弦波信号V*の周波数でオンオフが制御される。具体的には、正弦波信号V*の電圧が正となる期間では、スイッチング素子Q3がオフに固定され、スイッチング素子Q4がオンに固定される。正弦波信号V*の電圧が負となる期間では、スイッチング素子Q3がオンに固定され、スイッチング素子Q4がオフに固定される。 On the other hand, the switching elements Q3 and Q4 are controlled on and off by the frequency of the sinusoidal signal V *. Specifically, during the period when the voltage of the sinusoidal signal V * is positive, the switching element Q3 is fixed off and the switching element Q4 is fixed on. During the period when the voltage of the sinusoidal signal V * is negative, the switching element Q3 is fixed on and the switching element Q4 is fixed off.
このように、本実施の形態1に係る電力変換装置においては、第1ハーフブリッジ回路A(スイッチング素子Q1,Q2)をキャリア周波数でオンオフさせるとともに、第2ハーフブリッジ回路B(スイッチング素子Q3,Q4)を交流電力の周波数でオンオフさせる。このような駆動方式は、「非対称駆動方式」とも呼ばれる。 As described above, in the power conversion device according to the first embodiment, the first half-bridge circuit A (switching elements Q1 and Q2) is turned on and off at the carrier frequency, and the second half-bridge circuit B (switching elements Q3 and Q4) is turned on and off. ) Is turned on and off at the frequency of the AC power. Such a drive system is also called an "asymmetric drive system".
ここで、電力変換装置の駆動方式には、非対称駆動方式以外に、第1ハーフブリッジ回路Aおよび第2ハーフブリッジ回路Bの双方をキャリア周波数でオンオフさせる方式がある。このような駆動方式は「対称駆動方式」とも呼ばれる。図7および図8を用いて、対称駆動方式での逆変換動作について説明する。 Here, as the drive method of the power conversion device, in addition to the asymmetric drive method, there is a method in which both the first half-bridge circuit A and the second half-bridge circuit B are turned on and off at the carrier frequency. Such a drive system is also called a "symmetric drive system". The inverse conversion operation in the symmetric drive system will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
最初に、スイッチング素子Q1およびQ4をオンすると、図7(A)に示す回路状態となる。ノードaの電位Va=Vdcになり、ノードbの電位Vb=0になるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、正の電流が次第に増加する形で流れる。 First, when the switching elements Q1 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 7A is obtained. Since the potential Va = Vdc of the node a and the potential Vb = 0 of the node b, the voltage VL = Va-Vout-Vb = Vdc-Vout is added to the reactor L1, and as shown by the arrow in the figure, it is positive. The current flows in a gradually increasing form.
次に、スイッチング素子Q1をオフし、スイッチング素子Q2をオンすると、すなわちスイッチング素子Q2およびQ4をオンすると、図7(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、リアクトルの電流維持作用のため即時0になれず、正の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流は次第に減少する。
Next, when the switching element Q1 is turned off and the switching element Q2 is turned on, that is, when the switching elements Q2 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 7B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintaining action of the reactor, and continues to flow in the positive direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
次に、スイッチング素子Q1をオンし、スイッチング素子Q2をオフすると、すなわちスイッチング素子Q1およびQ4をオンすると、図7(C)に示す回路状態である。ノードaの電位Va=Vdcになり、ノードbの電位Vb=0になるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、正の電流が次第に増加する形で流れる。 Next, when the switching element Q1 is turned on and the switching element Q2 is turned off, that is, when the switching elements Q1 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 7C is obtained. Since the potential Va = Vdc of the node a and the potential Vb = 0 of the node b, the voltage VL = Va-Vout-Vb = Vdc-Vout is added to the reactor L1, and as shown by the arrow in the figure, it is positive. The current flows in a gradually increasing form.
次に、スイッチング素子Q3をオンし、スイッチング素子Q4をオフすると、すなわちスイッチング素子Q1およびQ3をオンすると、図7(D)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、リアクトルの電流維持作用のため即時0になれず、正の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流は次第に減少する。
Next, when the switching element Q3 is turned on and the switching element Q4 is turned off, that is, when the switching elements Q1 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 7D is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintaining action of the reactor, and continues to flow in the positive direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
図7(A)~(D)の回路状態が繰り返されることにより、負荷2には正の電圧が印加されることとなる。スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期およびスイッチング素子Q3,Q4をオンオフするスイッチング周期は互いに等しい。
By repeating the circuit states of FIGS. 7A to 7D, a positive voltage is applied to the
次に、スイッチング素子Q2およびQ3をオンすると、図8(A)に示す回路状態となる。ノードbの電位Vb=Vdcになり、ノードaの電位Va=0なるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=-Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、負の電流が、絶対値が次第に増加する形で流れる。 Next, when the switching elements Q2 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 8A is obtained. Since the potential Vb = Vdc of the node b and the potential Va = 0 of the node a, the voltage VL = Va-Vout-Vb = -Vdc-Vout is added to the reactor L1, and as shown by the arrow in the figure, it is negative. The current flows in a form in which the absolute value gradually increases.
次に、スイッチング素子Q3をオフし、スイッチング素子Q4をオンすると、すなわちスイッチング素子Q2およびQ4をオンすると、図8(B)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、電流維持作用のため即時0になれず、負の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流の絶対値は次第に減少する。
Next, when the switching element Q3 is turned off and the switching element Q4 is turned on, that is, when the switching elements Q2 and Q4 are turned on, the circuit state shown in FIG. 8B is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintenance action, and continues to flow in the negative direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
次に、スイッチング素子Q3をオンし、スイッチング素子Q4をオフすると、すなわちスイッチング素子Q2およびQ3をオンすると、図8(C)に示す回路状態となる。ノードbの電位Vb=Vdcになり、ノードaの電位Va=0なるので、リアクトルL1に電圧VL=Va-Vout-Vb=-Vdc-Voutが加わり、図中の矢印で示すように、負の電流が、絶対値が次第に増加する形で流れる。 Next, when the switching element Q3 is turned on and the switching element Q4 is turned off, that is, when the switching elements Q2 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 8C is obtained. Since the potential Vb = Vdc of the node b and the potential Va = 0 of the node a, the voltage VL = Va-Vout-Vb = -Vdc-Vout is added to the reactor L1, and as shown by the arrow in the figure, it is negative. The current flows in a form in which the absolute value gradually increases.
次に、スイッチング素子Q1をオンし、スイッチング素子Q2をオフすると、すなわちスイッチング素子Q1およびQ3をオンすると、図8(D)に示す回路状態となる。リアクトルL1を通過している電流は、電流維持作用のため即時0になれず、負の方向に流れ続ける。リアクトルL1および負荷2の直列回路は短絡され、電圧Vab=0となるため、リアクトルL1に電圧VL=-Voutが加わり、電流の絶対値は次第に減少する。
Next, when the switching element Q1 is turned on and the switching element Q2 is turned off, that is, when the switching elements Q1 and Q3 are turned on, the circuit state shown in FIG. 8D is obtained. The current passing through the reactor L1 cannot be immediately reduced to 0 due to the current maintenance action, and continues to flow in the negative direction. Since the series circuit of the reactor L1 and the
図8(A)~(D)の回路状態が繰り返されることにおり、負荷2には負の電圧が印加されることとなる。スイッチング素子Q1,Q2をオンオフするスイッチング周期およびスイッチング素子Q3,Q4をオンオフするスイッチング周期は互いに等しい。
The circuit states of FIGS. 8A to 8D are repeated, and a negative voltage is applied to the
図9は、対称駆動方式におけるスイッチング素子Q1~Q4のオンオフ制御を説明するための動作波形図である。図9には、スイッチング素子Q1~Q4の各々の動作波形と、ノードab間の電圧Vabの動作波形が示されている。 FIG. 9 is an operation waveform diagram for explaining on / off control of the switching elements Q1 to Q4 in the symmetrical drive system. FIG. 9 shows the operation waveforms of the switching elements Q1 to Q4 and the operation waveform of the voltage Vab between the nodes ab.
図9を参照して、搬送波CWの電圧と、正弦波信号V*(変調波)の電圧とを比較し、比較結果に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2に対してゲート信号G1,G2がそれぞれ出力される。また、搬送波CWの電圧と正弦波信号V*を反転した信号/V*の電圧とを比較し、比較結果に基づいて、スイッチング素子Q3,Q4に対してゲート信号G3,G4がそれぞれ出力される。 With reference to FIG. 9, the voltage of the carrier wave CW and the voltage of the sine wave signal V * (modulated wave) are compared, and based on the comparison result, the gate signals G1 and G2 are assigned to the switching elements Q1 and Q2, respectively. It is output. Further, the voltage of the carrier wave CW and the voltage of the signal / V * in which the sine wave signal V * is inverted are compared, and the gate signals G3 and G4 are output to the switching elements Q3 and Q4 based on the comparison result, respectively. ..
具体的には、正弦波信号V*の電位が搬送波CWの電位よりも高いときには、スイッチング素子Q1がオンされ、スイッチング素子Q2がオフされる。一方、正弦波信号V*の電位が搬送波CWの電位よりも低いときには、スイッチング素子Q1がオフされ、スイッチング素子Q2がオンされる。すなわち、スイッチング素子Q1,Q2は、キャリア周波数でオンオフが制御される。 Specifically, when the potential of the sinusoidal signal V * is higher than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q1 is turned on and the switching element Q2 is turned off. On the other hand, when the potential of the sinusoidal signal V * is lower than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q1 is turned off and the switching element Q2 is turned on. That is, the switching elements Q1 and Q2 are controlled on and off by the carrier frequency.
反転信号/V*の電位が搬送波CWの電位よりも高いときには、スイッチング素子Q3がオンされ、スイッチング素子Q4がオフされる。一方、反転信号/V*の電位が搬送波CWの電位よりも低いときには、スイッチング素子Q3がオフされ、スイッチング素子Q4がオンされる。すなわち、スイッチング素子Q3,Q4は、キャリア周波数でオンオフが制御される。 When the potential of the inverting signal / V * is higher than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q3 is turned on and the switching element Q4 is turned off. On the other hand, when the potential of the inverting signal / V * is lower than the potential of the carrier wave CW, the switching element Q3 is turned off and the switching element Q4 is turned on. That is, the switching elements Q3 and Q4 are controlled on and off by the carrier frequency.
図6の動作波形図と図9の動作波形図とを比較すると、非対称駆動方式では、2つのハーフブリッジ回路の一方(図6では第2ハーフブリッジ回路B)がキャリア周波数よりも低い交流周波数でオンオフするため、2つのハーフブリッジ回路がともにキャリア周波数でオンオフする対称駆動方式に比べて、一方のハーフブリッジ回路のスイッチング回数を減らすことができる。スイッチング回数の減少は、該ハーフブリッジ回路で生じるスイッチング損失の低減に繋がるため、最適な素子を使用することで、電力変換装置全体の電力変換効率の向上が期待できる。 Comparing the operation waveform diagram of FIG. 6 with the operation waveform diagram of FIG. 9, in the asymmetric drive method, one of the two half-bridge circuits (second half-bridge circuit B in FIG. 6) has an AC frequency lower than the carrier frequency. Since it is turned on and off, the number of switchings of one half-bridge circuit can be reduced as compared with the symmetric drive system in which the two half-bridge circuits are both turned on and off at the carrier frequency. Since the reduction in the number of switching leads to the reduction of the switching loss generated in the half-bridge circuit, it can be expected that the power conversion efficiency of the entire power conversion device can be improved by using the optimum element.
非対称駆動方式では、さらに、ハーフブリッジ回路のスイッチング周波数に応じて、ハーフブリッジ回路を構成するスイッチング素子を使い分けることができる。 In the asymmetric drive method, the switching elements constituting the half-bridge circuit can be used properly according to the switching frequency of the half-bridge circuit.
例えば、スイッチング周波数がキャリア周波数であるハーフブリッジ回路(第1ハーフブリッジ回路A)については、高周波動作が可能なワイドバンドギャップ半導体材料(例えば、SiC(炭化珪素)、GaN(窒化ガリウム)など)を用いて形成されたスイッチング素子(例えばSiC-MOSFET、GaN-HEMTなど)を使用することができる。 For example, for a half-bridge circuit (first half-bridge circuit A) in which the switching frequency is a carrier frequency, a wide bandgap semiconductor material capable of high-frequency operation (for example, SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), etc.) is used. Switching elements formed in use (eg, SiC- MOSFETs, GaN-HEMTs, etc.) can be used.
電力変換動作においては、スイッチング素子のチャネルだけでなく、フリーホイールダイオードを通しても電流を流すモードが存在する。フリーホイールダイオードに電流を流したり、遮断したりする場合、逆回復現象により、瞬間的にダイオードの逆方向に電流が流れる。この逆方向に電流が流れる時間が長くなるほど、該時間に発生する損失が大きくなる。したがって、スイッチング周波数がキャリア周波数であるスイッチング素子は、逆回復時間が早いフリーホイールダイオード(ボディダイオードを含む)を有することが望ましい。好ましくは、逆回復時間は200ns以下である。例えば、IGBTに対して、SiCショットキーバリアダイオードまたはFRD(First Recovery Diode)を逆並列に接続することができる。あるいは、高速ボディダイオードタイプのMOSFETを使用することができる。 In the power conversion operation, there is a mode in which a current flows not only through the channel of the switching element but also through the freewheel diode. When a current is passed through or cut off from a freewheel diode, a current flows instantaneously in the opposite direction of the diode due to the reverse recovery phenomenon. The longer the time for the current to flow in the opposite direction, the greater the loss that occurs during that time. Therefore, it is desirable that the switching element whose switching frequency is the carrier frequency has a freewheel diode (including a body diode) having a fast reverse recovery time. Preferably, the reverse recovery time is 200 ns or less. For example, a SiC Schottky barrier diode or an FRD (First Recovery Diode) can be connected to the IGBT in antiparallel. Alternatively, a high speed body diode type MOSFET can be used.
これに対して、スイッチング周波数が交流電力の周波数であるハーフブリッジ回路(第2ハーフブリッジ回路B)については、プレーナタイプのSiMOSFETに比べて、高耐圧を確保しながら導通損失を低減することができる、Siスーパージャンクション(Super Junction)MOSFETを使用することができる。 On the other hand, in the half-bridge circuit (second half-bridge circuit B) in which the switching frequency is the frequency of AC power, the conduction loss can be reduced while ensuring a high withstand voltage as compared with the planar type Si MOSFET. , Si Super Junction MOSFETs can be used.
さらに、非対称駆動方式を採用することで、交流電力の周波数でスイッチングするハーフブリッジ回路(第2ハーフブリッジ回路B)のスイッチング損失を低減できるため、キャリア周波数でスイッチングするハーフブリッジ回路(第1ハーフブリッジ回路A)にのみ補助共振回路を設けることで、スイッチング素子のソフトスイッチングを実現することができる。これにより、簡易な構成でソフトスイッチングを実行できるため、電力変換装置の高効率化および低ノイズ化を実現することができる。 Furthermore, by adopting the asymmetric drive method, the switching loss of the half-bridge circuit (second half-bridge circuit B) that switches at the frequency of AC power can be reduced, so that the half-bridge circuit that switches at the carrier frequency (first half bridge) By providing the auxiliary resonance circuit only in the circuit A), soft switching of the switching element can be realized. As a result, soft switching can be executed with a simple configuration, so that it is possible to realize high efficiency and low noise of the power conversion device.
[実施の形態2]
以下の実施の形態2~5では、実施の形態1で説明した非対称駆動方式の電力変換装置1において、ソフトスイッチングを実現するための構成について説明する。
[Embodiment 2]
In the following
図10は、この発明の実施の形態2に従う電力変換装置1の主回路構成図である。図10を参照して、実施の形態2に従う電力変換装置1の回路構成は、図1に示した電力変換装置1の回路構成と基本的に同様であり、補助共振回路4および補助キャパシタCr1,Cr2を備える点が異なる。
FIG. 10 is a main circuit configuration diagram of the
補助キャパシタCr1は、スイッチング素子Q1に並列に接続される。補助キャパシタCr2は、スイッチング素子Q2に並列に接続される。補助キャパシタCr1,Cr2としては、外付けのキャパシタを用いてもよいし、回路構成上等価な位置にあるスイッチング素子の寄生容量を用いてもよい。 The auxiliary capacitor Cr1 is connected in parallel to the switching element Q1. The auxiliary capacitor Cr2 is connected in parallel to the switching element Q2. As the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2, an external capacitor may be used, or a parasitic capacitance of a switching element located at an equivalent position in the circuit configuration may be used.
補助共振回路4は、キャパシタCp,Cnと、補助スイッチング素子Qr1,Qr2と、補助リアクトルLrとを含む。キャパシタCpおよびCnは、同容量であり、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に直列に接続される。キャパシタCp,Cnは、直流電源P1の電圧V1を2分割するためのキャパシタである。キャパシタCp,Cnには、一般的に、電圧の変動を安定させるべく、容量が大きい電解キャパシタが用いられる。
The
補助スイッチング素子Qr1およびQr2は、キャパシタCpおよびCnの接続点(ノードn)とノードaとの間に電気的に直列に接続される。補助スイッチング素子Qr1,Qr2のオンオフは、制御回路5から出力されるゲート信号Gr1,Gr2によってそれぞれ制御される。なお、図10では、補助スイッチング素子Qr1,Qr2として、MOSFETを用いているが、IGBTなどの任意の自己消弧型のスイッチング素子を用いることができる。補助スイッチング素子Qr1,Qr2にはそれぞれ、補助ダイオードDr1,Dr2が逆並列に接続されている。補助スイッチング素子Qr1,Qr2および補助ダイオードDr1,Dr2は「双方向スイッチ」の一実施例に対応する。
The auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 are electrically connected in series between the connection point (node n) of the capacitors Cp and Cn and the node a. The on / off of the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 is controlled by the gate signals Gr1 and Gr2 output from the
補助リアクトルLrは、補助スイッチング素子Qr1およびQr2の直列回路とノードaとの間に電気的に接続される。 The auxiliary reactor Lr is electrically connected between the series circuit of the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 and the node a.
次に、図11から図13を用いて、実施の形態2に従う電力変換装置1の動作、特に補助共振回路4によるソフトスイッチングを説明する。ここでは、負荷2に正の電圧を印加するとき(図2参照)のソフトスイッチングについて説明する。
Next, the operation of the
以下の説明では、図10の補助スイッチング素子Qr1およびQr2の直列回路を補助スイッチSrで置き換えることとする。直流電源P1の出力電圧(電源電圧)をVdcとする。Ioは負荷2に流れる電流を示し、IL1はリアクトルL1に流れる電流を示し、ILrは補助リアクトルLrに流れるリアクトル電流を示す。
In the following description, the series circuit of the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 in FIG. 10 will be replaced with the auxiliary switch Sr. The output voltage (power supply voltage) of the DC power supply P1 is Vdc. Io indicates the current flowing through the
図11および図12は、スイッチング素子Q2のダイオードD2に電流IL1が流れている状態(モードM0)からスイッチング素子Q1へ転流するときの状態を示している。図12は、図11に示す動作が実行された場合の動作波形図である。 11 and 12 show a state in which the current IL1 is flowing through the diode D2 of the switching element Q2 (mode M0) and is transferred to the switching element Q1. FIG. 12 is an operation waveform diagram when the operation shown in FIG. 11 is executed.
図11を参照して、スイッチング素子Q2およびQ4がオンの状態においては(モードM0)、リアクトルL1および負荷2の直列回路が短絡され、図中の矢印で示すように、正の電流IL1が次第に減少する形で流れる。
With reference to FIG. 11, when the switching elements Q2 and Q4 are on (mode M0), the series circuit of the reactor L1 and the
この状態で補助スイッチSr(補助スイッチング素子Qr1)のをターンオンすると(モードM1)、補助リアクトルLrに、正の電流ILrが流れ始める。転流期間中の電流ILrを一定とすれば、図13に示すように、リアクトル電流ILrはVdc/2Lrの傾きで直線的に増加し始める。 When the auxiliary switch Sr (auxiliary switching element Qr1) is turned on in this state (mode M1), a positive current ILr begins to flow in the auxiliary reactor Lr. Assuming that the current ILr during the commutation period is constant, the reactor current ILr begins to increase linearly with a slope of Vdc / 2Lr as shown in FIG.
リアクトル電流ILrが電流IL1よりも大きくなると、その超過分の電流は補助リアクトルLrからスイッチング素子Q2に流れ込み、キャパシタCp,Cnおよび補助スイッチSrを介して補助リアクトルLrに帰還する(モードM2)。 When the reactor current ILr becomes larger than the current IL1, the excess current flows from the auxiliary reactor Lr to the switching element Q2 and returns to the auxiliary reactor Lr via the capacitors Cp, Cn and the auxiliary switch Sr (mode M2).
スイッチング素子Q2のドレイン電流Idが正になったときに、スイッチング素子Q2をターンオフすると(モードM3)、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2とが共振動作になるため、リアクトル電流ILrはピーク値を向かえた後0に向かって減少する。このとき、リアクトル電流ILrは補助キャパシタCr1に流れ込むとともに、補助キャパシタCr2に流れ込む。この電流によって補助キャパシタCr2が充電され、かつ、補助キャパシタCr1が放電されることによって、スイッチング素子Q1およびQ2の接続点(ノードa)の電位が上昇する。このため、図13に示すように、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧Vdsは次第に減少する。 When the switching element Q2 is turned off when the drain current Id of the switching element Q2 becomes positive (mode M3), the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2 resonate with each other, so that the reactor current ILr has a peak value. After heading, it decreases toward 0. At this time, the reactor current ILr flows into the auxiliary capacitor Cr1 and also flows into the auxiliary capacitor Cr2. The auxiliary capacitor Cr2 is charged by this current and the auxiliary capacitor Cr1 is discharged, so that the potential of the connection point (node a) of the switching elements Q1 and Q2 rises. Therefore, as shown in FIG. 13, the drain-source voltage Vds of the switching element Q1 gradually decreases.
ノードaの電位Va=Vdcに達すると、スイッチング素子Q1のダイオードD1がオンする。このダイオードD1がオンしている期間にスイッチング素子Q1をターンオンさせれば、ゼロ電圧スイッチングが行なわれることになる(モードM4)。 When the potential Va = Vdc of the node a is reached, the diode D1 of the switching element Q1 is turned on. If the switching element Q1 is turned on while the diode D1 is on, zero voltage switching is performed (mode M4).
スイッチング素子Q1をターンオンすることにより、電流が直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q1に流れ込み、リアクトルL1、負荷2およびスイッチング素子Q4を介して直流電源P1の負極端子に帰還する(モードM5)。スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間に流れるドレイン電流Idが次第に増加し、それに伴ってリアクトル電流ILrが減少する。リアクトル電流ILr=0となった後に、補助スイッチSr(補助スイッチング素子Qr1)をオフする(モードM6)。補助スイッチング素子Qr2の補助ダイオードDr2により負の電流は流れない。
By turning on the switching element Q1, a current flows from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the switching element Q1 and returns to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the reactor L1, the
図14に、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧Vdsおよびドレイン電流Idの動作波形の周波数スペクトルを示す。図14(A)には、実施の形態1に従う電力変換装置1(補助共振回路無し)のスイッチング素子Q1のVds波形の周波数スペクトル(波形k1)および、実施の形態2に従う電力変換装置1(補助共振回路有り)のスイッチング素子Q1のVds波形の周波数スペクトル(波形k2)が示されている。 FIG. 14 shows the frequency spectra of the operation waveforms of the drain-source voltage Vds and the drain current Id of the switching element Q1. FIG. 14A shows the frequency spectrum (waveform k1) of the Vds waveform of the switching element Q1 of the power conversion device 1 (without auxiliary resonance circuit) according to the first embodiment, and the power conversion device 1 (auxiliary) according to the second embodiment. The frequency spectrum (waveform k2) of the Vds waveform of the switching element Q1 of the switching element Q1 (with resonance circuit) is shown.
図14(B)には、実施の形態1に従う電力変換装置1のスイッチング素子Q1のId波形の周波数スペクトル(波形k3)および、実施の形態2に従う電力変換装置1のスイッチング素子Q1のId波形の周波数スペクトル(波形k4)が示されている。
FIG. 14B shows the frequency spectrum (waveform k3) of the Id waveform of the switching element Q1 of the
図14(A)に示されるように、補助共振回路4を利用してスイッチング素子Q1をソフトスイッチングしたことにより、スイッチング素子Q1をハードスイッチングした場合に比べて、Vdsの高周波領域での強度が小さくなっている。図14(B)においても、スイッチング素子Q1をソフトスイッチングしたことにより、スイッチング素子Q1をハードスイッチングした場合に比べて、Idの高周波領域での強度が小さくなっている。このように、第1ハーフブリッジ回路Aのスイッチング素子をソフトスイッチングすることで、電磁干渉(EMI)ノイズを低減することができる。
As shown in FIG. 14 (A), by soft-switching the switching element Q1 using the
以上説明したように、実施の形態2に従う電力変換装置によれば、フルブリッジ回路において、キャリア周波数でスイッチングするハーフブリッジ回路にのみ補助共振回路を設けることによって、簡易な構成でスイッチング損失の低減およびEMIノイズの低減を実現することができる。 As described above, according to the power conversion device according to the second embodiment, in the full bridge circuit, by providing the auxiliary resonance circuit only in the half bridge circuit switching at the carrier frequency, the switching loss can be reduced and the switching loss can be reduced by a simple configuration. It is possible to reduce the EMI noise.
[実施の形態3]
上述した実施の形態2に従う電力変換装置1においては、補助共振回路4には、直流電源P1の電圧Vdcを2分割して中点電位(Vdc/2)を生成するためにキャパシタCp,Crの直列回路を用いている。そのため、負荷の大きさなどによって中点電位が変動する場合がある。また、キャパシタCp,Crに電解キャパシタを用いた場合、電解キャパシタは温度上昇によって容量が低下する電気部品であるため、キャパシタCp,Cnの劣化が進行することで、電力変換装置全体の寿命が短くなることが懸念される。
[Embodiment 3]
In the
以下、実施の形態3~5では、キャパシタCp,Crの直列回路を用いずにスイッチング素子Q1,Q2のソフトスイッチングを実現するための補助共振回路の新たな構成について説明する。 Hereinafter, in the third to fifth embodiments, a new configuration of the auxiliary resonance circuit for realizing the soft switching of the switching elements Q1 and Q2 without using the series circuit of the capacitors Cp and Cr will be described.
図15は、この発明の実施の形態3に従う電力変換装置1の主回路構成図である。図15を参照して、実施の形態3に従う電力変換装置1は、補助共振回路4Aの構成が図10に示した実施の形態2に従う電力変換装置1の補助共振回路4の構成と異なる。その他の点については、実施の形態2と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明は繰返さない。
FIG. 15 is a main circuit configuration diagram of the
補助共振回路4Aは、補助スイッチング素子Qr1,Qr2および補助リアクトルLrを含む。補助スイッチング素子Qr1およびQr2は、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に電気的に直列に接続される。補助リアクトルLrは、補助スイッチング素子Qr1およびQr2の接続点(ノードc)とノードaとの間に電気的に接続される。
The
次に、図16から図19を用いて、実施の形態3に従う電力変換装置1の動作、特に補助共振回路4Aによるソフトスイッチングを説明する。図16および図17では、負荷2に正の電圧を印加するときのソフトスイッチングについて説明する。
Next, the operation of the
図16は、スイッチング素子Q2のダイオードD2に電流IL1が流れている状態(モードM0)からスイッチング素子Q1へ転流するときの状態を示している。図17は、図16に示す動作が実行された場合の動作波形図である。 FIG. 16 shows a state when the current IL1 is flowing through the diode D2 of the switching element Q2 (mode M0) and is transferred to the switching element Q1. FIG. 17 is an operation waveform diagram when the operation shown in FIG. 16 is executed.
図16を参照して、スイッチング素子Q2およびQ4がオンの状態においては(モードM0)、リアクトルL1および負荷2の直列回路が短絡され、図中の矢印で示すように、正の電流IL1が次第に減少する形で流れる。
With reference to FIG. 16, when the switching elements Q2 and Q4 are on (mode M0), the series circuit of the reactor L1 and the
この状態で補助スイッチング素子Qr1をターンオンすると(モードM1)、補助リアクトルLrに、正のリアクトル電流ILrが流れ始める。リアクトル電流ILrは、直流電源P1の正極端子から補助スイッチSr1、補助リアクトルLr、リアクトルL1、負荷2、スイッチング素子Q4を介して直流電源P1の負極端子に帰還される。転流期間中の電流IL1を一定とすれば、図17に示すように、リアクトル電流ILrはVdc/Lrの傾きで直線的に増加し始める。
When the auxiliary switching element Qr1 is turned on in this state (mode M1), a positive reactor current ILr begins to flow in the auxiliary reactor Lr. The reactor current ILr is returned from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the auxiliary switch Sr1, the auxiliary reactor Lr, the reactor L1, the
リアクトル電流ILrが電流IL1よりも大きくなると、その超過分は補助リアクトルLrからスイッチング素子Q2に流れ込む。スイッチング素子Q2のドレイン電流Idが正になったときに、スイッチング素子Q2をターンオフすると(モードM2)、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2とが共振動作になる。このとき、リアクトル電流ILrは補助キャパシタCr1に流れ込むとともに、補助キャパシタCr2に流れ込む。この電流によって補助キャパシタCr2が充電され、かつ、補助キャパシタCr1が放電されることによって、スイッチング素子Q1およびQ2の接続点(ノードa)の電位が上昇する。このため、図17に示すように、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧Vdsは次第に減少する。 When the reactor current ILr becomes larger than the current IL1, the excess flows from the auxiliary reactor Lr into the switching element Q2. When the switching element Q2 is turned off (mode M2) when the drain current Id of the switching element Q2 becomes positive, the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2 resonate with each other. At this time, the reactor current ILr flows into the auxiliary capacitor Cr1 and also flows into the auxiliary capacitor Cr2. The auxiliary capacitor Cr2 is charged by this current and the auxiliary capacitor Cr1 is discharged, so that the potential of the connection point (node a) of the switching elements Q1 and Q2 rises. Therefore, as shown in FIG. 17, the drain-source voltage Vds of the switching element Q1 gradually decreases.
ノードaの電位Va=Vdcに達すると、スイッチング素子Q1のダイオードD1がオンする。このダイオードD1がオンしている期間にスイッチング素子Q1をターンオンさせれば、ゼロ電圧スイッチングが行なわれることになる(モードM3)。スイッチング素子Q1のターンオンと同じタイミングで、補助スイッチング素子Qr1をターンオフする。 When the potential Va = Vdc of the node a is reached, the diode D1 of the switching element Q1 is turned on. If the switching element Q1 is turned on while the diode D1 is on, zero voltage switching is performed (mode M3). The auxiliary switching element Qr1 is turned off at the same timing as the switching element Q1 is turned on.
スイッチング素子Q1をターンオンすると(モードM3)、補助リアクトルLrの電流維持作用により、リアクトル電流ILrは、補助リアクトルLrからスイッチング素子Q1のダイオードD1、直流電源P1の正極端子、補助スイッチング素子Qr2の順に流れるとともに、補助リアクトルLrからリアクトルL1、負荷2、スイッチS4、補助スイッチング素子Qr2の補助ダイオードDr2の順に流れることとなる。図17に示すように、リアクトル電流ILrは直線的に減少し始める。
When the switching element Q1 is turned on (mode M3), the reactor current ILr flows from the auxiliary reactor Lr in this order from the auxiliary reactor Lr to the diode D1 of the switching element Q1, the positive electrode terminal of the DC power supply P1, and the auxiliary switching element Qr2 due to the current maintenance action of the auxiliary reactor Lr. At the same time, the current flows from the auxiliary reactor Lr to the reactor L1, the
リアクトル電流ILrが減少し始めると、電流IL1を一定とするために、直流電源P1の正極端子からリアクトルL1に電流が流れ込み、負荷2、スイッチング素子Q4を介して直流電源P1の負極端子に帰還する(モードM4)。スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間に流れるドレイン電流Idが次第に増加する。この状態でリアクトル電流ILr=0になると(モードM5)、ドレイン電流Idが一定となる。
When the reactor current ILr begins to decrease, a current flows from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the reactor L1 in order to keep the current IL1 constant, and returns to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the
次に、図18および図19を用いて、負荷2に負の電圧を印加するときのソフトスイッチングについて説明する。
Next, with reference to FIGS. 18 and 19, soft switching when a negative voltage is applied to the
図18は、スイッチング素子Q1のダイオードD1に電流IL1が流れている状態(モードM0)からスイッチング素子Q2へ転流するときの状態を示している。図19は、図18に示す動作が実行された場合の動作波形図である。 FIG. 18 shows a state when the current IL1 is flowing through the diode D1 of the switching element Q1 (mode M0) and is transferred to the switching element Q2. FIG. 19 is an operation waveform diagram when the operation shown in FIG. 18 is executed.
図18を参照して、スイッチング素子Q1およびQ3がオンの状態においては(モードM0)、リアクトルL1および負荷2の直列回路が短絡され、図中の矢印で示すように、負の電流IL1の絶対値が次第に減少する形で流れる。
With reference to FIG. 18, when the switching elements Q1 and Q3 are on (mode M0), the series circuit of the reactor L1 and the
この状態で補助スイッチング素子Qr2をターンオンすると(モードM1)、補助リアクトルLrに、負のリアクトル電流ILrが流れ始める。リアクトル電流ILrは、直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q3、負荷2、リアクトルL1、補助リアクトルLr、補助スイッチング素子Qr2を介して直流電源P1の負極端子に帰還される。転流期間中の電流IL1を一定とすれば、図19に示すように、リアクトル電流ILrは直線的に減少し始める。
When the auxiliary switching element Qr2 is turned on in this state (mode M1), a negative reactor current ILr begins to flow in the auxiliary reactor Lr. The reactor current ILr is returned from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the switching element Q3, the
この状態でスイッチング素子Q1をターンオフすると(モードM2)、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2とが共振動作になる。このとき、リアクトル電流ILrは補助キャパシタCr1に流れ込むとともに、補助キャパシタCr2に流れ込む。この電流によって補助キャパシタCr2が放電され、かつ、補助キャパシタCr1が充電されることによって、スイッチング素子Q1およびQ2の接続点(ノードa)の電位が低下する。このため、図19に示すように、スイッチング素子Q2のドレイン・ソース間電圧Vdsは次第に減少する。 When the switching element Q1 is turned off in this state (mode M2), the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2 resonate with each other. At this time, the reactor current ILr flows into the auxiliary capacitor Cr1 and also flows into the auxiliary capacitor Cr2. The auxiliary capacitor Cr2 is discharged by this current and the auxiliary capacitor Cr1 is charged, so that the potential of the connection point (node a) of the switching elements Q1 and Q2 is lowered. Therefore, as shown in FIG. 19, the drain-source voltage Vds of the switching element Q2 gradually decreases.
ノードaの電位Va=0に達すると、スイッチング素子Q2のダイオードD2がオンする。このダイオードD2がオンしている期間にスイッチS2のスイッチング素子Q2をターンオンさせれば、ゼロ電圧スイッチングが行なわれることになる(モードM3)。スイッチング素子Q2のターンオンと同じタイミングで、補助スイッチング素子Qr2をターンオフする。 When the potential Va = 0 of the node a is reached, the diode D2 of the switching element Q2 is turned on. If the switching element Q2 of the switch S2 is turned on while the diode D2 is on, zero voltage switching is performed (mode M3). The auxiliary switching element Qr2 is turned off at the same timing as the switching element Q2 is turned on.
補助スイッチング素子Qr2がターンオフすると(モードM3)、補助リアクトルLrの電流維持作用により、リアクトル電流ILrは、補助リアクトルLrから補助スイッチング素子Qr1のダイオードDr1を介して直流電源P1の正極端子、負極端子、スイッチング素子Q2のダイオードD2の順に流れるとともに、補助リアクトルLrからスイッチング素子Q3、負荷2、リアクトルL1の順に流れることとなる。図19に示すように、リアクトル電流ILrは直線的に増加し始める。
When the auxiliary switching element Qr2 is turned off (mode M3), the reactor current ILr is changed from the auxiliary reactor Lr to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the diode Dr1 of the auxiliary switching element Qr1 due to the current maintenance action of the auxiliary reactor Lr. The current flows in the order of the diode D2 of the switching element Q2, and also flows in the order of the auxiliary reactor Lr, the switching element Q3, the
リアクトル電流ILrが増加し始めると、電流IL1を一定とするために、直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q3および負荷2を介してリアクトルL1に電流が流れ込み、スイッチング素子Q2を介して直流電源P1の負極端子に帰還する(モードM4)。スイッチング素子Q3のドレイン・ソース間に流れるドレイン電流Idが次第に増加する。この状態でリアクトル電流ILrが0になると(モードM5)、ドレイン電流Idが一定となる。
When the reactor current ILr begins to increase, a current flows from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the reactor L1 via the switching element Q3 and the
以上説明したように、この発明の実施の形態3に従う電力変換装置1によれば、補助共振回路にキャパシタCp,Crの直列回路が含まれていないため、直列回路の中点電位の変動を抑制することができる。また、キャパシタCp,Crの劣化に起因した電力変換装置の寿命の低下を防ぐことができる。
As described above, according to the
[実施の形態4]
上述した実施の形態3に従う補助共振回路4Aにおいては、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2との共振動作により、補助スイッチング素子Qr1に電流が流れている状態(図16のモードM2)において、補助スイッチング素子Qr1をターンオフさせている(モードM3)。そのため、半導体スイッチング素子Q1をソフトスイッチングできる一方で、補助スイッチング素子Qr1がハードスイッチングになることが懸念される。
[Embodiment 4]
In the
補助スイッチング素子Qr1,Qr2をソフトスイッチングするためには、実施の形態2で示したように、直流電源P1の電圧Vdcを2分割した電圧を作ることが必要になるが、上記の理由からキャパシタCp,Cnの直列回路を用いることは得策ではない。 In order to soft-switch the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2, as shown in the second embodiment, it is necessary to create a voltage obtained by dividing the voltage Vdc of the DC power supply P1 into two. For the above reason, the capacitor Cp , It is not a good idea to use a series circuit of Cn.
以下の実施の形態4および5では、キャパシタCp,Cnの直列回路を用いずに、直流電源P1の電圧Vdcを2分割した電圧を生成することができる補助共振回路の構成について説明する。
In the following
図20は、この発明の実施の形態4に従う電力変換装置1の主回路構成図である。図20を参照して、実施の形態4に従う電力変換装置1は、補助共振回路4Bの構成が図10に示した実施の形態2に従う電力変換装置1の補助共振回路4の構成と異なる。その他の点については、実施の形態2と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明は繰返さない。
FIG. 20 is a main circuit configuration diagram of the
補助共振回路4Bは、補助スイッチング素子Qr1,Qr2、補助リアクトルLr、およびトランスTr1を含む。トランスTr1は、一次巻線n1および二次巻線n2を含む。トランスTr1は、理想トランスに加えて、励磁インダクタンスLmおよび漏れインダクタンスを有している。一次巻線n1と二次巻線n2とが電磁的に結合されることにより、一次巻線n1および二次巻線n2に同極性の起電力が誘起される。一次巻線n1と二次巻線n2との巻線比は2:1である。トランスTr1は「第1のトランス」の一実施例に対応する。
The
トランスTr1の一次巻線n1は、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に電気的に接続される。トランスTr1の二次巻線n2は、第1ハーフブリッジ回路Aのノードaおよび直流負母線NL1の間に電気的に接続される。 The primary winding n1 of the transformer Tr1 is electrically connected between the DC terminal T1 (DC positive bus PL1) and the DC terminal T2 (DC negative bus NL1). The secondary winding n2 of the transformer Tr1 is electrically connected between the node a of the first half bridge circuit A and the DC negative bus NL1.
補助スイッチング素子Qr1は、トランスTr1の一次巻線n1および直流負母線NL1の間に電気的に接続される。補助スイッチング素子Qr2は、トランスTr1の二次巻線n2および直流負母線NL1の間に電気的に接続される。補助スイッチング素子Qr1,Qr2にはそれぞれ、補助ダイオードDr1,Dr2が逆並列に接続されている。 The auxiliary switching element Qr1 is electrically connected between the primary winding n1 of the transformer Tr1 and the DC negative bus NL1. The auxiliary switching element Qr2 is electrically connected between the secondary winding n2 of the transformer Tr1 and the DC negative bus NL1. Auxiliary diodes Dr1 and Dr2 are connected in anti-parallel to the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2, respectively.
補助リアクトルLrは、二次巻線n2およびノードaの間に接続される。補助リアクトルLrは、トランスTr1の漏れインダクタンスを利用してもよく、外付けしてもよい。 The auxiliary reactor Lr is connected between the secondary winding n2 and the node a. The auxiliary reactor Lr may utilize the leakage inductance of the transformer Tr1 or may be externally attached.
次に、図21から図26を用いて、実施の形態4に従う電力変換装置1の動作、特に補助共振回路4Bによるソフトスイッチングを説明する。図21から図23では、負荷2に正の電圧を印加するときのソフトスイッチングについて説明する。
Next, the operation of the
図21および図22は、スイッチング素子Q2のダイオードD2に電流IL1が流れている状態(モードM0)からスイッチング素子Q1へ転流するときの状態を示している。図23は、図21および図22に示す動作が実行された場合の動作波形図である。 21 and 22 show a state in which the current IL1 is flowing through the diode D2 of the switching element Q2 (mode M0) and is transferred to the switching element Q1. FIG. 23 is an operation waveform diagram when the operations shown in FIGS. 21 and 22 are executed.
図21を参照して、スイッチング素子Q2およびQ4がオンの状態においては(モードM0)、リアクトルL1および負荷2の直列回路が短絡され、図中の矢印で示すように、正の電流IL1が次第に減少する形で流れる。
With reference to FIG. 21, when the switching elements Q2 and Q4 are on (mode M0), the series circuit of the reactor L1 and the
この状態で補助スイッチング素子Qr1をターンオンすると(モードM1)、トランスTr1の一次巻線n1には直流電源P1の電圧Vdcが印加され、一次巻線n1と二次巻線n2との巻線比が2:1であるので、二次巻線n2および補助リアクトルLrの接続点には電圧Vdcの1/2の電圧が印加される。これにより、補助リアクトルLrに、正のリアクトル電流ILrが流れ始める。リアクトル電流ILrは、トランスTr1の二次巻線n2から補助リアクトルLr、スイッチング素子Q4、補助スイッチング素子Qr2の補助ダイオードDr2を介して二次巻線n2に帰還される。転流期間中の電流IL1を一定とすれば、図23に示すように、リアクトル電流ILrはVdc/2Lrの傾きで直線的に増加し始める。また、スイッチング素子Q2のドレイン電流Idは0に向かって直線的に増加し始める。 When the auxiliary switching element Qr1 is turned on in this state (mode M1), the voltage Vdc of the DC power supply P1 is applied to the primary winding n1 of the transformer Tr1, and the winding ratio between the primary winding n1 and the secondary winding n2 is increased. Since it is 2: 1, a voltage ½ of the voltage Vdc is applied to the connection point of the secondary winding n2 and the auxiliary reactor Lr. As a result, a positive reactor current ILr begins to flow in the auxiliary reactor Lr. The reactor current ILr is fed back from the secondary winding n2 of the transformer Tr1 to the secondary winding n2 via the auxiliary reactor Lr, the switching element Q4, and the auxiliary diode Dr2 of the auxiliary switching element Qr2. Assuming that the current IL1 during the commutation period is constant, as shown in FIG. 23, the reactor current ILr begins to increase linearly with a slope of Vdc / 2Lr. Further, the drain current Id of the switching element Q2 begins to increase linearly toward 0.
リアクトル電流ILrが電流IL1よりも大きくなると、その超過分の電流は補助リアクトルLrからスイッチング素子Q2に流れ込む(モードM2)。 When the reactor current ILr becomes larger than the current IL1, the excess current flows from the auxiliary reactor Lr into the switching element Q2 (mode M2).
スイッチング素子Q2のドレイン電流Idが正になったときに、スイッチング素子Q2をターンオフすると(モードM3)、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2とが共振動作になる。このとき、リアクトル電流ILrは、補助キャパシタCr2に流れ込むとともに、補助キャパシタCr1に流れ込む。この電流によって補助キャパシタCr2が充電され、かつ、補助キャパシタCr1が放電されることによって、スイッチング素子Q1およびQ2の接続点(ノードa)の電位が上昇する。このため、図23に示すように、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧Vdsは次第に減少する。 When the switching element Q2 is turned off (mode M3) when the drain current Id of the switching element Q2 becomes positive, the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2 resonate with each other. At this time, the reactor current ILr flows into the auxiliary capacitor Cr2 and also flows into the auxiliary capacitor Cr1. The auxiliary capacitor Cr2 is charged by this current and the auxiliary capacitor Cr1 is discharged, so that the potential of the connection point (node a) of the switching elements Q1 and Q2 rises. Therefore, as shown in FIG. 23, the drain-source voltage Vds of the switching element Q1 gradually decreases.
ノードaの電位Va=Vdcに達すると、スイッチング素子Q1のダイオードD1がオンする。このダイオードD1がオンしている期間にスイッチング素子Q1をターンオンさせれば、ゼロ電圧スイッチングが行なわれることになる(モードM4)。 When the potential Va = Vdc of the node a is reached, the diode D1 of the switching element Q1 is turned on. If the switching element Q1 is turned on while the diode D1 is on, zero voltage switching is performed (mode M4).
スイッチング素子Q1をターンオンすると(モードM5)、電流が直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q1に流れ込み、リアクトルL1、負荷2、スイッチング素子Q4を介して直流電源P1の負極端子に帰還する。スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間に流れるドレイン電流Idが次第に増加する。リアクトル電流ILr=0となったときに、補助スイッチング素子Qr1をターンオフすることにより(モードM6)、補助スイッチング素子Qr1のゼロ電流スイッチングが行なわれる。
When the switching element Q1 is turned on (mode M5), a current flows from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the switching element Q1 and returns to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the reactor L1, the
次に、図24および図26を用いて、負荷2に負の電圧を印加するときのソフトスイッチングについて説明する。
Next, with reference to FIGS. 24 and 26, soft switching when a negative voltage is applied to the
図24および図25は、スイッチング素子Q1のダイオードD1に電流IL1が流れている状態(モードM0)からスイッチング素子Q2へ転流するときの状態を示している。図26は、図24および図25に示す動作が実行された場合の動作波形図である。 24 and 25 show a state in which the current IL1 is flowing through the diode D1 of the switching element Q1 (mode M0) and is transferred to the switching element Q2. FIG. 26 is an operation waveform diagram when the operations shown in FIGS. 24 and 25 are executed.
図24を参照して、スイッチング素子Q1およびQ3がオンの状態においては(モードM0)、リアクトルL1および負荷2の直列回路が短絡され、図中の矢印で示すように、負の電流IL1の絶対値が次第に減少する形で流れる。
With reference to FIG. 24, when the switching elements Q1 and Q3 are on (mode M0), the series circuit of the reactor L1 and the
この状態で補助スイッチング素子Qr2をターンオンすると(モードM1)、補助リアクトルLrに、負のリアクトル電流ILrが流れ始める。リアクトル電流ILrは、直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q3、負荷2、リアクトルL1、補助リアクトルLr、補助スイッチング素子Qr2を介して直流電源P1の負極端子に帰還される。このとき、補助ダイオードDr1、一次巻線n1、直流電源P1、補助ダイオードDr1の経路で電流が流れる。一次巻線n1には電圧Vdcが印加され、一次巻線nと二次巻線n2との巻線比が2:1であるので、二次巻線n2および補助リアクトルLrの接続点には電圧Vdcの1/2の電圧が印加される。転流期間中の電流IL1を一定とすれば、図26に示すように、リアクトル電流ILrは-Vdc/2Lrの傾きで直線的に減少し始める。また、スイッチング素子Q1のドレイン電流Idは0に向かって直線的に増加し始める。
When the auxiliary switching element Qr2 is turned on in this state (mode M1), a negative reactor current ILr begins to flow in the auxiliary reactor Lr. The reactor current ILr is returned from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the switching element Q3, the
リアクトル電流ILrが電流IL1よりも小さくなると、その超過分の電流はスイッチング素子Q3に流れ込む(モードM2)。 When the reactor current ILr becomes smaller than the current IL1, the excess current flows into the switching element Q3 (mode M2).
スイッチング素子Q1のドレイン電流Idが正になったときに、スイッチング素子Q1をターンオフすると(モードM3)、補助リアクトルLrと補助キャパシタCr1,Cr2とが共振動作になる。このとき、リアクトル電流ILrは、補助キャパシタCr2に流れ込むとともに、補助キャパシタCr1に流れ込む。この電流によって補助キャパシタCr1が充電され、かつ、補助キャパシタCr2が放電されることによって、スイッチング素子Q1およびQ2の接続点(ノードa)の電位が低下する。このため、図26に示すように、スイッチング素子Q2のドレイン・ソース間電圧Vdsは次第に減少する。 When the switching element Q1 is turned off (mode M3) when the drain current Id of the switching element Q1 becomes positive, the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2 resonate with each other. At this time, the reactor current ILr flows into the auxiliary capacitor Cr2 and also flows into the auxiliary capacitor Cr1. The auxiliary capacitor Cr1 is charged by this current and the auxiliary capacitor Cr2 is discharged, so that the potential of the connection point (node a) of the switching elements Q1 and Q2 is lowered. Therefore, as shown in FIG. 26, the drain-source voltage Vds of the switching element Q2 gradually decreases.
ノードaの電位Va=0に達すると、スイッチング素子Q2のダイオードD2がオンする。このダイオードD2がオンしている期間にスイッチング素子Q2をターンオンさせれば、ゼロ電圧スイッチングが行なわれることになる(モードM4)。 When the potential Va = 0 of the node a is reached, the diode D2 of the switching element Q2 is turned on. If the switching element Q2 is turned on while the diode D2 is on, zero voltage switching is performed (mode M4).
スイッチング素子Q2をターンオンすると、電流が直流電源P1の正極端子からスイッチング素子Q3に流れ込み、負荷2、リアクトルL1、スイッチング素子Q2を介して直流電源P1の負極端子に帰還する(モードM5)。スイッチング素子Q2のドレイン・ソース間に流れるドレイン電流Idが次第に増加する。リアクトル電流ILr=0となったときに、補助スイッチング素子Qr2をターンオフすることにより(モードM6)、補助スイッチング素子Qr1のゼロ電流スイッチングが行なわれる。
When the switching element Q2 is turned on, a current flows from the positive electrode terminal of the DC power supply P1 to the switching element Q3 and returns to the negative electrode terminal of the DC power supply P1 via the
以上説明したように、この発明の実施の形態4に従う電力変換装置1によれば、キャパシタCp,Cnの直列回路を用いずに、直流電源P1の電圧Vdcを2分割した電圧を生成することができるため、補助スイッチング素子Qr1,Qr2をソフトスイッチングすることができる。
As described above, according to the
また、本実施の形態4に従う電力変換装置1において、補助スイッチング素子Qr1およびQr2はともに、直流電源P1の負極端子(直流負母線NL1)に接続されているため、補助スイッチング素子Qr1のゲート信号Gr1と、補助スイッチング素子Qr2のゲート信号Gr2とを同電位の信号とすることができる。図15に示した実施の形態3に従う電力変換装置1においては、補助スイッチング素子Qr1およびQr2が直流正母線PL1および直流負母線NL1の間に直列に接続されるため、高電位側の補助スイッチング素子Qr1のゲート信号Gr1の電位を、低電位側の補助スイッチング素子Qr1のゲート信号Gr2の電位よりも高くする必要がある。そのため、補助スイッチング素子Qr1のゲート駆動回路は、ゲート信号Gr1の電位を上げるためのレベルシフタが内蔵されており、補助スイッチング素子Qr2のゲート駆動回路とは電気的に分離されている。
Further, in the
これに対して、本実施の形態4においては、補助スイッチング素子Qr1およびQr2が同電位にあるため、互いのゲート駆動回路を電気的に分離することが不要となる。したがって、ゲート駆動回路を簡素化でき、結果的に電力変換装置1を小型化および低コスト化することができる。
On the other hand, in the fourth embodiment, since the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 are at the same potential, it is not necessary to electrically separate the gate drive circuits from each other. Therefore, the gate drive circuit can be simplified, and as a result, the
[変形例]
図27は、本実施の形態4の変形例に従う電力変換装置1の主回路構成図である。図27を参照して、実施の形態4の変形例に従う電力変換装置1は、補助共振回路4Cの構成が図20に示した実施の形態4に従う電力変換装置1の補助共振回路4Bの構成と異なる。その他の点については、実施の形態2と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明は繰返さない。
[Modification example]
FIG. 27 is a main circuit configuration diagram of the
本変形例に従う電力変換装置1においては、図20に示した電力変換装置1のトランスTr1がトランスTr2に置き換えられるとともに、ダイオードDa2が追加されている。
In the
トランスTr2は、一次巻線n1、二次巻線n2およびリセット巻線n3を含む。リセット巻線n3は、一方端が直流正母線PLに接続され、他方端がダイオードDa2のカソードに接続されている。ダイオードDa2のアノードは直流負母線NL1に接続されている。すなわち、ダイオードDa2およびリセット巻線n3の直列回路は、直流負母線NL1から直流正母線PL1に向かう方向がダイオードDa2の順方向となるように、直流正母線PL1および直流負母線NL1の間に電気的に接続されている。 The transformer Tr2 includes a primary winding n1, a secondary winding n2 and a reset winding n3. One end of the reset winding n3 is connected to the DC positive bus PL, and the other end is connected to the cathode of the diode Da2. The anode of the diode Da2 is connected to the DC negative bus NL1. That is, the series circuit of the diode Da2 and the reset winding n3 is electrically connected between the DC positive bus PL1 and the DC negative bus NL1 so that the direction from the DC negative bus NL1 to the DC positive bus PL1 is the forward direction of the diode Da2. Is connected.
リセット巻線n3およびダイオードDa2は、トランスTr2の励磁インダクタンスLmに蓄積された電磁エネルギを放出するためのリセット回路を構成する。 The reset winding n3 and the diode Da2 constitute a reset circuit for discharging the electromagnetic energy stored in the exciting inductance Lm of the transformer Tr2.
具体的には、補助スイッチング素子Qr1,Qr2がオフしたときには、トランスTr2の励磁インダクタンスLmによる逆起電力が発生する。この逆起電力によって一次巻線n1および二次巻線n2に発生した電圧(サージ電圧)が補助スイッチング素子Qr1,Qr2に印加されることで、補助スイッチング素子Qr1,Qr2は損傷する虞がある。 Specifically, when the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 are turned off, a counter electromotive force is generated by the exciting inductance Lm of the transformer Tr2. When the voltage (surge voltage) generated in the primary winding n1 and the secondary winding n2 is applied to the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 by this counter electromotive force, the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 may be damaged.
リセット巻線n3およびダイオードDa2の直列回路は、この逆起電力を直流電源P1に回生することができる。これにより、補助スイッチング素子Qr1,Qr2に過電圧が印加されることを回避できるため、補助スイッチング素子Qr1,Qr2の損傷を防ぐことができる。 The series circuit of the reset winding n3 and the diode Da2 can regenerate this counter electromotive force to the DC power supply P1. As a result, it is possible to prevent an overvoltage from being applied to the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2, so that damage to the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 can be prevented.
[実施の形態5]
図28は、この発明の実施の形態5に従う電力変換装置1の主回路構成図である。図28を参照して、本実施の形態5に従う電力変換装置1は、補助共振回路4Dの構成が図15に示した実施の形態3に従う電力変換装置1の補助共振回路4Aの構成と異なる。その他の点については、実施の形態2と共通するので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明は繰返さない。
[Embodiment 5]
FIG. 28 is a main circuit configuration diagram of the
補助共振回路4Dは、補助スイッチング素子Qr1,Qr2、補助リアクトルLr、トランスTr3、およびダイオードDb1,Db2,Dc1,Dc2,Dr3,Dr4を含む。
The auxiliary
補助スイッチング素子Qr1およびQr2は、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に電気的に直列に接続される。補助リアクトルLrは、補助スイッチング素子Qr1およびQr2の接続点(ノードc)とノードaとの間に電気的に接続される。 The auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 are electrically connected in series between the DC terminal T1 (DC positive bus PL1) and the DC terminal T2 (DC negative bus NL1). The auxiliary reactor Lr is electrically connected between the connection point (node c) of the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 and the node a.
ダイオードDr3は、直流正母線PL1およびノードcの間に、補助スイッチング素子Qr1と電気的に直列に接続される。ダイオードDr4は、直流負母線NL1およびノードcの間に、補助スイッチング素子Qr2と電気的に直列に接続される。図27の構成例では、ダイオードDr3のアノードが補助スイッチング素子Qr1に接続され、カソードがノードcに接続されている。ダイオードDr3は、直流負母線PL1および補助スイッチング素子Qr1の間に接続されていてもよい。図28の構成例では、また、ダイオードDr4のアノードがノードcに接続され、カソードが補助スイッチング素子Qr2に接続されている。ダイオードDr4は、補助スイッチング素子Qr2および直流負母線NL1の間に接続されていてもよい。ダイオードDr3は「第5のダイオード」の一実施例に対応し、ダイオードDr4は「第6のダイオード」の一実施例に対応する。 The diode Dr3 is electrically connected in series with the auxiliary switching element Qr1 between the DC positive bus PL1 and the node c. The diode Dr4 is electrically connected in series with the auxiliary switching element Qr2 between the DC negative bus NL1 and the node c. In the configuration example of FIG. 27, the anode of the diode Dr3 is connected to the auxiliary switching element Qr1, and the cathode is connected to the node c. The diode Dr3 may be connected between the DC negative bus PL1 and the auxiliary switching element Qr1. In the configuration example of FIG. 28, the anode of the diode Dr4 is connected to the node c, and the cathode is connected to the auxiliary switching element Qr2. The diode Dr4 may be connected between the auxiliary switching element Qr2 and the DC negative bus NL1. The diode Dr3 corresponds to one embodiment of the "fifth diode" and the diode Dr4 corresponds to one embodiment of the "sixth diode".
ダイオードDb1およびDb2は、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に電気的に直列に接続される。ダイオードDb2のアノードは直流負母線NL1と電気的に接続され、ダイオードDb1のカソードは直流正母線PL1と電気的に接続される。ダイオードDb1は「第1のダイオード」の一実施例に対応し、ダイオードDb2は「第2のダイオード」の一実施例に対応する。 The diodes Db1 and Db2 are electrically connected in series between the DC terminal T1 (DC positive bus PL1) and the DC terminal T2 (DC negative bus NL1). The anode of the diode Db2 is electrically connected to the DC negative bus NL1, and the cathode of the diode Db1 is electrically connected to the DC positive bus PL1. The diode Db1 corresponds to one embodiment of the "first diode" and the diode Db2 corresponds to one embodiment of the "second diode".
ダイオードDc1およびDc2は、直流端子T1(直流正母線PL1)および直流端子T2(直流負母線NL1)の間に電気的に直列に接続される。ダイオードDc2のアノードは直流負母線NL1と電気的に接続され、ダイオードDc1のカソードは直流正母線PL1と電気的に接続される。ダイオードDc1は「第3のダイオード」の一実施例に対応し、ダイオードDc2は「第4のダイオード」の一実施例に対応する。 The diodes Dc1 and Dc2 are electrically connected in series between the DC terminal T1 (DC positive bus PL1) and the DC terminal T2 (DC negative bus NL1). The anode of the diode Dc2 is electrically connected to the DC negative bus NL1, and the cathode of the diode Dc1 is electrically connected to the DC positive bus PL1. The diode Dc1 corresponds to one embodiment of the "third diode" and the diode Dc2 corresponds to one embodiment of the "fourth diode".
トランスTr3は、一次巻線n1および二次巻線n2を含む。トランスTr3は、理想トランスに加えて、励磁インダクタンスLmおよび漏れインダクタンスを有している。一次巻線n1と二次巻線n2とが電磁的に結合されることにより、一次巻線n1および二次巻線n2に同極性の起電力が誘起される。一次巻線n1と二次巻線n2との巻線比は1:2である。トランスTr3は「第2のトランス」の一実施例に対応する。 The transformer Tr3 includes a primary winding n1 and a secondary winding n2. The transformer Tr3 has an exciting inductance Lm and a leakage inductance in addition to the ideal transformer. By electromagnetically coupling the primary winding n1 and the secondary winding n2, an electromotive force having the same polarity is induced in the primary winding n1 and the secondary winding n2. The winding ratio between the primary winding n1 and the secondary winding n2 is 1: 2. The transformer Tr3 corresponds to one embodiment of the "second transformer".
トランスTr3の二次巻線n2は、ダイオードDb1およびDb2の接続点(ノードd)と、ダイオードDc1およびDc2の接続点(ノードe)との間に接続される。トランスTr3の一次巻線n1は、補助スイッチング素子Qr1およびQr2の接続点(ノードc)とノードaとの間に、補助リアクトルLrと電気的に直列に接続される。補助リアクトルLrは、トランスTr3の漏れインダクタンスを利用してもよく、外付けしてもよい。 The secondary winding n2 of the transformer Tr3 is connected between the connection point (node d) of the diodes Db1 and Db2 and the connection point (node e) of the diodes Dc1 and Dc2. The primary winding n1 of the transformer Tr3 is electrically connected in series with the auxiliary reactor Lr between the connection point (node c) of the auxiliary switching elements Qr1 and Qr2 and the node a. The auxiliary reactor Lr may utilize the leakage inductance of the transformer Tr3 or may be externally attached.
ダイオードDb1,Db2,Dc1,Dc2およびトランスTr3の二次巻線n2は、ダイオードブリッジ回路を構成する。ダイオードブリッジ回路は、ダイオードDb1およびDc1の接続点(すなわち直流正母線PL1)と、ダイオードDb2およびDc2の接続点(すなわち直流負母線NL1)とを出力端子とし、ダイオードDb1およびDb2の接続点(ノードd)とダイオードDc1およびDc2の接続点(ノードe)とを入力端子とする。 The diodes Db1, Db2, Dc1, Dc2 and the secondary winding n2 of the transformer Tr3 form a diode bridge circuit. The diode bridge circuit uses the connection point of the diodes Db1 and Dc1 (that is, the DC positive bus PL1) and the connection point of the diodes Db2 and Dc2 (that is, the DC negative bus NL1) as output terminals, and the connection point (node) of the diodes Db1 and Db2. d) and the connection point (node e) of the diodes Dc1 and Dc2 are used as input terminals.
補助スイッチング素子Qr1またはQr2をオンしてトランスTr3の一次巻線n1に電流を流すと、電磁誘導により、二次巻線n2に電流が生じる。この二次巻線n2に生じた電流が、二次巻線n2の両端に接続される2つのダイオードを流れることにより、二次巻線n2には電圧Vdcまたは-Vdcが印加される。一次巻線n1と二次巻線n2との巻線比が2:1であるので、一次巻線n1には、電圧Vdcまたは-Vdcの1/2の電圧が印加されることになる。 When the auxiliary switching element Qr1 or Qr2 is turned on and a current is passed through the primary winding n1 of the transformer Tr3, a current is generated in the secondary winding n2 by electromagnetic induction. A voltage Vdc or −Vdc is applied to the secondary winding n2 by the current generated in the secondary winding n2 flowing through two diodes connected to both ends of the secondary winding n2. Since the winding ratio between the primary winding n1 and the secondary winding n2 is 2: 1, a voltage ½ of the voltage Vdc or −Vdc is applied to the primary winding n1.
実施の形態5に従う電力変換装置1の動作は、図23および図26に示した実施の形態4に従う電力変換装置1の動作と同じである。すなわち、負荷2に正の電圧を印加するときの補助共振回路4Dによるソフトスイッチングは、図23に示した補助共振回路4Bによるソフトスイッチングと同じである。
The operation of the
具体的には、図23のモードM1で示したように、スイッチング素子Q1をゼロ電圧スイッチングでターンオンするためには、補助スイッチング素子Qr1をオンとする。したがって、図29に示すように、ノードcの電位Vc=Vdcとなる。一方、スイッチング素子Q2がオンのため、ノードaの電位Va=0である。 Specifically, as shown in the mode M1 of FIG. 23, in order to turn on the switching element Q1 by zero voltage switching, the auxiliary switching element Qr1 is turned on. Therefore, as shown in FIG. 29, the potential Vc = Vdc of the node c. On the other hand, since the switching element Q2 is on, the potential Va = 0 of the node a.
この場合、図中に矢印で示すように、ノードcからノードaに向かって電流が流れることとなる。トランスTr3では、一次巻線n1に流れる電流によって、ダイオードDc2、二次巻線n2およびダイオードDb1を通って流れる電流が誘導される。これにより、二次巻線n2にはノードd側の端子が高電位となり、ノードe側の端子が低電位となるように電圧Vdcが印加されるため、一次巻線n1には、ノードc側の端子を高電位として電圧Vdcの1/2の電圧が印加される。その結果、補助リアクトルLrおよび一次巻線n1の接続点に電圧Vdcの1/2の電圧を印加することができる。補助リアクトルLrおよび補助キャパシタCr1,Cr2の共振動作によってノードaの電位Va=Vdcとなったときに、スイッチング素子Q1をターンオンすれば、ゼロ電圧スイッチングを実現できる。 In this case, as shown by an arrow in the figure, a current flows from the node c toward the node a. In the transformer Tr3, the current flowing through the primary winding n1 induces the current flowing through the diode Dc2, the secondary winding n2, and the diode Db1. As a result, the voltage Vdc is applied to the secondary winding n2 so that the terminal on the node d side has a high potential and the terminal on the node e side has a low potential. Therefore, the primary winding n1 has a node c side. A voltage of 1/2 of the voltage Vdc is applied with the terminal of No. as a high potential. As a result, a voltage ½ of the voltage Vdc can be applied to the connection point of the auxiliary reactor Lr and the primary winding n1. Zero voltage switching can be realized by turning on the switching element Q1 when the potential Va = Vdc of the node a due to the resonance operation of the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2.
スイッチング素子Q1をターンオンした後(図23のモードM4)、リアクトル電流ILr=0となったときに、補助スイッチング素子Qr1をターンオフすることにより(モードM6)、補助スイッチング素子Qr1のゼロ電流スイッチングが行なわれる。ダイオードDr3は、リアクトル電流ILrが逆方向(負方向)に流れ始めるのを阻止するために設けられている。 After the switching element Q1 is turned on (mode M4 in FIG. 23), when the reactor current ILr = 0, the auxiliary switching element Qr1 is turned off (mode M6) to perform zero current switching of the auxiliary switching element Qr1. Is done. The diode Dr3 is provided to prevent the reactor current ILr from starting to flow in the reverse direction (negative direction).
同様に、負荷2に負の電圧を印加するときの補助共振回路4Dによるソフトスイッチングは、図26に示した補助共振回路4Bによるソフトスイッチングと同じである。図26のモードM1で示したように、スイッチング素子Q2をゼロ電圧スイッチングでターンオンするためには、補助スイッチング素子Qr2をオンとする。したがって、図30に示すように、ノードcの電位Vc=0となる。一方、スイッチング素子Q1がオンのため、ノードaの電位Va=Vdcである。
Similarly, the soft switching by the
この場合、図中に矢印で示すように、ノードaからノードcに向かって電流が流れることとなる。トランスTr3では、一次巻線n1に流れる電流によって、ダイオードDb2、二次巻線n2およびダイオードDc1を通って流れる電流が誘導される。これにより、二次巻線n2にはノードe側の端子が高電位となり、ノードd側の端子が低電位となるように電圧Vdcが印加されるため、一次巻線n1には、ノードa側の端子を高電位として電圧Vdcの1/2の電圧が印加される。その結果、補助リアクトルLrおよび一次巻線n1の接続点に電圧Vdcの1/2の電圧を印加することができる。補助リアクトルLrおよび補助キャパシタCr1,Cr2の共振動作によってノードaの電位Va=0となったときに、スイッチング素子Q2をターンオンすれば、ゼロ電圧スイッチングを実現できる。 In this case, as shown by the arrow in the figure, a current flows from the node a to the node c. In the transformer Tr3, the current flowing through the primary winding n1 induces the current flowing through the diode Db2, the secondary winding n2, and the diode Dc1. As a result, the voltage Vdc is applied to the secondary winding n2 so that the terminal on the node e side has a high potential and the terminal on the node d side has a low potential. Therefore, the primary winding n1 has the node a side. A voltage of 1/2 of the voltage Vdc is applied with the terminal of No. as a high potential. As a result, a voltage ½ of the voltage Vdc can be applied to the connection point of the auxiliary reactor Lr and the primary winding n1. Zero voltage switching can be realized by turning on the switching element Q2 when the potential Va = 0 of the node a due to the resonance operation of the auxiliary reactor Lr and the auxiliary capacitors Cr1 and Cr2.
スイッチング素子Q2をターンオンした後(図25のモードM4)、リアクトル電流ILr=0となったときに、補助スイッチング素子Qr2をターンオフすることにより、補助スイッチング素子Qr2のゼロ電流スイッチングが行なわれる。ダイオードDr4は、リアクトル電流ILrが逆方向(正方向)に流れ始めるのを阻止するために設けられている。 After the switching element Q2 is turned on (mode M4 in FIG. 25), when the reactor current ILr = 0, the auxiliary switching element Qr2 is turned off to perform zero current switching of the auxiliary switching element Qr2. The diode Dr4 is provided to prevent the reactor current ILr from starting to flow in the reverse direction (positive direction).
以上説明したように、この発明の実施の形態5に従う電力変換装置1によれば、キャパシタCp,Cnの直列回路を用いずに、直流電源P1の電圧Vdcを2分割した電圧を生成することができるため、補助スイッチング素子Qr1,Qr2をソフトスイッチングすることができる。
As described above, according to the
また、実施の形態5に従う電力変換装置1においては、ダイオードDb1,Db2,Dc1,Dc2にダイオードブリッジ回路を用いることができる。ダイオードブリッジ回路は通常、小型の素子であるため、電力変換装置1を大型化させることなく、電圧Vdcの1/2の電圧を作ることができる。
Further, in the
[電力変換装置の適用例]
上述した実施の形態2~5においては、実施の形態1で説明した非対称駆動方式のフルブリッジ回路からなる電力変換装置1において、ソフトスイッチングを実現するための構成について説明したが、各実施の形態で示した補助共振回路は、以下に示すようなハーフブリッジ回路を持つ全ての電力変換装置に対して適用することが可能である。
[Application example of power converter]
In the above-described
図31から図34には、ハーフブリッジ回路からなる電力変換装置1A~1Dがそれぞれ示されている。図31を参照して、電力変換装置1Aは、第1ハーフブリッジ回路Aと、図14の補助共振回路4Aとを有する。図32を参照して、電力変換装置1Bは、第1ハーフブリッジ回路Aと、図20の補助共振回路4Bとを有する。図33を参照して、電力変換装置1Cは、第1ハーフブリッジ回路Aと、図27の補助共振回路4Cとを有する。図34を参照して、電力変換装置1Dは、第1ハーフブリッジ回路Aと、図28の補助共振回路4Dとを有する。電力変換装置1A~1Dの動作は、第2ハーフブリッジ回路Bのオンオフを除いて、実施の形態2~5に従う電力変換装置の動作とそれぞれ同じである。
31 to 34 show
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1,1A~1D 電力変換装置、2,3 負荷、4,4A,4B,4C,4D 補助共振回路、5 制御回路、A 第1ハーフブリッジ回路、B 第2ハーフブリッジ回路、C0,C5,Cn,Cp キャパシタ、Cr1,Cr2 補助キャパシタ、D1~D4,Da1,Da2,Db1,Db2,Dc1,Dc2 ダイオード、Dr1,Dr2 補助ダイオード、L1 リアクトル、Lr 補助リアクトル、PL1 直流正母線、NL1 直流負母線、P1 直流電源、P2 交流系統、Q1~Q4 半導体スイッチング素子、Qr1,Qr2 補助スイッチング素子、S1~S4 スイッチ、Sr,Sr1,Sr2 補助スイッチ、T1 直流端子(高電位側直流端子)、T2 直流端子(低電位側直流端子)、T3,T4 交流端子、Tr1,Tr2,Tr3 トランス、n1 一次巻線、n2 二次巻線、n3 リセット巻線。 1,1A to 1D power converter, 2,3 load, 4,4A, 4B, 4C, 4D auxiliary resonance circuit, 5 control circuit, A 1st half bridge circuit, B 2nd half bridge circuit, C0, C5, Cn , Cp capacitor, Cr1, Cr2 auxiliary capacitor, D1 to D4, Da1, Da2, Db1, Db2, Dc1, Dc2 diode, Dr1, Dr2 auxiliary diode, L1 reactor, Lr auxiliary reactor, PL1 DC positive bus, NL1 DC negative bus, P1 DC power supply, P2 AC system, Q1 to Q4 semiconductor switching element, Qr1, Qr2 auxiliary switching element, S1 to S4 switch, Sr, Sr1, Sr2 auxiliary switch, T1 DC terminal (high potential side DC terminal), T2 DC terminal ( Low potential side DC terminal), T3, T4 AC terminal, Tr1, Tr2, Tr3 transformer, n1 primary winding, n2 secondary winding, n3 reset winding.
Claims (10)
高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
前記高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記高電位側直流端子および第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第1のノードに電気的に接続された第1の交流端子と、
前記第2のノードに電気的に接続された第2の交流端子と、
前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第3および前記第4のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数に同期してオンオフさせるとともに、
前記第1および第2のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数よりも高い周波数でオンオフさせるように構成され、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、
リアクトルを含み、前記第1および第2のキャパシタと前記リアクトルとの共振動作により前記第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とをさらに備え、
前記補助共振回路は、前記高電位側直流端子および前記低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含み、
前記リアクトルは、前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと前記第1のノードとの間に電気的に接続される、電力変換装置。 A power conversion device that converts power between DC power and AC power.
High potential side DC terminal and low potential side DC terminal,
A first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node,
A second switching element electrically connected between the first node and the low potential side DC terminal, and
A third switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the second node,
A fourth switching element electrically connected between the second node and the low potential side DC terminal, and
The first AC terminal electrically connected to the first node,
A second AC terminal electrically connected to the second node,
A control circuit for controlling the on / off of the first to fourth switching elements is provided.
The control circuit is
The third and fourth switching elements are turned on and off in synchronization with the frequency of the AC power, and are also turned on and off.
The first and second switching elements are configured to be turned on and off at a frequency higher than the frequency of the AC power.
A first capacitor connected in parallel to the first switching element,
A second capacitor connected in parallel to the second switching element,
It further comprises an auxiliary resonant circuit including a reactor, configured to soft-switch the first and second switching elements by resonant operation of the first and second capacitors with the reactor.
The auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal.
The reactor is a power conversion device that is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node .
高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
前記高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記高電位側直流端子および第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第1のノードに電気的に接続された第1の交流端子と、
前記第2のノードに電気的に接続された第2の交流端子と、
前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第3および前記第4のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数に同期してオンオフさせるとともに、
前記第1および第2のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数よりも高い周波数でオンオフさせるように構成され、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、
リアクトルを含み、前記第1および第2のキャパシタと前記リアクトルとの共振動作により前記第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とをさらに備え、
前記補助共振回路は、
前記高電位側直流端子および前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された一次巻線と、前記第1のノードおよび前記低電位側直流端子の間に前記リアクトルと電気的に直列に接続された二次巻線とを有する第1のトランスと、
前記一次巻線および前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第1の補助スイッチング素子と、
前記二次巻線および前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2の補助スイッチング素子とを含む、電力変換装置。 A power conversion device that converts power between DC power and AC power.
High potential side DC terminal and low potential side DC terminal,
A first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node,
A second switching element electrically connected between the first node and the low potential side DC terminal, and
A third switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the second node,
A fourth switching element electrically connected between the second node and the low potential side DC terminal, and
The first AC terminal electrically connected to the first node,
A second AC terminal electrically connected to the second node,
A control circuit for controlling the on / off of the first to fourth switching elements is provided.
The control circuit is
The third and fourth switching elements are turned on and off in synchronization with the frequency of the AC power, and are also turned on and off.
The first and second switching elements are configured to be turned on and off at a frequency higher than the frequency of the AC power.
A first capacitor connected in parallel to the first switching element,
A second capacitor connected in parallel to the second switching element,
It further comprises an auxiliary resonant circuit including a reactor, configured to soft-switch the first and second switching elements by resonant operation of the first and second capacitors with the reactor.
The auxiliary resonance circuit is
A primary winding electrically connected between the high-potential side DC terminal and the low-potential side DC terminal, and electrically in series with the reactor between the first node and the low-potential side DC terminal. A first transformer with a connected secondary winding, and
A first auxiliary switching element electrically connected between the primary winding and the low potential side DC terminal, and
A power conversion device including a second auxiliary switching element electrically connected between the secondary winding and the low potential side DC terminal .
前記補助共振回路は、前記低電位側直流端子から前記高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、前記高電位側直流端子および前記低電位側直流端子の間に前記リセット巻線と電気的に直列に接続されたダイオードをさらに含む、請求項2または3に記載の電力変換装置。 The first transformer has a reset winding electrically connected between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal.
The auxiliary resonance circuit is electrically connected to the reset winding between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. The power conversion device according to claim 2 or 3 , further comprising a diode connected in series with.
高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
前記高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記高電位側直流端子および第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第1のノードに電気的に接続された第1の交流端子と、
前記第2のノードに電気的に接続された第2の交流端子と、
前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第3および前記第4のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数に同期してオンオフさせるとともに、
前記第1および第2のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数よりも高い周波数でオンオフさせるように構成され、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のキャパシタと、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のキャパシタと、
リアクトルを含み、前記第1および第2のキャパシタと前記リアクトルとの共振動作により前記第1および第2のスイッチング素子をソフトスイッチングさせるように構成された補助共振回路とをさらに備え、
前記補助共振回路は、前記高電位側直流端子および前記低電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2の補助スイッチング素子をさらに含み、
前記リアクトルは、前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと前記第1のノードとの間に電気的に接続され、
前記補助共振回路は、
前記低電位側直流端子から前記高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、前記低電位側直流端子および前記高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第1および第2のダイオードと、
前記低電位側直流端子から前記高電位側直流端子に向かう方向を順方向として、前記低電位側直流端子および前記高電位側直流端子の間に電気的に直列に接続された第3および第4のダイオードと、
前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードと前記第1のノードとの間に前記リアクトルと電気的に直列に接続された一次巻線と、前記第1および第2のダイオードの接続ノードと前記第3および第4のダイオードの接続ノードとの間に電気的に接続された二次巻線とを有する第2のトランスとをさらに含む、電力変換装置。 A power conversion device that converts power between DC power and AC power.
High potential side DC terminal and low potential side DC terminal,
A first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node,
A second switching element electrically connected between the first node and the low potential side DC terminal, and
A third switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the second node,
A fourth switching element electrically connected between the second node and the low potential side DC terminal, and
The first AC terminal electrically connected to the first node,
A second AC terminal electrically connected to the second node,
A control circuit for controlling the on / off of the first to fourth switching elements is provided.
The control circuit is
The third and fourth switching elements are turned on and off in synchronization with the frequency of the AC power, and are also turned on and off.
The first and second switching elements are configured to be turned on and off at a frequency higher than the frequency of the AC power.
A first capacitor connected in parallel to the first switching element,
A second capacitor connected in parallel to the second switching element,
It further comprises an auxiliary resonant circuit including a reactor, configured to soft-switch the first and second switching elements by resonant operation of the first and second capacitors with the reactor.
The auxiliary resonant circuit further includes first and second auxiliary switching elements electrically connected in series between the high potential side DC terminal and the low potential side DC terminal.
The reactor is electrically connected between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node.
The auxiliary resonance circuit is
The first and second electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. Diode and
The third and fourth electrically connected in series between the low potential side DC terminal and the high potential side DC terminal with the direction from the low potential side DC terminal to the high potential side DC terminal as the forward direction. Diode and
A primary winding electrically connected in series with the reactor between the connection node of the first and second auxiliary switching elements and the first node, and a connection node of the first and second diodes. A power conversion device further comprising a second transformer having a secondary winding electrically connected between the third and fourth diode connection nodes .
前記高電位側直流端子および前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、前記第1の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続された第5のダイオードと、
前記低電位側直流端子および前記第1および第2の補助スイッチング素子の接続ノードとの間に、前記第2の補助スイッチング素子と電気的に直列に接続された第6のダイオードとをさらに含む、請求項5または6に記載の電力変換装置。 The auxiliary resonance circuit is
A fifth diode electrically connected in series with the first auxiliary switching element between the high potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements.
A sixth diode electrically connected in series with the second auxiliary switching element is further included between the low potential side DC terminal and the connection node of the first and second auxiliary switching elements. The power conversion device according to claim 5 or 6 .
高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
前記高電位側直流端子および第1のノードの間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記高電位側直流端子および第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2のノードおよび前記低電位側直流端子の間に電気的に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第1のノードに電気的に接続された第1の交流端子と、
前記第2のノードに電気的に接続された第2の交流端子と、
前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記第3および前記第4のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数に同期してオンオフさせるとともに、
前記第1および第2のスイッチング素子を、前記交流電力の周波数よりも高い周波数でオンオフさせるように構成され、
前記第1および第2のスイッチング素子の各々は、第1の電力用半導体スイッチング素子と、前記第1の電力用半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第1の還流ダイオードを有し、
前記第3および第4のスイッチング素子の各々は、第2の電力用半導体スイッチング素子と、前記第2の電力用半導体スイッチング素子に逆並列に接続された第2の還流ダイオードを有し、
前記第1の還流ダイオードは、前記第2の還流ダイオードに比べて逆回復時間が短い、電力変換装置。 A power conversion device that converts power between DC power and AC power.
High potential side DC terminal and low potential side DC terminal,
A first switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the first node,
A second switching element electrically connected between the first node and the low potential side DC terminal, and
A third switching element electrically connected between the high potential side DC terminal and the second node,
A fourth switching element electrically connected between the second node and the low potential side DC terminal, and
The first AC terminal electrically connected to the first node,
A second AC terminal electrically connected to the second node,
A control circuit for controlling the on / off of the first to fourth switching elements is provided.
The control circuit is
The third and fourth switching elements are turned on and off in synchronization with the frequency of the AC power, and are also turned on and off.
The first and second switching elements are configured to be turned on and off at a frequency higher than the frequency of the AC power.
Each of the first and second switching elements has a first power semiconductor switching element and a first freewheeling diode connected in antiparallel to the first power semiconductor switching element.
Each of the third and fourth switching elements has a second power semiconductor switching element and a second freewheeling diode connected in antiparallel to the second power semiconductor switching element.
The first freewheeling diode is a power conversion device having a shorter reverse recovery time than the second freewheeling diode .
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