JP7369940B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
第1及び第2の入力端子と、
第1及び第2の出力端子と、
前記第1及び第2の入力端子の間に直列接続された2つのスイッチング素子を含む少なくとも1つの第1のレッグ回路と、
一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
キャパシタと、
スイッチ回路と、
前記第1及び第2の出力端子に接続された出力回路とを備え、
前記キャパシタは、前記少なくとも1つの第1のレッグ回路のうちの1つと、前記一次巻線の一端との間に接続され、
前記スイッチ回路は、前記二次巻線の互いに異なる複数の巻線区間のうちの1つを前記出力回路に選択的に接続する。
[全体構成]
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置100の構成を示すブロック図である。電力変換装置100は、直流の電源装置101及び直流の負荷装置102に接続される。電力変換装置100は、電源装置101から供給された所定電圧の入力電力を所定電圧の出力電力に変換し、出力電力を負荷装置102に供給する。
トランスT1は、二次巻線の端子T1cが整流回路104に接続されているとき(すなわち第1の巻線区間が接続されているとき)のトランスT1の漏れインダクタンスと、二次巻線の端子T1eが整流回路104に接続されているとき(すなわち第2の巻線区間が接続されているとき)のトランスT1の漏れインダクタンスとが互いに異なるように構成される。例えば、トランスT1は、第1の巻線区間の巻数Ns1が第2の巻線区間の巻数Ns2よりも大きく、かつ、第1の巻線区間が整流回路104に接続されているときのトランスT1の漏れインダクタンスL11が、第2の巻線区間が整流回路104に接続されているときのトランスT1の漏れインダクタンスL12よりも小さくなるように構成される。
図7は、図1の電力変換装置100の基本的な動作を説明するための波形図である。図7の1段目から4段目は、スイッチング素子SW1,SW2,SW3,SW4のゲート端子に印加される制御信号を示す。図7の5段目は、スイッチング素子SW1の両端に印加される電圧Vds(ドレイン・ソース電圧)を示す。図7の6段目は、スイッチング素子SW1に流れる電流Ids(ドレイン・ソース電流)を示す。
L1:トランスの漏れインダクタンス
Np:トランスの一次巻線の巻数
Ns:トランスの二次巻線の巻数
Ae:トランスの実効断面積
Lp:トランスの一次巻線のインダクタンス
Vf:整流回路の各ダイオードの順方向電圧
Vo:電力変換装置の出力電圧
m:漏れインダクタンスL1に対するトランス一次巻線のインダクタンスLpの比
f:正規化されたスイッチング周波数
Z2= 8.9Ω(Vout=250V,Iout=28.2A)
Z3=12.8Ω(Vout=300V,Iout=23.4A)
Z4=17.4Ω(Vout=350V,Iout=20.1A)
Z5=22.7Ω(Vout=400V,Iout=17.6A)
Z6=28.8Ω(Vout=450V,Iout=15.6A)
Z7=35.5Ω(Vout=500V,Iout=14.1A)
第1の実施形態では、一次側において、フルブリッジ回路として構成された複数のスイッチング素子を備える電力変換装置について説明した。第2の実施形態では、一次側において、ハーフブリッジ回路として構成された複数のスイッチング素子を備える電力変換装置について説明する。
第1及び第2の実施形態では、二次側において、ダイオードブリッジの整流回路を備え、また、二次巻線の複数の巻線区間のうちの1つを出力回路に選択的に接続するために、二次巻線と整流回路との間にスイッチ回路を備える電力変換装置について説明した。一方、第3の実施形態では、二次側において、複数のスイッチング素子を含む整流回路(同期整流回路)を備え、この整流回路を用いて、二次巻線の複数の巻線区間のうちの1つを出力回路に選択的に接続する電力変換装置について説明する。
図13は、第3の実施形態に係る電力変換装置300の構成を示すブロック図である。電力変換装置300は、図1のスイッチ回路SW10、整流回路104、及びコントローラ107に代えて、整流回路304及びコントローラ307を備える。
図13はまた、二次巻線W2の区間W2a+W2bを出力回路に接続するときの整流回路304の動作を示す。図13に示すように、区間W2a+W2bを出力回路に接続するために、スイッチング素子SW33,SW34はオフされている。図15は、図13の電力変換装置300において、二次巻線W2の区間W2a+W2bを出力回路に接続するときのスイッチング素子SW1~SW4,SW31~SW36の動作を示すタイミングチャートである。図15の1段目から4段目は、一次側のスイッチング素子SW1~SW4のゲート端子に印加される制御信号を示す。図15の5段目は、トランスT1の二次巻線の端子T1dからみた端子T1cの電圧の波形を、矩形波により概略的に示す。図15の6段目から11段目は、整流回路304のスイッチング素子SW31~SW36のゲート端子に印加される制御信号を示す。図15において、図示の簡単化のため、各制御信号のデッドタイムは省略している。
図18は、図13の整流回路304の第1の変形例を示す回路図である。図18の整流回路304Aは、図14のMOSFETであるスイッチング素子SW31,SW32に代えて、逆バイアス電圧に対して十分な耐圧を有する逆阻止型のスイッチング素子SW31a,SW32aを備える。スイッチング素子SW31aは、オンしたとき上向きにのみ電流を流れさせ、オフしたとき電流を阻止する。スイッチング素子SW32aは、オンしたとき下向きにのみ電流を流れさせ、オフしたとき電流を阻止する。スイッチング素子SW31a,SW32aは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)である。
第3の実施形態では、一次側において、フルブリッジ回路として構成された複数のスイッチング素子を備える電力変換装置について説明した。第4の実施形態では、一次側において、ハーフブリッジ回路として構成された複数のスイッチング素子を備える電力変換装置について説明する。
本開示の各実施形態では、トランスT1の二次巻線W2が3つの端子T1c~T1dを備える場合について説明したが、二次巻線W2の互いに異なる複数の巻線区間のうちの1つを出力回路に選択的に接続できるのであれば、二次巻線W2は4つ以上の端子を備えてもよい。
101 電源装置
102 負荷装置
103,203 スイッチング素子群
104,304 整流回路
105 電圧検出器
106 電流検出器
107,207,307,407 コントローラ
C1,C10 キャパシタ
D1~D4 ダイオード
L1 漏れインダクタンス
P1,P2 入力端子
P3,P4 出力端子
Q1~Q5 レッグ回路
SW1~SW4,SW31~SW36 スイッチング素子
SW10 スイッチ回路
T1 トランス
Claims (14)
- 第1及び第2の入力端子と、
第1及び第2の出力端子と、
前記第1及び第2の入力端子の間に直列接続された2つのスイッチング素子を含む少なくとも1つの第1のレッグ回路と、
一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、
キャパシタと、
スイッチ回路と、
前記第1及び第2の出力端子に接続された出力回路とを備え、
前記キャパシタは、前記少なくとも1つの第1のレッグ回路のうちの1つと、前記一次巻線の一端との間に接続され、
前記スイッチ回路は、前記二次巻線の互いに異なる複数の巻線区間のうちの1つを前記出力回路に選択的に接続する、
電力変換装置。 - 前記トランスは漏れインダクタンスを内蔵した、
請求項1記載の電力変換装置。 - 前記二次巻線は、互いに異なる巻数を有する第1及び第2の巻線区間を含む、
請求項2記載の電力変換装置。 - 前記トランスは、前記第1の巻線区間が前記出力回路に接続されているときの前記トランスの漏れインダクタンスと、前記第2の巻線区間が前記出力回路に接続されているときの前記トランスの漏れインダクタンスとが互いに異なるように構成された、
請求項3記載の電力変換装置。 - 前記二次巻線は、第1の端子と、第2の端子と、前記第1及び第2の端子の間に設けられた第3の端子とを有し、
前記スイッチ回路は、前記二次巻線の第1及び第2の端子の間の区間を前記第1の巻線区間として前記出力回路に接続し、前記二次巻線の第2及び第3の端子の間の区間を前記第2の巻線区間として前記出力回路に接続する、
請求項4記載の電力変換装置。 - 前記トランスは、前記一次巻線から前記二次巻線の第2及び第3の端子の間の区間までの距離が、前記一次巻線から前記二次巻線の第1及び第3の端子の間の区間までの距離よりも大きくなるように構成された、
請求項5記載の電力変換装置。 - 前記トランスは、前記一次巻線と、前記二次巻線の第1及び第3の端子の間の区間と、前記二次巻線の第2及び第3の端子の間の区間とが、所定の軸の長手方向に沿った互いに異なる位置に巻回されるように構成された、
請求項6記載の電力変換装置。 - 前記トランスは、前記一次巻線と、前記二次巻線の第1及び第3の端子の間の区間と、前記二次巻線の第2及び第3の端子の間の区間とが、所定の軸から互いに異なる距離の位置に巻回されるように構成された、
請求項6記載の電力変換装置。 - 前記トランスは、
前記第1の巻線区間の巻数が前記第2の巻線区間の巻数よりも大きく、かつ、
前記第2の巻線区間が前記出力回路に接続されているときの前記トランスの漏れインダクタンスが、前記第1の巻線区間が前記出力回路に接続されているときの前記トランスの漏れインダクタンスよりも大きくなるように構成された、
請求項4~8のうちの1つに記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、
前記第1及び第2の出力端子から出力される出力電圧を検出する電圧検出器と、
前記第1及び第2の出力端子から出力される出力電流を検出する電流検出器と、
前記出力電圧及び前記出力電流に基づいて、前記少なくとも1つの第1のレッグ回路の各スイッチング素子を制御し、かつ、前記スイッチ回路を制御するコントローラをさらに備えた、
請求項1~9のうちの1つに記載の電力変換装置。 - 前記コントローラは、前記出力電圧が予め決められたしきい値以上のとき、前記第1の巻線区間を前記出力回路に接続し、前記出力電圧が前記しきい値未満のとき、前記第2の巻線区間を前記出力回路に接続するように、前記スイッチ回路を制御する、
請求項9に従属した請求項10記載の電力変換装置。 - 前記コントローラは、
前記第1の入力端子から、前記コントローラによってオンされた前記各第1のレッグ回路の各スイッチング素子と、前記トランスの一次巻線とを介して、前記第2の入力端子に至る経路に含まれる容量及びインダクタンスと、
前記出力電圧及び前記出力電流と、
前記第1及び第2の出力端子から出力する目標電圧とに基づいて、
前記少なくとも1つの第1のレッグ回路の各スイッチング素子を動作させるスイッチング周波数を決定する、
請求項10又は11記載の電力変換装置。 - 前記出力回路は整流回路を含む、
請求項1~12のうちの1つに記載の電力変換装置。 - 前記二次巻線は、互いに異なる少なくとも3つの端子を有し、
前記スイッチ回路は、互いに直列接続された2つのスイッチング素子をそれぞれ含み、前記二次巻線の前記少なくとも3つの端子のうちの1つにそれぞれ接続された、少なくとも3つの第2のレッグ回路を備え、
前記スイッチ回路は、前記少なくとも3つの第2のレッグ回路のうちの2つを用いて、前記二次巻線の互いに異なる複数の巻線区間のうちの1つを前記出力回路に接続し、かつ、前記二次巻線の1つの巻線区間に発生する電流を同期整流して前記出力回路に供給する、
請求項1~12のうちの1つに記載の電力変換装置。
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