JPWO2018078734A1

JPWO2018078734A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2018078734A1
Application number: JP2018546981A
Authority: JP
Inventors: 直也藪内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-12-20
Also published as: EP3534519A1; WO2018078734A1; CN109891731A; EP3534519A4; US20210281188A1; US11431259B2; EP3534519B1

Abstract

センタータップ方式の絶縁トランスによる変圧回路と、前記変圧回路に接続された半導体スイッチ素子による整流回路と、前記整流回路に接続されたコンデンサによる平滑回路と、負荷に接続されるプラス端子とマイナス端子と、前記マイナス端子が接続されるＧＮＤとを備え、絶縁トランスのマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続するか、あるいは、負荷に接続されるマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続することによって、ＡＣ電流のみが流れる電流経路を短くするようにした。

Description

本発明は、電力変換装置に関するもので、特に、センタータップ方式の絶縁トランスと半導体スイッチ素子による整流回路とコンデンサによる平滑回路を有した電力変換装置に関するものである。

電気自動車やハイブリッド自動車は、エンジンによって動く自動車と同様に、電装品を動作させる制御回路のために補機用電池を備えている。しかし、電気自動車では駆動源となるエンジンがなく、またハイブリッド自動車においては、燃費向上、排気ガス低減のためアイドルストップシステム（交差点での信号待ちなどの車両の停車時にエンジンを自動的に停止させるシステム）を採用しているのでオルタネータを使用することができない。このため、電気自動車、ハイブリッド自動車では、走行モータを動作させる駆動用電池のエネルギーを、補機用電池に供給する降圧コンバータ等の電力変換装置が必要である。

そして、駆動用電池のプラス側、マイナス側とも車体から絶縁され、一方、負荷のマイナス側は車体に接地されるため、電力変換装置の入力と出力間の絶縁が必要になる。ここで、絶縁トランスを使用した装置では、入力と出力間を絶縁できるという特徴がある。
絶縁トランスを使用して、絶縁トランスのセンタータップを使って、全波整流を行い、高効率化および小型化を実現する技術として、磁気部品である入力チョークコイル、出力チョークコイルを絶縁トランスと一体化し、同一のコアに絶縁トランスの１次コイル、２次コイルおよび入出力チョークコイルを巻回し、且つそれぞれのコイルが作る直流磁束を打ち消す方向にしてコアの直流偏磁量を小さくすることによってコアの体積を小型にすると共にコア損失を低減することによって高効率化を達成することが提案されている(特許文献１)。

特許第４１５１０１４号

特許文献１に提案されている電力変換装置では、絶縁トランスの２次側に接続されている絶縁トランスのマイナス端子、コンデンサのマイナス端子および負荷（補機用電池、電動コンポーネント等）のマイナス端子が、金属筐体であるＧＮＤに接続されている構成を採用している。

このような構成のため、従来は、負荷へ電力供給を行う際、ＤＣ電流（Ｉｄｃ）は、絶縁トランスのプラス端子から平滑回路を介し、負荷に電力を供給し、負荷のマイナス端子からリターン経路となるＧＮＤ上を流れ、絶縁トランスのマイナス端子に戻る。ＡＣ電流（Ｉａｃ）は、絶縁トランスのプラス端子からコンデンサに流れ込み、コンデンサのマイナス端子からリターン経路となるＧＮＤ上を流れ、絶縁トランスのマイナス端子に戻るが、この時、ＧＮＤ上のＡＣ電流のリターン経路は、低インピーダンスの経路となって、ＧＮＤ上のＤＣ電流のリターン経路と異なるため、ＡＣ電流のみが流れるＧＮＤ上のインダクタンス成分（Ｌｐ１）の影響受け、このＡＣ電流（Ｉａｃ）とインダクタンス成分（Ｌｐ１）に応じた電圧Ｖａｃが発生する。このため、当該コンポーネントの出力端子での出力リプルおよびスパイク電圧は、Ｖａｃ分が増加するという課題があった。

特許文献１では、出力のリプル電圧およびリプル電流の抑制をするために磁気部品である入力チョークコイル、出力チョークコイル、トランスを挿入し、かつ、それら挿入する磁気部品を小型化できる技術が紹介されている。
しかしながら、回路構成において、更にリプルおよびスパイクを小さくするという課題が設定されていなかったため、リプルおよびスパイク電圧の増加が生じるという問題があった。

本発明は、センタータップ方式の絶縁トランスによる変圧回路と、半導体スイッチ素子による整流回路と、コンデンサによる平滑回路とを有した電力変換装置において、出力のリプルおよびスパイクを抑制する回路構成を提供することを目的とするものである。

出力のリプルおよびスパイクを抑制する回路構成として、センタータップ方式の絶縁トランスによる変圧回路と、前記変圧回路に接続された半導体スイッチ素子による整流回路と、前記整流回路に接続されたコンデンサによる平滑回路と、負荷に接続されるプラス端子とマイナス端子と、前記マイナス端子が接続されるＧＮＤとを備え、絶縁トランスのマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続するか、あるいは、負荷に接続されるマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続するようにしたものである。

本発明によると、絶縁トランスのマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続するか、あるいは、負荷に接続されるマイナス端子とコンデンサのマイナス端子を接続した上でＧＮＤに接続することによって、ＡＣ電流のみが流れる電流経路を短くでき、出力端子での出力リプルおよびスパイク電圧を低減できる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す概略構成図である。比較のために示す従来のＤＣ−ＤＣコンバータにおける、ＡＣ電流が流れるＧＮＤのインダクタンス成分を示す等価回路図である。本発明の実施の形態１の構成の装置と従来装置の出力リプルおよびスパイク電圧の状態を示す波形図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３の接続の構成を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明の実施の形態４に係る電力変換装置を示す概略構成図である。本発明を、ワイドバンドギャップ半導体をスイッチ素子とした電力変換装置に適用した場合の高周波特性図である。

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１に実施の形態１の構成図を示す。１０１は、１次側回路。１０２は、変圧回路を構成するセンタータップ方式の絶縁トランス。１０２ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子。１０３は、第１のスイッチ素子。１０４は、第２のスイッチ素子であって、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４によって整流回路が構成されている。１０５は、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４の接続点。１０６は、リアクトル。１０７は、平滑回路を構成するコンデンサ。１０７ａは、コンデンサ１０７のマイナス端子。１０８は、出力端子。１０９は、負荷。１０９ａは、負荷１０９のマイナス端子。１１０は、ＧＮＤ。Ｖａｃは、出力端子１０８での出力リプルおよびスパイク電圧である。

１次側回路１０１は、フライバック、ハーフブリッジ、フルブリッジ等の絶縁型の電力変換回路を有し、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのＳｉ半導体やＳｉＣ、ＧａＮなどのワイドギャッブ半導体から成るスイッチ素子やダイオード、コンデンサ、リアクトルから構成されており、絶縁トランス１０２の１次側巻線に接続されている。この１次側回路１０１は、制御回路（図示せず）によって制御されている。

絶縁トランス１０２は、２次側巻線にセンタータップを有し、センタータップは、ＧＮＤ１１０に接続されるマイナス端子１０２ａであり、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａは、ＧＮＤ１１０に接続される前に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されている。また、絶縁トランス１０２の２次側巻線の両端には、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４がそれぞれ接続され、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いており、アノード端子がそれぞれ接続されている。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のカソード端子同士は互いに接続されており、この接続点１０５がリアクトル１０６に接続され、負荷１０９のプラス端子に接続されている。次に、コンデンサ１０７が負荷１０９と並列に接続されており、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。

前記絶縁トランス１０２とコンデンサ１０７は、一体形成される様態２０１もあり、図２に示す。一体形成品２０１は、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａの接続点が同じであり、さらに一体形成品２０１のマイナス端子２０１ａの接続点が同じである。これにより、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。また、絶縁トランスのマイナス端子１０２ａとコンデンサのマイナス端子１０７ａを接続するバスバー等の接続部品及び保持部品を削減することができるため、小型化にも寄与できる。

次に、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａを接続する方法として、マイナス端子同士がバスバーまたはハーネスまたは基板を介して接続される様態がある。図３Ａに示すよう、マイナス端子同士がバスバーまたはハーネスまたは基板１１１を、プラス側の電流経路１１２に対して、クロスもしくは対向するようにマイナス端子同士を接続することで、平滑回路プラス側に流れる電流で発生する磁界Ｈｆとマイナス端子同士を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１に流れる電流で発生する磁界Ｈｒをキャンセルすることで相互インダクタンスが低減されるため、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を低減することができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。さらに、マイナス端子同士が直接接続される様態もあり、マイナス端子同士を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１の削減により、小型化および低コスト化を実現しつつ、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。実際の接続は、図３Ｂに示すようになる。

次に、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で直列接続される様態もあり、図４に示す。絶縁トランス１０２に直列接続された絶縁トランス２０２の１次側巻線の片側は、絶縁トランス１０２の１次側巻線の片側に接続され、もう片側は、１次側回路１０１に接続されている。また、直列接続されたトランス２０２の２次側巻線は、センタータップを有し、センタータップは、ＧＮＤ１１０に接続されるマイナス端子２０２ａであり、直列接続された絶縁トランス２０２のマイナス端子２０２ａは、ＧＮＤ１１０に接続される前に、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されている。また、直列接続された絶縁トランス２０２の２次側巻線の両端には、第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４がそれぞれ接続され、第３のスイッチ素子２０３および第４のスイッチ素子２０４として整流ダイオードを用いており、アノード端子がそれぞれ接続されている。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４と第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４のカソード端子同士は互いに接続されており、この接続点２０５がリアクトル１０６に接続されている。次に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａと直列接続された絶縁トランス２０２のマイナス端子２０２ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これによりトランス１つあたりの巻数を分割することができ、巻線によるトランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

また、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で並列接続される様態もあり、図５に示す。絶縁トランス１０２に並列接続された絶縁トランス３０２の１次側巻線は、１次側回路１０１に接続されている。また並列接続されたトランス３０２の２次側巻線は、センタータップを有し、センタータップは、ＧＮＤ１１０に接続されるマイナス端子３０２ａであり、並列接続された絶縁トランス３０２のマイナス端子３０２ａは、ＧＮＤ１１０に接続される前に、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されている。また、並列接続された絶縁トランス３０２の２次側巻線の両端には、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４がそれぞれ接続され、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いており、アノード端子がそれぞれ接続されている。次にコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａと並列接続された絶縁トランス３０２のマイナス端子３０２ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、１つあたりの電流容量を減らせるため、トランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

次に、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で直列接続される様態もあり、２直列の例として図６に示す。コンデンサ１０７に直列接続された第２のコンデンサ２０７は、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続され、直列接続された第２のコンデンサ２０７のマイナス端子２０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、コンデンサの１つにかかる電圧を下げることができ、さらに使用するコンデンサの故障モードが短絡モードである場合、２つあるコンデンサの内１つが故障しても出力端子とＧＮＤ間の短絡故障を防ぐことができる反面、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は２倍となるが、図６の構成とすることで、出力リプル及びスパイク電圧の増大を最小限に抑えることができる。

また、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で並列接続される様態もあり、２並列の例として図７に示す。第３のコンデンサ３０７は、コンデンサ１０７と並列に接続されており、並列接続された第３のコンデンサ３０７のマイナス端子３０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は、半分となるため、出力リプル及びスパイク電圧の低減効果をより高めつつ、コンデンサ１つあたりに流れるリプル電流を低減することができる。

さらに、前記２つ以上のコンデンサの容量は、異なる容量値である様態もあり、出力リプルおよびスパイク電圧に含まれる複数の周波数成分に対応した容量に調整できるため、ノイズを低減することができる。

この実施の形態１に示した構成に対して、従来の装置では、その比較のために図８に示すように、絶縁トランス１０２の２次側に接続されている絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａ、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａおよび負荷１０９（例えば、補機用電池、電動コンポーネント等）のマイナス端子１０９ａは、金属筐体であるＧＮＤ１１０に接続される構成をとっている。

このような構成のため、従来は、負荷１０９へ電力供給を行う際、ＤＣ電流（Ｉｄｃ）は、絶縁トランス１０２のプラス端子から平滑回路を介し、負荷１０９に電力を供給し、負荷１０９のマイナス端子１０９ａからリターン経路となるＧＮＤ１１０上を流れ、トランスのマイナス端子１０２ａに戻る。すなわち、負荷１０９に供給されたＤＣ電流（Ｉｄｃ）は、ＧＮＤ１１０がリターン経路となる。

したがって、ＡＣ電流（Ｉａｃ）は、絶縁トランス１０２のプラス端子からコンデンサ１０７に流れ込み、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａからリターン経路となるＧＮＤ１１０上を流れ、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａに戻ることになり、この時、ＧＮＤ１１０上のＡＣ電流のリターン経路は、低インピーダンスの経路となるため、ＧＮＤ１１０上のＤＣ電流のリターン経路と異なるため、ＡＣ電流のみが流れるＧＮＤ１１０上のインダクタンス成分（Ｌｐ１）の影響受け、このＡＣ電流（Ｉａｃ）とインダクタンス成分（Ｌｐ１）に応じた電圧Ｖａｃが発生する。このため、当該コンポーネントの出力端子での出力リプルおよびスパイク電圧は、Ｖａｃ分が増加することになる。

これに対して、本発明の実施の形態１では、コンデンサに流れるＡＣ電流（Ｉａｃ）は、コンデンサのマイナス端子を介して、ＤＣ電流（Ｉｄｃ）が流れる経路に必ず流れるため、Ｉａｃのみが流れる電流経路が最短となり、Ｉａｃの経路のインダクタンス成分が小さくなるため、出力端子でのリプルおよびスパイク電圧（Ｖａｃ）を低減できる。
この従来の形態と本発明の出力リプルおよびスパイク電圧の波形の一例としては、図９に示すようになる。
なお、図９の中で、Ａの波形は、本発明の出力リプルおよびスパイク電圧の波形を表し、Ｂの波形は、従来の形態の出力リプルおよびスパイク電圧の波形を表している。この図９に示すように、周期的な電圧変動およびスイッチングによるスパイク状の変動の両方が小さくなっている。

本発明の適用範囲は、実施の形態１として図１に示した回路構成に限定されるものではなく、図１０から図２９に、異なる実施の形態として、回路の変形例を示すように各種の変形が可能である。

実施の形態２．
前記実施の形態１では絶縁トランス１０２の２次側巻線のセンタータップがＧＮＤに接続される前に、コンデンサのマイナス端子に接続されるが、この実施の形態２では図１０に示すよう、絶縁トランス１０２の２次側巻線のセンタータップは、リアクトル１０６に接続される。次に、絶縁トランス１０２の２次側巻線両端には第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４のカソード端子がそれぞれ接続される。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のアノード端子同士は、互いに接続されており、この接続点１０５がＧＮＤ１１０と接続される前に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続される点が、実施の形態１と相違する。

前記絶縁トランス１０２とコンデンサ１０７は、一体形成された構成とする様態２０１もあり、図１１に示す。一体形成品２０１は、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のアノード端子同士の接続点１０５とコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａさらに一体形成品２０１のマイナス端子２０１ａの接続点が同じである。これにより、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のアノード端子同士の接続点１０５とコンデンサのマイナス端子１０７ａを接続するバスバー等の接続部品及び保持部品を削減することができるため、小型化にも寄与できる。

次に、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４の接続点１０５とコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａを接続する方法として、バスバーまたはハーネスまたは基板を介して接続される様態があり、図１２Ａに示すよう、マイナス端子同士がバスバーまたはハーネスまたは基板１１１を、プラス側の電流経路１１２に対して、クロスもしくは対向するようにマイナス端子同士を接続することで、平滑回路プラス側に流れる電流で発生する磁界Ｈｆとマイナス端子同士を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１に流れる電流で発生する磁界Ｈｒをキャンセルすることで相互インダクタンスが低減されるため、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を低減することができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。さらに、スイッチ素子同士の接続点とコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａが直接接続される様態もあり、マイナス端子同士を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１の削減により、小型化および低コスト化が実現しつつ、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。実際の接続は、図１２Ｂに示すようになる。

次に、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で直列接続される様態もあり、図１３に示す。絶縁トランス１０２に直列接続された絶縁トランス２０２の１次側巻線の片側は絶縁トランス１０２の１次側巻線の片側に接続され、もう片側は１次側回路１０１に接続されている。また、直列接続されたトランス２０２の２次側巻線はセンタータップを有し、センタータップは、リアクトル１０６に接続される。次に直列接続されたトランス２次側両端には、第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４がそれぞれ接続され、第３のスイッチ素子２０３および第４のスイッチ素子２０４として整流ダイオードを用いており、カソード端子がそれぞれ接続されている。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４と第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４のアノード端子同士は互いに接続されており、この接続点２０５がコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されている。次に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、接続点２０５に接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、トランス１つあたりの巻数を分割することができ、巻線によるトランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

また、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で並列接続される様態もあり、図１４に示す。絶縁トランス１０２に並列接続された絶縁トランス３０２の１次側巻線は１次側回路１０１に接続されている。また並列接続されたトランス３０２の２次側巻線はセンタータップを有し、センタータップは、リアクトル１０６に接続されている。また、並列接続された絶縁トランス３０２の２次側巻線の両端には、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４がそれぞれ接続され、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いており、カソード端子がそれぞれ接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、１つあたりの電流容量を減らせるため、トランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

次に、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で直列接続される様態もあり、２直列の例として図１５に示す。コンデンサ１０７に直列接続された第２のコンデンサ２０７は、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続され、直列接続された第２のコンデンサ２０７のマイナス端子２０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、コンデンサ１つにかかる電圧を下げることができ、さらに使用するコンデンサの故障モードが短絡モードである場合、２つあるコンデンサの内１つが故障しても出力端子とＧＮＤ間の短絡故障を防ぐことができる反面、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は２倍となるが、本構成とすることで、出力リプル及びスパイク電圧の増大を最小限に抑えることができる。

また、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で並列接続される様態もあり、２並列の例として図１６に示す。第３のコンデンサ３０７は、コンデンサ１０７と並列に接続されており、並列接続された第３のコンデンサ３０７のマイナス端子３０７ａは、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は半分となるため、出力リプル及びスパイク電圧の低減効果をより高めつつ、コンデンサ１つあたりに流れるリプル電流を低減することができる。

さらに、前記２つ以上のコンデンサ１０７の容量は異なる容量値である様態もあり、出力リプルおよびスパイク電圧に含まれる複数の周波数成分に対応した容量に調整できるため、ノイズを低減することができる。

本発明では、コンデンサ１０７に流れるＡＣ電流（Ｉａｃ）は、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａを介して、ＤＣ電流（Ｉｄｃ）が流れる経路に必ず流れるため、Ｉａｃのみが流れる電流経路が最短となり、Ｉａｃの経路のインダクタンス成分が小さくなるため、出力端子でのリプルおよびスパイク電圧（Ｖａｃ）を低減できる。

実施の形態３．
前記実施の形態１では絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａがＧＮＤ１１０に接続される前に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されるが、この実施の形態３では、図１７に示すよう、絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａは、ＧＮＤ１１０に直接接続される。次に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、ＧＮＤ１１０に接続される前に、負荷１０９のマイナス端子１０９ａと接続される点で、図１の回路と相違とする。

前記絶縁トランス１０２とコンデンサ１０７は、一体形成された構成とする様態２０１もあり、図１８に示す。絶縁トランス１０２のマイナス端子１０２ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａと一体形成品２０１のマイナス端子２０１ａさらにＧＮＤ１１０の接続点が同じである。これにより、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。

次に、前記コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａと負荷１０９のマイナス端子１０９ａを接続する方法として、マイナス端子同士がバスバーまたはハーネスまたは基板を介して接続される様態がある。図１９Ａに示すよう、マイナス端子同士がバスバーまたはハーネスまたは基板１１１を、プラス側の電流経路１１２に対して、クロスもしくは対向するようにマイナス端子同士を接続することで、平滑回路プラス側に流れる電流で発生する磁界Ｈｆとマイナス端子同士を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１に流れる電流で発生する磁界Ｈｒをキャンセルすることで相互インダクタンスが低減されるため、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を低減することができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。さらに、マイナス端子同士が直接接続される様態もあり、マイナス端子を接続するバスバーまたはハーネスまたは基板１１１の削減により、小型化および低コスト化を実現しつつ、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。実際の接続は、図１９Ｂに示すようになる。

次に、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で直列接続される様態もあり、図２０に示す。絶縁トランス１０２に直列接続された絶縁トランス２０２の１次側巻線の片側は、絶縁トランス１０２の１次側巻線の片側に接続され、もう片側は、１次側回路１０１に接続されている。また、直列接続されたトランス２０２の２次側巻線は、センタータップを有し、センタータップは、ＧＮＤ１１０に接続されるマイナス端子２０２ａであり、直列接続された絶縁トランス２０２のマイナス端子２０２ａは、ＧＮＤ１１０に接続されている。また、直列接続された絶縁トランス２０２の２次側巻線の両端には、第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４がそれぞれ接続され、第３のスイッチ素子２０３および第４のスイッチ素子２０４として整流ダイオードを用いており、アノード端子がそれぞれ接続されている。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４と第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４のカソード端子同士は互いに接続されており、この接続点２０５がリアクトル１０６に接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これによりトランス１つあたりの巻数を分割することができ、巻線によるトランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

また、前記絶縁トランスは２つ以上で並列接続される様態もあり、図２１に示す。絶縁トランス１０２に並列接続された絶縁トランス３０２の１次側巻線は、１次側回路１０１に接続されている。また並列接続されたトランス３０２の２次側巻線は、センタータップを有し、センタータップは、ＧＮＤ１１０に接続されるマイナス端子３０２ａであり、並列接続された絶縁トランス３０２のマイナス端子３０２ａは、トランス１０２のマイナス端子１０２ａとＧＮＤ１１０に接続されている。また、並列接続された絶縁トランス３０２の２次側巻線の両端には、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４がそれぞれ接続され、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いており、アノード端子がそれぞれ接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、１つあたりの電流容量を減らせるため、トランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

次に、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で直列接続される様態もあり、２直列の例として図２２に示す。コンデンサ１０７に直列接続された第２のコンデンサ２０７は、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続され、直列接続された第２のコンデンサ２０７のマイナス端子２０７ａは、負荷１０９のマイナス端子１０９ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、コンデンサ１つにかかる電圧を下げることができ、使用するコンデンサの故障モードが短絡モードである場合、２つあるコンデンサの内１つが故障しても出力端子とＧＮＤ間の短絡故障を防ぐことができる反面、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は２倍となるが、本構成とすることで、出力リプル及びスパイク電圧の増大を最小限に抑えることができる。

また、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で並列接続される様態もあり、２並列の例として図２３に示す。第３のコンデンサ３０７は、コンデンサ１０７と並列に接続されており、並列接続された第３のコンデンサ３０７のマイナス端子３０７ａは、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａと負荷１０９のマイナス端子１０９ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。ここれにより、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は半分となるため、出力リプル及びスパイク電圧の低減効果をより高めつつ、コンデンサ１つあたりに流れるリプル電流を低減することができる。

本発明では、コンデンサ１０７に流れるＡＣ電流（Ｉａｃ）は、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａを介して、ＤＣ電流（Ｉｄｃ）が流れる経路に必ず流れるため、Ｉａｃのみが流れる電流経路が最短となり、Ｉａｃの経路のインダクタンス成分が小さくなる。このため、出力端子でのリプルおよびスパイク電圧（Ｖａｃ）を低減できる。

実施の形態４．
前記実施の形態１では絶縁トランス１０２の２次側巻線のセンタータップがＧＮＤ１１０に接続される前に、コンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続されるが、この実施の形態４では図２４に示すよう、絶縁トランス１０２の２次側巻線のセンタータップは、リアクトル１０６に接続される。次に、絶縁トランス１０２の２次側巻線両端には、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４のカソード端子がそれぞれ接続される。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のアノード端子同士は、互いに接続されており、この接続点１０５がＧＮＤ１１０に接続される。次にコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａは、ＧＮＤ１１０に接続される前に、負荷１０９のマイナス端子１０９ａと接続される点で図１の回路と相違とする。なお、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４は、スイッチ素子同士の接続点を介さず、直接にＧＮＤ１１０に接続しても良い。

前記絶縁トランス１０２とコンデンサ１０７は、一体形成された構成とする様態もあり、図２５に示す。一体形成品２０１は、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４のアノード端子同士の接続点１０５とコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａと一体形成品２０１のマイナス端子２０１ａさらにＧＮＤ１１０の接続点が同じである。これにより、ＤＣ電流とＡＣ電流の両方が流れる経路のインダクタンス成分を最小とすることができ、リプル及びスパイク電圧の低減効果を高めることができる。

次に、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で直列接続される様態もあり、図２６に示す。絶縁トランス１０２に直列接続された絶縁トランス２０２の１次側巻線の片側は、絶縁トランス１０２の１次側巻線の片側に接続され、もう片側は、１次側回路１０１に接続されている。また、直列接続されたトランス２０２の２次側巻線はセンタータップを有し、センタータップは、リアクトル１０６に接続される。次に直列接続されたトランス２次側両端には、第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４がそれぞれ接続され、第３のスイッチ素子２０３および第４のスイッチ素子２０４として整流ダイオードを用いており、カソード端子がそれぞれ接続されている。また、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４と第３のスイッチ素子２０３と第４のスイッチ素子２０４のアノード端子同士は互いに接続されており、この接続点２０５がＧＮＤ１１０に接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、トランス１つあたりの巻数を分割することができ、巻線によるトランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

また、前記絶縁トランス１０２は、２つ以上で並列接続される様態もあり、図２７に示す。絶縁トランス１０２に並列接続された絶縁トランス３０２の１次側巻線は、１次側回路１０１に接続されている。また並列接続されたトランス３０２の２次側巻線は、センタータップを有し、センタータップは、リアクトル１０６に接続されている。また、並列接続された絶縁トランス３０２の２次側巻線の両端には、第１のスイッチ素子１０３と第２のスイッチ素子１０４がそれぞれ接続され、第１のスイッチ素子１０３および第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いており、カソード端子がそれぞれ接続されている。将来、さらなる電力密度増大によりトランスの発熱が問題となるが、これにより、１つあたりの電流容量を減らせるため、トランスの発熱を低減しつつ、電力密度増大に伴うリプル及びスパイク電圧の増加に対して、特に効果が得られる。

次に、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で直列接続される様態もあり、２直列の例として図２８に示す。コンデンサ１０７に直列接続された第２のコンデンサ２０７はコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続され、直列接続された第２のコンデンサ２０７のマイナス端子２０７ａは、負荷１０９のマイナス端子１０９ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、コンデンサ１つにかかる電圧を下げることができ、さらに、使用するコンデンサの故障モードが短絡モードである場合、２つあるコンデンサの内１つが故障しても出力端子とＧＮＤ１１０間の短絡故障を防ぐことができる反面、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は２倍となるが、本構成とすることで、出力リプル及びスパイク電圧の増大を最小限に抑えることができる。

また、前記１つの絶縁トランス１０２に対して、前記コンデンサ１０７は、２つ以上で並列接続される様態もあり、２並列の例として図２９に示す。第３のコンデンサ３０７は、コンデンサ１０７と並列に接続されており、並列接続された第３のコンデンサ３０７のマイナス端子３０７ａは、負荷１０９のマイナス端子１０９ａとコンデンサ１０７のマイナス端子１０７ａに接続した上で、ＧＮＤ１１０に接続されている。これにより、ＡＣ電流のみが流れるコンデンサの寄生インダクタンス成分は半分となるため、出力リプル及びスパイク電圧の低減効果をより高めつつ、コンデンサ１つあたりに流れるリプル電流を低減することができる。

さらに、前記２つ以上のコンデンサ１０７の容量は、異なる容量値である様態もあり、出力リプルおよびスパイク電圧に含まれる複数の周波数成分に対応した容量に調整できるため、ノイズを低減することができる。

なお、前記各実施の形態では、絶縁トランス１０２に接続される第１のスイッチ素子１０３、第２のスイッチ素子１０４として整流ダイオードを用いているが、本発明の実施に際しては他の半導体スイッチ素子を接続し、オン‐オフ制御により同様の動作をさせても良い。また、リアクトル１０６は使用しなくても良い。

また、前記各実施の形態において、１次側回路１０１に使用するスイッチ素子および絶縁トランス１０２の２次側巻線に接続される第１のスイッチ素子１０３、第２のスイッチ素子１０４として、ワイドバンドギャップ半導体を用いて高周波駆動化することができる反面、図３０に示すように、高周波化に伴いパルスの立ち上がり時間ｔｒに含まれる高周波成分ｆｃも増えるため、高周波成分の出力リプルおよびスパイク電圧が大きくなる。特に高周波成分は、Ｌ＊ｄｉ／ｄｔによる寄生インダクタンスの影響を大きく受けるため、ワイドバンドギャップ半導体をスイッチ素子に使用する電力変換装置に対して本発明を適用することによって、特に高周波成分の出力リプルおよびスパイク電圧の低減効果が得られるため、本発明は、ワイドバンドギャップ半導体をスイッチ素子に適用することに好都合である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略したりすることが可能である。

Claims

センタータップ方式の絶縁トランスによる変圧回路と、前記変圧回路に接続された半導体スイッチ素子による整流回路と、前記整流回路に接続されたコンデンサによる平滑回路と、負荷に接続されるプラス端子およびマイナス端子と、前記負荷の前記マイナス端子が接続されるＧＮＤとを備え、前記絶縁トランスのマイナス端子と前記コンデンサのマイナス端子と接続した上で前記ＧＮＤに接続するか、あるいは前記コンデンサのマイナス端子と前記負荷に接続される前記マイナス端子とを接続した上で前記ＧＮＤに接続したことを特徴とする電力変換装置。
前記コンデンサと前記絶縁トランスは、一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記絶縁トランスは、２つ以上で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
１つの前記絶縁トランスに対して、前記コンデンサが２つ以上接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記絶縁トランスのマイナス端子と前記コンデンサのマイナス端子あるいは前記コンデンサのマイナス端子と前記負荷に接続される前記マイナス端子は、直接接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記絶縁トランスのマイナス端子と前記コンデンサのマイナス端子あるいは前記コンデンサのマイナス端子と前記負荷に接続される前記マイナス端子は、バスバーを介して接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記絶縁トランスのマイナス端子と前記コンデンサのマイナス端子あるいは前記コンデンサのマイナス端子と前記負荷に接続される前記マイナス端子は、ハーネスを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記絶縁トランスのマイナス端子と前記コンデンサのマイナス端子あるいは前記コンデンサのマイナス端子と前記負荷に接続される前記マイナス端子は、基板パターンを介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
２つ以上の前記絶縁トランスが直列接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
２つ以上の前記絶縁トランスが並列接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
２つ以上の前記コンデンサが直列接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
２つ以上の前記コンデンサが並列接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
２つ以上の前記コンデンサがそれぞれ異なる容量で構成されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチ素子がワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。