JP2011250506A - Snubber circuit, chopper circuit, dc/dc converter, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路の技術に関する。 The present invention relates to a snubber circuit technology in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of a snubber diode.
スナバ回路として、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサを接続した回路構成のものがある(下記特許文献1)。スナバ回路は一般に過渡的な起電力を吸収するために備える。
As a snubber circuit, there is a circuit configuration in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of a snubber diode (
しかしながら、上記技術によるスナバ回路は、システムが稼働した後、システムが停止した直後には、スイッチング素子S2はターンオフとされ、スナバコンデンサに充電された電荷は、一方がスナバダイオードのカソードと接続されているため、システム停止後もコンデンサに電荷がある程度の一定期間残ってしまうと言う問題があった。 However, in the snubber circuit according to the above technique, immediately after the system is operated and immediately after the system is stopped, the switching element S2 is turned off, and one of the charges charged in the snubber capacitor is connected to the cathode of the snubber diode. As a result, there is a problem that the charge remains in the capacitor for a certain period even after the system is stopped.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、通電後のスナバ回路におけるスナバコンデンサに長期間に亘って電荷が残らないようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to prevent a charge from remaining in a snubber capacitor in a snubber circuit after energization for a long period of time.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
[適用例1]
スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路であって、当該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整されたスナバ回路。
このスナバ回路によると、通電停止後に、スナバコンデンサに充電電荷が残らない。
In order to solve at least a part of the problems described above, the present invention can take the following forms or application examples.
[Application Example 1]
A snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode, and the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charge charge of the snubber capacitor after stopping the energization of the snubber circuit, A snubber circuit in which the capacitance of the snubber capacitor and the junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel the charged charges.
According to this snubber circuit, no charge remains in the snubber capacitor after the energization is stopped.
[適用例2]
適用例1記載のスナバ回路であって、前記スナバコンデンサの静電容量であるCCと、前記スナバダイオードの接合容量であるCDと、当該スナバ回路の動作時の前記スナバコンデンサに印加される最大電圧であるV1と、前記スナバコンデンサに前記V1が印加された状態で当該スナバ回路が前記通電停止をした場合の、前記スナバダイオードに印加される逆バイアスの最小電圧であるV2とが
CC×V1<CD×V2
の相関関係を有するスナバ回路。
このスナバ回路によると、上記式の関係を有するようにCCとCDを決定して回路設計をすることができる。
[Application Example 2]
The snubber circuit according to Application Example 1, wherein the snubber capacitor has a capacitance C C , a snubber diode junction capacitance C D, and is applied to the snubber capacitor during operation of the snubber circuit. The maximum voltage V1 and the minimum reverse bias voltage V2 applied to the snubber diode when the snubber circuit stops the energization with the V1 applied to the snubber capacitor are represented by C C × V1 <C D × V2
Snubber circuit having a correlation of
According to the snubber circuit, it is possible to make the circuit design determines the C C and C D so as to have the relationship of the above formula.
[適用例3]
主スイッチング素子が電流の入切を繰り返すことによって、電圧または電流の実行値を制御するチョッパ回路であって、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整されたチョッパ回路。
このチョッパ回路によると、通電停止後に、スナバコンデンサに充電電荷が残らない。
[Application Example 3]
A chopper circuit that controls the effective value of voltage or current by repeatedly switching on and off of the current of the main switching element, the snubber circuit having a snubber capacitor connected to the cathode side of the snubber diode, and energizing the snubber circuit Junction between the snubber capacitor capacitance and the snubber diode so as to at least cancel the charged charge by the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by the reverse bias due to the charged charge of the snubber capacitor after stopping Chopper circuit with adjusted capacitance.
According to this chopper circuit, no charge remains in the snubber capacitor after the energization is stopped.
[適用例4]
適用例3記載のチョッパ回路であって、補助スイッチング素子を備え、当該チョッパ回路は、前記補助スイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御することによって、前記主スイッチング素子をスイッチングをする際の前記主スイッチング素子に印加される電圧を制御するソフトスイッチング動作を用いるチョッパ回路。
このチョッパ回路はソフトスイッチング回路、例えばソフトスイッチングコンバータに適用可能である。
[Application Example 4]
The chopper circuit according to Application Example 3, which includes an auxiliary switching element, and the chopper circuit controls the main switching element by controlling a switching timing of the auxiliary switching element. A chopper circuit that uses a soft switching operation to control the voltage applied to the.
This chopper circuit can be applied to a soft switching circuit, for example, a soft switching converter.
[適用例5]
主スイッチング素子と補助スイッチング素子とを備え、前記補助スイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御することによって、主スイッチング素子をスイッチングする際の該主スイッチング素子にかかる印加電圧を制御するソフトスイッチング動作を用いたDC/DCコンバータであって、
スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整されたDC/DCコンバータ。
このDC/DCコンバータによると、通電停止後に、スナバコンデンサに充電電荷が残らない。
[Application Example 5]
A soft switching operation is provided that includes a main switching element and an auxiliary switching element, and controls a voltage applied to the main switching element when the main switching element is switched by controlling a switching timing of the auxiliary switching element. A DC / DC converter,
A snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode, and the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charged charge of the snubber capacitor after stopping the energization of the snubber circuit, A DC / DC converter in which a capacitance of the snubber capacitor and a junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel charged charges.
According to this DC / DC converter, no charge remains in the snubber capacitor after energization is stopped.
[適用例6]
燃料電池システムであって、負荷に対して電力を供給する燃料電池と、スイッチング素子を備えるチョッパ回路を用いることによって前記電力の電圧制御を行うDC/DCコンバータとを備え、前記DC/DCコンバータは、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整された燃料電池システム。
この燃料電池システムによると、通電停止後に、スナバコンデンサに充電電荷が残らない。
[Application Example 6]
A fuel cell system, comprising: a fuel cell that supplies power to a load; and a DC / DC converter that performs voltage control of the power by using a chopper circuit including a switching element, wherein the DC / DC converter includes: A snubber circuit having a snubber capacitor connected to the cathode side of the snubber diode, and the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charge charge of the snubber capacitor after the snubber circuit is deenergized, A fuel cell system in which a capacitance of the snubber capacitor and a junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel the charged charges.
According to this fuel cell system, no charge remains in the snubber capacitor after energization is stopped.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、ソフトスイッチング方法および装置、電力変換システム、それらの方法または装置の機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, the present invention can be realized in the form of a soft switching method and apparatus, a power conversion system, an integrated circuit for realizing the functions of the method or apparatus, a computer program, a recording medium on which the computer program is recorded, and the like.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
A.第1実施例:
(A1)燃料電池システムの構成:
図1は、第1実施例として車両に搭載された燃料電池システム10の構成を説明する説明図である。本実施例においては、車両の一例として、燃料電池自動車(FCHV: Fuel Cell Hyblid Vehicle)を想定しているが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. First embodiment:
(A1) Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory view illustrating the configuration of a
燃料電池システム10は、制御ユニット20と、電源装置30と、負荷LOADとを備える。電源装置30は負荷LOADに対して直流電力を供給する。負荷LOADは主に車両走行用モータであり、その他の負荷として、周辺機器(照明やオーディオ等)などの負荷が含まれる。これらの負荷には直流で動作する負荷や、インバータを介して交流で動作する負荷等が含まれる。電源装置30と制御ユニット20とはワイヤーハーネスWHによって接続されている。制御ユニット20は、例えば車両が走行中であれば、ドライバーのアクセル操作に基づいて、車両走行用モータに必要なパワーを演算し、演算結果に応じて電源装置30から負荷LOADに出力する電力を制御する。電源装置30は、燃料電池FCと、ソフトスイッチングコンバータ50を備える。
The
燃料電池FCは、供給される燃料ガス(例えば水素ガス)及び酸化ガスから電力を発生する発電方式を採用しており、膜電極接合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)などを備えた単セルを複数、直列に積層したスタック構造を有している。燃料電池FCとしてはこういった固体高分子型をはじめ、燐酸型や溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。ソフトスイッチングコンバータ50は、燃料電池FCから供給される直流電力の電圧を昇圧するDC/DCコンバータ(昇圧コンバータ)である。ソフトスイッチングコンバータ50は、後述するスイッチング素子S1およびスイッチング素子S2を備えており、スイッチング素子S1,S2のスイッチング動作によって負荷LOADに供給する電力を制御するチョッパ回路によって構成されている。
The fuel cell FC employs a power generation system that generates electric power from supplied fuel gas (for example, hydrogen gas) and oxidizing gas, and has a single cell equipped with a membrane-electrode assembly (MEA) or the like. It has a stack structure in which a plurality are stacked in series. As the fuel cell FC, various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type and a molten carbonate type can be used. The
制御ユニット20は、内部にCPU、RAM、ROMを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット20は、ソフトスイッチングコンバータ50が備えるスイッチング素子S1およびスイッチング素子S2のスイッチングのタイミングを制御するゲート信号をソフトスイッチングコンバータ50に向けて、上述した加速度等に基づく演算に応じて出力している。具体的には、スイッチング素子S1のスイッチングのタイミングを制御するS1ゲート信号と、スイッチング素子S2のスイッチングのタイミングを制御するS2ゲート信号とを、ワイヤーハーネスWHを介してソフトスイッチングコンバータ50に向けて出力している。すなわち、制御ユニット20は、ソフトスイッチングコンバータ50にS1ゲート信号およびS2ゲート信号を出力することによって、電源装置30から負荷LOADに供給される電力を制御する。
The
(A2)ソフトスイッチングコンバータの構成・動作:
次にソフトスイッチングコンバータ50の構成および動作について説明する。図2は、ソフトスイッチングコンバータ50の回路構成を示す説明図である。ソフトスイッチングコンバータは、回路を構成する補助スイッチング素子(本実施例ではスイッチング素子S2)のスイッチング動作のタイミングを制御することによって、主スイッチング素子(本実施例ではスイッチング素子S1)がスイッチング動作をする際の、主スイッチング素子の両端にかかる電圧を低減し、スイッチング素子S1のスイッチングによる電力損失を低減するソフトスイッチング動作を用いたコンバータである。なお、ソフトスイッチングコンバータの詳細な動作原理については、特開2009−165245において開示されている。
(A2) Configuration and operation of soft switching converter:
Next, the configuration and operation of the
ソフトスイッチングコンバータ50は、主回路51と補助回路52とを備えるチョッパ回路で構成されている。主回路51は、リアクトルL1、ダイオードD5、スイッチング素子S1、ダイオードD4、フィルタコンデンサC1、平滑コンデンサC3、放電抵抗Rから構成されている。リアクトルL1は、一端が燃料電池FC(図1)である直流電源Eの正極に接続される。ダイオードD5は、アノードがリアクトルL1の他端に接続されるとともに、カソードが負荷LOADの一端に接続される。
The
スイッチング素子S1は、一端がリアクトルL1の他端に接続されるとともに、他端が直流電源Eの負極、および、負荷LOADの他極に接続され、制御ユニット20から送信されるS1ゲート信号に応じてターンオン・オフ動作をする。本実施例ではスイッチング素子S1は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いる。その他、スイッチング素子S1としてはサイリスタ、ダイオード等の半導体素子を用いることもできる。スイッチング素子S1には、ダイオードD4がスイッチング素子S1の保護のために並列に接続される。スイッチング素子S1は、特許請求の範囲に記載の主スイッチング素子に相当する。フィルタコンデンサC1は、直流電源Eの正極−負極間に接続される。平滑コンデンサC3は、負荷LOADに並列に接続される。フィルタコンデンサC1および平滑コンデンサC3は、それぞれ、ソフトスイッチングコンバータ50の入出力を安定化させるものである。放電抵抗Rは、燃料電池システム10のシステムが停止した後に、フィルタコンデンサC1と平滑コンデンサC3に充電された電荷を放電するための抵抗である。
The switching element S1 has one end connected to the other end of the reactor L1 and the other end connected to the negative electrode of the DC power supply E and the other pole of the load LOAD, according to the S1 gate signal transmitted from the
一方、補助回路52は、リアクトルL2、ダイオードD1、スイッチング素子S2、ダイオードD2、スナバダイオードD3、スナバコンデンサC2を備える。リアクトルL2は、一端がリアクトルL1の高電位側に接続される。ダイオードD2は、スイッチング素子S2とスナバダイオードD3との間に接続される。スイッチング素子S2は、一端がダイオードD2のアノードに接続され、制御ユニット20から送信されたS2ゲート信号に応じてターンオン・オフ動作する。スナバダイオードD3は、アノードがスイッチング素子S1の一端に接続されるとともに、カソードがスイッチング素子S2に他端に接続される。スナバコンデンサC2は、一端がスナバダイオードD3のカソードに接続されるとともに、他端がスイッチング素子S1に接続される。ダイオードD1は、スイッチング素子S2を保護するために並列に接続されている。スイッチング素子S2は、特許請求の範囲に記載の補助スイッチング素子に相当する。スナバダイオードD3およびスナバコンデンサC2は、スイッチング素子S1のオフ時に生じる過渡的な逆起電力を吸収するためのものである。
On the other hand, the
次にソフトスイッチングコンバータ50のソフトスイッチング動作について説明する。図3はソフトスイッチングコンバータ50のソフトスイッチング動作による昇圧のための1サイクルの処理(以下、「ソフトスイッチング処理」とも呼ぶ)を説明する状態遷移図である。
Next, the soft switching operation of the
ソフトスイッチング処理は、状態S101〜S106の各処理が制御ユニット20によって順次行われて1サイクルを形成するが、各処理によるソフトスイッチングコンバータ50での電流、電圧の状態をそれぞれモード1〜モード6として表現し、初期状態を図4に、モード1〜モード6の状態をそれぞれ図5〜図10に示す。以下、これらの図に基づいて、ソフトスイッチングコンバータ50でのソフトスイッチング処理について説明する。図4〜図10においては、図面の表示を簡潔にするため、主回路51と補助回路52の符号の記載は省略しているが、各モードの説明においては、各回路を引用する場合がある。
In the soft switching process, each process in the states S101 to S106 is sequentially performed by the
図3に示すソフトスイッチング処理が行われる直前の初期状態(図4参照)は、燃料電池FCから負荷LOADに電力が供給されている状態、即ちスイッチング素子S1、S2がともにターンオフされることで、リアクトルL1、ダイオードD5を介して電流が負荷LOAD側に流れている状態である。従って、当該ソフトスイッチング処理の一サイクルが終了すると、この初期状態と同じ状態に至ることになる。 The initial state (see FIG. 4) immediately before the soft switching process shown in FIG. 3 is performed is a state in which power is supplied from the fuel cell FC to the load LOAD, that is, the switching elements S1 and S2 are both turned off. In this state, current flows to the load LOAD side via the reactor L1 and the diode D5. Therefore, when one cycle of the soft switching process is completed, the same state as this initial state is reached.
ソフトスイッチング処理(図3参照)において、初期状態からモード1(図5参照)の状態に遷移し、図5に示されるモード1の電流・電圧状態が形成される(状態S101)。具体的には、スイッチング素子S1はターンオフの状態で、スイッチング素子S2をターンオンする。このようにすると、ソフトスイッチングコンバータ50の出口電圧VHと入口電圧VLの電位差によって、リアクトルL1及びダイオードD5を介して負荷LOAD側に流れていた電流が、補助回路52側に徐々に移行していく。
In the soft switching process (see FIG. 3), a transition is made from the initial state to the mode 1 (see FIG. 5), and the current / voltage state of
モード1の状態が所定時間継続すると、ダイオードD5を流れる電流がゼロとなり、代わってスナバコンデンサC2と燃料電池FCの電圧VLとの電位差により、スナバコンデンサC2に蓄電されていた電荷が補助回路52側に流れ込んでいく(状態S102:図6に示すモード2の状態)。スイッチング素子S1をターンオンするときにスイッチング素子S1に印加される電圧に影響を与えるスナバコンデンサC2の電荷が、モード2では補助回路52のダイオードD2→スイッチング素子S2→リアクトルL2に流れ込むことで、スナバコンデンサC2にかかる電圧が低下していく。このとき、リアクトルL2とスナバコンデンサC2の半波共振により、スナバコンデンサC2の電圧がゼロとなるまで、電流は流れ続ける。スナバコンデンサC2の電荷が、スナバコンデンサC2と並列に接続されているスイッチング素子S1の両端の電圧を決定している。結果として、状態S103(図3)でのスイッチング素子S1のターンオン時には、スイッチング素子S1の両端にかかる印加電圧を下げることが可能となる。
If the state of
更に、状態S103においては、スナバコンデンサC2の電荷が抜け切ったタイミングで、スイッチング素子S1がターンオンされ、図7に示されるモード3の電流・電圧状態が形成される。すなわち、スナバコンデンサC2の電圧がゼロとなった状態ではスイッチング素子S1の両端にかかる電圧もゼロとなる。そして、その状態でスイッチング素子S1をターンオンすることにより、スイッチング素子S1はゼロ電圧の状態であり、その状態から電流が流れ始めるため、スイッチング素子S1におけるスイッチングによる電力損失(以下、「スイッチング損失」とも呼ぶ)を理論上、ゼロになっている。
Further, in the state S103, the switching element S1 is turned on at the timing when the electric charge of the snubber capacitor C2 is completely discharged, and the
そして、状態S104では、状態S103の状態が継続することで、リアクトルL1に流れ込んでいく電流量を増加させて、リアクトルL1に蓄えられるエネルギを徐々に増やしていく。この状態が、図8に示されるモード4の電流・電圧状態である。その後、リアクトルL1に所望のエネルギが蓄えられた状態で、状態S105において、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S2をターンオフする。すると、モード2で電荷を放出して低電圧状態となっているスナバコンデンサC2に電荷が充電され、ソフトスイッチングコンバータ50の出口電圧VHと同電圧に至る。この状態が、図9に示されるモード5の電流・電圧状態である。そして、スナバコンデンサC2が電圧VHになるまで電荷が充電されると、状態S106においてリアクトルL1に蓄えられたエネルギが負荷LOAD側に解放される。この状態が、図10に示されるモード6の電流・電圧状態である。尚、モード4の状態からモード5の状態への遷移の際、スイッチング素子S1,S2のターンオフ時のスイッチング素子S1にかかる電圧を、スナバコンデンサC2により立ち上がりを遅らせられるため、スイッチング素子S1におけるテール電流によるスイッチング損失をより小さくできる。
And in state S104, the state of state S103 continues, the current amount which flows into reactor L1 is increased, and the energy stored in reactor L1 is gradually increased. This state is the current / voltage state of mode 4 shown in FIG. Thereafter, in a state where desired energy is stored in reactor L1, switching element S1 and switching element S2 are turned off in state S105. Then, the electric charge is discharged in
上述のように状態S101〜S106の処理を一サイクルとしてソフトスイッチング処理を行うことで、ソフトスイッチングコンバータ50におけるスイッチング損失を可及的に抑制して、燃料電池FCの出力電圧を昇圧し負荷LOADに供給可能となる。
As described above, by performing the soft switching process with the processes in the states S101 to S106 as one cycle, the switching loss in the
(A3)システム停止後のスナバコンデンサC2とスナバダイオードD3との関係:
次に、システム停止後の燃料電池システム10のスナバコンデンサC2とスナバダイオードD3との関係について説明する。図11(A)はシステム停止直後の燃料電池システム10の状態を説明する説明図である。燃料電池システム10の停止とは、燃料電池FCによる発電の停止、および、スイッチング素子S1、スイッチング素子S2がスイッチング動作を停止した状態をいう。この時、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2とはターンオフの状態で停止する。燃料電池システム10が停止すると、システム稼働中に平滑コンデンサC3に充電された電荷は放電抵抗Rによって放電される。平滑コンデンサC3の電荷の放電に伴い、出口電圧VHは除々に低下していく。そして、VH=VLまで低下すると、ダイオードD5がオンになり、フィルタコンデンサC1に充電されていた電荷も除々に放電抵抗Rによって放電される。
(A3) Relationship between snubber capacitor C2 and snubber diode D3 after system stop:
Next, the relationship between the snubber capacitor C2 and the snubber diode D3 of the
一方、スナバコンデンサC2はスナバダイオードD3のカソード側と接続されており、かつ、スイッチング素子S2がターンオフされた状態になっているので、スナバコンデンサC2に充電されている電荷は放電抵抗Rへと放電されることはない。そこで、本実施例の燃料電池システム10では、スナバダイオードD3のリカバリ特性を利用してフィルタコンデンサC1の充電電荷を放電している。以下、詳しく説明する。
On the other hand, since the snubber capacitor C2 is connected to the cathode side of the snubber diode D3 and the switching element S2 is turned off, the charge charged in the snubber capacitor C2 is discharged to the discharge resistor R. It will never be done. Therefore, in the
一般に、ダイオードは順バイアスを印加した状態から逆バイアスを印加すると、蓄積されたキャリア(電荷)によって、見かけ上、逆バイアス方向に電流が流れる。このようなダイオードの特性をリカバリ特性と言う。本実施例では、ダイオードのリカバリ特性を利用してスナバコンデンサC2に充電された電荷を放電するために、ソフトスイッチング処理の際にスナバコンデンサC2に充電された最大電荷量を打ち消すだけの電荷と略等しい電荷を、システム停止直後のスナバダイオードD3が蓄積していることを条件として回路を設計した。 In general, when a reverse bias is applied to a diode from a state in which a forward bias is applied, an apparent current flows in the reverse bias direction due to accumulated carriers (charges). Such a characteristic of the diode is called a recovery characteristic. In the present embodiment, in order to discharge the charge charged in the snubber capacitor C2 using the recovery characteristics of the diode, it is substantially the same as the charge that negates the maximum charge amount charged in the snubber capacitor C2 during the soft switching process. The circuit was designed on condition that the same charge was accumulated in the snubber diode D3 immediately after the system stopped.
ソフトスイッチング処理中にスナバコンデンサC2に印加される電圧は上記ソフトスイッチング処理で説明したように出口電圧VHである。また、出口電圧VHは、負荷LOADが要求する電力量によって常時変化するが、出力電圧VHの最大値(以下、最大出口電圧VHmaxとも呼ぶ)は、燃料電池システム10の仕様や負荷の要求電力によって決定することができる。従って、システム停止直後にスナバコンデンサC2に充電される最大電荷量QC2maxは、スナバコンデンサC2の静電容量をCC2とすると、QC2max=VHmax×CC2として算出することができる。
The voltage applied to the snubber capacitor C2 during the soft switching process is the outlet voltage VH as described in the soft switching process. The outlet voltage VH constantly changes depending on the amount of power required by the load LOAD, but the maximum value of the output voltage VH (hereinafter also referred to as the maximum outlet voltage VH max ) depends on the specifications of the
次に、スナバダイオードD3がリカバリ特性によって、スナバコンデンサC2の充電電荷の放電(打ち消し)可能な電荷量について説明する。図11(B)(C)はスナバダイオードD3のリカバリ特性を説明する説明図である。仮に、図11(B)に示すように、システム停止前にスナバダイオードD3のアノード側の電位がVHmaxであった場合、スナバコンデンサC2にはVHmax×CC2の電荷が充電されている。その状態でシステムが停止すると、システム停止直後には、スイッチング素子S1による昇圧は停止するため、また、フィルタコンデンサC1に充電されている充電電荷の影響で、スナバダイオードD3のアノード側電位は直ちに入口電圧VLとなる(図11(C)参照)。 Next, the amount of charge that can be discharged (cancelled) by the snubber capacitor C2 by the recovery characteristic of the snubber diode D3 will be described. FIGS. 11B and 11C are explanatory diagrams for explaining the recovery characteristics of the snubber diode D3. As shown in FIG. 11B, if the potential on the anode side of the snubber diode D3 is VH max before the system is stopped, the snubber capacitor C2 is charged with a charge of VH max × C C2 . When the system stops in this state, immediately after the system stops, the boosting by the switching element S1 stops, and the anode side potential of the snubber diode D3 immediately enters the inlet due to the influence of the charge charged in the filter capacitor C1. The voltage becomes VL (see FIG. 11C).
一方、スナバダイオードD3のカソード側の電位は、スナバコンデンサC2にCC2×VHmaxの電荷が充電されているのでVHmaxである。つまり、システム停止直後には、スナバダイオードD3に逆バイアスとして、VHmax−VLが印加される。従って、システム停止直後にスナバダイオードD3に蓄積されている電荷は、スナバダイオードD3の接合容量をCD3とすると、CD3×(VHmax−VL)として算出できる。入口電圧VLはソフトスイッチング処理の1サイクル中で常時変化し、仮に、その最大値(以下、最大入口電圧VLmaxとも呼ぶ)の状態でシステムが停止すると、リカバリ特性として機能するスナバダイオードD3の蓄積電荷はCD3×(VHmax−VLmax)となる。この状態は、スナバコンデンサC2にQC2maxが充電された状態での、スナバダイオードD3の蓄積電荷量としては最小電荷量である。 On the other hand, the cathode potential of the snubber diode D3 is a VH max the charge of C C2 × VH max is charged in the snubber capacitor C2. That is, immediately after the system is stopped, VH max −VL is applied to the snubber diode D3 as a reverse bias. Thus, charge accumulated in the snubber diode D3 immediately after the system is stopped, the junction capacitance of the snubber diode D3 When C D3, can be calculated as C D3 × (VH max -VL) . The inlet voltage VL constantly changes during one cycle of the soft switching process. If the system is stopped at the maximum value (hereinafter also referred to as the maximum inlet voltage VL max ), the accumulation of the snubber diode D3 functioning as a recovery characteristic. The charge is C D3 × (VH max −VL max ). This state is the minimum charge amount as the accumulated charge amount of the snubber diode D3 when the snubber capacitor C2 is charged with QC2max .
従って、本実施例における燃料電池システム10では、下記式(1)に示したように、「スナバコンデンサC2に充電される最大電荷量よりも、スナバダイオードD3の最小蓄積電荷量が大きい」と言う条件で、スナバコンデンサC2の静電容量CC2と、スナバダイオードD3の接合容量CD3とを調整・決定し、その条件に沿ったスナバコンデンサC2とスナバダイオードD3を備える。結果として、ソフトスイッチング処理(図3参照)のサイクルにおける、どの状態で燃料電池システム10が停止しても、スナバコンデンサC2の充電電荷はスナバダイオードD3の蓄積電荷によって放電(打ち消し)が可能である。
Therefore, in the
CC2×VHmax<CD3×(VHmax−VLmax)…(1) C C2 × VH max <C D3 × (VH max −VL max ) (1)
式(1)では「スナバコンデンサC2に充電される最大電荷量よりも、スナバダイオードD3の最小蓄積電荷量が大きい」としたが、「スナバコンデンサC2に充電される最大電荷量と、スナバダイオードD3の最小蓄積電荷量が等しい」としてもよい。また、温度や製品の仕様のバラツキで、必ずしもスナバコンデンサC2の電荷がゼロにならず、差し支えない程度に若干の電荷が残るという概念も含む。よってスナバコンデンサC2に残る電荷を「ΔQ」とし、下記式(2)のように表現することもできる。 In Expression (1), “the minimum accumulated charge amount of the snubber diode D3 is larger than the maximum charge amount charged in the snubber capacitor C2”, but “the maximum charge amount charged in the snubber capacitor C2 and the snubber diode D3”. May be the same. Further, it includes the concept that the electric charge of the snubber capacitor C2 does not necessarily become zero due to variations in temperature and product specifications, and some electric charge remains to the extent that it does not matter. Therefore, the electric charge remaining in the snubber capacitor C2 can be represented as “ΔQ” and expressed as the following formula (2).
CD3×(VHmax−VLmax)−VHmax×CC2=ΔQ…(2)
−ε1≦ΔQ≦ε2
C D3 × (VH max −VL max ) −VH max × C C2 = ΔQ (2)
−ε 1 ≦ ΔQ ≦ ε 2
以上説明したように、燃料電池システム10は、式(1)の条件を満たすような静電容量CC2と接合容量CD3とを有する、スナバコンデンサC2とスナバダイオードD3とを備える。上記の式(1)は「スナバコンデンサC2に充電される最大電荷量よりも、スナバダイオードD3の最小蓄積電荷量が大きい」と言う条件を意味している。従って、燃料電池システム10がいかなる状態で停止したとしても、スナバコンデンサC2の充電電荷は、システム停止直前にスナバダイオードD3に蓄積されていた電荷によって放電され(打ち消され)、スナバコンデンサC2の充電電荷をゼロとすることが可能である。
As described above, the
特許請求の範囲との対応関係としては、静電容量CC2が特許請求の範囲に記載のCCに相当し、接合容量CD3が特許請求の範囲に記載のCDに相当し、VHmaxが特許請求の範囲に記載のV1に相当し、(VHmax−VLmax)が特許請求の範囲に記載のV2に相当する。 As the correspondence relationship with the claims, the capacitance C C2 corresponds to C C described in the claims, the junction capacitance C D3 corresponds to C D described in the claims, and VH max Corresponds to V1 described in the claims, and (VH max -VL max ) corresponds to V2 described in the claims.
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(B1)変形例1:
上記実施例では、式(1)の条件に基づいて、静電容量CC2と接合容量CD3とを調整・決定したが、それに限ることなく、スナバ回路を備える回路のシステム停止後に、スナバコンデンサC2の充電電荷をスナバダイオードD3のリカバリ特性によって打ち消すように静電容量CC2と接合容量CD3とを決定するのであれば、他の条件によって静電容量CC2と接合容量CD3とを決定してもよい。例えば、システム停止後にスナバダイオードD3のアノード側の電位が直ちにゼロとなるような回路構成のスナバ回路の場合は、スナバコンデンサC2にかかる最大電圧と、その時にスナバダイオードD3にかかる最小電圧とは等しいので、スナバコンデンサC2の充電電荷を、スナバダイオードD3のリカバリ特性で打ち消す条件は静電容量CC2≦CD3となる。このように、様々なスナバ回路の回路構成に合わせて条件を設定し、静電容量CC2と接合容量CD3とを調整するとしても、上記実施例と同様の効果を得ることが可能である。
(B1) Modification 1:
In the above embodiment, the capacitance C C2 and the junction capacitance C D3 are adjusted and determined based on the condition of the expression (1). However, the present invention is not limited to this, and the snubber capacitor is stopped after the system including the snubber circuit is stopped. if the C2 of charges than determining the electrostatic capacitance C C2 and junction capacitance C D3 so as to cancel the recovery characteristics of the snubber diode D3, determines the capacitance C C2 and junction capacitance C D3 by other conditions May be. For example, in the case of a snubber circuit having a circuit configuration in which the anode potential of the snubber diode D3 immediately becomes zero after the system is stopped, the maximum voltage applied to the snubber capacitor C2 is equal to the minimum voltage applied to the snubber diode D3 at that time. Therefore, the condition for canceling the charging charge of the snubber capacitor C2 by the recovery characteristic of the snubber diode D3 is capacitance C C2 ≦ C D3 . As described above, even if the conditions are set in accordance with the circuit configurations of various snubber circuits and the capacitance C C2 and the junction capacitance C D3 are adjusted, it is possible to obtain the same effect as in the above embodiment. .
(B2)変形例2:
上記実施例では、図2に示した回路構成のスナバ回路を例に説明したが、これに限らず、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続された種々の回路構成のスナバ回路に適用可能である。例えば、図12に示した回路構成のスナバ回路に適用することができる。この場合、スナバダイオードD3aの接合容量CD3aと、スナバコンデンサC2aの静電容量CC2aを、スナバダイオードD3aのリカバリ特性による逆バイアスの蓄積電荷によって、スナバコンデンサC2aの蓄積電荷を放電(打ち消す)するように調整することで、システム停止後に、スナバコンデンサC2aの充電電荷を放電することが可能である。
(B2) Modification 2:
In the above embodiment, the snubber circuit having the circuit configuration shown in FIG. 2 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to snubber circuits having various circuit configurations in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode. is there. For example, the present invention can be applied to the snubber circuit having the circuit configuration shown in FIG. In this case, the junction capacitance C D3a of the snubber diodes D3a, the electrostatic capacitance C C2a of the snubber capacitor C2a, the reverse bias charges accumulated in accordance recovery characteristics of the snubber diodes D3a, discharging the charge accumulated in the snubber capacitor C2a (cancel) to By adjusting in this way, it is possible to discharge the charge of the snubber capacitor C2a after the system is stopped.
その他、スナバ回路のカソード側にスナバコンデンサが接続されたものとして、上記説明したDC/DCコンバータや、AC/DCコンバータ、PFC回路(power factor Correction回路:力率改善回路)、UPS(UPS:Uninterruptible Power Supply:無停電電源装置)、パワーコンディショナ、周波数変換装置等に用いることができる。 In addition, assuming that a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber circuit, the above-described DC / DC converter, AC / DC converter, PFC circuit (power factor correction circuit: power factor correction circuit), UPS (UPS: Uninterruptible) Power Supply: Uninterruptible power supply), power conditioner, frequency converter, etc.
10…燃料電池システム
20…制御ユニット
30…電源装置
50…ソフトスイッチングコンバータ
51…主回路
52…補助回路
LOAD…負荷
R…放電抵抗
E…直流電源
S1…主スイッチング素子
S2…補助スイッチング素子
L1…リアクトル
L2…リアクトル
C1…フィルタコンデンサ
C2…スナバコンデンサ
C3…平滑コンデンサ
D1…ダイオード
D2…ダイオード
D3…スナバダイオード
D4…ダイオード
D5…ダイオード
FC…燃料電池
WH…ワイヤーハーネス
VH…出口電圧
VL…入口電圧
C2a…スナバコンデンサ
D3a…スナバダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (6)
当該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整された
スナバ回路。 A snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode,
The capacitance of the snubber capacitor is set so as to at least cancel the charged charge by accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charged charge of the snubber capacitor after the energization of the snubber circuit is stopped. A snubber circuit in which the junction capacitance of the snubber diode is adjusted.
前記スナバコンデンサの静電容量であるCCと、前記スナバダイオードの接合容量であるCDと、当該スナバ回路の動作時の前記スナバコンデンサに印加される最大電圧であるV1と、前記スナバコンデンサに前記V1が印加された状態で当該スナバ回路が前記通電停止をした場合の、前記スナバダイオードに印加される逆バイアスの最小電圧であるV2とが
CC×V1<CD×V2
の相関関係を有する
スナバ回路。 A snubber circuit according to claim 1,
And C C is the capacitance of the snubber capacitor, and C D is the junction capacitance of the snubber diode, and V1 is the maximum voltage applied to the snubber capacitor during operation of the snubber circuit, the snubber capacitor When the snubber circuit stops the energization with V1 applied, V2 which is the minimum reverse bias voltage applied to the snubber diode is C C × V1 <C D × V2
Snubber circuit with a correlation of
スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整された
チョッパ回路。 A chopper circuit that controls the effective value of voltage or current by repeatedly switching the current on and off of the main switching element,
A snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode, and the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charged charge of the snubber capacitor after stopping the energization of the snubber circuit, A chopper circuit in which a capacitance of the snubber capacitor and a junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel charged charges.
補助スイッチング素子を備え、
当該チョッパ回路は、前記補助スイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御することによって、前記主スイッチング素子をスイッチングをする際の前記主スイッチング素子に印加される電圧を制御するソフトスイッチング動作を用いる
チョッパ回路。 A chopper circuit according to claim 3,
With an auxiliary switching element,
The chopper circuit uses a soft switching operation for controlling a voltage applied to the main switching element when switching the main switching element by controlling a switching timing of the auxiliary switching element.
スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整された
DC/DCコンバータ。 A soft switching operation is provided that includes a main switching element and an auxiliary switching element, and controls a voltage applied to the main switching element when the main switching element is switched by controlling a switching timing of the auxiliary switching element. A DC / DC converter,
A snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode, and the accumulated charge due to the recovery characteristic of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charged charge of the snubber capacitor after stopping the energization of the snubber circuit, A DC / DC converter in which a capacitance of the snubber capacitor and a junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel charged charges.
負荷に対して電力を供給する燃料電池と、
スイッチング素子を備えるチョッパ回路を用いることによって前記電力の電圧制御を行うDC/DCコンバータと
を備え、
前記DC/DCコンバータは、スナバダイオードのカソード側にスナバコンデンサが接続されたスナバ回路を備え、該スナバ回路の通電停止後の前記スナバコンデンサの充電電荷に起因する逆バイアスによって生じる前記スナバダイオードのリカバリ特性による蓄積電荷によって、前記充電電荷を少なくとも打ち消し合うように、前記スナバコンデンサの静電容量と前記スナバダイオードの接合容量とが調整された
燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell for supplying power to the load;
A DC / DC converter that performs voltage control of the power by using a chopper circuit including a switching element, and
The DC / DC converter includes a snubber circuit in which a snubber capacitor is connected to the cathode side of the snubber diode, and the recovery of the snubber diode caused by a reverse bias caused by the charge of the snubber capacitor after the snubber circuit is deenergized. A fuel cell system in which a capacitance of the snubber capacitor and a junction capacitance of the snubber diode are adjusted so as to at least cancel the charged charges by accumulated charges due to characteristics.
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