JP5169679B2 - 共振型電力変換装置 - Google Patents
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Description
このように構成された共振型DC−DCコンバータの各部の電圧・電流波形の一例を示す図7において、時刻t1の時点でオンからオフに切り替わるMOSFET(Q2,Q3)は、これらMOSFET(Q2,Q3)のドレイン―ソース間のコンデンサC2,C3によってMOSFET(Q2,Q3)に加わる電圧が上昇する前にオフとなる。このためMOSFET(Q1〜Q4)は、零電圧スイッチングとなりターンオフ時に生ずる損失(ターンオフ損失)がほとんど発生しない。
また、図7の時刻t2においてオフからオンに切り替わるMOSFET(Q1,Q4)は、寄生ダイオードD1,D4に電流が流れているときにオンとなるため、ターンオン損失が発生しない。
このため従来の共振型DC−DCコンバータは、
(1)力率が低下するため、電流の無効成分が増え導通損失が増加する
(2)周波数の増加により、リアクトルの鉄損が増加する
(3)スイッチング素子の駆動損失が増加する
という問題が生ずる。
これらの問題を解決する方法として、瞬低時に回路をハーフブリッジ動作からフルブリッジ動作に切り換えることで得られる交流電圧(Vab相当)を高くする方法が提案されている(例えば、特許文献1,2を参照)。
更に前記直流電圧源が所定の電圧値以上の電圧を出力しているとき、前記スイッチング素子駆動部により常時オフにされる前記第3または前記第4のスイッチング素子は、常時オンにされるスイッチング素子よりも電力容量が小さいものとしている。
また上述の共振型電力変換装置は、例えばコンバータで商用交流電源を整流して得た直流を直流電圧源として用いた場合、商用交流電源に瞬低が生じたとしても通常時における最適なスイッチング周波数で第2の直列回路を構成する第3および第4のスイッチング素子を駆動すると共に、瞬低時は、更に第1の直列回路を構成する第1および第2のスイッチング素子を上記の最適なスイッチング周波数で駆動し、かつ、そのオンまたはオフ時間を調整して第3の直列回路に加わる電圧を所定の電圧値に維持しているので、上述した損失の増加を防ぎ、かつ瞬低時においても直流出力電圧を一定に維持することができる。
更に前記直流電圧源が所定の電圧値以上の電圧を出力しているとき、前記スイッチング駆動部により常時オフにされる第1または第2のスイッチング素子は、直流電圧源が瞬時に低下したときだけ駆動すればよいので常時オンにされるスイッチング素子よりも電力容量が小さいものが適用でき、装置の小型化、低価格化を図ることができる。
なお、MOSFET(Q1)は、ゲート駆動部11によって定常時に常時オンに固定される。このためスイッチング損失は問題にならない。またMOSFET(Q2)は、定常時に常時オフに固定されるため損失が発生しない。なお、MOSFET(Q1,Q2)で構成される第1の直列回路において常時オンまたは常時オフにする素子を入れ替えてもかまわない。
例えば図5に示すようにMOSFETのターンオフ時においてキャパシタンス値がC=0(図5における実線)からキャパシタンス値が増えるほど電圧の傾きが小さくなる(一点鎖線から二点鎖線)。即ち、電圧値と電流値の積によって定まるターンオフ損失はキャパシタンス値が増えるほど少なくなる。ただし、コンデンサC1〜C4のキャパシタンス値が大き過ぎると、これらコンデンサC1〜C4を流出入する電力が増大する。するとこの電力の流出入に伴う充放電損失が増加することがあるので注意が必要である。なお、MOSFET(Q1〜Q4)が有する寄生容量だけでもスイッチング損失が十分抑制されるならば上記コンデンサC1〜C4を省いてもかまわない。
また、本発明の共振型電源装置は、上述したような変圧器Tの二次側にセンタータップを用いた全波整流回路を接続した共振型DC−DCコンバータに限定されるものではない。例えば変圧器の二次側に接続する回路としては、フルブリッジ整流回路、ハーフブリッジ整流回路等の構成をとった共振型DC−DCコンバータとしてもかまわない。或いは本発明の共振型電源装置は、高周波インバータとして例えばプラズマ用電源装置や、オゾン発生器、アーク溶接機など種々の電源装置に適用することも勿論可能である。
4 コンバータ
10 電圧検出部
11 ゲート駆動部
C 平滑コンデンサ
Cs コンデンサ
D1-D4 寄生ダイオード
D5,D6 整流用ダイオード
Ls リアクトル
RL 負荷
T 変圧器
Claims (5)
- 直流電圧源に接続されて、第1および第2のスイッチング素子を直列に接続した第1の直列回路と、
この第1の直列回路と並列に接続されて、第3および第4のスイッチング素子を直列に接続した第2の直列回路と、
前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と、前記第3および第4のスイッチング素子の接続点とに介装されて、リアクトル、コンデンサおよび変圧器の一次巻線とを直列に接続した第3の直列回路と
を備え、
前記変圧器の二次巻線に接続された所定の負荷に電力を供給する共振型電力変換装置であって、
前記第1の直列回路は、前記第2の直列回路よりも順電圧降下の低いスイッチング素子を用いたことを特徴とする共振型電力変換装置。 - 前記直流電圧源に並列に接続されて、該直流電圧源の電圧値を検出する電圧検出部と、
この電圧検出部の検出電圧値を受けて、前記直流電圧源が所定の電圧値以上の電圧を出力しているとき、前記第1または前記第2のスイッチング素子のいずれか一方だけを常時オンにして他方を常時オフにし、前記第3および第4のスイッチング素子を所定の周期で排他的にオンまたはオフにする一方、
前記直流電圧源が所定の電圧値未満の電圧を出力しているとき、前記第3および第4のスイッチング素子を前記所定の周期で排他的にオンまたはオフにすると共に、前記第1および第2のスイッチング素子を上記所定の周期で排他的にオンまたはオフし、かつ、そのオンまたはオフ時間を調整して前記第3の直列回路に加わる電圧を所定の電圧値に維持するスイッチング素子駆動部と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の共振型電力変換装置。 - 前記直流電圧源が所定の電圧値以上の電圧を出力しているとき、前記スイッチング素子駆動部により常時オンにされる前記第1または前記第2のスイッチング素子は、他のスイッチング素子よりも順電圧降下の低いものであることを特徴とする請求項2に記載の共振型電力変換装置。
- 前記直流電圧源が所定の電圧値以上の電圧を出力しているとき、前記スイッチング素子駆動部により常時オフにされる前記第1または前記第2のスイッチング素子は、常時オンにされるスイッチング素子よりも電力容量が小さいものである請求項2に記載の共振型電力変換装置。
- 前記変圧器の二次巻線には、この二次巻線に生じた交流電圧を直流電圧に変換する整流回路が備えられたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の共振型電力変換装置。
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