JP2012253967A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】絶縁トランス12の二次側の整流回路13の後段に、平滑リアクトルLb、平滑コンデンサCbを有するフィルタ回路14が備えられるDC−DCコンバータ10において、絶縁トランス12の二次側コイル12bと整流回路13との間に共振コンデンサCxが直列に接続される。一次側のインバータ回路11は、スイッチング素子SW1〜SW4のフルブリッジ回路よりなり、フィルタ回路14の平滑リアクトルLbと共振コンデンサCxとの共振周波数に応じたスイッチング周波数にてスイッチング動作が行われる。
【選択図】図1
Description
この発明では、ダイオードのフルブリッジ回路にて構成される整流回路において、各ダイオードでの動作損失(導通損失、リカバリー損失)が低減される。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の電力変換装置において、前記整流回路は、該回路を構成する各スイッチング素子と並列にコンデンサが接続されていることをその要旨とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、前記インバータ回路のスイッチング周波数は、前記絶縁トランスの二次側の前記共振コンデンサ及び前記平滑リアクトルの共振周波数に一致させて設定されていることをその要旨とする。
図1に示す本実施形態のDC−DCコンバータ10は、太陽光発電装置等の直流電源から出力される直流電力を入力し、その入力直流電力を所定電圧に変換した出力直流電力として出力するものである。因みに、直流電源としては、太陽光発電装置の他、燃料電池発電装置、蓄電池装置、及び商用交流電力の直流変換装置等がある。
絶縁トランス12の一次側には、スイッチング回路としてインバータ回路11が備えられている。インバータ回路11は、IGBT等のスイッチング素子SW1〜SW4を4個用いたフルブリッジ(Hブリッジ)回路にて構成される。また、これら各スイッチング素子SW1〜SW4には、逆接ダイオードD1〜D4及びコンデンサC1〜C4がそれぞれ並列に接続されている。そして、インバータ回路11は、平滑コンデンサCaを介して入力される直流電力を制御回路15の制御に基づく各スイッチング素子SW1〜SW4のオンオフ動作にて高周波交流電力に変換し、変換した高周波交流電力を絶縁トランス12の一次側コイル12aに供給する。
ここで、絶縁トランス12の二次側を簡単な等価回路として考えた場合、二次側コイル12b、共振コンデンサCx、平滑リアクトルLb、及び負荷を直列接続した回路として考えられる。このような等価回路では、二次側コイル12bにて生じる高周波交流電力の周波数を共振コンデンサCx及び平滑リアクトルLbの共振周波数に近づけることで、インピーダンスが小さくなる。二次側コイル12bにて生じる高周波交流電力の周波数は、インバータ回路11(スイッチング素子SW1〜SW4)のスイッチング周波数であり、このスイッチング周波数を共振周波数に近づけることで、等価回路のインピーダンスが小さくなる。スイッチング周波数を共振周波数に一致させると、等価回路のインピーダンスが最小となる。
図2は、DC−DCコンバータ10の動作態様を示す波形図であり、制御回路15からインバータ回路11の各スイッチング素子SW1〜SW4のゲートに制御信号(図中、スイッチゲート電圧参照)が入力され、各スイッチング素子SW1〜SW4が所定の組み合わせ同士で交互にスイッチング動作し、高周波交流電力が生成され、後段の絶縁トランス12に供給される。
(1)絶縁トランス12の二次側の整流回路13の後段に、平滑リアクトルLb、平滑コンデンサCbを有するフィルタ回路14が備えられる本実施形態のDC−DCコンバータ10において、絶縁トランス12の二次側コイル12bと整流回路13との間に共振コンデンサCxが直列に接続される。そして、トランス12の一次側のインバータ回路11に対して、フィルタ回路14の平滑リアクトルLbと共振コンデンサCxとの共振周波数に応じたスイッチング周波数にてスイッチング動作が行われる。つまり、絶縁トランス12の二次側のインピーダンスが小さくなる、即ち電圧に対する電流の位相ズレが小さくなることから、二次側の整流回路13を構成するダイオードD5〜D8での整流動作にかかる動作損失(導通損失、リカバリー損失)を低減することができる。特に本実施形態では、共振周波数に一致させたスイッチング周波数にてスイッチング動作を行うことから、トランス12の二次側のインピーダンスが最小となり、ダイオードD5〜D8での損失の一層低減が期待できる。また、動作損失の低減からノイズ低減効果も期待できる。更に、絶縁トランス12の一次側においても二次側の影響を受けるため、一次側のインバータ回路11を構成するスイッチング素子SW1〜SW4での動作損失も低減することができる。これらから、DC−DCコンバータ10での変換効率を一層高効率化することができる。
・上記実施形態では、インバータ回路11のスイッチング周波数を、共振コンデンサCx及び平滑リアクトルLbの共振周波数に一致させたが、二次側のインピーダンスが十分に小さく整流回路13を構成する素子での動作損失が十分に低減できる範囲であれば、スイッチング周波数を共振周波数の付近で若干ずらして設定してもよい。
例えば図7に示すように、スイッチング素子SW5〜SW8のフルブリッジ回路よりなる同期整流回路13Aを用いてもよい。スイッチング素子SW5〜SW8には、ダイオードD5〜D8とコンデンサC5〜C8とがそれぞれ並列に接続される。そして、同期整流回路13Aにおいても、スイッチング動作時のスイッチング素子SW5〜SW8での動作損失が低減される。また、スイッチング素子SW5〜SW8と並列接続されるコンデンサC5〜C8によってもゼロ電圧でのスイッチング動作(ZVS)が可能となるため、該スイッチング素子SW5〜SW8での動作損失をより確実に低減できる。
12 絶縁トランス
12a 一次側コイル
12b 二次側コイル
13 整流回路
13A 同期整流回路(整流回路)
13B 倍電圧整流回路(整流回路)
14 フィルタ回路
SW1〜SW4 スイッチング素子
SW5〜SW8 スイッチング素子
La リアクトル
Lb 平滑リアクトル
Ca 平滑コンデンサ
Cb 平滑コンデンサ
Cx 共振コンデンサ
C1〜C4 コンデンサ
C5〜C8 コンデンサ
C9,C10 コンデンサ
D5〜D8 ダイオード
D9,D10 ダイオード
Claims (8)
- スイッチング素子を用いたフルブリッジ回路にて構成され、入力直流電力をスイッチング動作により高周波交流電力に変換し、後段の絶縁トランスの一次側コイルに供給するインバータ回路と、
前記一次側コイルに供給された高周波交流電力を電圧変換して二次側コイルに伝送する絶縁トランスと、
前記絶縁トランスの二次側コイルから出力される高周波交流電力を整流して直流化を行う整流回路と
を備えた電力変換装置であって、
前記整流回路の後段には、平滑リアクトル及び平滑コンデンサを有するフィルタ回路を備えるものであり、
前記平滑リアクトルと共振動作させる共振コンデンサを前記絶縁トランスの二次側コイルと前記整流回路との間に直列に接続し、その共振周波数に応じた前記インバータ回路のスイッチング周波数にてスイッチング動作を行うようにしたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記インバータ回路は、該回路を構成する各スイッチング素子と並列にコンデンサが接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置において、
前記整流回路は、ダイオードを用いたフルブリッジ回路にて構成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置において、
前記整流回路は、スイッチング素子を用いたフルブリッジ回路よりなる同期整流回路にて構成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記整流回路は、該回路を構成する各スイッチング素子と並列にコンデンサが接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4又は5に記載の電力変換装置において、
前記入力直流電力を平滑化する平滑コンデンサを備え、該平滑コンデンサと前記インバータ回路との間に直列にリアクトルが接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載の電力変換装置において、
前記整流回路は、ダイオード及びコンデンサを用いた倍電圧整流回路にて構成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記インバータ回路のスイッチング周波数は、前記絶縁トランスの二次側の前記共振コンデンサ及び前記平滑リアクトルの共振周波数に一致させて設定されていることを特徴とする電力変換装置。
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