JP2009273280A - Dc-dc converter - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源の電圧を昇圧チョッパにより昇圧して負荷に電力を供給するDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter that boosts a voltage of a DC power source with a boost chopper and supplies power to a load.
入力直流電圧を昇圧して該入力電圧の略2倍の電圧を負荷に供給するDC−DCコンバータが〔特許文献1〕で開示されている。〔特許文献1〕の代表図に記載される回路構成を図5に示す。本回路は、端子DC入力+と端子GNDを入力端子とし、該端子DC入力+と端子GNDに直流電源を接続してスイッチング素子SW1,SW2を交互にオンすることにより入力電圧を昇圧する。具体的には、SW1をオン、SW2をオフとするとリアクトルL1には端子DC入力+と端子GND間の電圧(以降、入力電圧と記す)が印加され、逆向きに磁気結合されたリアクトルL2にはリアクトルL1と逆方向に入力電圧が誘起される。そのため、端子Bと端子GND間には入力電圧の2倍の電圧が発生し、ダイオードD2を介して端子DC出力+、端子DC出力−に入力電圧の2倍の電圧を供給することができる。SW1をオフ、SW2をオンとした場合も同様である。 [Patent Document 1] discloses a DC-DC converter that boosts an input DC voltage and supplies a voltage approximately twice the input voltage to a load. FIG. 5 shows a circuit configuration described in a representative diagram of [Patent Document 1]. In this circuit, a terminal DC input + and a terminal GND are input terminals, a DC power source is connected to the terminal DC input + and the terminal GND, and the switching elements SW1 and SW2 are alternately turned on to boost the input voltage. Specifically, when SW1 is turned on and SW2 is turned off, a voltage between the terminal DC input + and the terminal GND (hereinafter referred to as input voltage) is applied to the reactor L1, and the reactor L2 magnetically coupled in the opposite direction is applied to the reactor L2. Causes an input voltage to be induced in a direction opposite to reactor L1. Therefore, a voltage twice as large as the input voltage is generated between the terminal B and the terminal GND, and a voltage twice as large as the input voltage can be supplied to the terminal DC output + and the terminal DC output − via the diode D2. The same applies when SW1 is turned off and SW2 is turned on.
本回路方式の特徴は、昇圧リアクトルを逆方向に磁気結合し、さらに並列接続されるチョッパ回路のスイッチング素子SW1,SW2を交互にオンする点にある。本方式では、上記リアクトルL1,L2を流れる電流I1とI2により、リアクトルL1とL2のコアに発生する磁束が相殺され、昇圧回路の小型化が可能である。 The feature of this circuit system is that the step-up reactor is magnetically coupled in the reverse direction, and the switching elements SW1 and SW2 of the chopper circuit connected in parallel are alternately turned on. In this system, the magnetic fluxes generated in the cores of reactors L1 and L2 are offset by the currents I1 and I2 flowing through the reactors L1 and L2, and the booster circuit can be downsized.
図5の回路方式において、スイッチング素子SW1がオンしている状態で端子DC出力+と端子DC出力−が短絡した場合、上記直流電源からダイオードD2を介して短絡電流が流れる。このとき、リアクトルL2の端子間に現れる電圧は、入力電圧をリアクトルL2の巻線抵抗とダイオードD2の順方向電圧で分圧した電圧となる。リアクトルL1とL2は磁気結合しているため、リアクトルL1の端子間電圧も入力電圧以下となる。ゆえに、スイッチング素子SW1にもリアクトルL2に流れる短絡電流と同等の大きな電流が流れ、スイッチング素子SW1が破損する可能性があるという問題があった。 In the circuit system of FIG. 5, when the terminal DC output + and the terminal DC output − are short-circuited with the switching element SW1 turned on, a short-circuit current flows from the DC power source through the diode D2. At this time, the voltage appearing between the terminals of the reactor L2 is a voltage obtained by dividing the input voltage by the winding resistance of the reactor L2 and the forward voltage of the diode D2. Since reactors L1 and L2 are magnetically coupled, the voltage across reactor L1 is also equal to or lower than the input voltage. Therefore, a large current equivalent to the short-circuit current flowing through the reactor L2 also flows through the switching element SW1, and there is a problem that the switching element SW1 may be damaged.
また、出力端の短絡電流とスイッチング素子SW1に流れる電流は前記直流電源から供給されるため、過大な電流が流れることによって前記直流電源が破損する可能性が存在する。 In addition, since the short circuit current at the output end and the current flowing through the switching element SW1 are supplied from the DC power supply, there is a possibility that the DC power supply is damaged when an excessive current flows.
上記課題は、端子DC入力+とリアクトルL1,L2の間に接続された遮断器と、該遮断器とリアクトルL1,L2の間に接続された電流変化率抑制用リアクトルと、リアクトルL1,L2それぞれを流れる電流を検出する電流センサと、該電流センサで検出した電流値がスイッチング素子の最大遮断電流以下である所定の値を超えた場合は遮断器に開放指令を出力する遮断器開放手段を備えることにより解決可能である。 The above-described problems include a circuit breaker connected between the terminal DC input + and the reactors L1 and L2, a current change rate suppressing reactor connected between the circuit breaker and the reactors L1 and L2, and the reactors L1 and L2, respectively. And a circuit breaker opening means for outputting an opening command to the circuit breaker when the current value detected by the current sensor exceeds a predetermined value that is equal to or less than the maximum breaking current of the switching element. Can be solved.
また、上記電流センサで検出した電流値がスイッチング素子の最大遮断電流以下である所定の値を超えた場合はスイッチング素子をオフさせるサプレス回路を備えることでも解決可能である。 It can also be solved by providing a suppress circuit that turns off the switching element when the current value detected by the current sensor exceeds a predetermined value that is equal to or less than the maximum cutoff current of the switching element.
本発明のDC−DCコンバータは端子DC入力+とリアクトルL1,L2の間に、本発明の新規な構造である電流変化率抑制用リアクトルを備えることを特徴とし、本特徴により、端子DC出力+と端子DC出力−が短絡した場合のダイオードや半導体スイッチング素子を流れる短絡電流増加の変化率を抑制できる。リアクトルL1,L2を流れる電流を電流センサで検出し、該電流センサの検出した電流値が、上記スイッチング素子の最大遮断電流以下である所定の値以上となると前記遮断器へ開放指令を出力して遮断器を開放することにより、入力端子に接続された直流電源から短絡電流を供給し続けることを回避してスイッチング素子の破損と該直流電源の破損を回避することができる。 The DC-DC converter of the present invention is characterized by including a current change rate suppression reactor having a novel structure of the present invention between a terminal DC input + and the reactors L1 and L2, and according to this characteristic, the terminal DC output + When the terminal DC output − is short-circuited, the rate of change of increase in short-circuit current flowing through the diode or semiconductor switching element can be suppressed. The current flowing through the reactors L1 and L2 is detected by a current sensor, and when the current value detected by the current sensor becomes equal to or greater than a predetermined value that is less than or equal to the maximum breaking current of the switching element, an opening command is output to the breaker. By opening the circuit breaker, it is possible to avoid continuing to supply a short-circuit current from the DC power source connected to the input terminal, thereby avoiding damage to the switching element and the DC power source.
本構成としても、スイッチング素子SW1,SW2のDUTY比(スイッチング素子の搬送波1周期中に占める前記スイッチング素子のオン時間のパーセンテージ)を50%とすることで端子DC出力+と端子DC出力−の間に入力電圧の略2倍の電圧を出力することができる。 Also in this configuration, the DUTY ratio of switching elements SW1 and SW2 (the percentage of the on-time of the switching element in one carrier wave of the switching element) is set to 50%, so that the terminal DC output + and the terminal DC output-are between Can output a voltage approximately twice the input voltage.
また、本発明のDC−DCコンバータは前記電流センサの検出した電流値が、上記スイッチング素子の最大遮断電流以下である所定の値以上となると前記スイッチング素子をオフする回路を備えることを特徴とする。本特徴により、該スイッチング素子に該スイッチング素子の最大遮断電流を超える過大な短絡電流が流れる前に該スイッチング素子をオフすることができ、過大な電流を遮断することによる該スイッチング素子の破損を回避することができる。 The DC-DC converter according to the present invention further includes a circuit that turns off the switching element when a current value detected by the current sensor is equal to or greater than a predetermined value that is equal to or less than a maximum cutoff current of the switching element. . With this feature, the switching element can be turned off before an excessive short-circuit current exceeding the maximum cutoff current of the switching element flows through the switching element, and the switching element is prevented from being damaged by interrupting the excessive current. can do.
また、本発明のDC−DCコンバータは端子DC入力+とリアクトルL1,L2の間に、本発明の新規な構造である電流変化率抑制用リアクトルを備えることを特徴とし、本特徴により該スイッチング素子を同時にオンする期間を設けてもスイッチング素子に過大な電流が流れることを回避でき、さらに入力電圧の2倍以上の電圧を出力端子に出力することができる。 In addition, the DC-DC converter of the present invention is characterized by including a current change rate suppressing reactor having a novel structure of the present invention between the terminal DC input + and the reactors L1 and L2, and the switching element according to the present feature. Even when a period for simultaneously turning on is provided, it is possible to avoid an excessive current flowing through the switching element, and to output a voltage more than twice the input voltage to the output terminal.
また、スイッチング素子と端子DC出力+の間に備えるダイオードに逆並列接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子と端子DC出力+に接続するスイッチング素子を相補PWMする制御器を備えることを特徴とし、本特徴により電力の流れる向きを出力端子から入力端子とする回生運転が可能となる。 And a switching element connected in reverse parallel to a diode provided between the switching element and the terminal DC output +, and a controller that complementarily PWMs the switching element connected to the switching element and the terminal DC output +. This feature enables regenerative operation in which the direction of power flow is from the output terminal to the input terminal.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明する各図面では、同一の機能を有する要素には同一の符号をつけてある。なお、図1等に示される、IGBTと該IGBTと逆並列に接続されたダイオードからなる並列体1a〜1nを、IGBT素子1a〜1nと呼ぶことにする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings for explaining the embodiments, elements having the same function are given the same reference numerals. In addition, the
本実施例は入力電圧を昇圧して入力電圧の2倍の電圧を出力端子に出力可能であり、なおかつ出力端子短絡時にはスイッチング素子の過電流による破損を防ぎ、入力電源から短絡電流が流れ続けることを回避できるDC−DCコンバータである。 In this embodiment, the input voltage can be boosted and a voltage twice the input voltage can be output to the output terminal, and when the output terminal is short-circuited, the switching element is prevented from being damaged due to overcurrent, and the short-circuit current continues to flow from the input power supply. This is a DC-DC converter that can avoid the above.
図2には本実施例のDC−DCコンバータの主要部と、該DC−DCコンバータに接続される直流電源と該DC−DCコンバータに接続された負荷を示す。図2を用いて本実施例の構成を説明する。 FIG. 2 shows a main part of the DC-DC converter of the present embodiment, a DC power source connected to the DC-DC converter, and a load connected to the DC-DC converter. The configuration of this embodiment will be described with reference to FIG.
本発明のDC−DCコンバータ1は、直流電源80と負荷90に接続される。DC−DCコンバータ1の入力端子50,51は直流電源80に接続しており、DC−DCコンバータ1の他方の端子52,53は負荷90に接続されている。
The DC-
DC−DCコンバータ1の主要部の構成を図1に示す。
The configuration of the main part of the DC-
DC−DCコンバータ1は主回路部300と制御部100、そしてサプレス回路200により構成される。
The DC-
主回路部300は直流電源80を切り離すための遮断器4,入力平滑コンデンサ5,電流変化率抑制用リアクトル3,共通の鉄心に巻かれて巻数比が1:1であり、なおかつ逆方向に磁気結合するリアクトル2a,2b,IGBT素子1a,1b,ダイオード1p,1q,出力平滑コンデンサ6、およびリアクトル2a,2bを流れる電流を検出する電流センサ10,11により構成される。
The
遮断器4は入力端子50と電流変化率抑制用リアクトル3の間に接続する。
The
入力平滑コンデンサ5はIGBT素子1a,1bのスイッチングに起因するリプル電流が直流電源80に流れ込む量を低減するために備える。DC−DCコンバータ1の接続する直流電源80が、上記リプル電流が流入しても過熱せず、直流電源の出力電圧を保つことができる場合は平滑コンデンサ5を省略しても良い。
The
電流変化率抑制用リアクトル3の他端は接続点56にてリアクトル2a,2bに接続する。
The other end of the current change
電流センサ10,11は、リアクトル2a,2bに接続点56から出力側へ流れる電流Ia,Ibを検出し、電流Ia,Ibの電流値に比例した電圧をサプレス回路200に出力する。
リアクトル2aの他端は接続点54を介してIGBT素子1aと、ダイオード1pのアノードに接続する。
The other end of the
リアクトル2bの他端は接続点55を介してIGBT素子1bと、ダイオード1qのアノードに接続する。
The other end of the
ダイオード1p,1qのカソードは接続点57で接続され、また接続点57は出力端子52に接続される。
The cathodes of the
IGBT素子1a,1bの他端は入力端子51,出力端子53に接続する。また、出力端子52と53の間には負荷に出力する電圧を平滑化するための出力平滑コンデンサ6を接続する。
The other ends of the
IGBT素子1a,1bは、本実施例の新規な構成であるサプレス回路200の出力するゲート信号によりオン/オフ制御される。ここで、IGBT素子1a,1bはサプレス回路200の出力するゲート信号が真であればオン信号、偽であればオフ信号として動作する。
The
制御部100はIGBT素子1a,1bをオン/オフ制御するゲート信号を算出し、サプレス回路200に出力する。具体的には、制御部100は変調波算出器1000の出力である変調波と、搬送波発生器1001の出力する、互いに位相が180度異なる三角波Carrier1,Carrier2をPWM制御器1002,1003に入力し、PWM制御器1002は該変調波が、上記三角波Carrier1以上の場合は真、該変調波が三角波Carrier1より小さい場合は偽をIGBT素子1bのゲート信号としてサプレス回路200に出力する。同様にPWM制御器1003は該変調波が、上記三角波Carrier2以上の場合は真、該変調波が三角波Carrier2より小さい場合は偽をIGBT素子1aのゲート信号としてサプレス回路200に出力する。
The
サプレス回路200は基準電源2001,比較器2002,2003,OR回路2004,ホールド回路2005,インバータ2006、そしてAND回路2007,2008により構成され、電流センサ10,11の出力が基準電源2001の出力電圧未満であれば、制御部100が出力するゲート信号をIGBT素子1a,1bのゲート信号として出力する。
The
基準電源2001の出力電圧は、リアクトル2a,2bをIGBT素子1a,1bの最大遮断電流値と等しい電流が流れたときの電流センサ10,11の出力電圧よりも低く設定する。ここで、最大遮断電流値とは、IGBT素子が流れる電流を、IGBT素子自体を破損せずに遮断できる最大の電流値とする。
The output voltage of
また、電流センサ10,11の出力が前記基準電源2001の出力電圧未満であれば、サプレス回路200は遮断器4に投入指令を出力する。ここで、サプレス回路200の出力する信号は、真もしくは偽であり、真の場合は投入指令、偽の場合は開放指令である。
If the outputs of the
電流センサ10,11の出力が基準電源2001の出力電圧より小さい場合の回路動作を、図3を用いて説明する。
The circuit operation when the outputs of the
図3にはDC−DCコンバータ1の動作波形を示し、上から順にIGBT素子1aゲート信号,IGBT素子1bのゲート信号,端子51から見込んだ接続点56の端子間電圧VC、接続点56から接続点54を見込んだリアクトル2a端子電圧,接続点56から接続点55を見込んだリアクトル2b端子電圧、リアクトル2aを流れる電流Ia,リアクトル2bを流れる電流Ib、接続点54からIGBT素子1aに流れるIGBT素子1a電流、接続点55からIGBT素子1bに流れるIGBT素子1b電流、そして接続点57から出力端子52側に流れる高圧側電流Icを示す。ここで、VH0は定常状態における出力平滑コンデンサ6の端子間電圧とする。
FIG. 3 shows an operation waveform of the DC-
電流Ia,Ibが正の状態でIGBT素子1aをオフ、1bをオンすると接続点54は出力端子52と同電位となる。また接続点55は出力端子53と同電位となるため、リアクトル2a,2bには出力平滑化コンデンサ6の端子電圧が印加される。
When the currents Ia and Ib are positive and the
リアクトル2aと2bは巻数比が1:1で、逆方向に磁気結合するように巻線がまかれているため、接続点56と端子51間の端子間電圧VCは出力平滑化コンデンサ6の端子電圧の半分であるVH0/2となる。
Since the
端子間電圧VCはVH0/2となるため、リアクトル2a端子電圧はVH0/2、リアクトル2b端子電圧は−VH0/2となり、リアクトル2aとリアクトル2bの共通の鉄心を励磁する電流が流れ、電流Iaはリアクトル2a,2bの鉄心の励磁インダクタンスに制限されながら徐々に減少し、電流Ibは徐々に増加する。
Since the inter-terminal voltage VC is VH0 / 2, the
電流IbはIGBT素子1bがオンしているため、IGBT素子1bを流れ、電流IaはIGBT素子1aがオフしているためダイオード1pを介して出力側に流れる。
The current Ib flows through the
IGBT素子1aがオンし、IGBT素子1bがオフすると、端子間電圧VCは同様に出力平滑化コンデンサ6の端子電圧の半分であるVH0/2となる。
When the
このとき、リアクトル2a端子電圧は−VH0/2、リアクトル2b端子電圧はVH0/2となり、電流Iaは徐々に増加し、電流Ibは徐々に減少する。
At this time, the
定常状態において、電流変化率抑制用リアクトル3の端子間電圧は、該電流変化率抑制用リアクトル3の抵抗成分が無視できるとするとゼロとなる。ゆえに、入力電圧VLと端子間電圧VCの平均値VC0は等しくなる。ゆえに、式1が成り立つ。
In a steady state, the voltage across the terminals of the current change
VL=VC0=VH0/2 (1)
式1から、本実施例に記載のDC−DCコンバータ1の定常状態における出力電圧VH0は、入力電圧VLの2倍の電圧となる。ゆえに、本実施例のDC−DCコンバータ1は、入力する直流電圧の2倍の電圧を負荷に供給することができる。
VL = VC0 = VH0 / 2 (1)
From
次に本実施例の新規な構成要素であるサプレス回路200と遮断器4の動作を、図4を用いて説明する。
Next, operations of the
図4に示す波形は、出力端子52,53で短絡が発生したときの横軸を時間としたときの動作波形であり、上から順にIGBT素子1a,1bのゲート信号,端子間電圧VC,リアクトル2a端子電圧,リアクトル2b端子電圧,電流Ia,Ib,IGBT素子1a電流,IGBT素子1b電流,比較器2002出力,比較器2003出力,論理和2004出力,ホールド回路2005出力、そして遮断器4状態を示す。図4において、VH0は出力端子52,53が短絡する前の端子間電圧VHの定常状態における電圧とする。
The waveform shown in FIG. 4 is an operation waveform when the horizontal axis when time is short-circuited at the
時刻t1において出力端子52,53が短絡される。出力電圧平滑コンデンサ6は短絡されるため、端子間電圧VHはゼロとなる。
At time t1, the
接続点54はIGBT素子1aがオンしているので、端子53と同電位となる。また、電流Ibが正であるため、ダイオード1qはオンしており、接続点55は出力端子52とほぼ同電位となる。出力端子52と53は短絡しているため、接続点55は出力端子53と同電位となる。リアクトル2aと2bは巻数比が1:1で逆向きに磁気結合しているため、接続点56の電位は接続点54と接続点55の電位の平均値に等しい。ゆえに、接続点56の電位は出力端子53と等しくなり、端子間電圧VCはゼロとなる。
Since the
入力端子50,51には直流電源80が接続されているため、直流電源80からは通常運転時より大きな電流が流れ込むが、本実施例のDC−DCコンバータ1では、新たに設置した電流変化率抑制用リアクトル3により直流電源80の電流変化率を制限できる。
Since the
直流電源80から流れ込む電流は、リアクトル2aと2bを流れる電流Ia,Ibに分流する。また、電流Iaはダイオード1pを流れる電流とIGBT素子1aを流れる電流に分流し、IGBT素子1aにも通常運転時より大きな電流が流れる。
The current flowing from
時刻t2において、電流センサ10,11の出力が基準電源2001の端子電圧より高くなり、比較器2003の出力が真となる。比較器2003の出力が真となるため、OR回路2004の出力が真となる。
At time t2, the outputs of the
OR回路2004の出力が真となると、ホールド回路2005は出力を真の値に保持する。
When the output of the
ホールド回路2005の出力が真となるため、インバータ2006の出力が偽となる。
Since the output of the
インバータ2006の出力が偽となるため、AND回路2007,2008の出力は偽となり、IGBT素子1a,1bはオフする。また、これと同時に遮断器4にも偽の信号、つまり開放指令が出力される。
Since the output of the
本実施例では直流電源80とDC−DCコンバータ1を電気的に切り離す手段として遮断器4を用いているが、遮断器4の代わりに電流遮断容量の大きい半導体スイッチング素子を用いても良い。また、遮断器4の代わりにヒューズを用いても良い。
In this embodiment, the
OR回路2004やホールド回路2005,インバータ2006,AND回路2007,2008の動作遅れによりIGBT素子1a,1bがオフするのは時刻t2からわずかに遅れた時刻t3となる。しかし、その間のIGBT素子1aに流れる電流の変化率は電流変化率抑制用リアクトル3により抑制されるため、IGBT素子1aに流れる電流がIGBT素子1aの最大遮断電流より小さい状態でIGBT素子1aをオフすることができる。ゆえに、IGBT素子1aを破損せずに電流を遮断することができ、IGBT素子1aを保護できる。
The
また、時刻t2において遮断器4はインバータ2006の出力が偽となるため、遮断器4の開放を開始する。
At time t2, the
IGBT素子1a,1bがオフしても、出力端子52,53が短絡しているため、直流電源80から出力される電流は増加し続けるが、時刻t4で遮断器4が開放され、直流電源80から短絡電流を継続して供給してしまうことを回避できる。
Even if the
入力平滑コンデンサ5に残った電荷はリアクトル2a,2b,ダイオード1p,1q,短絡された端子52,53を介して放電され、放電が終了した時点でダイオード1p,1qを流れる電流もゼロとなる。
The electric charge remaining in the
以上のように、本実施例のDC−DCコンバータ1においては、IGBT素子1a,1bに該IGBT素子の最大遮断電流が流れる前に該IGBT素子をオフすることができるため、出力端子52,53が短絡してもIGBT素子1a,1bを保護することができる。
As described above, in the DC-
また、出力端子短絡時に遮断器4を開放することにより、直流電源80が短絡電流を供給し続けることを回避することができる。
Further, by opening the
本実施例では遮断器4を開放するためには時間がかかるためIGBT素子1a,1bをサプレスする回路を設けたが、遮断器4の開放動作が充分に早い場合は、IGBT素子1a,1bのゲート信号を制御部100の出力するゲート信号とし、AND回路2007,2008を省略してもよい。
In this embodiment, since it takes time to open the
また、本実施例ではサプレス回路200を電気回路により構成しているが、同様の動作をソフトウェアで実現しても良い。
In the present embodiment, the suppress
また、本実施例ではリアクトル2aと2bの過電流を電流センサ10,11で検出しているが、図13または図14または図15に示すように、端子50から入力される電流を電流センサ12で検出し、該電流センサの出力と基準電源2050の出力電圧を比較する構成としても良い。ここで、基準電源2050の出力電圧は、基準電源2001の倍の電圧とすることが望ましい。
Further, in this embodiment, the overcurrents of the
以上では、電流変化率抑制用リアクトルを一つのリアクトルとする構成として説明をしたが、図7に示すようにDC−DCコンバータ1の電流変化率抑制用リアクトルを、磁気結合するリアクトル2a,2bにそれぞれ接続するリアクトル3a,3bとして備えても良い。
In the above description, the current change rate suppressing reactor is described as a single reactor. However, as shown in FIG. 7, the current change rate suppressing reactor of the DC-
また、図7に示す電流変化率抑制用リアクトルの接続位置は、リアクトル2a,2bと入力端子50の間としているが、図8に示すようにリアクトル2a,2bとIGBT素子1a,1bの間に接続しても良い。
Moreover, although the connection position of the current change rate suppressing reactor shown in FIG. 7 is between the
さらに、本実施例ではIGBT素子の並列数を2として説明したが、図12に示すようにIGBT素子並列数をnとし、各IGBT素子の搬送波Carrier1,2,3,・・・,nを振幅が等しく、位相が互いに360/n度異なる三角波としてIGBT素子1a,1b,・・・,1nをPWM制御する構成としても良い。
Furthermore, in the present embodiment, the number of parallel IGBT elements has been described as 2. However, as shown in FIG. 12, the number of parallel IGBT elements is n, and the
ところで、本実施例のDC−DCコンバータ1は電流変化率抑制用リアクトル3を備えるため、IGBT素子1aと1bが同時にオンする期間を設けてもIGBT素子1a,1bに過大な電流が流れることを回避できる。
By the way, since the DC-
DC−DCコンバータ1がIGBT素子1a,1bが同時にオンする期間を持つ運転をした場合の動作波形を図9に示す。
FIG. 9 shows operation waveforms when the DC-
IGBT素子1aと1bが同時にオンすると、接続点54,55の電位は出力端子53と等しくなるため、端子間電圧VCはゼロとなる。また、このときリアクトル2a,2bの端子電圧もゼロとなる。
When the
そのため、電流変化率抑制用リアクトル3には入力電圧VLが印加されるため、電流変化率抑制用リアクトル3を流れる電流が増加する。電流変化率抑制用リアクトル3を流れる電流はリアクトル2a,2bを流れる電流Ia,Ibに分流するため、電流Ia,Ibも増加する。
Therefore, since the input voltage VL is applied to the current change
IGBT素子1aがオフ、IGBT素子1bがオンの状態になると、リアクトル2aにはVH0/2の電圧が印加され、リアクトル2bには−VH0/2が印加される。また、このとき端子間電圧VCはVH0/2となる。
When
以上のように、端子間電圧VCはゼロまたはVH0/2いずれかの電圧となるため、端子間電圧VCの平均値はVH0/2よりもIGBT素子1a,1bが同時にオンする期間だけ低くなる。
As described above, the inter-terminal voltage VC is either zero or VH0 / 2, so that the average value of the inter-terminal voltage VC is lower than VH0 / 2 only during a period in which the
定常状態において、電流変化率抑制用リアクトル3の端子間に生じる電圧の平均値はゼロになるため、直流電源80端子電圧VLと端子間電圧VCの平均値VC0は等しい。ゆえに直流電源80の端子間電圧VLと、端子間電圧VCの平均値VC0と出力平滑化コンデンサ端子電圧VHの定常状態における電圧VH0の間には次式が成り立つ。
In the steady state, the average value of the voltage generated between the terminals of the current change
VL=VC0<VH0/2
∴2VL=2VC0<VH0 (2)
ゆえに、IGBT素子1aと1bを同時にオンする期間を設けることにより、直流電源80の端子間電圧を2倍した電圧より高い電圧を負荷に供給することができる。
VL = VC0 <VH0 / 2
∴2VL = 2VC0 <VH0 (2)
Therefore, by providing a period in which the
本実施例のDC−DCコンバータ1の具体的な適用例として、電鉄用き電線電圧低下抑制装置が考えられる。図6に概略回路図を示す。
As a specific application example of the DC-
DC−DCコンバータ1の出力端子52はき電線20に、出力端子53はレール21に接続される。また、き電線20とレール21には変電所23と、車両22が接続される。変電所23はき電線20とレール21の間に直流電圧を出力し、き電線20とレール21を介して車両22に直流電力を供給する。
The
車両22はインバータ220とモータ221を備える。インバータ220は、き電線20,レール21から受け取った直流電力を交流電力に変換してモータ221に該交流電力を供給し、モータ221は車両の車輪にトルクを発生させ、車両22を加速する。
The
車両22と変電所23の距離が遠い場合、き電線20やレール21での電圧降下により車両22に供給される直流電圧が低下し、車両22の加速性能低下など車両運行に支障を与える場合がある。本実施例のDC−DCコンバータ1は、き電線20とレール21との間の電圧(き電線電圧)よりも低い端子電圧を有する直流電源80を用い、該直流電源80の出力端子電圧を昇圧して、き電線20,レール21を介して車両22に電力を供給し、き電線電圧の低下を抑制して車両22の安定な運行を実現できる。ここで、直流電源80はリチウム電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタであっても良い。
When the distance between the
き電線20とレール21が事故により短絡した場合、本実施例のDC−DCコンバータ1は図4で説明したようにIGBT素子1a,1bに過大な電流が流れる前にオフすることで過電流による破損を回避し、また直流電源80からき電線20側に短絡電流を供給し続けることを回避し、直流電源80の破損を回避できる。
When the
以上より、本実施例のDC−DCコンバータ1は、出力端子が短絡した場合でも、電流変化率抑制用リアクトル3とサプレス回路200を備えることにより、IGBT素子に過大な電流が流れる前に該IGBT素子をオフし、IGBT素子を保護することができる。また、DC−DCコンバータ1に接続する直流電源80を切り離す遮断器を設け、出力端子が短絡した場合は該遮断器を開放する信号をサプレス回路200が出力するため、直流電源80から短絡電流を供給し続けることを回避できるため、過大な電流を流し続けることによる直流電源80の破損を回避することができる。
As described above, even when the output terminal is short-circuited, the DC-
さらに、前記電流変化率抑制用リアクトルを備えることによりIGBT素子を同時にオンすることを可能とし、直流電源80端子電圧の2倍以上の電圧を負荷に供給することができる。
Further, by providing the current change rate suppressing reactor, the IGBT elements can be simultaneously turned on, and a voltage more than twice the voltage of the
本発明第二の実施例を、図10を用いて説明する。本実施例と第一の実施例ではダイオード1p,1qの代わりにIGBT素子1c,1dを備え、回生運転を可能とする点が異なる。図10において、実施例1と同じものは同一符号で示し、説明の重複を省く。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is different from the first embodiment in that IGBT elements 1c and 1d are provided instead of the
本実施例のDC−DCコンバータ1のサプレス回路200には、図1に示す実施例1の演算器に加え、AND回路2009,2010,インバータ2011,2012を備える。
The
インバータ2011には制御部100より出力されたIGBT素子1aのゲート信号が入力され、インバータ2011は該ゲート信号を反転した信号をAND回路2009に出力する。AND回路2009はインバータ2011の出力とインバータ2006の出力を入力とし、その論理積をIGBT素子1cのゲート信号としてIGBT素子1cに出力する。
The
そのため、インバータ2006の出力が真の場合、IGBT素子1a,1cは片方がオンのときに他方はオフとなる。
Therefore, when the output of
インバータ2012には制御部100より出力されたIGBT素子1bのゲート信号が入力され、インバータ2012は該ゲート信号を反転した信号をAND回路2010に出力する。AND回路2010はインバータ2012の出力とインバータ2006の出力を入力とし、その論理積をIGBT素子1dのゲート信号としてIGBT素子1dに出力する。
The inverter 2012 receives the gate signal of the
そのため、インバータ2006の出力が真の場合、IGBT素子1b,1dは片方がオンのときに他方はオフとなる。
Therefore, when the output of
出力端子52,53の間に逆起電力がVHである負荷90を接続し、入力端子50,51の間に出力電圧VLがVHの半分よりわずかに低い直流電源を接続したときのDC−DCコンバータ1の動作波形を、図11を用いて説明する。
DC-DC when a
IGBT素子1aをオフ、IGBT素子1bがオンの場合、IGBT素子1cはオン、IGBT素子1dはオフとなる。
When the
このとき、出力端子52,53間の定常状態における電圧をVHとすると、端子間電圧VCはVH0/2となる。
At this time, when the voltage in the steady state between the
入力端子に印加される直流電圧VLはVHの半分よりわずかに低いため、リアクトル2a,2b,電流変化率抑制用リアクトル3を介して電流Ia,Ibが負の方向に流れる。
Since the DC voltage VL applied to the input terminal is slightly lower than half of VH, the currents Ia and Ib flow in the negative direction via the
電流Ia,Ibの和は入力直流電源80の出力電流であり、電流Ia,Ibが負であることから、入力端子50,51に接続される直流電源80に回生電流が流れ込むことがわかる。
The sum of the currents Ia and Ib is the output current of the input
IGBT素子1aがオフ、IGBT素子1bがオンの場合、リアクトル2aの端子電圧はVH0/2、リアクトル2bの端子電圧は−VH0/2となるため、電流Iaはマイナス方向に電流が変化し、電流Ibはプラス方向に電流が変化する。
When the
端子54からIGBT素子1cに向かって流れる電流をIGBT素子1c電流、端子55からIGBT素子1dに向かって流れる電流をIGBT素子1d電流とすると、IGBT素子1c電流はIGBT素子1cがオンしているときのみ流れ、IGBT素子1d電流はIGBT素子1dがオンしているときのみ流れる。また、高圧側電流Icは、IGBT素子1c電流とIGBT素子1dの和となる。 When the current flowing from the terminal 54 toward the IGBT element 1c is the IGBT element 1c current and the current flowing from the terminal 55 toward the IGBT element 1d is the IGBT element 1d current, the IGBT element 1c current is obtained when the IGBT element 1c is on. The IGBT element 1d current flows only when the IGBT element 1d is on. The high-voltage side current Ic is the sum of the IGBT element 1c current and the IGBT element 1d.
図11より、高圧側電流Icは負であることから、出力端子52,53に接続される負荷90から回生電力が供給されることがわかる。
As can be seen from FIG. 11, since the high-voltage side current Ic is negative, regenerative power is supplied from the
出力端子52,53が短絡した場合は、実施例1と同様にリアクトル2a,2bに大きな正の電流が流れ、電流センサ10,11の出力電圧が基準電源2001の出力電圧を超え、OR回路2004の出力が真になる。
When the
そのため、ホールド回路2005は真を出力し続け、インバータ2006の出力はホールド回路2005の出力を反転した偽を出力し続ける。
Therefore, the
AND回路2007,2008,2009,2010はインバータ2006の出力が偽であるため、制御部100の出力によらずIGBT素子1a,1b,1c,1dにオフ信号に対応する偽の信号を出力する。
The AND
以上の回路動作により、IGBT素子1a,1bに最大遮断電流より大きな電流が流れる前にIGBT素子1aと1bをオフすることができ、IGBT素子1a,1bを保護することができる。
With the circuit operation described above, the
IGBT素子1c,1dは、オフ信号を入力しても内蔵するダイオードを介して電流が流れ続けるが、遮断器4が開放され、入力平滑コンデンサ5が放電するとIGBT素子1c,1dを流れる電流がゼロになり、IGBT素子1c,1dに過大な電流が流れ続けることを回避してIGBT素子1c,1dを保護することができる。
The IGBT elements 1c and 1d continue to flow through the built-in diode even if an OFF signal is input. However, when the
以上より、本実施例のDC−DCコンバータ1は、出力端子が短絡した場合でも、電流変化率抑制用リアクトル3とサプレス回路200を備えることにより、IGBT素子に過大な電流が流れる前に該IGBT素子をオフし、IGBT素子を保護することができる。また、DC−DCコンバータ1に接続する直流電源80を切り離す遮断器を設け、出力端子が短絡した場合は該遮断器を開放する信号をサプレス回路200が出力するため、直流電源80から短絡電流を供給し続けることを回避できるため、過大な電流を流し続けることによる直流電源80の破損を回避することができる。
As described above, even when the output terminal is short-circuited, the DC-
さらに、ダイオード1p,1qの代わりにIGBT素子1c,1dを備えることで電力の回生運転を可能とすることができる。
Furthermore, by providing the IGBT elements 1c and 1d instead of the
本発明は、直流電源の電圧を昇圧回路により昇圧して負荷に電力を供給する電力変換器に適用できる。 The present invention can be applied to a power converter that boosts the voltage of a DC power supply by a booster circuit and supplies power to a load.
1 DC−DCコンバータ
1a,1b,1c,1d,・・・,1n IGBT素子
1p,1q ダイオード
3 電流変化率抑制用リアクトル
4 遮断器
80 直流電源
90 負荷
100 制御部
200 サプレス回路
300 DC−DCコンバータ1の主回路部
1000 変調波算出器
1001,1004 搬送波発生器
1002,1003,3001,3002,・・・,300n PWM制御器
2001,2050 基準電源
2002,2003,5001,5002,・・・,500n 比較器
2006,2011,2012 インバータ
2007,2008,2009,2010,4001,4002,・・・,400n AND回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該半導体スイッチング素子と出力端子の正極の間に各々接続される2つのダイオードと、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に接続され、鉄心が共通で巻数比が略1:1であり逆方向に磁気結合するリアクトルを備え、
該半導体スイッチング素子を位相の異なる搬送波でPWM制御することにより、入力端子に接続される直流電圧を昇圧して出力端子に出力するDC−DCコンバータにおいて、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に電流変化率抑制用リアクトルを備えることを特徴とするDC−DCコンバータ。 Two semiconductor switching elements connected to the negative electrode of the output terminal;
Two diodes each connected between the semiconductor switching element and the positive terminal of the output terminal;
A reactor connected between the input terminal and the semiconductor switching element, having a common iron core and a turns ratio of about 1: 1, and magnetically coupled in the opposite direction;
In the DC-DC converter that boosts the DC voltage connected to the input terminal and outputs it to the output terminal by PWM control of the semiconductor switching element with carrier waves having different phases,
A DC-DC converter comprising a current change rate suppressing reactor between an input terminal and the semiconductor switching element.
該半導体スイッチング素子と出力端子の正極の間に各々接続される2つのダイオードと、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に接続され、鉄心が共通で巻数比が略1:1であり逆方向に磁気結合するリアクトルを備え、
該半導体スイッチング素子を位相の異なる搬送波でPWM制御することにより、入力端子に接続される直流電圧を昇圧して出力端子に出力するDC−DCコンバータにおいて、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に遮断器と電流変化率抑制用リアクトルを備え、前記磁気結合するリアクトルに過電流が発生すると上記遮断器を開放するサプレス回路を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 Two semiconductor switching elements connected to the negative electrode of the output terminal;
Two diodes each connected between the semiconductor switching element and the positive terminal of the output terminal;
A reactor connected between the input terminal and the semiconductor switching element, having a common iron core and a turns ratio of about 1: 1, and magnetically coupled in the opposite direction;
In the DC-DC converter that boosts the DC voltage connected to the input terminal and outputs it to the output terminal by PWM control of the semiconductor switching element with carrier waves having different phases,
A DC-, comprising a circuit breaker and a current change rate suppressing reactor between an input terminal and the semiconductor switching element, and having a suppressor circuit that opens the circuit breaker when an overcurrent is generated in the magnetically coupled reactor. DC converter.
該半導体スイッチング素子と出力端子の正極の間に各々接続される2つのダイオードと、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に接続され、鉄心が共通で巻数比が略1:1であり逆方向に磁気結合するリアクトルを備え、
該半導体スイッチング素子を位相の異なる搬送波でPWM制御することにより、入力端子に接続される直流電圧を昇圧して出力端子に出力するDC−DCコンバータにおいて、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に電流変化率抑制用リアクトルを備え、
前記磁気結合するリアクトルに過電流が発生すると前記半導体スイッチング素子をサプレスするサプレス回路を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 Two semiconductor switching elements connected to the negative electrode of the output terminal;
Two diodes each connected between the semiconductor switching element and the positive terminal of the output terminal;
A reactor connected between the input terminal and the semiconductor switching element, having a common iron core and a turns ratio of about 1: 1, and magnetically coupled in the opposite direction;
In the DC-DC converter that boosts the DC voltage connected to the input terminal and outputs it to the output terminal by PWM control of the semiconductor switching element with carrier waves having different phases,
A reactor for suppressing the rate of change of current is provided between the input terminal and the semiconductor switching element,
A DC-DC converter comprising a suppress circuit that suppresses the semiconductor switching element when an overcurrent is generated in the magnetically coupled reactor.
該半導体スイッチング素子と出力端子の正極の間に接続される2つのダイオードと、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に接続され、鉄心が共通で巻数比が略1:1であり逆方向に磁気結合するリアクトルを備え、
該半導体スイッチング素子を位相の異なる搬送波でPWM制御することにより、入力端子に接続される直流電圧を昇圧して出力端子に出力するDC−DCコンバータにおいて、
入力端子と該半導体スイッチング素子の間に遮断器と電流変化率抑制用リアクトルと、
上記磁気結合するリアクトルの巻線を流れる電流を検出する電流センサを備え、
該電流センサの出力が所定の値以上となると前記半導体スイッチング素子をサプレスし、さらに上記遮断器を開放するサプレス回路を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 Two semiconductor switching elements connected to the negative electrode of the output terminal;
Two diodes connected between the semiconductor switching element and the positive terminal of the output terminal;
A reactor connected between the input terminal and the semiconductor switching element, having a common iron core and a turns ratio of about 1: 1, and magnetically coupled in the opposite direction;
In the DC-DC converter that boosts the DC voltage connected to the input terminal and outputs it to the output terminal by PWM control of the semiconductor switching element with carrier waves having different phases,
A circuit breaker and a current change rate suppressing reactor between the input terminal and the semiconductor switching element;
A current sensor for detecting a current flowing through the winding of the magnetically coupled reactor;
A DC-DC converter comprising a suppress circuit that suppresses the semiconductor switching element and opens the circuit breaker when the output of the current sensor exceeds a predetermined value.
2つの半導体スイッチング素子を両方ともオンする期間を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter according to any one of claims 1 to 3,
A DC-DC converter characterized by having a period during which both of the two semiconductor switching elements are turned on.
上記半導体スイッチング素子と出力端子の正極との間に備えられるダイオードに逆並列接続された半導体スイッチング素子を備え、
該半導体スイッチング素子と、出力端子の負極に接続する半導体スイッチング素子とを相補PWM制御する制御器を備え、回生運転を可能とすることを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor switching element connected in reverse parallel to a diode provided between the semiconductor switching element and the positive electrode of the output terminal,
A DC-DC converter comprising a controller for performing complementary PWM control on the semiconductor switching element and a semiconductor switching element connected to the negative electrode of the output terminal, and enabling regenerative operation.
入力端子に蓄電池を接続し、該蓄電池の電圧を昇圧して直流き電区間のき電線電圧低下を抑制することを特徴とするDC−DCコンバータ。 A DC-DC converter according to any one of claims 1 to 5,
A DC-DC converter characterized in that a storage battery is connected to an input terminal and the voltage of the storage battery is boosted to suppress a drop in feeder voltage in a DC feeding section.
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