JP2015139312A - Switching power supply arrangement and electric power converter unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁型のスイッチング電源装置、及びそのスイッチング電源装置を備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to an insulating switching power supply device and a power conversion device including the switching power supply device.
絶縁型のスイッチング電源装置では一次側にインバータ、二次側に整流平滑回路を設ける構成が一般的である。この構成において、一次側のインバータを構成するスイッチング素子(アクティブスイッチ)で出力調整する制御方式と、二次側の整流平滑回路にスイッチング素子を設けて、このスイッチング素子で出力調整する制御方式がある(例えば、特許文献1参照)。 In general, an insulation type switching power supply apparatus is configured such that an inverter is provided on the primary side and a rectifying and smoothing circuit is provided on the secondary side. In this configuration, there are a control method in which the output is adjusted by the switching element (active switch) constituting the primary side inverter, and a control method in which the switching element is provided in the secondary side rectifying and smoothing circuit and the output is adjusted by this switching element (For example, refer to Patent Document 1).
上述のように二次側にアクティブスイッチを備える電力変換装置では、二次側にアクティブスイッチを備えない電力変換装置と比較して駆動回路の数が多くなる。なお一次側と二次側は基準電位が異なるため、一次側のアクティブスイッチの駆動回路と二次側のアクティブスイッチの駆動回路を共有することは難しい。駆動回路の数が多くなると、その分、回路規模が増大する。 As described above, in the power conversion device including the active switch on the secondary side, the number of drive circuits is increased as compared with the power conversion device including no active switch on the secondary side. Since the primary side and the secondary side have different reference potentials, it is difficult to share the primary side active switch drive circuit and the secondary side active switch drive circuit. As the number of drive circuits increases, the circuit scale increases accordingly.
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、二次側にアクティブスイッチを備える電力変換装置の回路規模を小さくする技術を提供することにある。 This invention is made | formed in view of such a condition, The objective is to provide the technique of reducing the circuit scale of the power converter device provided with an active switch in a secondary side.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のスイッチング電源装置は、直流電圧を交流電圧に変換するブリッジ回路と、ブリッジ回路に接続される一次巻線と、一次巻線と電磁結合される二次巻線を含むトランスと、二次巻線から入力される交流電圧を整流する整流回路と、整流回路により整流された電圧を平滑化する平滑回路と、整流回路と平滑回路の間の電流経路に挿入されるスイッチング素子と、平滑回路の低電位側入力端子にアノード端子が接続され、平滑回路の高電位側入力端子にカソード端子が接続されるダイオードと、を備える。 In order to solve the above problems, a switching power supply device according to an aspect of the present invention includes a bridge circuit that converts a DC voltage into an AC voltage, a primary winding connected to the bridge circuit, and an electromagnetic coupling with the primary winding. A transformer including a secondary winding, a rectifier circuit that rectifies an AC voltage input from the secondary winding, a smoothing circuit that smoothes the voltage rectified by the rectifier circuit, and a current between the rectifier circuit and the smoothing circuit A switching element inserted in the path; and a diode having an anode terminal connected to the low potential side input terminal of the smoothing circuit and a cathode terminal connected to the high potential side input terminal of the smoothing circuit.
本発明の別の態様は、電力変換装置である。この装置は、上記のスイッチング電源装置と、スイッチング素子を駆動する駆動装置と、を備える。 Another aspect of the present invention is a power converter. This device includes the above-described switching power supply device and a driving device that drives the switching element.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、回路、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a conversion of the expression of the present invention among methods, circuits, devices, systems, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、二次側にアクティブスイッチを備える電力変換装置の回路規模を小さくできる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the circuit scale of a power converter device provided with an active switch on the secondary side can be made small.
図1は、比較例1に係る電力変換装置100の構成を示す図である。比較例1に係る電力変換装置100は、スイッチング電源装置10、出力電圧検出回路15、制御装置20を備える。スイッチング電源装置10は、二次側位相シフト方式の絶縁型DC−DCコンバータであり、フルブリッジ回路、第1コイルL1、第2コイルL2、第6コンデンサC6、第7コンデンサC7、トランスT、第3コイルL3、第4コイルL4、二次側整流回路および平滑回路を含む。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
フルブリッジ回路は、直流電源Eから供給される直流電圧を交流電圧に変換する。フルブリッジ回路は、フルブリッジ接続された第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3及び第4スイッチング素子S4を含む。具体的には、上側に第1スイッチング素子S1及び下側に第2スイッチング素子S2を含む第1アームと、上側に第3スイッチング素子S3及び下側に第4スイッチング素子S4を含む第2アームで構成され、第1アームと第2アームが並列接続される。 The full bridge circuit converts a DC voltage supplied from the DC power source E into an AC voltage. The full bridge circuit includes a first switching element S1, a second switching element S2, a third switching element S3, and a fourth switching element S4 that are connected in a full bridge. Specifically, a first arm including a first switching element S1 on the upper side and a second switching element S2 on the lower side, and a second arm including a third switching element S3 on the upper side and a fourth switching element S4 on the lower side. The first arm and the second arm are connected in parallel.
第1スイッチング素子S1と並列に第1ダイオードD1及び第1コンデンサC1が接続される。第2スイッチング素子S2〜第4スイッチング素子S4も同様にそれぞれ並列に、第2ダイオードD2〜第4ダイオードD4及び第2コンデンサC2〜第4コンデンサC4が接続される。第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4は、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4にそれぞれ逆バイアス接続される。第1コンデンサC1〜第4コンデンサC4はスナバコンデンサである。第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4には、例えばMOSFETやIGBT等の半導体スイッチング素子が用いられる。図1ではnチャンネル型のIGBTを用いる例を描いている。なお第1スイッチング素子S1及び第3スイッチング素子S3に、pチャンネル型の半導体スイッチング素子を用いてもよい。 A first diode D1 and a first capacitor C1 are connected in parallel with the first switching element S1. Similarly, the second switching element S2 to the fourth switching element S4 are connected in parallel with the second diode D2 to the fourth diode D4 and the second capacitor C2 to the fourth capacitor C4, respectively. The first diode D1 to the fourth diode D4 are reverse-biased to the first switching element S1 to the fourth switching element S4, respectively. The first capacitor C1 to the fourth capacitor C4 are snubber capacitors. For the first switching element S1 to the fourth switching element S4, for example, semiconductor switching elements such as MOSFETs and IGBTs are used. FIG. 1 illustrates an example using an n-channel IGBT. A p-channel type semiconductor switching element may be used for the first switching element S1 and the third switching element S3.
図1では、一次側を部分共振型のフルブリッジ回路で構成している。部分共振型のフルブリッジ回路は、スイッチング時のみ共振動作を利用して転流し、その他のモードでは非共振で動作する。図1では、軽負荷時にもゼロ電圧転流を担保できる共振ポール型の構成を採用している。第6コンデンサC6及び第7コンデンサC7は直列接続され、直列接続された第6コンデンサC6及び第7コンデンサC7は直流電源Eに並列接続される。第1コイルL1は、第6コンデンサC6と第7コンデンサC7間のノードと、第1スイッチング素子S1と第2スイッチング素子S2間のノードとの間に接続される。第2コイルL2は、第6コンデンサC6と第7コンデンサC7間のノードと、第3スイッチング素子S3と第4スイッチング素子S4間のノードとの間に接続される。図1の共振ポール回路は第1コイルL1と第2コイルL2で、第6コンデンサC6及び第7コンデンサC7を共有している構成であり、第1コイルL1用のコンデンサと第2コイルL2用のコンデンサを別々に設けてもよい。 In FIG. 1, the primary side is constituted by a partial resonance type full bridge circuit. The partial resonance type full bridge circuit performs commutation by utilizing the resonance operation only at the time of switching, and operates in a non-resonance mode in other modes. In FIG. 1, a resonance pole type configuration that can ensure zero voltage commutation even at light load is adopted. The sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7 are connected in series, and the sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7 connected in series are connected in parallel to the DC power source E. The first coil L1 is connected between a node between the sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7 and a node between the first switching element S1 and the second switching element S2. The second coil L2 is connected between a node between the sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7 and a node between the third switching element S3 and the fourth switching element S4. The resonant pole circuit of FIG. 1 is configured such that the first coil L1 and the second coil L2 share the sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7, and the capacitor for the first coil L1 and the capacitor for the second coil L2 are used. A capacitor may be provided separately.
第1コイルL1及び第2コイルL2は共振用の補助インダクタであり、第6コンデンサC6及び第7コンデンサC7から電流が供給される。第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のスイッチング時において、共振用の補助インダクタとスイッチング素子に並列接続されたコンデンサで発生する部分共振を利用し、ゼロ電圧スイッチングを実現する。具体的に示すと、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のスイッチングオフ時には、並列接続されたコンデンサC1〜C4によりスイッチング素子電圧の立ち上がりが遅れるため、電圧、電流の過渡交差により発生するスイッチング電力損失を低減することができる。一方、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のスイッチングオン時には、第1コイルL1及び第2コイルL2より第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4に並列に配置した第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4に電流が流れている状態(即ちスイッチング素子にかかる電圧がほぼ0となる状態)でオンすることで、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のスイッチング損失を低減することができる。 The first coil L1 and the second coil L2 are auxiliary inductors for resonance, and current is supplied from the sixth capacitor C6 and the seventh capacitor C7. When switching the first switching element S1 to the fourth switching element S4, zero voltage switching is realized by utilizing partial resonance generated by a resonance auxiliary inductor and a capacitor connected in parallel to the switching element. Specifically, when the first switching element S1 to the fourth switching element S4 are switched off, the rising of the switching element voltage is delayed by the capacitors C1 to C4 connected in parallel, so that switching that occurs due to a transient crossing of voltage and current is generated. Power loss can be reduced. On the other hand, when the first switching element S1 to the fourth switching element S4 are switched on, the first diode D1 to the first diode D1 arranged in parallel to the first switching element S1 to the fourth switching element S4 from the first coil L1 and the second coil L2. The switching loss of the first switching element S1 to the fourth switching element S4 can be reduced by turning on when the current flows through the four diodes D4 (that is, the state where the voltage applied to the switching elements is almost zero). .
トランスTは、一次巻線N1及び二次巻線N2を含む高周波トランスである。一次巻線N1と二次巻線N2は電磁誘導により結合される。トランスTは一次側と二次側を絶縁するとともに、一次巻線N1と二次巻線N2の巻線比に応じて変圧する。一次巻線N1の両端は、上記フルブリッジ回路の両出力端に接続される。二次巻線N2の両端には、それぞれ第3コイルL3及び第4コイルL4が設けられる。第3コイルL3及び第4コイルL4は、二次巻線N2の漏れインダクタンスであってもよいし、インダクタ素子であってもよい。 The transformer T is a high-frequency transformer including a primary winding N1 and a secondary winding N2. The primary winding N1 and the secondary winding N2 are coupled by electromagnetic induction. The transformer T insulates the primary side and the secondary side, and transforms according to the winding ratio of the primary winding N1 and the secondary winding N2. Both ends of the primary winding N1 are connected to both output ends of the full bridge circuit. A third coil L3 and a fourth coil L4 are provided at both ends of the secondary winding N2, respectively. The third coil L3 and the fourth coil L4 may be a leakage inductance of the secondary winding N2, or may be an inductor element.
二次側整流回路は、二次巻線N2から入力される交流電圧を整流する。二次側整流回路は、第5ダイオードD5、第6ダイオードD6、第7ダイオードD7、第8ダイオードD8、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6を含む。第5ダイオードD5〜第8ダイオードD8はフルブリッジ接続されて整流回路を形成している。第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6は、当該整流回路の電流経路に挿入され、トランスTから取り出す電力量を調整する。第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6には、例えばMOSFETやIGBT等の半導体スイッチング素子が用いられる。 The secondary side rectifier circuit rectifies the AC voltage input from the secondary winding N2. The secondary side rectifier circuit includes a fifth diode D5, a sixth diode D6, a seventh diode D7, an eighth diode D8, a fifth switching element S5, and a sixth switching element S6. The fifth diode D5 to the eighth diode D8 are connected by a full bridge to form a rectifier circuit. The fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 are inserted into the current path of the rectifier circuit, and adjust the amount of power extracted from the transformer T. For the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6, semiconductor switching elements such as MOSFET and IGBT are used, for example.
平滑回路は、二次側整流回路により整流された電圧を平滑化する。図1の平滑回路は、第5コイルL5及び第5コンデンサC5を含むLCフィルタで構成されている。なお図1の平滑回路の構成は一例であり、他の構成を用いてもよい。例えば、第5コイルL5を省略した構成も可能である。 The smoothing circuit smoothes the voltage rectified by the secondary side rectifier circuit. The smoothing circuit in FIG. 1 includes an LC filter including a fifth coil L5 and a fifth capacitor C5. The configuration of the smoothing circuit in FIG. 1 is an example, and other configurations may be used. For example, a configuration in which the fifth coil L5 is omitted is possible.
出力電圧検出回路15は負荷30に供給されるスイッチング電源装置10の出力電圧を検出する。図1では第5コンデンサC5の両端電圧を当該出力電圧として検出している。出力電圧検出回路15は例えば、誤差増幅回路で構成できる。誤差増幅回路は、オペアンプとパッシブ素子の組み合わせで構成される。出力電圧検出回路15は、検出した電圧を制御装置20に出力する。
The output
制御装置20は、第1スイッチング素子S1〜第6スイッチング素子S6のオン/オフを制御して、スイッチング電源装置10を駆動する。制御装置20は、出力電圧検出回路15から供給されるスイッチング電源装置10の出力電圧に応じて、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の位相を適応的に変化させる。これにより、スイッチング電源装置10の出力電圧が安定化する。制御装置20の構成の詳細は後述する。
The
図2は、図1のスイッチング電源装置10の制御方法の一例を示す図である。第1コンデンサC1及び第4コンデンサC4の電圧Vc1、Vc4の推移は太線で描いており、第2コンデンサC2及び第3コンデンサC3の電圧Vc2、Vc3の推移は細線で描いている。また二次側の第7ダイオードD7を流れる電流id7の推移は太線で描いており、二次側の第5スイッチング素子S5及び第5ダイオードD5を流れる電流is5(id5)の推移は細線で描いている。同様に二次側の第8ダイオードD8を流れる電流id8の推移は太線で描いており、二次側の第6スイッチング素子S6及び第6ダイオードD6を流れる電流is6(id6)の推移は細線で描いている。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a control method of the switching
制御装置20は、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4の制御端子(FET、IGBTの場合はゲート端子、バイポーラトランジスタの場合はベース端子)に一次側駆動信号を供給し、第5スイッチング素子S5、第6スイッチング素子S6の制御端子に二次側駆動信号を供給する。
The
第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4がオン状態、第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3がオフ状態でトランスTに順方向電流が流れる。一方、第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3がオン状態、第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4がオフ状態でトランスTに逆方向電流が流れる。第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4は、一次巻線N1に順方向電流を供給する経路に挿入される一次側順方向スイッチング素子として作用する。一方、第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3は、一次巻線N1に逆方向電流を供給する経路に挿入される一次側逆方向スイッチング素子として作用する。 A forward current flows through the transformer T when the first switching element S1 and the fourth switching element S4 are in the on state and the second switching element S2 and the third switching element S3 are in the off state. On the other hand, a reverse current flows through the transformer T when the second switching element S2 and the third switching element S3 are in the on state and the first switching element S1 and the fourth switching element S4 are in the off state. The first switching element S1 and the fourth switching element S4 function as a primary-side forward switching element that is inserted into a path that supplies a forward current to the primary winding N1. On the other hand, the second switching element S2 and the third switching element S3 function as a primary-side reverse switching element inserted in a path for supplying a reverse current to the primary winding N1.
また順方向電流が流れる期間と、逆方向電流が流れる期間の切り替わり時にデッドタイムが設けられる。デッドタイム中は、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4が全てオフ状態となる。当該デッドタイム中にキャパシタンス成分とインダクタンス成分が共振して、次にターンオンされるスイッチング素子に並列接続されたコンデンサが放電される。 In addition, a dead time is provided when switching between a period in which a forward current flows and a period in which a reverse current flows. During the dead time, the first switching element S1 to the fourth switching element S4 are all turned off. The capacitance component and the inductance component resonate during the dead time, and the capacitor connected in parallel to the switching element that is turned on next is discharged.
制御装置20は、一次側順方向スイッチング素子および一次側逆方向スイッチング素子を、固定のデューティ比および固定の位相で駆動する。具体的にはデッドタイムを除き、一次側順方向スイッチング素子および一次側逆方向スイッチング素子をデューティ50%で相補的に駆動する。図1のスイッチング電源装置10では二次側で出力電圧を調整するため、一次側順方向スイッチング素子および一次側逆方向スイッチング素子のデューティ比および位相は固定である。
The
トランスTに順方向電流が流れる期間の少なくとも一部の期間に、二次側整流回路にも順方向電流が流れる。具体的には、トランスTに順方向電流が流れる期間の内、第6スイッチング素子S6がオン状態に制御されている期間、二次側整流回路に順方向電流が流れる。当該順方向電流が流れる期間は、第6ダイオードD6及び第7ダイオードD7が導通、第5ダイオードD5及び第8ダイオードD8が非導通、第6スイッチング素子S6がオン状態、第5スイッチング素子S5がオフ状態となる。 The forward current also flows through the secondary side rectifier circuit during at least a part of the period during which the forward current flows through the transformer T. Specifically, the forward current flows in the secondary rectifier circuit during the period in which the sixth switching element S6 is controlled to be in the ON state during the period in which the forward current flows in the transformer T. During the period in which the forward current flows, the sixth diode D6 and the seventh diode D7 are turned on, the fifth diode D5 and the eighth diode D8 are turned off, the sixth switching element S6 is turned on, and the fifth switching element S5 is turned off. It becomes a state.
一方、トランスTに逆方向電流が流れる期間の少なくとも一部の期間に、二次側整流回路にも逆方向電流が流れる。具体的には、トランスTに逆方向電流が流れる期間の内、第5スイッチング素子S5がオン状態に制御されている期間、二次側整流回路に逆方向電流が流れる。当該逆方向電流が流れる期間は、第5ダイオードD5及び第8ダイオードD8が導通、第6ダイオードD6及び第7ダイオードD7が非導通、第5スイッチング素子S5がオン状態、第6スイッチング素子S6がオフ状態となる。 On the other hand, the reverse current also flows in the secondary rectifier circuit during at least a part of the period in which the reverse current flows in the transformer T. Specifically, the reverse current flows in the secondary rectifier circuit during the period in which the fifth switching element S5 is controlled to be in the ON state during the period in which the reverse current flows in the transformer T. During the period in which the reverse current flows, the fifth diode D5 and the eighth diode D8 are turned on, the sixth diode D6 and the seventh diode D7 are turned off, the fifth switching element S5 is turned on, and the sixth switching element S6 is turned off. It becomes a state.
即ち、第6ダイオードD6及び第7ダイオードD7は、二次巻線N2からの順方向電流を導通し、二次巻線N2からの逆方向電流を遮断する。一方、第5ダイオードD5及び第8ダイオードD8は、二次巻線N2からの順方向電流を遮断し、二次巻線N2からの逆方向電流を導通する。これにより、二次巻線N2から供給される交流電圧を全波整流する。 That is, the sixth diode D6 and the seventh diode D7 conduct the forward current from the secondary winding N2, and block the reverse current from the secondary winding N2. On the other hand, the fifth diode D5 and the eighth diode D8 block the forward current from the secondary winding N2 and conduct the reverse current from the secondary winding N2. Thereby, the AC voltage supplied from the secondary winding N2 is full-wave rectified.
第5スイッチング素子S5は、第5ダイオードD5及び第8ダイオードD8を含む順方向電流経路に挿入される二次側順方向スイッチング素子として作用する。一方、第6スイッチング素子S6は、第6ダイオードD6及び第7ダイオードD7を含む逆方向電流経路に挿入される二次側逆方向スイッチング素子として作用する。 The fifth switching element S5 functions as a secondary-side forward switching element inserted in a forward current path including the fifth diode D5 and the eighth diode D8. On the other hand, the sixth switching element S6 functions as a secondary-side reverse switching element inserted in a reverse current path including the sixth diode D6 and the seventh diode D7.
制御装置20は、二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子を、固定のデューティ比で変動の位相で駆動する。具体的には、二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子をデューティ50%で相補的に駆動しつつ、適応的に位相シフトする。本実施の形態ではPWM方式ではなく位相シフト方式を採用しているため、制御装置20は、二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子のデューティ比ではなく位相を制御する。即ち、スイッチング電源装置10の出力電圧に応じて、二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子の位相を適応的に変化させる。
The
以下より具体的に説明する。制御装置20は、一次側順方向スイッチング素子および一次側逆方向スイッチング素子の位相に対する、二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子の位相の遅れ量(図2の位相差α)を変化させて、スイッチング電源装置10の出力電圧を安定化させる。スイッチング電源装置10の出力電圧が高くなると、制御装置20は二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子の位相を遅らせて当該位相差αを大きくし、トランスTから取り出す電力量を少なくする。反対にスイッチング電源装置10の出力電圧が低くなると、制御装置20は二次側順方向スイッチング素子および二次側逆方向スイッチング素子の位相を進ませて当該位相差αを小さくし、トランスTから取り出す電力量を多くする。当該位相差αがゼロの状態が、トランスTから最も多くの電力量を取り出している状態であり、当該位相差αが大きくなるほど取り出す電力量が少なくなる。
More specific description will be given below. The
図3は、比較例2に係る電力変換装置100の構成を示す図である。比較例2に係る電力変換装置100は、比較例1に係る電力変換装置100の二次側整流回路を、フルブリッジ型からセンタ・タップ型に置き換えたものである。比較例2に係るスイッチング電源装置10の制御方法は、図2に示した比較例1に係るスイッチング電源装置10の制御方法と同様である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the
比較例2では、センタ・タップ型の整流回路の出力端子が、第5コイルL5及び第5コンデンサC5で構成される平滑回路の高電位側入力端子に接続され、二次巻線N2のセンタ・タップが当該平滑回路の低電位側入力端子に接続される。第5ダイオードD5のアノード端子は、第5スイッチング素子S5及び第4コイルL4を介して二次巻線N2の一端に接続され、第6ダイオードD6のアノード端子は、第6スイッチング素子S6及び第3コイルL3を介して二次巻線N2の他端に接続される。 In Comparative Example 2, the output terminal of the center tap type rectifier circuit is connected to the high potential side input terminal of the smoothing circuit constituted by the fifth coil L5 and the fifth capacitor C5, and the center terminal of the secondary winding N2 is connected. The tap is connected to the low potential side input terminal of the smoothing circuit. The anode terminal of the fifth diode D5 is connected to one end of the secondary winding N2 via the fifth switching element S5 and the fourth coil L4, and the anode terminal of the sixth diode D6 is connected to the sixth switching element S6 and the third coil The other end of the secondary winding N2 is connected via the coil L3.
第5ダイオードD5は、二次巻線N2からの順方向電流を導通し、二次巻線N2からの逆方向電流を遮断する。一方、第6ダイオードD6は、二次巻線N2からの逆方向電流を導通し、二次巻線N2からの順方向電流を遮断する。第5スイッチング素子S5は、順方向電流をスイッチングする二次側順方向スイッチング素子として作用し、第6スイッチング素子S6は、逆方向電流をスイッチングする二次側逆方向スイッチング素子として作用する。第9ダイオードD9のアノード端子は、二次巻線N2のセンタ・タップと上記の平滑回路の低電位側入力端子との間のノードに接続され、第9ダイオードD9のカソード端子は、上記の平滑回路の高電位側入力端子に接続される。第9ダイオードD9は、電流の還流経路を形成するためのダイオードである。 The fifth diode D5 conducts the forward current from the secondary winding N2, and interrupts the reverse current from the secondary winding N2. On the other hand, the sixth diode D6 conducts the reverse current from the secondary winding N2, and cuts off the forward current from the secondary winding N2. The fifth switching element S5 acts as a secondary forward switching element that switches forward current, and the sixth switching element S6 acts as a secondary backward switching element that switches reverse current. The anode terminal of the ninth diode D9 is connected to a node between the center tap of the secondary winding N2 and the low potential side input terminal of the smoothing circuit, and the cathode terminal of the ninth diode D9 is connected to the smoothing terminal. It is connected to the high potential side input terminal of the circuit. The ninth diode D9 is a diode for forming a current return path.
比較例2に係るセンタ・タップ型の整流回路と比較例1に係るフルブリッジ型の整流回路を比較すると、センタ・タップ型のほうがダイオードの数を減らすことができるが、第5ダイオードD5及び第6ダイオードD6の耐圧を上げる必要がある。 Comparing the center tap type rectifier circuit according to the comparative example 2 and the full bridge type rectifier circuit according to the comparative example 1, the center tap type can reduce the number of diodes. It is necessary to increase the breakdown voltage of the 6 diode D6.
図4は、比較例1に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。以下本明細書では二次側整流回路に含まれる第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の駆動制御に注目する。以下図面を簡略化するため図面内にて、スイッチング電源装置10の一次側回路、及び制御装置20内の一次側回路の駆動制御に関する構成は省略している。
FIG. 4 is a diagram illustrating details of the secondary circuit of the switching
図4にて第5スイッチング素子S5の基準端子(MOSFETではソース端子、IGBT、バイポーラトランジスタではエミッタ端子)は第5コイルL5の入力端子に接続されている。第5スイッチング素子S5の導通端子(MOSFETではドレイン端子、IGBT、バイポーラトランジスタではコレクタ端子)は第5ダイオードD5のカソード端子に接続されている。第6スイッチング素子S6の基準端子は二次巻線N2の一方の端子に接続され、第6スイッチング素子S6の導通端子は第6ダイオードD6のカソード端子に接続されている。 In FIG. 4, the reference terminal (source terminal in MOSFET, emitter terminal in IGBT, bipolar transistor) of the fifth switching element S5 is connected to the input terminal of the fifth coil L5. The conduction terminal of the fifth switching element S5 (drain terminal for MOSFET, collector terminal for IGBT, bipolar transistor) is connected to the cathode terminal of the fifth diode D5. The reference terminal of the sixth switching element S6 is connected to one terminal of the secondary winding N2, and the conduction terminal of the sixth switching element S6 is connected to the cathode terminal of the sixth diode D6.
第5スイッチング素子S5の基準端子に印加される基準電位と、第6スイッチング素子S6の基準端子に印加される基準電位は異なっている。従って制御装置20は、第5スイッチング素子S5の基準電位に応じた駆動信号と、第6スイッチング素子S6の基準電位に応じた駆動信号をそれぞれ別々の駆動系により生成している。以下、制御装置20の構成例を具体的に説明する。
The reference potential applied to the reference terminal of the fifth switching element S5 is different from the reference potential applied to the reference terminal of the sixth switching element S6. Therefore, the
制御装置20はCPU21及び駆動装置22を備える。駆動装置22は第1ゲートバッファ23a、第1ハイサイドDC−DCコンバータ24a、第1ローサイドDC−DCコンバータ25a、第1制御ロジック回路26a、第1フォトカプラ27a、第2ゲートバッファ23b、第2ハイサイドDC−DCコンバータ24b、第2ローサイドDC−DCコンバータ25b、第2制御ロジック回路26b及び第2フォトカプラ27bを備える。
The
CPU21及び駆動装置22には外部電源が供給される。当該外部電源は、図示しない商用電源または蓄電池から供給される電源をもとに生成される。CPU21は、出力電圧検出回路15から供給される信号に応じて、第5スイッチング素子S5の制御信号(デジタル信号)および第6スイッチング素子S6の制御信号を生成して制御装置20に出力する。
An external power supply is supplied to the
第1制御ロジック回路26aは、CPU21から供給される制御信号に応じて、第1ゲートバッファ23aに供給する駆動電圧を生成する。当該駆動電圧は第1フォトカプラ27aにより絶縁されて第1ゲートバッファ23aに供給される。同様に第2制御ロジック回路26bは、CPU21から供給される制御信号に応じて、第2ゲートバッファ23bに供給する駆動電圧を生成する。当該駆動電圧は第2フォトカプラ27bにより絶縁されて第2ゲートバッファ23bに供給される。
The first
第1ゲートバッファ23aは、第1制御ロジック回路26aから供給される駆動電圧に応じて第5スイッチング素子S5を駆動する。第1ゲートバッファ23aの出力端子は、図示しないゲート抵抗などの電流制限素子を介して第5スイッチング素子S5の制御端子に接続される。第1ゲートバッファ23aは例えば、pチャンネルMOSFETとnチャンネルMOSFETが直列に接続されたインバータで構成できる。
The
第5スイッチング素子S5は、基準端子に印加されている基準電位(ソース電位またはエミッタ電位)と、制御端子に印加される制御電位(ゲート電位)の電位差に応じてオン/オフ制御される。従って第1ゲートバッファ23aは、第5スイッチング素子S5の基準電位を基準に、第5スイッチング素子S5の制御端子に印加すべき制御電位を生成する必要がある。
The fifth switching element S5 is on / off controlled according to the potential difference between the reference potential (source potential or emitter potential) applied to the reference terminal and the control potential (gate potential) applied to the control terminal. Therefore, the
第1ハイサイドDC−DCコンバータ24aは、上記の外部電源から第1ゲートバッファ23aのハイサイド電源電位を生成する。第1ローサイドDC−DCコンバータ25aは、上記の外部電源から第1ゲートバッファ23aのローサイド電源電位を生成する。第1ハイサイドDC−DCコンバータ24a及び第1ローサイドDC−DCコンバータ25aは例えば、降圧チョッパで構成できる。第1ゲートバッファ23aが上述のインバータ構成の場合、ハイサイド電源電位はpチャンネルMOSFETのソース端子に印加され、ローサイド電源電位はnチャンネルMOSFETのソース端子に印加される。
The first high side DC-
第1ハイサイドDC−DCコンバータ24aは例えば、第5スイッチング素子S5の基準電位に対して+15Vの電位を生成する。第1ローサイドDC−DCコンバータ25aは例えば、第5スイッチング素子S5の基準電位に対して−5Vの電位を生成する。この例は20Vの電源電圧で第1ゲートバッファ23aを制御する例である。なお20Vは一例であり第5スイッチング素子S5の種別や仕様により異なる。
For example, the first high side DC-
第2ゲートバッファ23bは、第6スイッチング素子S6の基準電位を基準に、第6スイッチング素子S6の制御端子に印加すべき制御電位を生成する必要がある。第2ハイサイドDC−DCコンバータ24bは、上記の外部電源から第2ゲートバッファ23bのハイサイド電源電位を生成する。第2ローサイドDC−DCコンバータ25bは、上記の外部電源から第2ゲートバッファ23bのローサイド電源電位を生成する。
The
第2ハイサイドDC−DCコンバータ24bは例えば、第6スイッチング素子S6の基準電位に対して+15Vの電位を生成する。第2ローサイドDC−DCコンバータ25bは例えば、第6スイッチング素子S6の基準電位に対して−5Vの電位を生成する。このように第1ゲートバッファ23aと第2ゲートバッファ23bの電源電圧が同じ20Vであっても、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の基準電位が異なるため、第1ゲートバッファ23aと第2ゲートバッファ23bの出力電位は異なるものになる。
For example, the second high-side DC-
従って第1ハイサイドDC−DCコンバータ24aと第2ハイサイドDC−DCコンバータ24bは別々に設ける必要があり、第1ローサイドDC−DCコンバータ25aと第2ローサイドDC−DCコンバータ25bも別々に設ける必要がある。そのため構成部品点数が多くなり、二次側にアクティブスイッチを設けた場合のコスト増大の要因になっている。また電力変換装置100の小型化を阻害する要因にもなっている。
Therefore, the first high-side DC-
図5は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態1に係る電力変換装置100の一次側回路は、図1及び図3に示した比較例1、2に係る電力変換装置100の一次側回路と同じである。
FIG. 5 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
上述のように第6ダイオードD6及び第7ダイオードD7は、二次巻線N2からの順方向電流を導通させるダイオードである。第5ダイオードD5及び第8ダイオードD8は、二次巻線N2からの逆方向電流を導通させるダイオードである。第5スイッチング素子S5は、第5ダイオードD5と二次側整流回路11の第1出力ノードNcとの間の順方向電流経路に挿入され、トランスTから取り出す順方向電力を調整する。第6スイッチング素子S6は、第7ダイオードD7と第1出力ノードNcとの間の逆方向電流経路に挿入され、トランスTから取り出す逆方向電力を調整する。第5スイッチング素子S5および第6スイッチング素子S6の基準端子は、第1出力ノードNcに共通接続される。
As described above, the sixth diode D6 and the seventh diode D7 are diodes that conduct the forward current from the secondary winding N2. The fifth diode D5 and the eighth diode D8 are diodes that conduct reverse current from the secondary winding N2. The fifth switching element S5 is inserted in the forward current path between the fifth diode D5 and the first output node Nc of the secondary
以下より具体的に説明する。第7ダイオードD7のアノード端子は、二次巻線N2から順方向電流が流入する二次側整流回路11の第1入力ノードNaに接続され、第7ダイオードD7のカソード端子は第6スイッチング素子S6の導通端子に接続される。第5ダイオードD5のアノード端子は、二次巻線N2から逆方向電流が流入する二次側整流回路11の第2入力ノードNbに接続され、第5ダイオードD5のカソード端子は第5スイッチング素子S5の導通端子に接続される。
More specific description will be given below. The anode terminal of the seventh diode D7 is connected to the first input node Na of the secondary
第8ダイオードD8のカソード端子は第1入力ノードNaに接続され、第8ダイオードD8のアノード端子は二次側整流回路11の第2出力ノードNdに接続される。なお第1出力ノードNcは二次側整流回路11の高電位側出力ノードであり、第2出力ノードNdは二次側整流回路11の低電位側出力ノードである。第6ダイオードD6のカソード端子は第2入力ノードNbに接続され、第6ダイオードD6のアノード端子は第2出力ノードNdに接続される。第5スイッチング素子S5は、第5ダイオードD5のカソード端子と第1出力ノードNcとの間に接続され、第6スイッチング素子S6は、第7ダイオードD7のカソード端子と第1出力ノードNcとの間に接続される。
The cathode terminal of the eighth diode D8 is connected to the first input node Na, and the anode terminal of the eighth diode D8 is connected to the second output node Nd of the secondary
実施の形態1に係る駆動装置22は、図4に示した比較例1に係る駆動装置22と比較し、第2ハイサイドDC−DCコンバータ24b及び第2ローサイドDC−DCコンバータ25bが省略された構成である。実施の形態1では、第5スイッチング素子S5の基準電位と第6スイッチング素子S6の基準電位が共通である。従って第1ゲートバッファ23aと第2ゲートバッファ23bのハイサイド電源電位とローサイド電源電位を共通化できる。即ち第1ハイサイドDC−DCコンバータ24aは、第1ゲートバッファ23a及び第2ゲートバッファ23bの共通のハイサイド電源電位を生成して両者に並列に供給する。同様に第1ローサイドDC−DCコンバータ25aは、第1ゲートバッファ23a及び第2ゲートバッファ23bの共通のローサイド電源電位を生成して両者に並列に供給する。
The driving
以上説明したように実施の形態1によれば、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の基準電位を共通化することにより、第1ゲートバッファ23a及び第2ゲートバッファ23bの電源電圧を生成する電源回路を共通化できる。従って駆動装置22の部品点数を削減でき、コストを削減できる。また電力変換装置100全体の回路規模も削減できる。
As described above, according to the first embodiment, the power supply voltages of the
なお第5スイッチング素子S5を、第6ダイオードD6のアノード端子と第2出力ノードNdとの間に接続し、第6スイッチング素子S6を、第8ダイオードD8のアノード端子と第2出力ノードNdとの間に接続する構成でもよい。この構成でも第5スイッチング素子S5の基準電位と第6スイッチング素子S6の基準電位を共通化できる。ただし、MOSFETのようにソース端子からドレイン端子の方向に順バイアスとなる寄生ダイオードが形成されるスイッチング素子は基本的に採用できない。オフ状態でソース端子からドレイン端子(またはコレクタ端子)の方向に流れる電流を遮断できるスイッチング素子であれば採用できる。 The fifth switching element S5 is connected between the anode terminal of the sixth diode D6 and the second output node Nd, and the sixth switching element S6 is connected between the anode terminal of the eighth diode D8 and the second output node Nd. It may be configured to connect between them. With this configuration, the reference potential of the fifth switching element S5 and the reference potential of the sixth switching element S6 can be shared. However, a switching element in which a parasitic diode that is forward biased in the direction from the source terminal to the drain terminal, such as a MOSFET, is basically not applicable. Any switching element that can cut off the current flowing from the source terminal to the drain terminal (or collector terminal) in the off state can be used.
図6は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態2に係る電力変換装置100は、実施の形態1に係る電力変換装置100の構成に第9ダイオードD9が追加された構成である。第9ダイオードD9のアノード端子は平滑回路12の低電位側入力端子に接続され、第9ダイオードD9のカソード端子は平滑回路12の高電位側入力端子に接続される。第9ダイオードD9は、二次側整流回路11をバイパスする電流の還流経路を形成するためのダイオードである。
FIG. 6 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
図4に示した比較例1に係る電力変換装置100にて、図2に示した制御方法を採用した場合、第7ダイオードD7及び第8ダイオードD8が導通することにより、負荷30から第5コイルL5へ電流が流れる単独の還流期間が存在する。一次側の第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のデッドタイムにより、二次巻線N2の両端電位差がなくなる期間が単独の還流期間となる。
When the control method shown in FIG. 2 is adopted in the
次に図5に示した実施の形態1に係る電力変換装置100にて、図2に示した制御方法を採用した場合について考える。図2に示した制御方法では、駆動装置22が第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6を相補的に駆動している。従って第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6のいずれか一方は常にオン状態である。よって第5スイッチング素子S5、第5ダイオードD5及び第6ダイオードD6により形成される電流経路、又は第6スイッチング素子S6、第7ダイオードD7及び第8ダイオードD8により形成される電流経路の一方は常に有効な状態である。従って実施の形態1に係る電力変換装置100でも、単独の還流期間における電流経路を確保できる。
Next, consider the case where the control method shown in FIG. 2 is adopted in
ただし、大電流を必要とする負荷30に接続されている場合、単独の還流期間に発生する電流による第5スイッチング素子S5又は第6スイッチング素子S6の損失が大きくなる。例えば、第5ダイオードD5〜第8ダイオードD8の順方向降下電圧Vfが0.5V、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の順方向降下電圧Vfが1.0V、還流電流が1.0Aの例を考える。比較例1のように第7ダイオードD7及び第8ダイオードD8により形成される経路を電流が還流する場合の損失は1.0Wである。実施の形態1のように2つのダイオードと1つのスイッチング素子により形成される経路を電流が還流する場合の損失は2.0Wである。このように電流が大きくなるほど損失が大きくなる。
However, when connected to a
これに対して例えば、順方向降下電圧Vfが0.4Vの第9ダイオードD9を設けると、第9ダイオードD9により形成される経路を電流が還流する場合の損失が0.4Wとなる。上記の例と比較して損失を大幅に低減できる。複数の電流経路が並列に形成される場合、電流は順方向降下電圧Vfが低い経路を流れるため、還流電流は第9ダイオードD9を通る。 On the other hand, for example, if the ninth diode D9 having a forward drop voltage Vf of 0.4V is provided, the loss when the current flows through the path formed by the ninth diode D9 is 0.4W. Loss can be greatly reduced compared to the above example. When a plurality of current paths are formed in parallel, the current flows through a path having a low forward drop voltage Vf, and thus the return current passes through the ninth diode D9.
以上説明したように実施の形態2によれば、第9ダイオードD9を追加することにより、単独の還流期間における導通損失を低減できる。実施の形態1では第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の基準端子を共通接続する場合、単独の還流期間に電流が第5スイッチング素子S5又は第6スイッチング素子S6を通る必要がある。従って比較例1より、単独の還流期間における導通損失が増大する。実施の形態2では第9ダイオードD9を追加することにより、2つのダイオードを通る比較例1より、単独の還流期間における導通損失を低減できる。また第9ダイオードD9を追加することにより回路規模が増大するが、第2ハイサイドDC−DCコンバータ24b及び第2ローサイドDC−DCコンバータ25bを削除することによる回路規模の削減効果のほうが大きい。
As described above, according to the second embodiment, by adding the ninth diode D9, it is possible to reduce conduction loss during a single return period. In the first embodiment, when the reference terminals of the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 are commonly connected, the current needs to pass through the fifth switching element S5 or the sixth switching element S6 during a single return period. Therefore, compared with Comparative Example 1, the conduction loss in the single reflux period increases. In the second embodiment, by adding the ninth diode D9, it is possible to reduce the conduction loss in the single return period as compared with the comparative example 1 that passes through the two diodes. Although the circuit scale is increased by adding the ninth diode D9, the circuit scale reduction effect by deleting the second high-side DC-
なお図2に示したように第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6を完全に逆位相で制御せず、デッドタイムを含める制御方法を採用した場合、単独の還流期間における電流経路を確保するため第9ダイオードD9は必須である。 As shown in FIG. 2, when the control method including the dead time is employed without completely controlling the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 in the opposite phase, a current path in a single return period is secured. Therefore, the ninth diode D9 is essential.
図7は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態3に係る電力変換装置100では、図3に示した比較例2に係る電力変換装置100における第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の配置を変更している。
FIG. 7 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
第6ダイオードD6のアノード端子は、二次巻線N2から順方向電流が流入する二次側整流回路11の第1入力端子に接続され、第5ダイオードD5のアノード端子は、二次巻線N2から逆方向電流が流入する二次側整流回路11の第2入力端子に接続される。第6スイッチング素子S6は、第6ダイオードD6のカソード端子と二次側整流回路11の出力ノードNcとの間に接続され、第5スイッチング素子S5は、第5ダイオードD5のカソード端子と出力ノードNcとの間に接続される。
The anode terminal of the sixth diode D6 is connected to the first input terminal of the secondary
第9ダイオードD9のアノード端子は、二次巻線N2のセンタ・タップと平滑回路12の低電位側入力端子との間のノードNeに接続され、第9ダイオードD9のカソード端子は、平滑回路12の高電位側入力端子に接続される。
The anode terminal of the ninth diode D9 is connected to a node Ne between the center tap of the secondary winding N2 and the low potential side input terminal of the smoothing
以上説明したように実施の形態3のように、二次側整流回路11にセンタ・タップ型を採用しても、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の基準電位を共通化できる。従って第1ゲートバッファ23a及び第2ゲートバッファ23bの電源電圧を生成する電源回路を共通化できる。よって実施の形態3に係る電力変換装置100も、実施の形態1、2に係る電力変換装置100と同様の効果を奏する。
As described above, the reference potentials of the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 can be made common even if the center tap type is adopted for the secondary
図8は、本発明の実施の形態4に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態4に係る電力変換装置100では、実施の形態1−3に係る電力変換装置100の第5スイッチング素子S5と第6スイッチング素子S6を一つにまとめている。
FIG. 8 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
二次側整流回路11はアクティブスイッチを含まない、通常のダイオードブリッジ回路で構成される。第5スイッチング素子S5は、二次側整流回路11と平滑回路12の間の電流経路に挿入される。第9ダイオードD9のアノード端子は平滑回路12の低電位側入力端子に接続され、第9ダイオードD9のカソード端子は平滑回路12の高電位側入力端子に接続される。第9ダイオードD9は、二次側整流回路11をバイパスする、電流の還流経路を形成するためのダイオードである。なお実施の形態4では、第5スイッチング素子S5がオフ状態における電流の還流経路を確保するため第9ダイオードD9は必須である。
The secondary
実施の形態4では第5スイッチング素子S5は、平滑回路12の高電位側入力端子と第9ダイオードD9のカソード端子との間のノードNfと、二次側整流回路11の高電位側出力端子との間に接続される。第5スイッチング素子S5は、トランスTから取り出す電力を調整する。第5スイッチング素子S5のオン期間が長いほどトランスTから多くの電力を取り出すことができる。
In the fourth embodiment, the fifth switching element S5 includes a node Nf between the high potential side input terminal of the smoothing
実施の形態4に係る駆動装置22は、図5に示した実施の形態1に係る駆動装置22と比較し、さらに第2ゲートバッファ23b、第2フォトカプラ27b及び第2制御ロジック回路26bが省略された構成である。
The driving
図9は、図8のスイッチング電源装置10の制御方法の一例を示す図である。一次側の制御方法は、図2に示した制御方法と同じである。トランス電流i1(i2)は二次側整流回路11により全波整流される。制御装置20は、スイッチング電源装置10の出力電圧に応じて第5スイッチング素子S5のデューティ比を適応的に変化させる。図9にて、第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3(又は第1スイッチング素子S1及び第4スイッチング素子S4)の位相と、第5スイッチング素子S5の位相が一致している状態が、第5スイッチング素子S5のデューティ比が100%の状態である。第2スイッチング素子S2及び第3スイッチング素子S3の立ち上がり位相と、第5スイッチング素子S5の立ち上がり位相との位相差αが大きくなるほど、第5スイッチング素子S5のデューティ比が低くなる。スイッチング電源装置10の出力電圧が高くなると、制御装置20は第5スイッチング素子S5のデューティ比を低くして、トランスTから取り出す電力量を少なくする。反対にスイッチング電源装置10の出力電圧が低くなると、制御装置20は第5スイッチング素子S5のデューティ比を高くして、トランスTから取り出す電力量を多くする。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a control method of the switching
以上説明したように実施の形態4によれば、二次側整流回路11と平滑回路12の間に第5スイッチング素子S5を設け、平滑回路12の入力端子間に第9ダイオードD9を設けることにより、二次側回路での出力調整および循環電流の処理を一つのスイッチング素子で実現できる。従って、二次側のスイッチング素子を駆動する駆動回路の数を一つにすることができ、駆動装置22の部品点数を削減でき、コストを削減できる。また電力変換装置100全体の回路規模も削減できる。
As described above, according to the fourth embodiment, the fifth switching element S5 is provided between the secondary
実施の形態1と実施の形態4を比較すると、実施の形態4は二次側のスイッチング素子を一つにできるが、一つのスイッチング素子に流れる電流ストレスが増大する。負荷30に供給する電流が大きいアプリケーションでは、第5スイッチング素子S5が発熱する可能性があり、発熱対策の冷却系が必要となる。その場合、電力変換装置100の規模が増大する。従って実施の形態4に係る電力変換装置100は、負荷電流が小さいアプリケーションに適している。例えば第5スイッチング素子S5に一般的なIGBTを採用した場合、スイッチング電源装置10から負荷30に出力される電流が10A以下であれば、冷却系を不要または最低限に抑えることができる。
When the first embodiment and the fourth embodiment are compared, the fourth embodiment can have one switching element on the secondary side, but the current stress flowing through one switching element increases. In applications where the current supplied to the
図10は、本発明の実施の形態5に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態5に係る電力変換装置100は、実施の形態4に係る電力変換装置100と比較して第5スイッチング素子S5の配置が異なる。実施の形態5では第5スイッチング素子S5は、平滑回路12の低電位側入力端子と第9ダイオードD9のアノード端子との間のノードNgと、二次側整流回路11の低電位側出力端子との間に接続される。
FIG. 10 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
二次側の第5スイッチング素子S5は、一次側の第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4の全てがオフ状態になったときに一次側から見て二次巻線N2の両端が開放された状態にすることも目的として配置されている。従って第5スイッチング素子S5を、二次側整流回路11の低電位側出力端子と平滑回路12の低電位側入力端子の間に接続しても実施の形態4と同様の効果が得られる。
The secondary side fifth switching element S5 has both ends of the secondary winding N2 open when viewed from the primary side when all of the primary side first switching element S1 to the fourth switching element S4 are turned off. It is also arranged for the purpose of making it. Therefore, even if the fifth switching element S5 is connected between the low-potential side output terminal of the
図11は、本発明の実施の形態6に係る電力変換装置100の、スイッチング電源装置10の二次側回路および制御装置20の詳細を示す図である。実施の形態6に係る電力変換装置100では、実施の形態4に係る電力変換装置100の二次側整流回路を、フルブリッジ型からセンタ・タップ型に置き換えたものである。実施の形態6に係るスイッチング電源装置10の制御方法は、図9に示した実施の形態4に係るスイッチング電源装置10の制御方法と同様である。
FIG. 11 is a diagram showing details of the secondary circuit of the switching
二次側整流回路11はアクティブスイッチを含まない、2つのダイオードを用いた通常のセンタ・タップ型の整流回路で構成される。第9ダイオードD9のアノード端子は、二次巻線N2のセンタ・タップと平滑回路12の低電位側入力端子との間のノードNeに接続され、第9ダイオードD9のカソード端子は、平滑回路12の高電位側入力端子に接続される。第5スイッチング素子S5は、平滑回路12の高電位側入力端子と第9ダイオードD9のカソード端子との間のノードNfと、平滑回路12の高電位側入力端子との間に接続される。
The secondary-
以上説明したように実施の形態6のように二次側整流回路11にセンタ・タップ型を採用しても、第5スイッチング素子S5及び第9ダイオードD9を設けることにより、二次側回路での出力調整および循環電流の処理を一つのスイッチング素子で実現できる。よって実施の形態6に係る電力変換装置100も、実施の形態4、5に係る電力変換装置100と同様の効果を奏する。
As described above, even if the center tap type is adopted for the secondary
以上に説明した実施の形態1−6に係る電力変換装置100は様々な用途に使用できる。以下、蓄電システム、車両および充電器で使用する例を挙げる。その他、データセンタの電源装置など、高効率な電力変換、及び絶縁が要求される用途にも使用される。
The
図12は、実施の形態1−6に係る電力変換装置100が使用される蓄電システム400の構成を示す図である。図12に示す蓄電システム400は、太陽電池200a、蓄電池200b、DC−DCコンバータ100a、DC−DCコンバータ100b、インバータ300aを備える。蓄電池200bは据置型の蓄電池であってもよいし、車載電池など可搬性のある蓄電池であってもよい。太陽電池200aにより発電された直流電力は、DC−DCコンバータ100aにより所定電圧の直流電力に変換される。当該直流電力は、インバータ300aにより交流電力に変換されて系統500に出力されるか、DC−DCコンバータ100bにより蓄電用電圧の直流電力に変換されて、蓄電池200bに蓄積される。DC−DCコンバータ100a及びDC−DCコンバータ100bの少なくとも一方に、実施の形態1−6に係る電力変換装置100を使用する。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a
なお蓄電池200b及びDC−DCコンバータ100bを省略してもよい。この場合、蓄電機能のない太陽光発電システムとなる。また太陽電池200a及びDC−DCコンバータ100aを省略してもよい。この場合、発電機能のない蓄電システムとなる。
Note that the
図13は、実施の形態1−6に係る電力変換装置100が使用される車両700の構成を示す図である。図13に示す車両700は、走行用のモータ600を搭載するハイブリッドカー(HV)、プラグインハイブリッドカー(PHV)または電気自動車(EV)である。なおモータ600は自走可能な高出力モータに限らず、マイルドハイブリッドカーに搭載される走行アシストモータであってもよい。通常、モータ600には交流同期モータが用いられる。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration of a
図13に示す車両700は、走行用電池200c、補機電池200d、DC−DCコンバータ100c、双方向DC−DCコンバータ150、インバータ300b、モータ600を備える。走行用電池200cには、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの蓄電池を用いることができる。力行時、双方向DC−DCコンバータ150は、走行用電池200cから供給される直流電力を所定電圧の直流電力に変換してインバータ300bに出力する。インバータ300bは、双方向DC−DCコンバータ150から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ600に供給する。回生時、インバータ300bは、減速エネルギーにもとづき発電された交流電力を直流電力に変換して、双方向DC−DCコンバータ150に出力する。双方向DC−DCコンバータ150は、インバータ300bから供給される直流電力を、電池電圧の直流電力に変換して走行用電池200cに充電する。
A
補機電池200dには通常、12V出力の鉛電池が用いられる。マイルドハイブリッドカーでは、走行用電池200cは例えば、48V出力に設計される。補機電池200dが接続される12V系統と、走行用電池200cが接続される48V系統は、DC−DCコンバータ100cを介して接続される。DC−DCコンバータ100cは、補機電池200dの電圧を、走行用電池200cの電圧まで昇圧する。これにより、走行用電池200cの容量が不足した場合、補機電池200dからモータ600に給電できる。DC−DCコンバータ100cには、実施の形態1−6に係る電力変換装置100を使用する。
As the
図14は、実施の形態1−6に係る電力変換装置100が使用される充電器800の構成を示す図である。図14に示す車両700は、図13に示す車両にプラグイン充電機能が追加された車両である。充電器800は、整流回路810、PFC回路820、DC−DCコンバータ100dを備える。整流回路810は、系統500から供給される交流電圧を整流する。PFC回路820は、整流された電力の力率を改善する。DC−DCコンバータ100dは、PFC回路820からの入力電圧を充電電圧に変換する。DC−DCコンバータ100dには、実施の形態1−6に係る電力変換装置100を使用する。充電器800は図14に示すように、車両外に設置される(急速)充電器であってもよいし、車両700内に搭載される車載充電器であってもよい。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a
以上説明したように蓄電システム400内、車両700内、又は充電器800内で使用されるDC−DCコンバータに、実施の形態1−6に係る電力変換装置100を使用することにより、低損失で小型の電源系を構築できる。
As described above, by using
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. The embodiments are exemplifications, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. .
例えば、スイッチング電源装置10の一次側のインバータに、フルブリッジ型ではなくハーフブリッジ型を採用してもよい。また実施の形態1−3では、二次側の第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の位相をシフトして出力調整する例を示したが、第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6のデューティ比を調整して出力調整してもよい。
For example, a half-bridge type instead of a full-bridge type may be employed for the primary side inverter of the switching
また第1コイルL1及び第2コイルL2を、一次巻線N1の漏れインダクタンスで構成してもよい。また第1コンデンサC1〜第4コンデンサC4をスナバコンデンサではなく、第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のそれぞれの寄生容量で構成してもよい。また第1ダイオードD1〜第4ダイオードD4を第1スイッチング素子S1〜第4スイッチング素子S4のそれぞれの寄生ダイオードで構成してもよい。 Moreover, you may comprise the 1st coil L1 and the 2nd coil L2 by the leakage inductance of the primary winding N1. Moreover, you may comprise the 1st capacitor | condenser C1-the 4th capacitor | condenser C4 with each parasitic capacitance of 1st switching element S1-4th switching element S4 instead of a snubber capacitor. Further, the first diode D1 to the fourth diode D4 may be constituted by the respective parasitic diodes of the first switching element S1 to the fourth switching element S4.
本発明は、蓄電システム、車両などで使用されるDC−DCコンバータに利用可能である。 The present invention can be used for DC-DC converters used in power storage systems, vehicles, and the like.
100 電力変換装置、 10 スイッチング電源装置、 20 制御装置、 S1 第1スイッチング素子、 S2 第2スイッチング素子、 S3 第3スイッチング素子、 S4 第4スイッチング素子、 S5 第5スイッチング素子、 S6 第6スイッチング素子、 C1 第1コンデンサ、 C2 第2コンデンサ、 C3 第3コンデンサ、 C4 第4コンデンサ、 C5 第5コンデンサ、 C6 第6コンデンサ、 C7 第7コンデンサ、 D1 第1ダイオード、 D2 第2ダイオード、 D3 第3ダイオード、 D4 第4ダイオード、 D5 第5ダイオード、 D6 第6ダイオード、 D7 第7ダイオード、 D8 第8ダイオード、 D9 第9ダイオード、 L1 第1コイル、 L2 第2コイル、 L3 第3コイル、 L4 第4コイル、 L5 第5コイル、 L6 第6コイル、 T トランス、 N1 一次巻線、 N2 二次巻線、 E 直流電源、 11 二次側整流回路、 12 平滑回路、 15 出力電圧検出回路、 21 CPU、 22 駆動装置、 23a 第1ゲートバッファ、 23b 第2ゲートバッファ、 24a 第1ハイサイドDC−DCコンバータ、 24b 第2ハイサイドDC−DCコンバータ、 25a 第1ローサイドDC−DCコンバータ、 25b 第2ローサイドDC−DCコンバータ、 26a 第1制御ロジック回路、 26b 第2制御ロジック回路、 27a 第1フォトカプラ、 27b 第2フォトカプラ、 30 負荷、 100a,100b,100c,100d DC−DCコンバータ、 150 双方向DC−DCコンバータ、 200a 太陽電池、 200b 蓄電池、 200c 走行用電池、 200d 補機電池、 300a,300b インバータ、 400 蓄電システム、 500 系統、 600 モータ、 700 車両、 800 充電器、 810 整流回路、 820 PFC回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Power converter device, 10 Switching power supply device, 20 Control apparatus, S1 1st switching element, S2 2nd switching element, S3 3rd switching element, S4 4th switching element, S5 5th switching element, S6 6th switching element, C1 first capacitor, C2 second capacitor, C3 third capacitor, C4 fourth capacitor, C5 fifth capacitor, C6 sixth capacitor, C7 seventh capacitor, D1 first diode, D2 second diode, D3 third diode, D4 4th diode, D5 5th diode, D6 6th diode, D7 7th diode, D8 8th diode, D9 9th diode, L1 1st coil, L2 2nd coil, L3 3rd coil, L4 1st Coil, L5 fifth coil, L6 sixth coil, T transformer, N1 primary winding, N2 secondary winding, E DC power supply, 11 secondary side rectifier circuit, 12 smoothing circuit, 15 output voltage detection circuit, 21 CPU, 22 driving device, 23a first gate buffer, 23b second gate buffer, 24a first high side DC-DC converter, 24b second high side DC-DC converter, 25a first low side DC-DC converter, 25b second low side DC DC converter, 26a first control logic circuit, 26b second control logic circuit, 27a first photocoupler, 27b second photocoupler, 30 load, 100a, 100b, 100c, 100d DC-DC converter, 150 bidirectional DC- DC converter 200a solar cell, 200b accumulators, 200c traveling battery, 200d auxiliary battery, 300a, 300b inverter, 400 power storage system, 500 lines, 600 motor, 700 vehicle, 800 charger, 810 rectifier circuit, 820 PFC circuit.
Claims (4)
前記ブリッジ回路に接続される一次巻線と、前記一次巻線と電磁結合される二次巻線を含むトランスと、
前記二次巻線から入力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された電圧を平滑化する平滑回路と、
前記整流回路と前記平滑回路の間の電流経路に挿入されるスイッチング素子と、
前記平滑回路の低電位側入力端子にアノード端子が接続され、前記平滑回路の高電位側入力端子にカソード端子が接続されるダイオードと、
を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。 A bridge circuit that converts DC voltage to AC voltage;
A transformer including a primary winding connected to the bridge circuit, and a secondary winding electromagnetically coupled to the primary winding;
A rectifier circuit for rectifying an AC voltage input from the secondary winding;
A smoothing circuit for smoothing the voltage rectified by the rectifier circuit;
A switching element inserted in a current path between the rectifier circuit and the smoothing circuit;
A diode having an anode terminal connected to the low potential side input terminal of the smoothing circuit and a cathode terminal connected to the high potential side input terminal of the smoothing circuit;
A switching power supply device comprising:
前記一次巻線に順方向電流を供給する経路に挿入される一次側順方向スイッチング素子と、
前記一次巻線に逆方向電流を供給する経路に挿入される一次側逆方向スイッチング素子と、を含み、
前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路で構成され、
前記一次側順方向スイッチング素子および前記一次側逆方向スイッチング素子は、固定のデューティ比および固定の位相で動作し、
前記整流回路と前記平滑回路の間の電流経路に挿入される二次側の前記スイッチング素子は、本スイッチング電源装置の出力電圧に応じて変動するデューティ比で動作することを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。 The bridge circuit is
A primary-side forward switching element inserted in a path for supplying a forward current to the primary winding;
A primary-side reverse switching element inserted in a path for supplying a reverse current to the primary winding,
The rectifier circuit is composed of a diode bridge circuit,
The primary-side forward switching element and the primary-side reverse switching element operate with a fixed duty ratio and a fixed phase,
2. The switching element on the secondary side inserted in a current path between the rectifier circuit and the smoothing circuit operates with a duty ratio that varies according to an output voltage of the switching power supply device. Or the switching power supply device according to 2;
前記スイッチング素子を駆動する駆動装置と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A switching power supply device according to any one of claims 1 to 3,
A driving device for driving the switching element;
A power conversion device comprising:
Priority Applications (1)
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JP2014010319A JP2015139312A (en) | 2014-01-23 | 2014-01-23 | Switching power supply arrangement and electric power converter unit |
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JP2020018121A (en) * | 2018-07-26 | 2020-01-30 | 油研工業株式会社 | Forward converter type inductive load drive circuit |
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- 2014-01-23 JP JP2014010319A patent/JP2015139312A/en active Pending
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