JP6241452B2 - Insulated power converter - Google Patents
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- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
Description
本発明は、絶縁型電力変換装置に関する。 The present invention relates to an insulated power converter.
絶縁型の電力変換装置が知られている。例えば特許文献１に記載の絶縁型電力変換装置においては、複数のスイッチング素子によって複数の相が構成され、各相からの出力電圧を合成することにより交流電圧が形成される。また、非特許文献１には、各相からの出力電圧を合成することにより、交流電圧の高周波化が可能な絶縁型電力変換装置が記載されている。
Insulated power converters are known. For example, in the insulated power conversion device described in
上記の特許文献１に記載の絶縁型電力変換装置においては、用いられるスイッチング素子の数が多いため、装置の小型化が困難となる。また、交流電圧を高周波化すると、スイッチング素子におけるスイッチング損失が増大するという問題が生じる。また、上記の非特許文献１に記載の絶縁型電力変換装置においては、直流電源と並列接続した平滑コンデンサの中点を利用することにより、各相からの出力電圧が合成される。各相からの出力電圧の位相を制御することにより、合成電圧の高周波化が可能となっている。しかし、スイッチング素子にゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero Voltage. Switching）を適用することが困難であるため、スイッチング素子の発熱が増大し、ヒートシンクのサイズを低減することが困難となる。また、合成電圧の高周波化のため、多数のスイッチング素子が必要となり、その結果、装置の小型化及び低コスト化が困難となる。さらに、平滑コンデンサの中点を利用する構成となっているため、その平滑コンデンサとして大容量のコンデンサを用いる必要があり、その結果、装置の小型化が困難となる。
In the insulated power conversion device described in
本発明の目的は、絶縁型電力変換装置において、高周波化された電力が形成されるようにするとともに、装置を小型化できるようにすることである。 An object of the present invention is to allow high-frequency power to be formed in an insulated power conversion device and to reduce the size of the device.
請求項１に記載の発明は、複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子をオン／オフすることにより、電源から供給される電力を変換する絶縁型電力変換装置において、前記複数のスイッチング素子をオン／オフすることにより、前記複数のスイッチング素子によって構成される複数の相からの出力電圧の極性を切り替える制御部と、前記複数の相からの出力電圧を合成する複数のトランスと、を含み、前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の中で負の極性をもつ出力電圧を生成するためのスイッチング素子、当該スイッチング素子に接続されたコンデンサ、及び、当該スイッチング素子に接続されたトランスによって、前記電源からの電力の供給を受けない循環経路が形成されるように、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御し、前記コンデンサを用いた前記循環経路によって、負の極性をもつ出力電圧が生成され、各相は、前記電源の正極側に接続された正極側スイッチング素子と、前記電源の負極側に接続された負極側スイッチング素子と、前記電源と前記正極側スイッチング素子との間に設けられたコンデンサと、一端が前記電源の正極側に接続され、他端が前記正極側スイッチング素子と前記負極側スイッチング素子との間に接続されたトランスと、によって構成されており、前記制御部は、正の極性をもつ出力電圧を生成するための相においては、前記正極側スイッチング素子をオフにし、前記負極側スイッチング素子をオンにすることにより、前記電源から前記トランスに電力を供給して前記トランスにおいて正の極性をもつ出力電圧を生成し、負の極性をもつ出力電圧を生成するための相においては、前記正極側スイッチング素子をオンにし、前記負極側スイッチング素子をオフにすることにより、前記正極側スイッチング素子、前記コンデンサ、及び、前記トランスによって、前記電源から電力が供給されない前記循環経路を形成し、これにより、前記トランスにおいて負の極性をもつ出力電圧を生成する、ことを特徴とする絶縁型電力変換装置である。
The invention according to
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の絶縁型電力変換装置において、前記制御部は、負の極性をもつ出力電圧を生成するためのスイッチング素子に前記電源から電力が供給されない状態で、当該スイッチング素子をオンし、これにより前記循環経路を形成する、ことを特徴とする絶縁型電力変換装置である。 According to a second aspect of the present invention, in the isolated power converter according to the first aspect, in the state where the power is not supplied from the power source to the switching element for generating an output voltage having a negative polarity. The insulating power conversion device is characterized in that the switching element is turned on, thereby forming the circulation path.
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の絶縁型電力変換装置において、前記制御部は、負の極性をもつ出力電圧を生成するための相において、前記循環経路に含まれないスイッチング素子をオフにする、ことを特徴とする絶縁型電力変換装置である。
The invention according to
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の絶縁型電力変換装置において、前記複数の相の数は３以上の奇数である、ことを特徴とする絶縁型電力変換装置である。
The invention according to
本発明によると、絶縁型電力変換装置において、高周波化された電力を形成することができるとともに、装置の小型化が可能となる。 According to the present invention, in an insulated power converter, it is possible to form high-frequency power and to reduce the size of the device.
図１には、本実施形態に係る絶縁型電力変換装置が示されている。この絶縁型電力変換装置は、直流電源１０から供給される電力を調整する機能を備えた装置である。この絶縁型電力変換装置は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車又は燃料電池自動車等の車両に搭載され、当該車両に設けられた負荷に供給される電力を調整する装置である。もちろん、この絶縁型電力変換装置は、車両以外の別の用途に用いられてもよい。
FIG. 1 shows an insulated power converter according to this embodiment. This insulated power converter is a device having a function of adjusting the power supplied from the
直流電源１０は直流電圧を供給する電源である。直流電源１０として、例えば充放電可能な電源が用いられてもよい。充放電可能な電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。
The
ここで、直流電源１０の電源ラインについて、高圧側のラインを正極側ライン１２と称し、低圧側のラインを負極側ライン１４と称することとする。直流電源１０のプラス端子に接続されているラインが正極側ライン１２であり、直流電源１０のマイナス端子に接続されているラインが負極側ライン１４である。
Here, regarding the power source line of the
絶縁型電力変換装置は、複数のスイッチング素子（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６）と、複数のコンデンサ（コンデンサＣ１〜Ｃ３）と、複数のトランス（トランスＴ１〜Ｔ３）と、を含む。 The insulated power converter includes a plurality of switching elements (switching elements S1 to S6), a plurality of capacitors (capacitors C1 to C3), and a plurality of transformers (transformers T1 to T3).
絶縁型電力変換装置は、正極側ライン１２と負極側ライン１４との間に互いに並行に配置された複数の相アームを含む。図１に示す例では、一例として、３つの相アーム（Ａ相アーム、Ｂ相アーム及びＣ相アーム）が形成されている。Ａ相アームは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とコンデンサＣ１との直列接続によって構成されている。Ｂ相アームは、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４とコンデンサＣ２との直列接続によって構成されている。Ｃ相アームは、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ６とコンデンサＣ３との直列接続によって構成されている。Ａ相アームにおいて、スイッチング素子Ｓ１は、下側アームに属するスイッチング素子であって、負極側ライン１４に接続された負極側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｓ２は、上側アームに属するスイッチング素子であって、正極側ライン１２に接続された正極側スイッチング素子である。正極側ライン１２とスイッチング素子Ｓ２との間にはコンデンサＣ１が設けられている。同様に、Ｂ相アームにおいて、スイッチング素子Ｓ３は、下側アームに属するスイッチング素子であって、負極側ライン１４に接続された負極側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｓ４は、上側アームに属するスイッチング素子であって、正極側ライン１２に接続された正極側スイッチング素子である。正極側ライン１２とスイッチング素子Ｓ４との間にはコンデンサＣ２が設けられている。同様に、Ｃ相アームにおいて、スイッチング素子Ｓ５は下側アームに属するスイッチング素子であって、負極側ライン１４に接続された負極側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｓ６は、上側アームに属するスイッチング素子であって、正極側ライン１２に接続された正極側スイッチング素子である。正極側ライン１２とスイッチング素子Ｓ６との間にはコンデンサＣ３が設けられている。
The insulated power conversion device includes a plurality of phase arms arranged in parallel with each other between the positive
スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子である。各スイッチング素子においては、ソースとドレインとの間（エミッタとコレクタの間）に、ソース（エミッタ側）からドレイン側（コレクタ側）に電流を流すダイオード（ダイオードＤ１〜Ｄ６）が配置されている。 The switching elements S1 to S6 are switching elements such as MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). In each switching element, diodes (diodes D1 to D6) that flow current from the source (emitter side) to the drain side (collector side) are disposed between the source and drain (between the emitter and collector).
例えば、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のそれぞれに駆動回路が設けられており、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、図示しない制御部からの制御信号（ゲート信号）に基づいて、対応する駆動回路によってスイッチング制御（オン又はオフ制御）される。これにより、電力が変換される。なお、制御部の構成については、図２を参照して後で説明する。 For example, each of the switching elements S1 to S6 is provided with a drive circuit, and the switching elements S1 to S6 are controlled by the corresponding drive circuit based on a control signal (gate signal) (not shown). (Or off control). Thereby, electric power is converted. The configuration of the control unit will be described later with reference to FIG.
コンデンサＣ１〜Ｃ３はスナバコンデンサである。 Capacitors C1 to C3 are snubber capacitors.
トランスＴ１は、１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とによって構成されており、Ａ相アームに属するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング動作によって生成された電力を伝達するためのトランスである。１次側コイルＬ１の一方端子は、正極側ライン１２に接続されており、１次側コイルＬ１の他方端子は、Ａ相アームにおいてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の中間点に接続されている。
The transformer T1 includes a primary side coil L1 and a secondary side coil L2, and is a transformer for transmitting power generated by the switching operation of the switching elements S1 and S2 belonging to the A-phase arm. One terminal of the primary side coil L1 is connected to the positive
トランスＴ２は、１次側コイルＬ３と２次側コイルＬ４とによって構成されており、Ｂ相アームに属するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のスイッチング動作によって生成された電力を伝達するためのトランスである。１次側コイルＬ３の一方端子は、正極側ライン１２に接続されており、１次側コイルＬ３の他方端子は、Ｂ相アームにおいてスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の中間点に接続されている。
The transformer T2 includes a primary side coil L3 and a secondary side coil L4, and is a transformer for transmitting power generated by the switching operations of the switching elements S3 and S4 belonging to the B-phase arm. One terminal of the primary side coil L3 is connected to the positive
トランスＴ３は、１次側コイルＬ５と２次側コイルＬ６とによって構成されており、Ｃ相アームに属するスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６のスイッチング動作によって生成された電力を伝達するためのトランスである。１次側コイルＬ５の一方端子は、正極側ライン１２に接続されており、１次側コイルＬ５の他方端子は、Ｃ相アームにおいてスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の中間点に接続されている。
The transformer T3 includes a primary side coil L5 and a secondary side coil L6, and is a transformer for transmitting power generated by the switching operations of the switching elements S5 and S6 belonging to the C-phase arm. One terminal of the primary side coil L5 is connected to the positive
１次側コイルＬ１，Ｌ３，Ｌ５は並列に接続されており、２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６は直列に接続されている。 The primary side coils L1, L3, L5 are connected in parallel, and the secondary side coils L2, L4, L6 are connected in series.
トランスＴ１〜Ｔ３の２次側には、ダイオードＤ７，Ｄ８、リアクトルＬ７、及び、平滑コンデンサＣ４が接続されており、これらの素子によって整流平滑回路が構成されている。この整流平滑回路を経由して負荷１６に対して電力が供給される。
Diodes D7 and D8, a reactor L7, and a smoothing capacitor C4 are connected to the secondary side of the transformers T1 to T3, and a rectifying and smoothing circuit is configured by these elements. Electric power is supplied to the
トランスＴ１の２次側コイルＬ２の一方端子は、ダイオードＤ７のアノード端子に接続されている。ダイオードＤ７のカソード端子は、リアクトルＬ７の一方端子及びダイオードＤ８のカソード端子に接続されている。リアクトルＬ７の他方端子は、負荷１６の一方端子及び平滑コンデンサＣ４の一方端子に接続されている。平滑コンデンサＣ４は、負荷１６の両端子に接続されている。一方、トランスＴ１の２次側コイルＬ２の他方端子は、トランスＴ２の２次側コイルＬ４の一方端子に接続されている。２次側コイルＬ４の他方端子は、トランスＴ３の２次側コイルＬ６の一方端子に接続されている。２次側コイルＬ６の他方端子は、ダイオードＤ８のアノード端子、平滑コンデンサＣ４の他方端子、及び、負荷１６の他方端子に接続されている。
One terminal of the secondary coil L2 of the transformer T1 is connected to the anode terminal of the diode D7. The cathode terminal of the diode D7 is connected to one terminal of the reactor L7 and the cathode terminal of the diode D8. The other terminal of the reactor L7 is connected to one terminal of the
なお、本実施形態では、一例として、３つの相アーム（Ａ相アーム、Ｂ相アーム及びＣ相アーム）が形成されているが、５相以上の奇数相のアームが形成されてもよい。この場合、形成されたアームの数に対応する数のトランスが用いられる。つまり、本実施形態では、３相以上の奇数相のアームが形成されていればよい。 In this embodiment, as an example, three phase arms (A phase arm, B phase arm, and C phase arm) are formed, but an odd number of arms of five or more phases may be formed. In this case, the number of transformers corresponding to the number of arms formed is used. That is, in the present embodiment, it is only necessary to form an arm having an odd number of phases of three or more phases.
本実施形態では、各相に属するスイッチング素子のオン／オフ期間を制御することにより、トランスＴ１〜Ｔ３に形成される電圧の極性を制御する。例えば、スイッチング素子のオン／オフ期間の位相を各相間でずらすことにより、トランスＴ１〜Ｔ３に形成される電力の極性を制御する。そして、トランスＴ１〜Ｔ３のそれぞれに形成された電圧が合成され、この合成によって生成された合成電圧が２次側に印加される。この合成により、交流電圧の高周波化が可能となる。 In this embodiment, the polarity of the voltage formed in the transformers T1 to T3 is controlled by controlling the on / off period of the switching elements belonging to each phase. For example, the polarity of the electric power formed in the transformers T1 to T3 is controlled by shifting the phase of the on / off period of the switching element between the phases. Then, the voltages formed in each of the transformers T1 to T3 are combined, and the combined voltage generated by the combination is applied to the secondary side. By this synthesis, it is possible to increase the frequency of the AC voltage.
図２には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作を制御する制御部の構成が示されている。制御部には、低電圧側の負荷１６の電圧指令値（低圧負荷指令値）と負荷１６の電圧値とが入力され、電圧ＰＩ制御１８によって負荷１６に印加される電圧が制御される。電圧ＰＩ制御１８の指令値は、ＰＩ差分処理後、０〜１の値をもつキャリア波２０，２２，２４と比較される。キャリア波２２，２２，２４は一例として三角波である。この比較によって、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作を制御するためのゲート信号（制御信号）が生成される。各ゲート信号は、個々のスイッチング素子に対応する駆動回路に供給される。これにより、個々のゲート信号に従って、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作が制御される。
FIG. 2 shows a configuration of a control unit that controls the switching operation of the switching elements S1 to S6. A voltage command value (low voltage load command value) of the
本実施形態では、合成電圧を高周波化するために、キャリア波２０の位相を基準として、キャリア波２２，２４の位相がずらされる。例えば、３つの相が用いられる場合においてディーティ比（１制御周期に対するオン期間の割合）が０．５の場合、各ゲートパルス間の位相差として、６０°（＝１８０°／３）が設定される。
In the present embodiment, the phases of the
図３には、指令値が低い場合（デューティ比＜０．５）におけるゲート信号の一例が示されている。横軸は時間である。符号２６で示す期間は１制御周期に対応する。電圧ＰＩ制御１８の指令値とキャリア波２０，２２，２４とが比較され、これにより、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング動作を制御するためのゲート信号が生成される。ゲート信号２８は、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号３０は、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号３２は、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号３４は、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号３６は、スイッチング素子Ｓ５のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号３８は、スイッチング素子Ｓ６のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号２８〜３８に従ってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が動作することにより、トランスＴ１〜Ｔ３には、トランス電圧（−Ｖ〜＋Ｖ）が形成される。本実施形態では、キャリア波２０の位相を基準として、キャリア波２２，２４の位相がずらされており、これにおり、各ゲート信号の位相がずれている。例えば、各ゲート信号間には、６０°の位相差が設けられている。
FIG. 3 shows an example of the gate signal when the command value is low (duty ratio <0.5). The horizontal axis is time. A period indicated by
図４には、指令値が高い場合（ディーティ比≧０．５）におけるゲート信号の一例が示されている。横軸は時間である。電圧ＰＩ制御１８の指令値とキャリア波２０，２２，２４とが比較され、これにより、ゲート信号４０〜５０が生成される。ゲート信号４０は、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号４２は、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号４４は、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号４６は、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号４８は、スイッチング素子Ｓ５のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号５０は、スイッチング素子Ｓ６のスイッチング動作を制御するための信号である。ゲート信号４０〜５０に従ってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が動作することにより、トランスＴ１〜Ｔ３には、トランス電圧（−Ｖ〜＋Ｖ）が形成される。キャリア波２０の位相を基準として、キャリア波２２，２４の位相がずらされており、これにおり、各ゲート信号の位相がずれている。例えば、各ゲート信号間には、６０°の位相差が設けられている。
FIG. 4 shows an example of the gate signal when the command value is high (duty ratio ≧ 0.5). The horizontal axis is time. The command value of
次に、図５を参照して、本実施形態に係る絶縁型電力変換装置の基本動作について説明する。説明を簡便にするために、Ａ相アームにおける動作について説明する。そのため、図５の（Ａ）〜（Ｃ）には、Ｂ相アーム及びＣ相アームは図示されていない。 Next, with reference to FIG. 5, the basic operation of the insulated power converter according to this embodiment will be described. In order to simplify the description, the operation in the A-phase arm will be described. Therefore, the B-phase arm and the C-phase arm are not shown in FIGS.
まず、図５の（Ａ）に示すように、下側アームに属するスイッチング素子Ｓ１をオンすると、直流電源１０からの電圧がスイッチング素子Ｓ１に印加される。これにより、トランスＴ１の一次側に電流経路５２が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ１の１次側コイルＬ１及びスイッチング素子Ｓ１を流れる。このとき、トランスの原理によって、トランスＴ１の励磁インダクタンスの電流が上昇し、トランスＴ１の２次側に逆起電力が発生する。これにより、２次側には電流経路５４が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れ、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。このとき、負荷１６の抵抗によって電流値が決まる。なお、スイッチング素子Ｓ２はオフになっている。
First, as shown in FIG. 5A, when the switching element S1 belonging to the lower arm is turned on, a voltage from the
次に、図５の（Ｂ）に示すように、下側アームに属するスイッチング素子Ｓ１をオフし、上側アームに属するスイッチング素子Ｓ２をオンする。このとき、スイッチング素子Ｓ２には、直流電源１０からの電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ２においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。この段階では、トランスＴ１の励磁インダクタンスが変化し、その変化によって、スイッチング素子Ｓ２に接続されたコンデンサＣ１への充電が始まり、トランスＴ１の励磁インダクタンスの電流が低下する。このとき、電流経路５６が形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the switching element S1 belonging to the lower arm is turned off, and the switching element S2 belonging to the upper arm is turned on. At this time, since the voltage from the
次に、トランスＴ１の励磁インダクタンスが０（ゼロ）になると、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが放電される。その状態が、図５の（Ｃ）に示されている。このとき、スイッチング素子Ｓ２、コンデンサＣ１及び１次側コイルＬ１によって、循環経路が形成され、その循環経路に沿って電流経路５８が形成される。つまり、電流が、スイッチング素子Ｓ２、コンデンサＣ１及び１次側コイルＬ１を流れる。このとき、２次側においてリアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流経路６０が形成される。つまり、電流が、リアクトルＬ７、負荷１６及びダイオードＤ８を流れる。このように、コンデンサＣ１を含む循環経路を利用することにより、２次側に電力が供給される。このとき、トランスＴ１の２次側に形成される電圧は、コンデンサＣ１に印加される電圧によって決まる。コンデンサＣ１は負荷１６から切断されているため、流れる電流の値が小さくなる。それ故、コンデンサＣ１として小容量のコンデンサを用いることが可能となる。
Next, when the exciting inductance of the transformer T1 becomes 0 (zero), the energy accumulated in the capacitor C1 is discharged. This state is shown in FIG. At this time, the switching element S2, the capacitor C1, and the primary coil L1 form a circulation path, and a
本実施形態では、制御期間によってスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に印加される電圧が変化する。以下の式（１）には、スイッチング素子Ｓ１に印加される電圧Ｖｓ、スイッチング素子Ｓ２に印加される電圧Ｖｃ、及び、直流電源１０の電圧Ｖｂと指令値との比率Ｄ、の関係が示されている。
Ｖｓ＝Ｖｃ＋Ｃｂ
Ｖｃ＋Ｖｂ＝Ｖｂ／（１−Ｄ）・・・（１）
よって、Ｖｃ＝（Ｖｂ／（１−Ｄ））−Ｖｂとなる。
In the present embodiment, the voltage applied to the switching elements S1 and S2 varies depending on the control period. The following equation (1) shows the relationship between the voltage Vs applied to the switching element S1, the voltage Vc applied to the switching element S2, and the ratio D between the voltage Vb of the
Vs = Vc + Cb
Vc + Vb = Vb / (1-D) (1)
Therefore, Vc = (Vb / (1-D)) − Vb.
Ｂ相アーム及びＣ相アームにおける動作も、Ａ相アームにおける動作と同じである。これら３つの相アームにおける動作によって、トランスＴ１の２次側に高周波の交流電圧が形成される。 The operations in the B phase arm and the C phase arm are the same as the operations in the A phase arm. By the operation in these three phase arms, a high-frequency AC voltage is formed on the secondary side of the transformer T1.
以下、上記の基本動作を踏まえたうえで、本実施形態に係る絶縁型電力変換装置の動作について説明する。 Hereinafter, the operation of the insulated power converter according to the present embodiment will be described based on the above basic operation.
図６〜図８を参照して、指令値が低い場合（ディーティ比＜０．５）における動作について説明する。この場合の動作は、図３に示されている１制御周期（符号２６で示す期間）において、ゲート信号２８〜３８に従った動作である。 The operation when the command value is low (duty ratio <0.5) will be described with reference to FIGS. The operation in this case is an operation according to the gate signals 28 to 38 in one control cycle (a period indicated by reference numeral 26) shown in FIG.
図６には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフ状態と合成電圧の極性とが示されている。合成電圧は、トランスＴ１〜Ｔ３に形成された各トランス電圧の合成の電圧である。０はオフを示し、１はオンを示している。例えば、スイッチング素子Ｓ１がオン（１）であり、スイッチング素子Ｓ２がオフ（０）であり、スイッチング素子Ｓ３がオフ（０）であり、スイッチング素子Ｓ４がオン（１）であり、スイッチング素子Ｓ５がオフ（０）であり、スイッチング素子Ｓ６がオン（１）である場合、合成電圧の極性はプラス（＋Ｖ）となる。このように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフ状態に応じて、合成電圧の極性が変わる。 FIG. 6 shows the on / off states of the switching elements S1 to S6 and the polarity of the combined voltage. The combined voltage is a combined voltage of the transformer voltages formed in the transformers T1 to T3. 0 indicates off and 1 indicates on. For example, switching element S1 is on (1), switching element S2 is off (0), switching element S3 is off (0), switching element S4 is on (1), and switching element S5 is When it is off (0) and the switching element S6 is on (1), the polarity of the combined voltage is plus (+ V). Thus, the polarity of the combined voltage changes according to the on / off states of the switching elements S1 to S6.
図７及び図８には、電流経路が示されている。この電流経路は、ゲート信号２８〜３８に従ってスイッチング動作によって形成される経路である。 7 and 8 show current paths. This current path is a path formed by a switching operation according to the gate signals 28 to 38.
図７の（Ａ）には、期間ｔ１に形成される電流経路が示されている。期間ｔ１においては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ１がオンになると、電流経路６２が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ１の１次側コイルＬ１及びスイッチング素子Ｓ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２には、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、スイッチング素子Ｓ４がオンになると、循環経路としての電流経路６４が形成される。つまり、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｓ４及びトランスＴ２の１次側コイルＬ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。同様に、スイッチング素子Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路６６が形成される。つまり、コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ３、スイッチング素子Ｓ６及びトランスＴ３の１次側コイルＬ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。そして、トランスＴ１〜Ｔ３に形成された電圧が合成され、これにより、２次側に合成電圧が形成される。
FIG. 7A shows a current path formed in the period t1. In the period t1, the switching elements S1, S4, S6 are turned on, and the switching elements S2, S3, S5 are turned off. When the switching element S1 is turned on, a
２次側に形成される合成電圧の値は、各相アームによって形成される電圧の値に依存する。例えば、指令値を０．１とし、直流電源１０の電圧を１００Ｖとすると、スイッチング素子Ｓ１に印加される電圧Ｖｓ１は１１１Ｖとなり、スイッチング素子Ｓ４に印加される電圧Ｖｓ４とスイッチング素子Ｓ６に印加される電圧Ｖｓ６は、共に１１Ｖとなる。電圧Ｖｓ１が電圧Ｖｓ４，Ｖｓ６の合計よりも高いため、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側には電流経路６８が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
The value of the composite voltage formed on the secondary side depends on the value of the voltage formed by each phase arm. For example, if the command value is 0.1 and the voltage of the
図７の（Ｂ）には、期間ｔ１の次の期間ｔ２に形成される電流経路が示されている。期間ｔ２においては、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ２がオフからオンに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ２には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ２においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。これにより、スイッチング素子Ｓ２におけるスイッチング損失の発生を防止することが可能となる。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路７０，７２，７４が形成される。つまり、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。他の相についても同様であり、トランスＴ２の２次側コイルＬ４及びトランスＴ３の２次側コイルＬ６には、それぞれマイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。そして、トランスＴ１〜Ｔ３に形成された電圧が合成され、これにより、２次側に合成電圧が形成される。各相の電圧の極性がマイナス（−）となるため、合成電圧の極性はマイナス（−）となる。このとき、２次側において、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出される。これにより、２次側に電流経路７６が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ８、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。
FIG. 7B shows a current path formed in the period t2 next to the period t1. In the period t2, the switching element S1 is switched from on to off, and the switching element S2 is switched from off to on. As a result, the switching elements S2, S4, S6 are turned on, and the switching elements S1, S3, S5 are turned off. Since no voltage is applied from the
図８の（Ａ）には、期間ｔ２の次の期間ｔ３に形成される電流経路が示されている。期間ｔ３においては、スイッチング素子Ｓ３がオフからオンに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ４がオンからオフに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ３には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ３においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ３がオンになると、電流経路７８が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ２の１次側コイルＬ３及びスイッチング素子Ｓ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４には、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路８０，８２が形成される。つまり、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。また、電流が、コンデンサＣ３、スイッチング素子Ｓ６及びトランスＴ３の１次側コイルＬ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。上述した期間ｔ１と同様に、２次側コイルＬ４に形成される電圧（プラスの電圧）が、２次側コイルＬ２，Ｌ６に形成される電圧（マイナスの電圧）の合計よりも高いため、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側に電流経路８４が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
FIG. 8A shows a current path formed in a period t3 subsequent to the period t2. In the period t3, the switching element S3 is switched from off to on, and the switching element S4 is switched from on to off. As a result, the switching elements S2, S3, S6 are turned on, and the switching elements S1, S4, S5 are turned off. Since no voltage is applied from the
期間ｔ３の次の期間においては、期間ｔ２と同様に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフになる。これにより、２次側に形成される合成電圧の極性はマイナス（−）となる。このとき、２次側において、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流が、ダイオードＤ８、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。
In the period following the period t3, the switching elements S2, S4, and S6 are turned on and the switching elements S1, S3, and S5 are turned off as in the period t2. As a result, the polarity of the combined voltage formed on the secondary side is negative (−). At this time, on the secondary side, the energy accumulated in the reactor L7 is released, and the current flows through the diode D8, the reactor L7, and the
図８の（Ｂ）には、更に次の期間ｔ４に形成される電流経路が示されている。期間ｔ４においては、スイッチング素子Ｓ５がオフからオンに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ６がオンからオフに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ６がオフになる。スイッチング素子Ｓ５には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ５においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ５がオンになると、電流経路８６が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ３の１次側コイルＬ５及びスイッチング素子Ｓ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６には、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がオンになると、循環経路としての電流経路８８，９０が形成される。つまり、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。また、電流が、コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｓ４及びトランスＴ２の１次側コイルＬ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。上述した期間ｔ１と同様に、２次側コイルＬ６に形成される電圧（プラスの電圧）が、２次側コイルＬ２，Ｌ４に形成される電圧（マイナスの電圧）の合計よりも高いため、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側に電流経路９２が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
FIG. 8B shows a current path formed in the next period t4. In the period t4, the switching element S5 is switched from off to on, and the switching element S6 is switched from on to off. As a result, the switching elements S2, S4, S5 are turned on, and the switching elements S1, S3, S6 are turned off. Since no voltage is applied to the switching element S5 from the
期間ｔ４の次の期間においては、期間ｔ２と同様に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフになる。これにより、２次側に形成される合成電圧の極性はマイナス（−）となる。このとき、２次側において、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。そして、この期間の次に期間ｔ１に戻り、１制御周期における動作が終了する。
In the period following the period t4, the switching elements S2, S4, and S6 are turned on and the switching elements S1, S3, and S5 are turned off, as in the period t2. As a result, the polarity of the combined voltage formed on the secondary side is negative (−). At this time, the energy accumulated in the reactor L7 is released on the secondary side, and current flows through the diode D7, the reactor L7, and the
次に、図９〜図１１を参照して、指令値が高い場合（ディーティ比≧０．５）における動作について説明する。この場合の動作は、図４に示されている１制御周期（符号２６で示す期間）において、ゲート信号４０〜５０に従った動作である。 Next, the operation when the command value is high (duty ratio ≧ 0.5) will be described with reference to FIGS. The operation in this case is an operation according to the gate signals 40 to 50 in one control cycle (a period indicated by reference numeral 26) shown in FIG.
図９には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフ状態と合成電圧の極性とが示されている。合成電圧は、トランスＴ１〜Ｔ３に形成された各トランス電圧の合成の電圧である。０はオフを示し、１はオンを示している。例えば、スイッチング素子Ｓ１がオン（１）であり、スイッチング素子Ｓ２がオフ（０）であり、スイッチング素子Ｓ３がオフ（０）であり、スイッチング素子Ｓ４がオン（１）であり、スイッチング素子Ｓ５がオン（１）であり、スイッチング素子Ｓ６がオフ（０）である場合、合成電圧の極性はプラス（＋Ｖ）となる。このように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフ状態に応じて、合成電圧の極性が変わる。 FIG. 9 shows the on / off states of the switching elements S1 to S6 and the polarity of the combined voltage. The combined voltage is a combined voltage of the transformer voltages formed in the transformers T1 to T3. 0 indicates off and 1 indicates on. For example, switching element S1 is on (1), switching element S2 is off (0), switching element S3 is off (0), switching element S4 is on (1), and switching element S5 is When it is on (1) and the switching element S6 is off (0), the polarity of the combined voltage is plus (+ V). Thus, the polarity of the combined voltage changes according to the on / off states of the switching elements S1 to S6.
図１０及び図１１には、電流経路が示されている。この電流経路は、ゲート信号４０〜５０に従ってスイッチング動作することによって形成される経路である。 10 and 11 show current paths. This current path is a path formed by switching operation according to the gate signals 40 to 50.
図１０の（Ａ）には、期間ｔ１に形成される電流経路が示されている。期間ｔ１においては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５がオンになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６がオフになる。スイッチング素子Ｓ１がオンになると、電流経路９４が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ１の１次側コイルＬ１及びスイッチング素子Ｓ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２には、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。同様に、スイッチング素子Ｓ５がオンになると、電流経路９６が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ３の１次側コイルＬ５及びスイッチング素子Ｓ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６には、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、スイッチング素子Ｓ４がオンになると、循環経路としての電流経路９８が形成される。つまり、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｓ４及びトランスＴ２の１次側コイルＬ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。そして、トランスＴ１〜Ｔ３に形成された電圧が合成され、これにおり、２次側に合成電圧が形成される。
FIG. 10A shows a current path formed in the period t1. In the period t1, the switching elements S1, S4, S5 are turned on and the switching elements S2, S3, S6 are turned off. When the switching element S1 is turned on, a
例えば、指令値を０．５とし、直流電源１０の電圧を１００Ｖとすると、スイッチング素子Ｓ１に印加される電圧Ｖｓ１とスイッチング素子Ｓ５に印加される電圧Ｖｓ５は、共に２５０Ｖとなり、スイッチング素子Ｓ４に印加される電圧Ｖｓ４は、１５０Ｖとなる。従って、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側には電流経路１００が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
For example, if the command value is 0.5 and the voltage of the
図１０の（Ｂ）には、期間ｔ１の次の期間ｔ２に形成される電流経路が示されている。期間ｔ２においては、スイッチング素子Ｓ５がオンからオフに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ６がオフからオンに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ６には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ６においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ１がオンになると、電流経路１０２が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ１の１次側コイルＬ１及びスイッチング素子Ｓ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。スイッチング素子Ｓ４，Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路１０４，１０６が形成される。つまり、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｓ４及びトランスＴ２の１次側コイルＬ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。同様に、トランスＴ３の２次側コイルＬ６には、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。２次側コイルＬ４，Ｌ６に形成される電圧（マイナスの電圧）の合計は、２次側コイルＬ２に形成される電圧（プラスの電圧）よりも大きくなる。それ故、２次側に形成される合成電圧の極性はマイナス（−）となる。この場合、２次側に電流経路１０８が形成される。つまり、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流が、ダイオードＤ８、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。
FIG. 10B shows a current path formed in the period t2 next to the period t1. In the period t2, the switching element S5 is switched from on to off, and the switching element S6 is switched from off to on. As a result, the switching elements S1, S4, S6 are turned on, and the switching elements S2, S3, S5 are turned off. Since no voltage is applied to the switching element S6 from the
図１０の（Ｃ）には、期間ｔ２の次の期間ｔ３に形成される電流経路が示されている。期間ｔ３においては、スイッチング素子Ｓ３がオフからオンに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ４がオンからオフに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ３には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ３においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がオンになると、電流経路１１０，１１２が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ１の１次側コイルＬ１及びスイッチング素子Ｓ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、電流が、直流電源１０、トランスＴ２の１次側コイルＬ３及びスイッチング素子Ｓ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。スイッチング素子Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路１１４が形成される。つまり、コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ３、スイッチング素子Ｓ６及びトランスＴ３の１次側コイルＬ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。２次側コイルＬ２，Ｌ４に形成される電圧（プラスの電圧）の合計は、２次側コイルＬ６に形成される電圧（マイナスの電圧）よりも大きくなる。それ故、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側に電流経路１１６が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
FIG. 10C shows a current path formed in the period t3 next to the period t2. In the period t3, the switching element S3 is switched from off to on, and the switching element S4 is switched from on to off. As a result, the switching elements S1, S3, S6 are turned on, and the switching elements S2, S4, S5 are turned off. Since no voltage is applied from the
図１１の（Ａ）には、期間ｔ３の次の期間ｔ４に形成される電流経路が示されている。期間ｔ４においては、スイッチング素子Ｓ１がオンからオフに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ２がオフからオンに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ６がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ５がオフになる。スイッチング素子Ｓ２には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ２においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ３がオンになると、電流経路１１８が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ２の１次側コイルＬ３及びスイッチング素子Ｓ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ６がオンになると、循環経路としての電流経路１２０，１２２が形成される。つまり、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。また、コンデンサＣ３に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ３、スイッチング素子Ｓ６及びトランスＴ３の１次側コイルＬ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。２次側コイルＬ２，Ｌ６に形成される電圧（マイナスの電圧）の合計は、２次側コイルＬ４に形成される電圧（プラスの電圧）よりも大きくなる。それ故、２次側に形成される合成電圧の極性はマイナス（−）となる。この場合、２次側に電流経路１２４が形成される。つまり、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流が、ダイオードＤ８、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。
FIG. 11A shows a current path formed in a period t4 next to the period t3. In the period t4, the switching element S1 is switched from on to off, and the switching element S2 is switched from off to on. As a result, the switching elements S2, S3, S6 are turned on, and the switching elements S1, S4, S5 are turned off. Since no voltage is applied from the
図１１の（Ｂ）には、期間ｔ４の次の期間ｔ５に形成される電流経路が示されている。期間ｔ５においては、スイッチング素子Ｓ５がオフからオンに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ６がオンからオフに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６がオフになる。スイッチング素子Ｓ５には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ５においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ３、Ｓ５がオンになると、電流経路１２６，１２８が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ２の１次側コイルＬ３及びスイッチング素子Ｓ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。また、電流が、直流電源１０、トランスＴ３の１次側コイルＬ５及びスイッチング素子Ｓ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。スイッチング素子Ｓ２がオンになると、循環経路としての電流経路１３０が形成される。つまり、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。２次側コイルＬ４，Ｌ６に形成される電圧（プラスの電圧）の合計は、２次側コイルＬ２に形成される電圧（マイナスの電圧）よりも大きくなる。それ故、２次側に形成される合成電圧の極性はプラス（＋）となる。この場合、２次側に電流経路１３２が形成される。つまり、電流が、ダイオードＤ７、リアクトルＬ７、負荷１６及び２次側コイルＬ２，Ｌ４，Ｌ６を流れる。これにより、リアクトルＬ７にエネルギーが蓄積される。
FIG. 11B shows a current path formed in a period t5 next to the period t4. In the period t5, the switching element S5 is switched from off to on, and the switching element S6 is switched from on to off. As a result, the switching elements S2, S3, S5 are turned on, and the switching elements S1, S4, S6 are turned off. Since no voltage is applied to the switching element S5 from the
図１１の（Ｃ）には、期間ｔ５の次の期間ｔ６に形成される電流経路が示されている。期間ｔ６においては、スイッチング素子Ｓ３がオンからオフに切り替えられ、スイッチング素子Ｓ４がオフからオンに切り替えられる。その結果、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５がオンになり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ６がオフになる。スイッチング素子Ｓ４には、直流電源１０から電圧が印加されていないので、スイッチング素子Ｓ４においてゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）が実現される。スイッチング素子Ｓ５がオンになると、電流経路１３４が形成される。つまり、電流が、直流電源１０、トランスＴ３の１次側コイルＬ５及びスイッチング素子Ｓ５を流れる。これにより、トランスＴ３の２次側コイルＬ６に、プラス（＋）の極性をもった電圧が形成される。スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４がオンになると、循環経路としての電流経路１３６，１３８が形成される。つまり、コンデンサＣ１に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ２及びトランスＴ１の１次側コイルＬ１を流れる。これにより、トランスＴ１の２次側コイルＬ２に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。また、コンデンサＣ２に蓄積されたエネルギーが放出され、これにより、電流が、コンデンサＣ２、スイッチング素子Ｓ４及びトランスＴ２の１次側コイルＬ３を流れる。これにより、トランスＴ２の２次側コイルＬ４に、マイナス（−）の極性をもった電圧が形成される。２次側コイルＬ２，Ｌ４に形成される電圧（マイナスの電圧）の合計は、２次側コイルＬ６に形成される電圧（プラスの電圧）よりも大きくなる。それ故、２次側に形成される合成電圧の極性はマイナス（−）となる。この場合、２次側に電流経路１４０が形成される。つまり、リアクトルＬ７に蓄積されたエネルギーが放出され、電流が、ダイオードＤ８、リアクトルＬ７及び負荷１６を流れる。そして、期間ｔ６の次に期間ｔ１に戻り、１制御周期における動作が終了する。
FIG. 11C shows a current path formed in the period t6 next to the period t5. In the period t6, the switching element S3 is switched from on to off, and the switching element S4 is switched from off to on. As a result, the switching elements S2, S4, S5 are turned on, and the switching elements S1, S3, S6 are turned off. Since no voltage is applied to the switching element S4 from the
以上のように、本実施形態によると、複数の相アームからの出力電圧をトランスによって合成することにより、合成電圧の高周波化が可能となる。これにより、負荷１６に接続されるフィルターの小型化が可能となる。一例として、３つの相アームからの出力電圧をトランスＴ１〜Ｔ３によって合成することにより、合成電圧の周波数を、各相アームからの出力電圧の周波数の３倍にすることが可能となる。換言すると、同一周波数をもつ合成電圧を単体のスイッチング素子で形成する場合と比べて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６におけるスイッチング動作の低周波化が可能となる。つまり、本実施形態では、単体のスイッチング素子によって合成電圧を形成する場合と比べて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６におけるスイッチング動作の周波数を１／３に低減することが可能となる。これにより、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６にて発生するスイッチング損失を低減することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the synthesized voltage can be increased in frequency by synthesizing the output voltages from the plurality of phase arms by the transformer. Thereby, the filter connected to the
また、直流電源１０からの電圧を利用せずに、コンデンサを含む循環経路を利用することにより、マイナス（−）の極性をもった合成電圧を形成することが可能となる。このとき、負電圧を生成するための循環経路に含まれる素子には、直流電源１０から電圧が印加されない。そのため、コンデンサＣ１〜Ｃ３の容量を低減すること可能となる。つまり、コンデンサＣ１〜Ｃ３として、小容量のコンデンサを利用することが可能となる。その結果、絶縁型電力変換装置の回路構成を小型化することが可能となる。
Further, by using a circulation path including a capacitor without using the voltage from the
また、負電圧を生成するための循環経路に含まれるスイッチング素子は、直流電源１０から電圧が印加されていない状態でオンにされる。それ故、当該スイッチング素子においてスイッチング損失（オン損失）の発生を防止することが可能となる。これにより、スイッチング損失を低減することが可能となる。また、負電圧を形成する相アームにおいて、循環経路に含まれないスイッチング素子はオフにされており、直流電源１０から電圧が印加されていない。それ故、次に当該スイッチング素子をオンするときに、当該スイッチング素子においてオン損失の発生を防止することが可能となる。
The switching element included in the circulation path for generating the negative voltage is turned on in a state where no voltage is applied from the
１０ 直流電源、１２ 正極側ライン、１４ 負極側ライン、１６ 負荷、Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、Ｃ１〜Ｃ３ コンデンサ、Ｔ１〜Ｔ３ トランス。 10 DC power supply, 12 positive line, 14 negative line, 16 load, S1-S6 switching element, D1-D6 diode, C1-C3 capacitor, T1-T3 transformer.
Claims (4)
前記複数のスイッチング素子をオン／オフすることにより、前記複数のスイッチング素子によって構成される複数の相からの出力電圧の極性を切り替える制御部と、
前記複数の相からの出力電圧を合成する複数のトランスと、
を含み、
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子の中で負の極性をもつ出力電圧を生成するためのスイッチング素子、当該スイッチング素子に接続されたコンデンサ、及び、当該スイッチング素子に接続されたトランスによって、前記電源からの電力の供給を受けない循環経路が形成されるように、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御し、
前記コンデンサを用いた前記循環経路によって、負の極性をもつ出力電圧が生成され、
各相は、前記電源の正極側に接続された正極側スイッチング素子と、前記電源の負極側に接続された負極側スイッチング素子と、前記電源と前記正極側スイッチング素子との間に設けられたコンデンサと、一端が前記電源の正極側に接続され、他端が前記正極側スイッチング素子と前記負極側スイッチング素子との間に接続されたトランスと、によって構成されており、
前記制御部は、正の極性をもつ出力電圧を生成するための相においては、前記正極側スイッチング素子をオフにし、前記負極側スイッチング素子をオンにすることにより、前記電源から前記トランスに電力を供給して前記トランスにおいて正の極性をもつ出力電圧を生成し、負の極性をもつ出力電圧を生成するための相においては、前記正極側スイッチング素子をオンにし、前記負極側スイッチング素子をオフにすることにより、前記正極側スイッチング素子、前記コンデンサ、及び、前記トランスによって、前記電源から電力が供給されない前記循環経路を形成し、これにより、前記トランスにおいて負の極性をもつ出力電圧を生成する、
ことを特徴とする絶縁型電力変換装置。 In an insulated power conversion device that includes a plurality of switching elements and converts power supplied from a power source by turning on / off the plurality of switching elements,
A controller that switches the polarity of output voltage from a plurality of phases constituted by the plurality of switching elements by turning on / off the plurality of switching elements;
A plurality of transformers for synthesizing output voltages from the plurality of phases;
Including
The control unit includes a switching element for generating an output voltage having a negative polarity among the plurality of switching elements, a capacitor connected to the switching element, and a transformer connected to the switching element. Controlling the switching operation of the plurality of switching elements so that a circulation path that does not receive power supply from the power source is formed;
An output voltage having a negative polarity is generated by the circulation path using the capacitor ,
Each phase includes a positive side switching element connected to the positive side of the power source, a negative side switching element connected to the negative side of the power source, and a capacitor provided between the power source and the positive side switching element And a transformer having one end connected to the positive electrode side of the power source and the other end connected between the positive electrode side switching element and the negative electrode side switching element,
In the phase for generating an output voltage having a positive polarity, the control unit turns off the positive-side switching element and turns on the negative-side switching element, thereby supplying power from the power source to the transformer. In the phase for supplying and generating an output voltage having a positive polarity in the transformer and generating an output voltage having a negative polarity, the positive side switching element is turned on and the negative side switching element is turned off. By forming the circulation path in which power is not supplied from the power source by the positive-side switching element, the capacitor, and the transformer, thereby generating an output voltage having a negative polarity in the transformer.
An insulated power converter characterized by that.
前記制御部は、負の極性をもつ出力電圧を生成するためのスイッチング素子に前記電源から電力が供給されない状態で、当該スイッチング素子をオンし、これにより前記循環経路を形成する、
ことを特徴とする絶縁型電力変換装置。 In the insulated power converter according to claim 1,
The control unit turns on the switching element in a state where power is not supplied from the power source to the switching element for generating an output voltage having a negative polarity, thereby forming the circulation path.
An insulated power converter characterized by that.
前記制御部は、負の極性をもつ出力電圧を生成するための相において、前記循環経路に含まれないスイッチング素子をオフにする、
ことを特徴とする絶縁型電力変換装置。 In the insulated power converter according to claim 1 or 2,
The control unit turns off a switching element not included in the circulation path in a phase for generating an output voltage having a negative polarity;
An insulated power converter characterized by that.
前記複数の相の数は３以上の奇数である、
ことを特徴とする絶縁型電力変換装置。 In the insulated power converter according to any one of claims 1 to 3 ,
The number of the plurality of phases is an odd number of 3 or more,
An insulated power converter characterized by that.
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