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公開番号2021093796
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210617
出願番号2019221835
出願日20191209
発明の名称絶縁形DC-DCコンバータ
出願人個人
代理人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210521BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】共振回路動作周波数の制御自由度を向上させた絶縁形DC-DCコンバータの制御方法を提供する。
【解決手段】絶縁形DC-DCコンバータ回路200は、方形波インバータ210と、高周波変圧器220と、整流回路230と、LC共振回路240と、LCフィルタ回路250と、を備える。方形波インバータ210を、LC共振回路240の共振周期にほぼ一致する時間幅の正負の電圧と零電圧期間を含む1周期単位の連続する方形波電圧波形の零電圧期間を調整する事により、スイッチング損失の低減とスイッチングノイズの低減および変圧器の小型軽量化や高効率化と出力電圧、出力電流の制御を可能とする。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項1】
直流電圧源に接続した電圧形方形波インバータの交流出力から変圧器を介し、必要とする交流電圧に変圧した出力をダイオード整流回路で整流して、その直流回路側に配置した共振キャパシタと交流回路から直流回路のインダクタを共振インダクタとするLC共振回路に接続し、前記共振キャパシタの両端にLCフィルタ回路を接続して、前記LCフィルタのキャパシタの両端を負荷に導く直流―交流―直流変換回路において、前記電圧形方形波インバータで前記LC共振回路の共振周期にほぼ一致する同じ期間幅の正、負の出力電圧と前記LC共振回路の共振動作が継続できるに必要な零電圧出力期間を含む1周期単位の連続する方形波電圧を発生させて前記LC共振回路に加えることにより、前記電圧形方形波インバータのスイッチング素子の電流が零あるいはほぼ零に近い値でソフトスイッチング動作をさせて、前記LC共振電流を負荷電流の大きさに応じた大きさで働かせ、大きな共振電流が流れることによる不必要な電流損失を防ぐことを特徴とする電流共振型ソフトスイッチング制御絶縁形DC-Dコンバータ。
続きを表示(約 800 文字)【請求項2】
請求項1記載のDC-DCコンバータにおいて、前記電圧形方形波インバータで共振動作が継続できるに必要な零電圧期間を含む1周期単位からの連続する方形波電圧波形列に、零電圧のみを出力する期間を入れてその零電圧出力期間を調整することにより、前記共振キャパシタにかかる平均電圧を制御して、前記LCフィルタ回路からの出力電圧、出力電流を制御することを特徴とする電流共振型ソフトスイッチング制御絶縁形DC-DCコンバータ。
【請求項3】
請求項1記載のDC-DCコンバータにおいて、前記電圧形方形波インバータで前記ソフトスイッチング動作をさせるために発生する1周期単位の連続する方形波電圧波形の零電圧出力期間を調整することにより、前記LC共振回路の定数を変えることなく方形波電圧の動作周波数が変えられることを特徴とする電流共振型ソフトスイッチング制御絶縁形DC-DCコンバータ。
【請求項4】
請求項1から3記載のDC-DCコンバータにおいて、変圧器が偏磁しないように前記電圧形方形波インバータから前記変圧器への一次電流を検出してその電流に直流成分が生じないように、前記電圧形方形波インバータの出力電圧波形の正負電圧の時間幅を調整することを特徴とする電流共振型ソフトスイッチング制御絶縁形DC-DCコンバータ。
【請求項5】
請求項1から4記載のDC-DCコンバータにおいて、前記電圧形方形波インバータのスイッチング動作により、前記共振キャパシタの電圧が下がったときの充電電流を前記平滑インダクタの電流を逆流させ負荷側からも給電できる程度の大きさの平滑インダクタで前記LCフィルタ回路を構成することにより、前記電圧形方形波インバータから給電される電流の大きさを抑制することを特徴とする電流共振型ソフトスイッチング制御絶縁形DC-DCコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、広範な直流出力電圧設定が可能な節煙型DC-DCコンバータの小型・軽量・高効率化とスイッチングノイズの低減化に貢献する技術である。
続きを表示(約 4,800 文字)【背景技術】
【0002】
近年、パワーエレクトロニクス装置の急激な発達と、リチウムイオン電池などの蓄電池の発達普及とも相まって、小型・軽量・高効率の小中容量の様々な出力電圧レベルの直流電源装置から、容量の大きなものでは周波数変換電源やモータドライブ用のインバータの直流電源など幅広い応用分野でDC-DCコンバータの需要が高まってきた。
【0003】
DC-DCコンバータは、大幅な電圧変換制御が求められる場合、スイッチングデューティだけで電圧制御を行うと効率が著しく低下するとともに、DC-DCコンバータで直流電源と直流出力間で絶縁がとられていない場合は、適用できる範囲も限定されるなどの課題がある。
【0004】
このため、直流電源を一度交流に変換して、変圧器で必要な電圧出力が得られる電圧に変換した後、整流回路、フィルタ回路を介して直流出力を得る絶縁形DC-DCコンバータが用いられている。
【0005】
この変圧器の小型化軽量化のため、高い周波数の交流電圧が要求されるが、インバータで高周波電圧を流れている電流に関係なくスイッチングするハードスイッチングで発生させると、スイッチング損失やスイッチングノイズなどの課題を生じる。
【0006】
このため、ハードスイッチング制御に代わり電圧あるいは電流が零あるいはこれに近い状態でスイッチングさせるソフトスイッチング制御を用いた様々なDC-DCコンバータが提案されているが、LC共振作用による振動電流損失の増加や素子耐圧の増加や、部分共振によるものは回路構成や制御システムが複雑化するなどの傾向にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
特開平1−157273:「直列共振型DC-DCコンバータ」 フォワードDCDC
特開平1−218352:「スイッチング電源回路」 同じ回路構成
特開平4−368464:「直流電源装置」変圧器+スイッチ回路
特開2003−259643:「電流共振型ソフトスイッチング電源回路」C
特願2016−181995:「DC-DCコンバータ」 変圧器、零電圧スイッチ
【0008】
ソフトスイッチング制御には、代表的なものに電圧共振型のもの電流共振型のものがあり、前者は電圧共振により、電圧が零のときにオン、オフするゼロ電圧スイッチング (ZVS: Zero Voltage Switching )を実現し、後者は電流共振により、電流が零のときにオン、オフするゼロ電流スイッチ(ZCS: Zero Current Switching)を実現して、いずれもスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することを目的とするスイッチング制御手法であり、通常のハードスイッチング制御と区別されている。
【0009】
ソフトスイッチング制御は、電圧共振型では大きな振動電圧が素子の耐圧に、電流共振型では大きな共振電流が素子の電流容量の増大と通電損失の増加につながるため、これらのスイッチング制御の適用可能範囲は限られている。
【0010】
このため、スイッチングの瞬間だけ共振させる部分共振手法の研究も進み、一部で実用化されているが、一般に回路構成が複雑化するなどの課題と適用分野が限られることから、現在も様々なソフトスイッチング制御DによるDC-DCコンバータ回路や、上述した高周波変圧器を用いた絶縁用DC-DCコンバータの実用化研究、応用研究が行われている。
【0011】
本発明は、新しいソフトスイッチング制御法を中核としたDC-DCコンバータや、高周波変圧器を組み合わせた絶縁形DC-DCコンバータに関するものであり、スイッチング損失の低減、スイッチングノイズの低減に加えて、特に大幅な電圧変換制御を高効率で実現することを目指したものである。
【0012】
これまでの共振ソフトスイッチング制御手法に関する先行技術文献のうち、特徴的な先行技術文献を公開年代順に挙げたが、本発明の電流共振型ソフトスイッチング制御手法とは以下の点で異なっている
【0013】
本発明は零電流スイッチ作用によっており、先行技術文献のうち、(特許文献1)から(特許文献4)は零電流スイッチ作用であるが、(特許文献5)は零電圧スイッチ作用によるもので、ソフトスイッチの制御手段そのものが異なっている。
【0014】
次に、(特許文献1)は、フォワードコンバータであり、また、(特許文献4)は、共振用キャパシタが交流回路に入れられており、共に、共振動作を利用しているが、本発明の回路構成によるDC-DCコンバータとは、回路構成及び制御手法が全く異なっている。
【0015】
そして、(特許文献2)は、変圧器を用いない場合の主回路構成としては同じであるが、共振動作を利用しているが、共振キャパシタの電圧を毎周期零電圧まで下げている点で、スイッチング制御手法が異なっている。
【0016】
また、(特許文献3)は、変圧器を用いた本発明の回路構成によるDC-DCコンバータと類似している回路構成となっているが、共振キャパシタに直列にスイッチ回路が設けられており、そのスイッチ動作により、これも共振キャパシタの電圧を毎周期零電圧まで下げているなど、回路構成とソフトスイッチング制御手法が異なっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0017】
一般の電流共振形ソフトスイッチング回路の制御法は、(特許文献2)、(特許文献3)の制御手法で見られるように、いずれも共振キャパシタの電圧が制御周期毎に零電圧まで放電した時点で、LC共振回路に給電スイッチが入るため、大きな共振電流が負荷の軽重に関係なく流れることによる大きな電流損失が課題となっている、
【0018】
ここで、ソフトスイッチング制御を実現するために、一般の電流共振形ソフトスイッチング回路による一般的な制御法では、負荷の軽重に関係なく常時大きな振動電流を伴う原因を次に示す。
【0019】
図1は、電流共振によりソフトスイッチング制御を実現する代表的な回路であり、一般には、直流電源に対してスイッチSをLCで構成されるLC共振回路の共振周波数に同期させてオンオフ制御することにより、図2に示すようにスイッチ素子Sをオンさせると電流がダイオードD1を通して流れた後、ダイオードD2を通して流れる共振回路が形成されるため、スイッチ素子Sがオン時点とオフ時点では零電流となっているため零電流スイッチング(ZCS)が実現できている。
【0020】
そして、負荷電流ioは、Ld,Cdで構成されるLCフィルタ回路のインダクタLdによりほぼ一定の電流源として供給されるとともに、直流出力電圧Voは、共振キャパシタCrの平均電圧として出力される。
【0021】
ここで、共振キャパシタCrの電圧は、共振回路電流により一度充電された後、零電圧となるため、スイッチングの度に負荷の重軽にかかわらず大きな振動電流を伴うため、ソフトスイッチングが実現できていても、特に軽負荷時においても大きな振動電流による回路損失を生じるため、効率低下につながり、これが実用化に向けての大きなネックとなっている。
【0022】
次に、出力電圧を制御する場合、これまでのソフトスイッチング制御手法では毎周期、共振キャパシタの電圧が零まで低下させているため、その期間を調整することでLCフィルタを介した出力電圧を変えることができるが、本発明の制御手法は後述するが毎周期、共振キャパシタの電圧が零まで低下させないため、如何に出力電圧制御するかが課題となる。
【0023】
このため、電圧制御手法として、ソフトスイッチング動作をさせる電源からの給電共振動作モードに対して、無給電期間を設けて共振キャパシタの電圧を低下させることにより、LCフィルタ回路の出力を制御する方法が考えられる毎ではないが、大きなスパイク状の電流が流れる恐れがあるのでその対策が課題となる。
【0024】
さらに、大幅な電圧制御と絶縁出力を得るために、変圧器を用いた絶縁形DCDCコンバータの構成においては、変圧器が偏磁して大きな電流が流れる恐れがあり、その対策も実用化する上での課題となる。
【0025】
また、これまでに提案されているソフトスイッチング制御手法においては、LC共振回路の共振周波数にほぼ同期してスイッチング制御動作をさせることを前提としているため、スイッチング動作周波数はLC共振周波数で決まってしまい動作周波数に制約を伴う。
【課題を解決するための手段】
【0026】
先ず、これまでのソフトスイッチング手法を用いたDC-DCコンバータがスイッチング周期毎に大きな共振電流が流れ電流回路損失を伴う大きな課題を解決するための手段として、本発明の基本となるDCDCコンバータ回路構成と制御手段を示し、次いでスイッチ回路に電圧型インバータと変圧器を用いた構成として絶縁と大幅な電圧変換を可能とする絶縁型DC-DCコンバータの回路構成と基本的な制御手法を示すと共に、出力電圧制御に伴う給電時の電流パルスの問題、変圧器の偏磁の問題および共振回路動作周波数の制約等の課題を克服するための手段を述べる。
【0027】
図3は本発明の電流型ソフトスイッチング制御絶縁形DC−DCコンバータの基本回路であり、図1の回路と比較すると、共振回路電流の返りの電流をダイオードD1でブロックするとともに、スイッチSがオフになったときのフリーフォイーリングダイオードD2で共振インダクタLrの電流経路を確保する回路構成となっている。
【0028】
なお、同じ回路構成をとる(特許文献2)においては、類似する回路構成が示されているが、制御手段としては、スイッチをオンすることによる振動電流が流れ終えても共振キャパシタの電圧が零になるまでスイッチのオン状態を維持している制御手法をとっているため、LCフィルタ回路電流により共振キャパシタCrが逆充電されないようにフリーフォイーリングダイオードを共振キャパシタの両端に追加接続することが不可欠となっており、毎周期共振キャパシタの電圧を零に低下させる制御手段がとられており、これまでのソフトスイッチング制御と同様に、スイッチング周期毎に、負荷の軽重に関係なく大きな共振電流が流れる、大きな電流損失が課題となっている。
【0029】
これに対して、本発明の制御手法は、LC共振電流が零あるいはほぼ零に近い値でスイッチオフしてLC共振動作が継続できるに必要な無給電期間を設けた後、共振キャパシタの電圧は維持した状態で再度スイッチを投入する制御手法を採っているため、スイッチ投入時点での電源電圧と共振キャパシタの電圧差が小さくできるため、LC共振による振動電流を小さくできるところに大きな特徴がある。
【0030】
図4は、図3の回路で本発明の制御手段による動作波形を示しており、スイッチSがオンした時点で直流電源EBからダイオードD1を通してLC共振回路に振動電流が零から流れ始め、スイッチがオフする時点では電流が零となっているため、零電流スイッチング(ZCS)を実現している、
(【0031】以降は省略されています)

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