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公開番号2022097870
公報種別公開特許公報(A)
公開日2022-07-01
出願番号2020211103
出願日2020-12-21
発明の名称ハーフブリッジコンバータ
出願人ニチコン株式会社
代理人個人
主分類H02M 3/335 20060101AFI20220624BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ハーフブリッジコンバータにつき、逆流防止用のダイオードを不要化して電力効率を向上するとともに、コストダウンを図る。
【解決手段】ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2を有する転流レグ4を追加する。ハイサイド、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2はそれぞれ同じサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2がターンオンされる直前にターンオンされ、同じサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2がターンオフされる直前にターンオフされる。補助共振トランスT3の主巻線N3を転流レグ4の中性点とメインレグ1の中性点との間に接続する。補助共振トランスT3の二次巻線である補助巻線N3H ,N3L は回生用整流回路12に接続する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
直流の入力端子に接続されたハイサイドラインとローサイドラインとの間に繰り返し交互にオン/オフされるハイサイドのメインスイッチング素子とローサイドのメインスイッチング素子との直列回路からなるメインレグが接続され、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間にハイサイドのコンデンサとローサイドのコンデンサとの直列回路からなるコンデンサレグが接続され、
前記メインレグの中性点と前記コンデンサレグの中性点との間に絶縁トランスの一次巻線が接続され、
前記絶縁トランスの二次側に全波整流回路を介して出力端子が接続され、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路を備え、
前記ARCP回路は転流制御回路と回生用整流回路からなり、
前記転流制御回路は、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子とローサイドの転流用スイッチング素子との直列回路からなる転流レグと、
前記転流レグの中性点と前記メインレグの中性点との間に一次巻線である主巻線が接続されるとともに、前記入力端子に二次巻線である補助巻線が接続された補助共振トランスとを有し、
前記ハイサイドの転流用スイッチング素子は、前記ハイサイドのメインスイッチング素子がターンオンされる直前にターンオンされ、前記ハイサイドのメインスイッチング素子がターンオフされる直前にターンオフされ、
前記ローサイドの転流用スイッチング素子は、前記ローサイドのメインスイッチング素子がターンオンされる直前にターンオンされ、前記ローサイドのメインスイッチング素子がターンオフされる直前にターンオフされるように構成され、
前記回生用整流回路は、前記補助共振トランスにおける前記補助巻線で得られる電流を整流して前記入力端子の側に回生するように構成されていることを特徴とするハーフブリッジコンバータ。
続きを表示(約 90 文字)【請求項2】
前記補助共振トランスにおける前記主巻線は1巻き線方式に構成され、前記補助巻線は2巻き線方式に構成されている請求項1に記載のハーフブリッジコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、蓄電システムなどに用いられるARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole:補助共振転流ポール)回路を備えたハーフブリッジコンバータに関する。
続きを表示(約 3,500 文字)【背景技術】
【0002】
図11は一般的なハーフブリッジコンバータの回路構成を示す。第1の平滑コンデンサC1の両端に直流電圧が入力され、FET(電界効果トランジスタ)で構成されるハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Q
m1
,Q
m2
を直列接続してなるメインレグの中性点に対して絶縁トランスT1の一次巻線N1の一端が接続され、一次巻線N1の他端がハイサイドおよびローサイドのコンデンサC2,C3からなるコンデンサレグの中性点(直列接続点)に接続されている(C2,C3は同一容量)。
【0003】
ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Q
m1
,Q
m2
は、適切な休止期間を設けてPWM制御を行いながら交互にオン/オフを繰り返す。絶縁トランスT1に印加される電圧は、入力直流電圧をハイサイドおよびローサイドのコンデンサC2,C3により半分に分圧される。絶縁トランスT1の二次側は全波整流回路を構成し、二次巻線(N1
H
,N1
L
)に誘起した電圧は、ハイサイドとローサイドの整流ダイオードD1,D2により全波整流され、チョークコイルL1と第2の平滑コンデンサC4によって、必要とする安定化された直流電圧に変換される。
【0004】
図11のハーフブリッジコンバータの場合は、ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Q
m1
,Q
m2
のドレイン・ソース間の電圧波形が矩形波であるのに対し、ドレイン電流波形が台形波となるハードスイッチングで駆動されるため、スイッチングロスが発生するとともに、ドレイン・ソース間電圧の急激な上昇によりノイズが発生するという問題があった。
【0005】
そこで、効率改善とノイズ低減を図るべく、ソフトスイッチング方式としてトランスを利用したARCP回路を適用する双方向チョッパ回路が開発されている。これは、PWM制御でハードスイッチングを行う双方向DC/DCコンバータにARCP回路を追加することにより、効率改善とノイズ低減を図るものである(非特許文献1参照)。
【0006】
図12に従来例のARCP回路を示す。Q
m1
,Q
m2
、D3,D4、C1、C4は図11と同様または対応する構成要素を指し、また、11は補助共振トランスT2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Q
t1
,Q
t2
とハイサイドおよびローサイドの逆流防止用のダイオードD
G1
,D
G2
、共振用のリアクトルLrで構成された転流制御回路、12′はブリッジ構成の整流ダイオードD7,D8,D9,D10で構成された回生用整流回路であり、ARCP回路10は転流制御回路11と回生用整流回路12′とから構成される。C
r1
はハイサイドの共振用のコンデンサ、C
r2
はローサイドの共振用のコンデンサ、LoutはDCリアクトルである。転流制御回路11は、主巻線である2巻き線部分の一次巻線N2
H
,N2
L
のハイサイドに対して直列に接続された逆流防止用のダイオードD
G1
と転流用スイッチング素子Q
t1
の直列回路と、主巻線である2巻き線部分の一次巻線N2
H
,N2
L
のローサイドに対して直列に接続された逆流防止用のダイオードD
G2
と転流用スイッチング素子Q
t2
の直列回路を有している。回生用整流回路12′はフルブリッジ型に構成された4つの整流ダイオードD7,D8,D9,D10を有し、補助共振トランスT2における1巻き線方式の二次巻線N2が整流ダイオードD7,D8の中性点と整流ダイオードD9,D10の中性点との間に接続されている。
【0007】
ハイサイドおよびローサイドの逆流防止用のダイオードD
G1
,D
G2
は、この方式のARCP回路には欠かせないものとなっている。それは、ローサイドにおける2巻き線部分の一次巻線N2
L
と転流用スイッチング素子Q
t2
を含む下アームに電流が流れているとき、2巻き線部分の一次巻線N2
L
から磁気結合を介して二次巻線N2に電流が誘起され、さらにこの二次巻線N2に流れる電流が磁気結合による電磁誘導によってハイサイドの2巻き線部分の一次巻線N2
H
に上向きの逆起電力を発生させ、それに起因して転流制御回路11に逆流が生じることになるが、この逆流を回避するために、転流制御回路11のハイサイド部分に逆流防止用のダイオードD
G1
を挿入している。また、ハイサイドにおける2巻き線部分の一次巻線N2
H
と転流用スイッチング素子Q
t1
を含む上アームに電流が流れているとき、2巻き線部分の一次巻線N2
H
から磁気結合を介して二次巻線N2に電流が誘起され、さらにこの二次巻線N2に流れる電流が磁気結合による電磁誘導によってローサイドの2巻き線部分の一次巻線N2
L
に上向きの逆起電力を発生させ、それに起因して転流制御回路11に逆流が生じることになるが、この逆流を回避するために、転流制御回路11のローサイド部分に逆流防止用のダイオードD
G2
を挿入している。
【0008】
なお、非特許文献1の論文では転流用スイッチング素子Q
t1
,Q
t2
には直列に逆流防止用のダイオードD
G1
,D
G2
が接続された様子が記載されていない。しかし、実際は補助共振トランスT2から発生する逆電圧による逆流を防止するために、転流用スイッチング素子Q
t1
,Q
t2
を含む転流制御回路11において、これらの逆流防止用のダイオードD
G1
,D
G2
は欠かせないものとなっている。すなわち、それ自身の主回路ライン中にハイサイドの2巻き線部分の一次巻線N2
H
とローサイドの2巻き線部分の一次巻線N2
L
とからなる2巻き線方式のトランス主巻線を構成要素とするARCP回路10を採用する限りにおいては、逆流防止用のダイオードD
G1
,D
G2
は不可欠である。
【0009】
図11に示したハーフブリッジコンバータに図12に示した非特許文献1のARCP回路を追加した場合のハーフブリッジコンバータの回路図を図13に示す。以下、図13の構成をもつ従来例のハーフブリッジコンバータの動作を図14~図22を用いて説明する。
【0010】
(A1)図14の動作モードにおいては、ハイサイドのメインスイッチング素子Q
m1
がオン状態にあり、かつローサイドのメインスイッチング素子Q
m2
、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Q
t1
,Q
t2
がオフ状態であるので、入力部とハイサイドのコンデンサC2からハイサイドのメインスイッチング素子Q
m1
を介して絶縁トランスT1の一次巻線N1に電流が流れる。すなわち、ハイサイドの入力端子T
p1
→ハイサイドのメインスイッチング素子Q
m1
→絶縁トランスT1の一次巻線N1→ローサイドのコンデンサC3→ローサイドの入力端子T
n1
の経路で電流が流れる。この場合、絶縁トランスT1において一次巻線N1に電流が流れることによってハイサイドの二次巻線N1
H
に上向きの電圧が誘起され、ハイサイドの整流ダイオードD1→チョークコイルL1→第2の平滑コンデンサC4→ハイサイドの二次巻線N1
H
の経路で電流が流れ、第2の平滑コンデンサC4に対する充電が行われる。
(【0011】以降は省略されています)

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