JP2007097320A

JP2007097320A - 電力変換回路

Info

Publication number: JP2007097320A
Application number: JP2005283756A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Mino; 和明三野
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12
Also published as: US20070070656A1; CN1941589B; CN1941589A; US7586763B2

Abstract

【課題】電力変換回路における部品点数を削減し小形軽量化，低コスト化を図る。
【解決手段】交流電源１にダイオード２１〜２４からなる整流回路とコイル２とスイッチング素子１１〜１４からなるフルブリッジ回路とをカスケード接続し、交流を直流に変換し、さらに直流を交流に変換する電力変換回路において、上記フルブリッジ回路の直流端子間にコンデンサ４とスイッチング素子１５との直列回路を接続し、フルブリッジ構成における１つの上下アームのスイッチング素子、例えば１１と１２または１３と１５をそれぞれ同時にオンする期間を設けて制御することで、掲記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明は、入力力率を改善し高調波を抑制する機能をもつ交流−直流変換回路と、直流から交流に変換する機能をもつ直流−交流変換回路とからなる電力変換回路に関するものである。

図６に、特許文献１に示されるような力率改善回路と、直流−交流（ＤＣ−ＡＣ）変換回路とからなる電力変換回路の従来例を示す。図７はその動作説明図である。
図６において、１は交流電源、２，３はコイル、４，５はコンデンサ、６は変圧器、１１〜１５はスイッチング素子、２１〜２７はダイオードである。すなわち、ダイオード２１〜２４からなる整流回路とスイッチング素子１５とにより力率改善回路（交流−直流変換回路）が、またフルブリッジ構成の変換回路と、ダイオード２６，２７やコンデンサ５からなる整流平滑回路とにより直流−直流変換回路（直流−交流変換回路＋交流−直流変換回路）が形成されている。

上記力率改善回路では、交流電源１の電圧が正の期間にスイッチング素子１５がオンすると、電流は交流電源１→ダイオード２１→コイル２→スイッチング素子１５→ダイオード２４→交流電源１の経路でコイル２の電流ｉ₂が上昇し、スイッチング素子１５がオフすると電流ｉ₂はコイル２→ダイオード２５→コンデンサ４→ダイオード２４→交流電源１→ダイオード２１→コイル２の経路で減少する。一方、交流電源１の電圧が負の場合は、ダイオード２１，２４の代わりにダイオード２３，２２が導通し、上記と同様の動作となる。よって、スイッチング素子１５のゲート信号ｖ_G15を、例えば図７のように変化させることにより電流ｉ₂や入力電流を制御できるので、入力力率を改善し入力電流の高調波を低減できるだけでなく、交流の入力電圧から直流電圧（コンデンサ４の電圧）を得ることができる。

さらに、上記直流−直流変換回路では、スイッチング素子１１と１４がオンしているときに、コンデンサ４に発生している電圧が素子１１と１４を介して変圧器６に印加され、その二次側で整流されることにより交流電源１から絶縁された直流電圧（コンデンサ５の電圧）が得られる。同様に、素子１３と１２がオンすると、変圧器６には負電圧が印加され、二次側にエネルギーが供給される。通常、変圧器に高周波の交流電圧を印加する場合、変圧器が小形化できるようにするために、直流から交流に変換し、さらに交流から直流に変換する上述のような方式が良く用いられる。

特開２００５−１１０４３４号公報

上記のように、図６のような電力変換回路では多くの部品が必要となり、装置の小形軽量化，低コスト化の妨げとなっている。
したがって、この発明の課題は、電力変換回路における部品点数を削減し小形軽量化，低コスト化を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、交流電源にダイオード整流回路とコイルとフルブリッジ構成のスイッチング素子とをカスケード接続して、交流を直流に変換した後、さらに直流を交流に変換する電力変換回路において、
前記フルブリッジ構成のスイッチング素子の直流端子間にコンデンサと他のスイッチング素子との直列回路を接続し、フルブリッジ構成における１つの上下アームのスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記フルブリッジ構成のスイッチング素子における複数の上下アームのスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることができ（請求項２の発明）、または、前記フルブリッジ構成のスイッチング素子のいずれか１つをダイオードで置き換えることができ（請求項３の発明）、もしくは、前記フルブリッジ構成のスイッチング素子における上アームの１つのスイッチング素子と他の下アームの１つのスイッチング素子と前記直列回路のスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、電力変換回路で使用する部品を低減できるので、小形軽量化，低コスト化が可能となる。特に、請求項２の発明によれば、スイッチング素子のオン抵抗が半減しさらに導通損失が低減される。また、請求項３の発明によれば、ゲート駆動回路も省略できるので、スイッチング素子で構成する場合よりも安価に構成することができる。

図１はこの発明の実施の形態を示す回路構成図で、図６に示す従来例に対しフルブリッジ構成の変換回路の直流端子間にコンデンサ４とスイッチング素子１５との直列回路を接続し、ダイオード２５を省略した点が特徴である。
このような構成において、交流電源１の電圧が正の期間にスイッチング素子１１と１２をオンさせると、電流は交流電源１→ダイオード２１→コイル２→スイッチング素子１１と１２→ダイオード２４→交流電源１の経路で流れ、入力電流やコイル２の電流ｉ₂は上昇する。スイッチング素子１１と１２がオフすると、電流ｉ₂はコイル２→コンデンサ４→スイッチング素子１５の寄生ダイオード→ダイオード２４→交流電源１→ダイオード２１→コイル２の経路で流れ、入力電流やコイル２の電流ｉ₂は減少する。

一方、交流電源１の電圧が負の場合は、ダイオード２１，２４の代わりにダイオード２３，２２が導通し、上記と同様の動作となる。よって、スイッチング素子１１と１２が同時にオンする期間を例えば図２のように調整することによって、入力電流を制御でき入力力率を改善することができる。さらに、コンデンサ４には整流された電圧が得られ、交流電圧から直流電圧を得ることができる。

また、直流−直流変換回路では、スイッチング素子１１，１４および１５をオンすることにより、コンデンサ４→素子１１→変圧器６→素子１４→素子１５→コンデンサ４の経路で電圧が変圧器６に印加され、素子１３，１２および１５をオンすることにより、コンデンサ４→素子１３→変圧器６→素子１２→素子１５→コンデンサ４の経路で、変圧器６に負の電圧が印加される。このように変圧器６に発生する交流電圧は、変圧器の二次側で整流されコンデンサ５に絶縁された直流電圧を得ることができる。従来例と比較してダイオード２５を省略でき小形軽量化，低コスト化を実現できる。

図３は図１の別の動作を説明するための動作説明図である。図１のように素子１１と１２だけでなく、素子１３と１４も駆動することで、入力電流を制御するものである。これにより、交流電源１→ダイオード２１または２３→スイッチング素子１１と１２および１３と１４→ダイオード２４または２２→交流電源１の経路で、電流が増加する。よって、素子１１〜１４のオン抵抗は図１の場合の半分になり、導通損失を低減することが可能となる。

図４に図３の変形例を示す。図５はその動作説明図である。
図４からも明らかなように、図３に示すスイッチング素子１３をダイオード２８で置き換えたものである。スイッチング素子よりも安価なダイオードを使用できるだけでなく、ゲート駆動回路を削減でき、さらに小形軽量化，低コスト化を図ることができる。なお、図４ではブリッジを構成するスイッチング素子１３をダイオード２８で置き換えたが、素子１１，１２，１４のいずれかを置き換えるようにしてもよい。

図４における力率改善回路の動作は図１と全く同様で、入力力率が改善されコンデンサ４に直流電圧を得ることができる。また、直流−直流変換回路の動作としては、素子１１，１４および１５をオンすることによって、コンデンサ４→素子１１→変圧器６→素子１４→素子１５→コンデンサ４の経路で、コンデンサ４の電圧が変圧器６に印加される。一方、素子１１，１４および１５をオフすることによって、変圧器６の励磁エネルギーは変圧器６→ダイオード２８→コンデンサ４→素子１５の寄生ダイオード→素子１２の寄生ダイオード→変圧器６の経路で回生され、変圧器６がリセットされる。二次側では、素子１１，１４および１５がオンしている期間に一次側からエネルギーが供給され、コンデンサ５には絶縁された直流電圧が得られる。

この発明の実施の形態を示す回路構成図図１の動作を説明するための動作説明図図１の別の動作を説明するための動作説明図図１の変形例を示す回路構成図図４の動作を説明するための動作説明図従来例を示す回路構成図図６の動作を説明するための動作説明図

符号の説明

１…交流電源、２，３…コイル、４，５…コンデンサ、６…変圧器、１１〜１５…スイッチング素子、２１〜２８…ダイオード。

Claims

交流電源にダイオード整流回路とコイルとフルブリッジ構成のスイッチング素子とをカスケード接続して、交流を直流に変換した後、さらに直流を交流に変換する電力変換回路において、
前記フルブリッジ構成のスイッチング素子の直流端子間にコンデンサと他のスイッチング素子との直列回路を接続し、フルブリッジ構成における１つの上下アームのスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることを特徴とする電力変換回路。
前記フルブリッジ構成のスイッチング素子における複数の上下アームのスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
前記フルブリッジ構成のスイッチング素子のいずれか１つをダイオードで置き換えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
前記フルブリッジ構成のスイッチング素子における上アームの１つのスイッチング素子と他の下アームの１つのスイッチング素子と前記直列回路のスイッチング素子をそれぞれ同時にオンする期間を設けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。