JP2013038921A - 昇圧チョッパ回路およびこれを備えた電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングトランジスタとしては従来の半分以下程度の耐圧のトランジスタを使用可能とした昇圧チョッパ回路を提供すること。
【解決手段】直流電源にコイルＬ１とトランジスタＱ１，Ｑ２とを直列接続し、トランジスタＱ１の両端にダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路を接続し、トランジスタＱ２の両端にダイオードＤ２とコンデンサＣ２との直列回路を接続し、トランジスタＱ１，Ｑ２をオンにしてコイルＬ１にエネルギ蓄積し、次にトランジスタＱ１のみオンにし、コイルＬ１、トランジスタＱ１、コンデンサＣ２、ダイオードＤ２の経路でコイルＬ１のエネルギをコンデンサＣ２に充電し、さらに次に、トランジスタＱ１，Ｑ２をオンにしてコイルＬ１にエネルギ蓄積し、次に、トランジスタＱ２のみオンにし、コイルＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、トランジスタＱ２の経路でコイルＬ１のエネルギをコンデンサＣ１に充電する構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧チョッパ回路およびこれを備えた電源装置に関するものである。

図７を参照して従来の昇圧チョッパを含む電源装置を説明すると、この電源装置は、商用電源１、この商用電源１より供給される交流電力を全波整流して平滑にする整流回路２、整流回路２の出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路３、昇圧チョッパ回路３の出力を負荷に供給するインバータ回路４で構成される。

昇圧チョッパ回路３は昇圧コイル３１、スイッチングトランジスタ３２、ダイオード３３、およびコンデンサ３４から構成される。

このような昇圧チョッパ回路３においては、商用電源１の電圧を整流回路２で整流した直流電圧が２８０−３００Ｖ程度である。このとき、コンデンサ３４の両端電圧として１５００Ｖ程度が要求される場合がある。そして、コンデンサ３４の両端電圧が１５００Ｖ程度に昇圧させると、スイッチングトランジスタ３２には、２５００Ｖとか３０００Ｖ程度の高耐圧のトランジスタが必要となる。

しかしながら、このような高耐圧のトランジスタは種類も限定されるうえ、価格が高価格であり、昇圧チョッパ回路の価格が高くなり、製品としては採用し難い回路となる。

特開２００８−０８４６２７号公報

本発明においては、コンデンサの両端電圧として例えば１５００Ｖ程度が要求される場合でも、スイッチングトランジスタとしては前記した高耐圧と比較して少なくとも半分以下程度の耐圧のトランジスタを使用できるようにした昇圧チョッパ回路およびこれを有する電源装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明による昇圧チョッパ回路は、直流電源の正側または負側の少なくとも一方にコイルを接続し、前記直流電源の正側に前記コイルを介してまたは直接に第１トランジスタの電流流入部を接続し、
前記第１トランジスタの電流流出部に第２トランジスタの電流流入部を共通に接続し、前記第２トランジスタの電流流出部を前記直流電源の負側に前記コイルを介してまたは直接に接続し、
前記第１トランジスタの電流流入部に第１ダイオードのアノードを接続し、前記第１ダイオードのカソードを第１コンデンサの一方極に接続し、
前記第１コンデンサの他方極を前記第１トランジスタの電流流出部と前記第２トランジスタの電流流入部との共通接続部に接続し、前記共通接続部に第２コンデンサの一方極を接続し、
前記第２コンデンサの他方極を第２ダイオードのアノードに接続し、前記第２ダイオードのカソードを前記第２トランジスタの電流流出部に接続した、ことを特徴とする。

本発明の一態様として、前記コイルは、直流電源の正側と第１トランジスタの電流流入部との間ではなく、直流電源の負側と第２トランジスタの電流流出側との間に設けてもよいし、両方に設けてもよい。

前記コイルを両方に設ける場合は、これら両コイルは密に結合することが好ましい。

なお、昇圧チョッパ回路の昇圧出力部に単相３レベルインバータを備えた電源装置を構成することができる。

また、前記昇圧チョッパ回路の昇圧出力部に３相３レベルインバータを備えた電源装置を構成することができる。

また、前記昇圧チョッパ回路を複数備え、各昇圧チョッパ回路は、それぞれの昇圧のための一対の電圧入力部と、昇圧した電圧を出力する一対の電圧出力部との間で並列に接続して電源装置を構成することができる。この電源装置では、各昇圧チョッパ回路内の第１、第２コンデンサの共通接続部は分離することが好ましい。

本発明の昇圧チョッパ回路では、コンデンサを２つとし、各コンデンサの両端電圧をそれに対応する２つのスイッチングトランジスタで分担できるので、両コンデンサ全体で例えば１５００Ｖ程度が要求される場合でも、各スイッチングトランジスタとしては従来で要求されていた２５００Ｖとか３０００Ｖ程度という高耐圧のトランジスタと比較して少なくとも半分以下程度の耐圧のトランジスタを使用することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る昇圧チョッパ回路の回路図である。 図２は、図１の昇圧チョッパ回路の動作の説明に供する回路図である。 図３は、昇圧チョッパ回路の変形例を示す回路図である。 図４は、実施形態の昇圧チョッパ回路と単相３レベルインバータとを含む電源装置の回路図である。 図５は、実施形態の昇圧チョッパ回路と３相３レベルインバータとを含む電源装置の回路図である。 図６は、実施形態の昇圧チョッパ回路を複数並列接続した電源装置の回路図である。 図７は、従来の昇圧チョッパ回路の回路図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る昇圧チョッパ回路を説明する。図１を参照して実施形態の昇圧チョッパ回路を説明すると、この昇圧チョッパ回路は、コイルＬ１、スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１，Ｃ２を備える。図１には、これら第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２のオンオフを制御する回路は図示を略している。

ＩＮ１は図示略の直流電源の正側が接続される端子であり、ＩＮ２は同直流電源の負側が接続される端子である。端子ＩＮ１，ＩＮ２に図示略の直流電源が接続され、端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に図示略の負荷が接続される。なお、この直流電源は、出力電圧に脈動が有る場合も、無い場合も含む。

端子ＩＮ１を介して直流電源の正側には、コイルＬ１を介して第１スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ（電流流入部）が接続される。第１スイッチングトランジスタＱ１のエミッタ（電流流出部）は、第２スイッチングトランジスタＱ２のコレクタ（電流流入部）に共通に接続される。第２スイッチングトランジスタＱ２のエミッタ（電流流出部）は、端子ＩＮ２を介して直流電源の負側に接続される。実施形態のトランジスタは、バイポーラタイプ（ＩＧＢＴ、等を含む）であるが、本発明はこのタイプのトランジスタに限定されず、ＦＥＴなどの他のタイプのトランジスタでもよい。また、第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２は、耐圧耐量や電流容量が大きいパワートランジスタであり、これらのトランジスタでベースやゲートなどの制御入力部の制御により、電流が一方端子から流入する場合の該一方端子側を電流流入部とし、電流が他方端子へ流出する場合の該他方端子側を電流流出部とする。

第１スイッチングトランジスタＱ１のコレクタとコイルＬ１との接続部には、第１ダイオードＤ１のアノードが接続される。第１ダイオードＤ１のカソードは、第１コンデンサＣ１の一方極に接続される。第１コンデンサＣ１の他方極は、第１スイッチングトランジスタＱ１のエミッタに接続される。第２スイッチングトランジスタＱ２のコレクタは、第２コンデンサＣ２の一方極が接続される。第２コンデンサＣ２の他方極は、第２ダイオードＤ２のアノードに接続される。第２ダイオードＤ２のカソードは第２トランジスタＱ２のエミッタと共に電流流入部ＩＮ２に接続される。

第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフする制御部は図示を略している。この制御部は、図２を参照して説明する昇圧チョッパ回路の動作を制御することができる。この制御部は所要のデューティで第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフするものとする。

図２（ａ）ないし（ｅ）を参照して昇圧チョッパ回路の動作を説明する。

昇圧チョッパ回路は、直流電源の電圧の高さ、第２コンデンサＣ２の電圧の高さ、第１コンデンサＣ１の電圧の高さの状態によって、動作モードが変わる。

第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２が共にオフしていて、直流電源の電圧の高さが第２コンデンサＣ２の電圧の高さと第１コンデンサＣ１の電圧の高さと等しいときがある。これを休止モードであり、動作モード０とする（図２（ａ））。

第２コンデンサＣ２の電圧の高さと第１コンデンサＣ１の電圧の高さとの和にかかわらず次に述べる４つの動作モードがある。

第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２が共にオンして、直流電源のエネルギが放出されコイルＬ１に蓄積される動作モード１（図２（ｂ））。

第１スイッチングトランジスタＱ１がオン、第２スイッチングトランジスタＱ２がオフして，直流電源とコイルＬ１のエネルギが放出され第２コンデンサＣ２に蓄積、充電される動作モード２（図２（ｃ））。

第２スイッチングトランジスタＱ２がオン、第１スイッチングトランジスタＱ１がオフして，直流電源とコイルＬ１のエネルギが放出され第１コンデンサＣ１に蓄積、充電される動作モード３（図２（ｄ））。

第１スイッチングトランジスタＱ１、第２スイッチングトランジスタＱ２が共にオフして、直流電源とコイルＬ１のエネルギが放出され第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２に蓄積、充電される動作モード４（図２（ｅ））。

さらに、直流電源の電圧の高さが、第２コンデンサＣ２の電圧の高さおよび第１コンデンサＣ１の電圧の高さより高いときには、次に述べる２つの動作モードがある。

第１スイッチングトランジスタＱ１がオン、第２スイッチングトランジスタＱ２がオフして，直流電源のエネルギが放出され、コイルＬ１に蓄積されると共に第２コンデンサＣ２にも蓄積、充電される動作モード５（図は図２（ｃ）と同じ）。

第２スイッチングトランジスタＱ２がオン、第１スイッチングトランジスタＱ１がオフして，直流電源のエネルギが放出され、コイルＬ１に蓄積されると共に第１コンデンサＣ１にも蓄積、充電される動作モード６（図は図２（ｄ）と同じ）。

なお、直流電源の高さが、第２コンデンサＣ２の電圧の高さと第１コンデンサＣ１の電圧の高さの和より高いときは定常的には存在しない。

動作モード０では、図２（ａ）に示すように電流は流れない。

動作モード１では、第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２を共にオンする。これにより、図２（ｂ）に示すように、直流電源（図示せず）、コイルＬ１と第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２とからなる矢印の経路（１）で電流が流れ、直流電源からエネルギが放出され、コイルＬ１にエネルギが蓄積される。

動作モード２では、第２コンデンサＣ２への充電のため、第１スイッチングトランジスタＱ１をオン、第２スイッチングトランジスタＱ２をオフにする。図２（ｃ）に示すように、直流電源（図示せず）、コイルＬ１と、第１スイッチングトランジスタＱ１と、第２コンデンサＣ２、第２ダイオードＤ２とからなる矢印の経路（２）で電流が流れ、直流電源とコイルＬ１のエネルギが放出され、第２コンデンサＣ２にエネルギが蓄積、第２コンデンサＣ２に充電される。

動作モード３では、第１コンデンサＣ１への充電のため、第２スイッチングトランジスタＱ２をオン、第１スイッチングトランジスタＱ１をオフにする。図２（ｄ）に示すように、直流電源（図示せず）、コイルＬ１と、第１ダイオードＤ１、第１コンデンサＣ１、第２スイッチングトランジスタＱ２とからなる矢印の経路（３）で電流が流れ、直流電源とコイルＬ１のエネルギが放出され、第１コンデンサＣ１にエネルギが蓄積、第１コンデンサＣ１に充電される。

動作モード４では、第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２を共にオフする。これにより、図２（ｅ）に示すように、直流電源（図示せず）、コイルＬ１と第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２とからなる矢印の経路（４）に電流が流れて、直流電源とコイルＬ１のエネルギーが放出され、第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２にエネルギが蓄積、充電される。

動作モード５では、直流電源の電圧が第２コンデンサＣ２の電圧より高いときのモードである。図２（ｃ）に示すように、第１スイッチングトランジスタＱ１がオン、第２スイッチングトランジスタＱ２がオフし、直流電源（図示せず）、コイル１と第１スイッチングトランジスタＱ１、第２コンデンサＣ２、第２ダイオードＤ２とからなる矢印の経路（２）に電流が流れて、直流電源のエネルギが放出されて、コイルＬＩに蓄積するとともに、第２コンデンサＣ２にも蓄積、充電される。

動作モード６では、直流電源の電圧が第１コンデンサＣ１の電圧より高いときのモードである。図２（ｄ）に示すように、第２スイッチングトランジスタＱ２がオン、第１スイッチングトランジスタＱ１がオフし、直流電源（図示せず）、コイルＬ１と第１ダイオードＤ１、第１コンデンサＣ１、第２スイッチングトランジスタＱ２とからなる矢印の経路（３）に電流が流れて、直流電源のエネルギが放出されて、コイルＬＩに蓄積するとともに、第１コンデンサＣ１にも蓄積、充電される。

こうした動作モードを繰り返すことにより、第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の両端間の合計電圧が昇圧されてくるが、第１スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ・エミッタ間には、第１コンデンサＣ１両端間の電圧が印加され、第２スイッチングトランジスタＱ２のコレクタ・エミッタ間には、第２コンデンサＣ２両端間の電圧が印加される。

したがって、第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の容量が同じであるとして、第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２としては、前記合計電圧の半分程度の耐圧を有するトランジスタを使用することができ、このことは従来の昇圧チョッパ回路で使用するスイッチングトランジスタに求められる耐圧の約半分の耐圧で済むことになる。

なお、図１では、コイルＬ１は、直流電源の正側に接続されているのみであったが、図３（ａ）で示すように、直流電源の負側にコイルＬ２のみを接続してもよいし、図３（ｂ）で示すように、直流電源の正側と負側との両方にコイルＬ１，Ｌ２を接続してもよい。なお、図３（ｂ）では、コイルＬ１，Ｌ２は密に結合することが好ましい。

図４は、昇圧チョッパ回路と、単相３レベルインバータとを組み合わせた電源装置の回路図を示す。１は、昇圧チョッパ回路、２は単相３レベルインバータ、３は負荷である。

昇圧チョッパ回路１は、図１と同様の回路であり、符号は図１に合わせて示す。ただし、この昇圧チョッパ回路１は、端子ＩＮ１，ＩＮ２それぞれに密結合されたコイルＬ１，Ｌ２で示すが、この密結合は必要要件ではなく、図１で示すように、端子ＩＮ１側だけにコイルＬ１を設けたり、図３（ａ）で示すように、端子ＩＮ２側だけにコイルＬ２を設けたり、あるいは図３（ｂ）で示すように、端子ＩＮ１、ＩＮ２の両方にコイルＬ１，Ｌ２を密結合せずに設けたりすることでも使用できる。

単相３レベルインバータ２は、４つのトランジスタＳ１ｕ−Ｓ４ｕと、さらに４つのトランジスタＳ１ｖ−Ｓ４ｖと、個々のトランジスタに逆並列接続されたダイオードＤ１ｕ−Ｄ４ｕ、Ｄ１ｖ−Ｄ４ｖと、上下２つずつのトランジスタＳ１ｕ，Ｓ２ｕ；Ｓ３ｕ，Ｓ４ｕ；Ｓ１ｖ，Ｓ２ｖ；Ｓ３ｖ，Ｓ４ｖの接続中点ａ−ｄと、昇圧チョッパ回路１の第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の接続中点Ｏとを接続するダイオードＤ５ｕ，Ｄ６ｕ；Ｄ５ｖ，Ｄ６ｖとから構成される。そして、４つのトランジスタＳ１ｕ−Ｓ４ｕのうち、上２つのトランジスタＳ１ｕ，Ｓ１ｕと下２つのトランジスタＳ３ｕ，Ｓ４ｕの接続中点Ｕと、４つのトランジスタＳ１ｖ−Ｓ４ｖのうち、上２つのトランジスタＳ１ｖ，Ｓ１ｖと下２つのトランジスタＳ３ｖ，Ｓ４ｖの接続中点Ｖとの間に、負荷３が接続される。

この単相３レベルインバータ２では、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧をＥｄ／２とすると、詳細は略するが、前記トランジスタに対するＰＷＭ制御により、Ｕ，Ｖ間の出力電圧Ｅｕｖが、±Ｅｄ／２、０の３つの値をとることができるように制御することができる。

この電源装置では、昇圧チョッパ回路１の第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の中性点Ｏに対応して、単相３レベルインバータ２を接続すると、該単相３レベルインバータ２内のトランジスタに低耐圧のものを使用することができる。

図５は、昇圧チョッパ回路と、３相３レベルインバータとを組み合わせた電源装置の回路図を示す。１は、昇圧チョッパ回路、２ａは３相３レベルインバータ、３ａは３相負荷（３相モータ）である。

昇圧チョッパ回路１は、図１と同様の回路であり、符号は図１に合わせて示す。ただし、この昇圧チョッパ回路１は、端子ＩＮ１，ＩＮ２それぞれに密結合されたコイルＬ１，Ｌ２で示すが、この密結合は必要要件ではなく、図１で示すように、端子ＩＮ１側だけにコイルＬ１を設けたり、図３（ａ）で示すように、端子ＩＮ２側だけにコイルＬ２を設けたり、あるいは図３（ｂ）で示すように、端子ＩＮ１、ＩＮ２の両方にコイルＬ１，Ｌ２を密結合せずに設けたりすることでも使用できる。

３相３レベルインバータ２ａは、４つのトランジスタＳ１ｕ−Ｓ４ｕと、４つのトランジスタＳ１ｖ−Ｓ４ｖと、さらに４つのトランジスタＳ１ｗ−Ｓ４ｗと、個々のトランジスタに逆並列接続されたダイオードＤ１ｕ−Ｄ４ｕ、Ｄ１ｖ−Ｄ４ｖ、Ｄ１ｗ−Ｄ４ｗと、上下２つずつのトランジスタＳ１ｕ，Ｓ２ｕ；Ｓ３ｕ，Ｓ４ｕ；Ｓ１ｖ，Ｓ２ｖ；Ｓ３ｖ，Ｓ４ｖ；Ｓ１ｗ，Ｓ２ｗ；Ｓ３ｗ，Ｓ４ｗの接続中点ａ−ｆと、昇圧チョッパ回路１の第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の接続中点Ｏとを接続するダイオードＤ５ｕ，Ｄ６ｕ；Ｄ５ｖ，Ｄ６ｖ；Ｄ５ｗ，Ｄ６ｗとから構成される。そして、４つのトランジスタＳ１ｕ−Ｓ４ｕのうち、上２つのトランジスタＳ１ｕ，Ｓ１ｕと下２つのトランジスタＳ３ｕ，Ｓ４ｕの接続中点Ｕと、４つのトランジスタＳ１ｖ−Ｓ４ｖのうち、上２つのトランジスタＳ１ｖ，Ｓ１ｖと下２つのトランジスタＳ３ｖ，Ｓ４ｖの接続中点Ｖと、４つのトランジスタＳ１ｗ−Ｓ４ｗのうち、上２つのトランジスタＳ１ｗ，Ｓ１ｗと下２つのトランジスタＳ３ｗ，Ｓ４ｗの接続中点Ｗとの間に、３相モータ等の３相負荷３ａが接続される。

この電源装置では、昇圧チョッパ回路１の第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の中性点Ｏに対応して、３相３レベルインバータ２ａを接続すると、該３相３レベルインバータ２ａ内のトランジスタに低耐圧のものを使用することができる。

図６は、複数の昇圧チョッパ回路を複数、並列接続した電源装置である。この電源装置は、同じ回路構成の昇圧チョッパ回路５，６を有する。各昇圧チョッパ回路５，６は、それぞれ、コイルＬ１，Ｌ２、第１、第２スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２、第１、第２ダイオードＤ１，Ｄ２、第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２を備えており、それぞれのコイルＬ１，Ｌ２側が端子ＩＮ１，ＩＮ２間に並列に、また、それぞれの第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２側が端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に並列に接続されている。この電源装置では各昇圧チョッパ回路５，６それぞれにおけるコイルＬ１，Ｌ２は密に結合していると共に、それぞれの第１、第２コンデンサＣ１，Ｃ２の接続中点Ｏ１，Ｏ２は接続されず、分離されている。

Ｌ１ コイル
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ

Claims (7)

1. 直流電源の正側または負側の少なくとも一方にコイルを接続し、前記直流電源の正側に前記コイルを介してまたは直接に第１トランジスタの電流流入部を接続し、
   前記第１トランジスタの電流流出部に第２トランジスタの電流流入部を共通に接続し、前記第２トランジスタの電流流出部を前記直流電源の負側に前記コイルを介してまたは直接に接続し、
   前記第１トランジスタの電流流入部に第１ダイオードのアノードを接続し、前記第１ダイオードのカソードを第１コンデンサの一方極に接続し、
   前記第１コンデンサの他方極を前記第１トランジスタの電流流出部と前記第２トランジスタの電流流入部との共通接続部に接続し、前記共通接続部に第２コンデンサの一方極を接続し、
   前記第２コンデンサの他方極を第２ダイオードのアノードに接続し、前記第２ダイオードのカソードを前記第２トランジスタの電流流出部に接続した、
   ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
2. 請求項１に記載の昇圧チョッパ回路を複数備え、各昇圧チョッパ回路は、直流電源の正側と負側が接続される一対の電源側端子部と、昇圧した電圧を負荷に出力する一対の負荷側端子部との間で並列に接続されている、ことを特徴とする電源装置。
3. 前記各昇圧チョッパ回路は、それぞれ、前記一対の電源側端子部の両方にコイルを接続すると共に、これら両コイルを密に結合した、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記各昇圧チョッパ回路の昇圧出力側に単相３レベルインバータを備えた、ことを特徴とする請求項２または３に記載の電源装置。
5. 前記各昇圧チョッパ回路の昇圧出力側に３相３レベルインバータを備えた、ことを特徴とする請求項２または３に記載の電源装置。
6. 請求項１に記載の昇圧チョッパ回路と、前記昇圧チョッパ回路の昇圧出力側に接続される単相３レベルインバータとを備えた、ことを特徴とする電源装置。
7. 請求項１に記載の昇圧チョッパ回路と、前記昇圧チョッパ回路の昇圧出力側に接続される３相３レベルインバータとを備えた、ことを特徴とする電源装置。

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