JP6008185B2

JP6008185B2 - ３レベル電力変換装置及びその制御方法

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Publication number: JP6008185B2
Application number: JP2012252835A
Authority: JP
Inventors: 亨権金
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014103725A

Description

本発明は、半導体スイッチング素子のスイッチング損失及び導通損失等を低減可能とした３レベル電力変換装置及びその制御方法に関するものである。

半導体スイッチング素子のスイッチング動作では、スイッチング素子両端の電圧及びスイッチング素子を流れる電流が一定の遅延時間と傾きを持って変化するため、スイッチング素子のオン・オフ時に、電圧と電流とが重なってスイッチング損失が発生する。また、電力変換装置に使用されるトランスはスイッチング周波数が高いほど小型化が可能であるが、上記のスイッチング損失はスイッチング周波数に比例して増加するため、トランスの小型化と高周波スイッチングとの両立は困難である。

これらの問題を解決するために、非特許文献１には、スイッチング素子両端の電圧及び電流がゼロの状態でスイッチングを行う、いわゆるゼロ電圧／ゼロ電流のスイッチング方式を採用した３レベルＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。
図４〜図７は、非特許文献１に記載された３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。まず、図４において、１８は直流電源、１５，１６は直流電源１８の正負極間に互いに直列に接続された平滑コンデンサ、１〜４は半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子ともいう）、１ａ〜４ａはスイッチング素子１〜４にそれぞれ逆並列に接続されたダイオード（還流ダイオード）、５ａ，６ａはクランプダイオード、１７はクランプコンデンサ、２２はトランス、２１はトランス２２の漏れインダクタンス、２３，２４は整流用のダイオード、２５はスイッチング素子２６とダイオード２６ａとクランプコンデンサ２７とからなる補助回路、１２はフィルタ用リアクトル、１３はフィルタ用コンデンサ、１４は負荷を示す。

また、図５，図６は、補助回路の構成が図４の補助回路２５とは異なる従来技術であり、これらの図において２８，３３は補助回路、２９，３７，３８はコンデンサ、３１，３２，３４〜３６はダイオードである。
更に、図７は、トランス２２の一次側に補助回路３９を設けた従来技術であり、４０は飽和リアクトル、４１はコンデンサである。

これらの従来技術では、スイッチング素子１〜４のオン・オフにより、スイッチング素子２，３同士の接続点ａの電位を直流電源１８の正極Ｐの電位、負極Ｎの電位、及び中点ｂ（Ｍ）の電位の３レベルに制御すると共に、トランス２２の二次側電圧を整流、平滑して得た直流電圧を負荷１４に供給している。また、クランプコンデンサ１７の作用によって外側のスイッチング素子１，４のゼロ電圧スイッチングを可能にすると共に、補助回路２５，２８，３３，３９の動作により、トランス２２の一次電流をリセットして内側のスイッチング素子２，３のゼロ電流スイッチングを可能にしている。

なお、図８は、図４に示した回路の動作波形であり、Ｖ_ｇｓは５０％のデューティサイクルで位相シフト制御されるスイッチング素子１〜４のゲート−ソース間電圧、Ｖ_ａｕｘはスイッチング素子２６のゲート信号、Ｖ_ａｂは図４におけるａ−ｂ（中点Ｍ）間の電圧（トランス２２の一次側入力電圧）、Ｉ_Ｌｌｋは漏れインダクタンス２１の電流（トランス２２の一次側電流）、Ｖ_ｓは補助回路２５の入力電圧、Ｉ_Ｃａｕｘはクランプコンデンサ２７の電流である。

Francisco Canales, "A Zero-Voltage and Zero-Current Switching Three-Level DC/DC Converter", IEEE Transactions on power electronics, vol.17, No.6, November, 2002

非特許文献１に記載された従来技術では、補助回路２５，２８，３３，３９を用いてスイッチング素子１〜４のゼロ電圧／ゼロ電流スイッチングを実現しているが、例えば、図４の補助回路２５のスイッチング素子２６には高耐圧の素子を使用する必要があり、また、図７の補助回路３９では飽和リアクトル２１を使用しているため、これらが装置全体の高コスト化、大型化の原因となっていた。
そこで、本発明の解決課題は、高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトル等を含む補助回路を用いずにゼロ電圧／ゼロ電流スイッチングを実現可能とした、３レベル電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る３レベル電力変換装置は、
直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続され、かつ、ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第１〜第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された二つのクランプダイオードと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプコンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された二つの平滑コンデンサと、を備え、
前記二つの平滑コンデンサ同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点とが接続された電力変換装置であって、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を３レベルに変化させる３レベル電力変換装置において、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に、各１個のソフトスイッチング用コンデンサを接続し、
前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点との間に、第５，第６の半導体スイッチング素子を有する双方向スイッチと、インダクタンス要素と、電流リセット用コンデンサと、を直列に接続したものである。

請求項２に係る３レベル電力変換装置は、請求項１に記載した３レベル電力変換装置において、前記双方向スイッチを、ダイオードが逆並列に接続された二つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に直列接続して構成したものである。

請求項３に係る３レベル電力変換装置は、請求項１に記載した３レベル電力変換装置において、前記双方向スイッチを、二つの逆阻止形半導体スイッチング素子を互いに逆並列接続して構成したものである。

請求項４に係る３レベル電力変換装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置において、前記インダクタンス要素がトランスの一次巻線であり、前記トランスの二次側出力電圧を直流電圧に変換して負荷に供給することにより３レベルＤＣ／ＤＣコンバータとして構成したものである。

請求項５に係る３レベル電力変換装置の制御方法は、請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置を制御する制御方法において、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせ、かつ、前記第１，第４の半導体スイッチング素子とはタイミングをずらして前記第２，第３の半導体スイッチング素子をデッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせると共に、前記第２，第５の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、かつ、前記第３，第６の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、
前記インダクタンス要素を介して前記第５または第６の半導体スイッチング素子に電流が流れている状態で、前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された各１個のソフトスイッチング用コンデンサの一方を充電して他方を放電させることにより、放電側のソフトスイッチング用コンデンサに並列接続された前記第１または第４の半導体スイッチング素子をその両端電圧が零の状態でスイッチングし、
前記第１または第４の半導体スイッチング素子のオフにより前記クランプダイオード及び前記電流リセット用コンデンサを介して前記第５または第６の半導体スイッチング素子を流れる電流が零の状態で前記第２，第５の半導体スイッチング素子または前記第３，第６の半導体スイッチング素子をスイッチングするものである。

本発明によれば、高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトル等を含む補助回路を用いることなく、３レベル電力変換装置の主回路に双方向スイッチ及びソフトスイッチング用コンデンサを付加する簡単な構成と各スイッチング素子のオン・オフ制御により、ゼロ電圧／ゼロ電流スイッチング動作を行わせることができる。このため、電力変換装置の低コスト化、小型軽量化が可能である。
また、負荷に電力を供給しない期間は、一次側電流をゼロにリセットしてスイッチング素子の余分な導通損失やトランスの損失を発生させないため、電力変換装置の高効率化を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１の動作を説明するためのスイッチングパターン及び各部の電流、電圧の波形図である。本発明の第２実施形態を示す回路図である。従来技術を示す回路図である。従来技術を示す回路図である。従来技術を示す回路図である。従来技術を示す回路図である。図４の動作説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の３レベル電力変換装置の実施形態を説明する。まず、図１は第１実施形態に係る３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
図１の３レベルＤＣ／ＤＣコンバータは、直列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により、直流電源の電圧を３レベルの電圧に変換してトランスの一次側に加え、その二次側出力を整流、平滑して直流電圧に変換するものであるが、本発明は、３レベルインバータ等にも適用可能である。

図１において、３レベルＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源１８と、直流電源１８の正負極間に互いに直列接続された半導体スイッチング素子１〜４と、スイッチング素子１，４にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサ１ｂ，４ｂと、スイッチング素子１，２同士の接続点とスイッチング素子３，４同士の接続点との間に接続されたクランプコンデンサ１７と、このクランプコンデンサ１７に並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたクランプダイオード５ａ，６ａと、直流電源１８の正負極間に互いに直列に接続された平滑コンデンサ１５，１６と、を備えている。また、スイッチング素子２，３同士の接続点とクランプダイオード５ａ，６ａ同士の接続点との間には、スイッチング素子７，８を逆方向に直列接続した双方向スイッチ１０１と、インダクタンス要素としてのトランス１０の一次巻線１０ａと、電流リセット用コンデンサ９と、が直列に接続されている。ここで、クランプダイオード５ａ，６ａ同士の接続点と平滑コンデンサ１５，１６同士の接続点とは、等電位を保つように互いに接続されている。

更に、トランス１０の二次巻線１０ｂの両端には、ダイオードブリッジからなる整流回路１１と、フィルタ用リアクトル１２と、フィルタ用コンデンサ１３とが接続され、フィルタ用コンデンサ１３の両端に負荷１４が接続されている。なお、１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，７ａ，８ａは各スイッチング素子１，２，３，４，７，８に逆並列に接続されたダイオードである。
上記構成において、スイッチング素子１，２，３，４はそれぞれ請求項における第１〜第４のスイッチング素子に相当し、スイッチング素子７，８はそれぞれ請求項における第５，第６のスイッチング素子に相当する。

次に、この実施形態の動作を説明する。なお、スイッチング素子１〜４のオン・オフにより、図１のａ点の電位を３レベルに変化させる基本的動作については公知であるため、ここでは説明を省略する。
図２は、図１の動作を説明するためのスイッチングパターン及び各部の電流、電圧の波形図であり、Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_７，Ｓ_８は各スイッチング素子１，２，３，４，７，８の駆動信号である。ここで、スイッチング素子２，７は同じタイミングでオン・オフさせ、スイッチング素子３，８も同じタイミングでオン・オフさせるため、それぞれ単一の駆動信号Ｓ_２・Ｓ_７及びＳ_３・Ｓ_８により表している。

図２における時刻ｔ_０の直前では、スイッチング素子１，２，７がオンしている。また、スイッチング素子８に逆並列に接続されたダイオード８ａがオンしており、スイッチング素子３，４，８はオフの状態である。この期間中、直流電源１８の電圧（以下、電源電圧という）の１／２の電圧がトランス１０の一次巻線１０ａに印加されてコンデンサ９を充電すると共に、トランス１０の二次巻線１０ｂ、整流回路１１等を介して負荷１４に直流電力を供給している。

［時刻ｔ_０〜ｔ_１の期間］
時刻ｔ_０でスイッチング素子１をターンオフすると、トランス１０の一次側電流がクランプコンデンサ１７を通じてソフトスイッチング用コンデンサ１ｂの充電を開始すると共に、ソフトスイッチング用コンデンサ４ｂを放電させる。このとき、スイッチング素子１の両端電圧（ソフトスイッチング用コンデンサ１ｂの電圧）はゼロであるため、スイッチング素子１はゼロ電圧でターンオフする。ソフトスイッチング用コンデンサ１ｂは電源電圧の１／２の電圧まで充電され、ソフトスイッチング用コンデンサ４ｂは０Ｖになるまで放電する。このモードでソフトスイッチング用コンデンサ４ｂの電圧が０Ｖに達すると、クランプダイオード５ａが導通し、トランス１０の漏れインダクタンスにコンデンサ９の電圧が逆向きに印加されてトランス１０の一次側電流が減少する。

［時刻ｔ_１〜ｔ_３の期間］
時刻ｔ_１でスイッチング素子４がターンオンするとき、スイッチング素子４の両端電圧はソフトスイッチング用コンデンサ４ｂの電圧に等しく０Ｖであるため、ゼロ電圧ターンオンとなる。時刻ｔ_２でトランス１０の一次側電流は０まで減衰し、双方向スイッチ１０１のスイッチング素子７，８によってトランス１０の一次側電流は０に維持される。

［時刻ｔ_３〜ｔ_４の期間］
時刻ｔ_３でスイッチング素子２，７をターンオフすると、このときトランス１０の一次側電流が０であるため、スイッチング素子２，７はゼロ電流ターンオフとなる。この期間中、トランス１０の一次側電流は、スイッチング素子７，８によってゼロ電流を維持すると共に、逆流が防止される。

［時刻ｔ_４〜ｔ_５の期間］
時刻ｔ_４でスイッチング素子３，８をターンオンすると、このときトランス１０の一次側電流が０であるため、スイッチング素子３，８はゼロ電流ターンオンとなる。この期間中、トランス１０の漏れインダクタンスには、電源電圧の１／２の電圧に加えてコンデンサ９の電圧が印加されるため、トランス１０の一次側電流は時刻ｔ_４以後、急激に増加する。
そして、時刻ｔ_５でトランス１０の一次側電流が負荷電流と等しくなると、トランス１０の一次巻線１０ａに印加された電圧により、トランス１０の巻数に比例した電圧が二次巻線１０ｂから出力され、トランス１０の一次側電力を負荷１４側へ供給することになる。

［時刻ｔ_５〜ｔ_６の期間］
この期間は、スイッチング素子３，４，８がオンしている。また、スイッチング素子７に逆並列されたダイオード７ａがオンしており、スイッチング素子１，２，７はオフの状態である。このため、電源電圧の１／２の電圧がトランス１０の一次巻線１０ａに印加され、コンデンサ９を逆極性に充電すると共に、トランス１０を介して二次側の負荷１４へ電力を供給する。

［時刻ｔ_６〜ｔ_７の期間］
時刻ｔ_６でスイッチング素子４をターンオフすると、トランス１０の一次側電流がクランプコンデンサ１７を通してソフトスイッチング用コンデンサ４ｂを充電すると共に、ソフトスイッチング用コンデンサ１ｂを放電させる。このとき、スイッチング素子４の両端電圧（ソフトスイッチング用コンデンサ４ｂの電圧）はゼロであるため、スイッチング素子４はゼロ電圧でターンオフする。ソフトスイッチング用コンデンサ４ｂは電源電圧の１／２の電圧まで充電され、ソフトスイッチング用コンデンサ１ｂは０Ｖになるまで放電する。このモードでソフトスイッチング用コンデンサ１ｂの電圧が０Ｖに達すると、クランプダイオード６ａが導通し、トランス１０の漏れインダクタンスにコンデンサ９の電圧が逆向きに印加されてトランス１０の一次側電流が減少する。

［時刻ｔ_７〜ｔ_９の期間］
時刻ｔ_７でスイッチング素子１をターンオンすると、スイッチング素子１の両端電圧はソフトスイッチング用コンデンサ１ｂの両端電圧に等しく０Ｖであるため、ゼロ電圧ターンオンとなる。時刻ｔ_８でトランス１０の一次側電流は０まで減衰し、スイッチング素子７，８によってトランス１０の一次側電流は０に維持される。

［時刻ｔ_９〜ｔ_１０の期間］
時刻ｔ_９でスイッチング素子３，８をターンオフすると、このときトランス１０の一次側電流が０であるため、スイッチング素子３，８はゼロ電流ターンオフとなる。この期間中、トランス１０の一次側電流はスイッチング素子７，８によってゼロ電流を維持すると共に、逆流が防止される。

［時刻ｔ_１０〜ｔ_１１の期間］
時刻ｔ_１０でスイッチング素子２，７をターンオンすると、このときトランス１０の一次側電流は０であるため、ゼロ電流ターンオンとなる。この期間中、トランス１０の漏れインダクタンスには、電源電圧の１／２の電圧に加えてコンデンサ９の電圧が印加されるため、トランス１０の一次側電流は時刻ｔ_１０以後、急激に増加することになる。そして、時刻ｔ_１１において、トランス１０の一次側電流が負荷電流と等しくなると、トランス１０の一次巻線１０ａに印加された電圧により、トランス１０の巻数に比例した電圧が二次巻線１０ｂから出力され、トランス１０の一次側電力を負荷１４側へ供給することになる。

本実施形態では、以上の動作を繰り返すことにより、スイッチング素子１，４を常にゼロ電圧スイッチング動作させ、かつ、スイッチング素子２，３，７，８を常にゼロ電流スイッチング動作させるため、少ないスイッチング損失でトランスの入力側に３レベルの電圧を出力させることができる。
また、ゼロ電圧／ゼロ電流スイッチングを実現するにあたっては、従来技術のように高耐圧のスイッチング素子や飽和リアクトル等を有する補助回路の代わりに、一次巻線１０ａに直列接続された双方向スイッチ１０１及びソフトスイッチング用コンデンサ１ｂ，４ｂを用いれば済むため、コストの低減及び装置全体の小型化が可能である。
また、トランス１０の二次側に電力を供給しない期間はトランス１０の一次側電流が０にリセットされるため、スイッチング素子の余分な導通損失やトランス１０の損失を低減することもできる。

次に、図３は本発明の第２実施形態に係る３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
この第２実施形態が図１の第１実施形態と異なるのは、双方向スイッチ１０２を、逆阻止形半導体スイッチング素子７，８を互いに逆並列に接続して構成した点であり、その他の構成は第１実施形態と同一である。第２実施形態の基本的な動作は第１実施形態と同一であり、スイッチング素子１，４は常にゼロ電圧にてスイッチングし、スイッチング素子２，３，７，８は常にゼロ電流にてスイッチングすることになる。
この第２実施形態では、第１実施形態における双方向スイッチ１０１に対し、双方向スイッチ１０２がスイッチング素子７，８のみによって構成されているため、トランス１０の一次側電流によるダイオード７ａ，８ａ（図１参照）の導通損失がなくなり、更なる高効率化を図ることができる。

１，２，３，４，７，８：半導体スイッチング素子
１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，７ａ，８ａ：ダイオード
１ｂ，４ｂ：ソフトスイッチング用コンデンサ
５ａ，６ａ：クランプダイオード
９：電流リセット用コンデンサ
１０：トランス
１０ａ：一次巻線
１０ｂ：二次巻線
１１：整流回路
１２：フィルタ用リアクトル
１３：フィルタ用コンデンサ
１４：負荷
１５，１６：平滑コンデンサ
１７：クランプコンデンサ
１８：直流電源
１０１，１０２：双方向スイッチ

Claims

直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続され、かつ、ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第１〜第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された二つのクランプダイオードと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプコンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された二つの平滑コンデンサと、
を備え、
前記二つの平滑コンデンサ同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点とが接続された電力変換装置であって、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を３レベルに変化させる３レベル電力変換装置において、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に、各１個のソフトスイッチング用コンデンサを接続し、
前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記二つのクランプダイオード同士の接続点との間に、第５，第６の半導体スイッチング素子を有する双方向スイッチと、インダクタンス要素と、電流リセット用コンデンサと、を直列に接続したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
請求項１に記載した３レベル電力変換装置において、
前記双方向スイッチを、ダイオードが逆並列に接続された二つの半導体スイッチング素子を互いに逆方向に直列接続して構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
請求項１に記載した３レベル電力変換装置において、
前記双方向スイッチを、二つの逆阻止形半導体スイッチング素子を互いに逆並列接続して構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置において、
前記インダクタンス要素がトランスの一次巻線であり、前記トランスの二次側出力電圧を直流電圧に変換して負荷に供給することにより３レベルＤＣ／ＤＣコンバータとして構成したことを特徴とする３レベル電力変換装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベル電力変換装置を制御する制御方法において、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせ、かつ、前記第１，第４の半導体スイッチング素子とはタイミングをずらして前記第２，第３の半導体スイッチング素子をデッドタイムを挟んで交互にオン・オフさせると共に、前記第２，第５の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、かつ、前記第３，第６の半導体スイッチング素子を同時にオン・オフさせ、
前記インダクタンス要素を介して前記第５または第６の半導体スイッチング素子に電流が流れている状態で、前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された各１個のソフトスイッチング用コンデンサの一方を充電して他方を放電させることにより、放電側のソフトスイッチング用コンデンサに並列接続された前記第１または第４の半導体スイッチング素子をその両端電圧が零の状態でスイッチングし、
前記第１または第４の半導体スイッチング素子のオフにより前記クランプダイオード及び前記電流リセット用コンデンサを介して前記第５または第６の半導体スイッチング素子を流れる電流が零の状態で前記第２，第５の半導体スイッチング素子または前記第３，第６の半導体スイッチング素子をスイッチングすることを特徴とする３レベル電力変換装置の制御方法。