JP7053291B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置及びスナバ回路に関する。 The present invention relates to a power converter and a snubber circuit.
DC-DCコンバータなどの電力変換装置に利用される同期整流回路は、一般的に2つの電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)を交互にON/OFF制御するよう構成されることが多く、2つのFETの各ゲートに入力されるPWM信号によって所望の電圧の直流電力を安定的に出力することができる。この同期整流回路は、各FETがON/OFF制御されるスイッチング時において、ドレイン‐ソース間に大きなサージ電圧が発生することがある。このようなサージ電圧を低減する技術としてスナバ回路が広く知られており、スナバ回路を備える同期整流回路が公知である(例えば、特許文献1を参照)。 Synchronous rectifier circuits used in power conversion devices such as DC-DC converters are generally configured to alternately control two field effect transistors (FETs) on and off. The DC power of a desired voltage can be stably output by the PWM signal input to each gate of one FET. In this synchronous rectifier circuit, a large surge voltage may be generated between the drain and the source at the time of switching in which each FET is controlled to be ON / OFF. A snubber circuit is widely known as a technique for reducing such a surge voltage, and a synchronous rectifier circuit including the snubber circuit is known (see, for example, Patent Document 1).
スナバ回路の中でもアクティブスナバ回路は、例えばパワー半導体素子によるスイッチング回路を利用し、サージ電圧が発生するタイミングでコンデンサにサージ電圧を吸収させることができる。より具体的には、例えば特許文献1に記載された従来技術は、同期整流回路のFETに対する駆動信号を微分したゲート信号で動作するバイポーラトランジスタを備え、当該バイポーラトランジスタのコレクタとFETのドレインとがコンデンサを介して接続されると共に、当該バイポーラトランジスタのエミッタとグランドとが抵抗を介して接続されている。これにより、特許文献1の従来技術は、サージ電圧が発生するタイミングのみでスナバ回路を動作させている。
Among the snubber circuits, the active snubber circuit uses, for example, a switching circuit using a power semiconductor element, and the surge voltage can be absorbed by the capacitor at the timing when the surge voltage is generated. More specifically, for example, the prior art described in
しかしながら特許文献1に記載された従来技術は、スナバ回路が動作するタイミングにおいて、コンデンサと抵抗との直列回路にFETのドレイン-ソース間電圧が印加される。このため、当該従来技術では、抵抗において比較的大きな電力が消費されることになり、発熱及び電力損失が増加する虞が生じる。
However, in the prior art described in
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発熱及び電力損失を抑制することができる電力変換装置及びスナバ回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a power conversion device and a snubber circuit capable of suppressing heat generation and power loss.
<本発明の第1の態様>
本発明の第1の態様は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の一端側に第1コンデンサを介してコレクタが接続されるトランジスタと、前記トランジスタのエミッタとグランドとの間に接続される第1抵抗と、前記トランジスタのコレクタにアノードが接続され、グランドにカソードが接続されるダイオードと、を含むスナバ回路と、一端側が前記トランジスタのベースに接続される第2コンデンサと、前記第2コンデンサの一端側とグランドとの間に接続される第2抵抗と、を含む微分回路と、前記スイッチング素子を制御するスイッチ制御信号を出力すると共に、前記第2コンデンサの他端側にスナバ制御信号を出力する制御装置と、を備え、前記トランジスタは、前記スイッチング素子のスイッチングサージにより充電された分の前記第1コンデンサの電荷を放電する、電力変換装置である。
<First aspect of the present invention>
The first aspect of the present invention is a switching element, a transistor to which a collector is connected to one end side of the switching element via a first capacitor, and a first resistor connected between the emitter and ground of the transistor. A snubber circuit including a diode whose anode is connected to the collector of the transistor and a cathode which is connected to the ground, a second capacitor whose one end side is connected to the base of the transistor, and one end side of the second capacitor. A control that outputs a switch control signal for controlling the switching element and a differential circuit including a second resistor connected between the second capacitor and the ground, and outputs a snubber control signal to the other end side of the second capacitor. The transistor is a power conversion device comprising the device and discharging the charge of the first capacitor charged by the switching surge of the switching element.
スイッチング素子がONからOFFへ切り替わるタイミングで発生するスイッチングサージは、スナバ回路の第1コンデンサにより電荷が充電されることにより抑制される。このため、スイッチング素子は、スイッチングサージによる耐圧超過となる虞が低減される。ここで、制御装置は、スイッチング素子のON/OFFを切り替えるスイッチング制御信号を出力すると共に、微分回路を介してスナバ回路へスナバ制御信号を出力する。このとき、スナバ回路のトランジスタは、第1コンデンサに充電された電荷のうち、スイッチングサージにより充電された分の電荷を放電する。このため、第1コンデンサが充放電する電荷がスイッチングサージに伴う分のみに制限されることにより、第1抵抗において消費される電力を最小限に抑えることができる。これにより本発明の第1の態様によれば、発熱及び電力損失を抑制することができるという作用効果が得られる。 The switching surge generated at the timing when the switching element is switched from ON to OFF is suppressed by charging the electric charge by the first capacitor of the snubber circuit. Therefore, the switching element is less likely to exceed the withstand voltage due to the switching surge. Here, the control device outputs a switching control signal for switching ON / OFF of the switching element, and also outputs a snubber control signal to the snubber circuit via the differentiating circuit. At this time, the transistor of the snubber circuit discharges the charge charged by the switching surge among the charges charged in the first capacitor. Therefore, the electric charge charged and discharged by the first capacitor is limited to the amount associated with the switching surge, so that the power consumed by the first resistor can be minimized. Thereby, according to the first aspect of the present invention, the effect of suppressing heat generation and power loss can be obtained.
<本発明の第2の態様>
本発明の第2の態様は、上記した本発明の第1の態様において、前記スイッチ制御信号と前記スナバ制御信号とは、互いに独立した経路により前記制御装置から出力される、電力変換装置である。
<Second aspect of the present invention>
A second aspect of the present invention is the power conversion device in which the switch control signal and the snubber control signal are output from the control device by paths independent of each other in the first aspect of the present invention described above. ..
制御装置は、スイッチング制御信号によりスイッチング素子を制御し、スナバ制御信号によりスナバ回路を制御する。このとき、スイッチ制御信号及びスナバ制御信号は、制御装置から互いに独立した経路によりスイッチング素子及びスナバ回路にそれぞれ出力されている。これにより本発明の第2の態様によれば、スイッチング素子とスナバ回路との動作のタイミング及び期間が互いに異なる場合であっても、互いに影響されることなくそれぞれを容易に設定することができるという作用効果が得られる。 The control device controls the switching element by the switching control signal, and controls the snubber circuit by the snubber control signal. At this time, the switch control signal and the snubber control signal are output to the switching element and the snubber circuit, respectively, by paths independent of each other from the control device. As a result, according to the second aspect of the present invention, even if the timing and period of operation of the switching element and the snubber circuit are different from each other, they can be easily set without being influenced by each other. The action effect is obtained.
<本発明の第3の態様>
本発明の第3の態様は、上記した本発明の第1又は2の態様において、前記トランジスタは、前記スイッチング素子のサージ発生期間の後に、前記第1コンデンサの放電を開始する、電力変換装置である。
<Third aspect of the present invention>
A third aspect of the present invention is, in the first or second aspect of the present invention described above, in a power conversion device in which the transistor starts discharging the first capacitor after a surge generation period of the switching element. be.
スナバ回路は、トランジスタがONである期間において、第1コンデンサに充電された電荷を放電する。ここで、制御装置は、スイッチング素子のサージ発生期間の後に、トランジスタがONするようスナバ制御信号を切り替える。これにより本発明の第3の態様によれば、スナバ回路がサージ発生期間中に第1コンデンサを放電しないことになり、従って、必要以上に電荷を放電してしまう虞を低減することができるという作用効果が得られる。 The snubber circuit discharges the electric charge charged in the first capacitor while the transistor is ON. Here, the control device switches the snubber control signal so that the transistor is turned on after the surge generation period of the switching element. As a result, according to the third aspect of the present invention, the snubber circuit does not discharge the first capacitor during the surge generation period, and therefore, it is possible to reduce the possibility of discharging the electric charge more than necessary. Action effect is obtained.
<本発明の第4の態様>
本発明の第4の態様は、上記した本発明の第1乃至3のいずれかの態様において、前記トランジスタは、前記スイッチング素子がOFFからONに切り替わる前に、前記第1コンデンサの放電を終了する、電力変換装置である。
<Fourth aspect of the present invention>
A fourth aspect of the present invention is, in any one of the first to third aspects of the present invention described above, the transistor terminates the discharge of the first capacitor before the switching element switches from OFF to ON. , A power converter.
スイッチング素子がOFFからONへ切り替わると、スイッチング素子の両端電圧がローレベルに低下する。このため、スナバ回路は、スイッチング素子がOFFからONに切り替わる前に、トランジスタをOFFにして第1コンデンサの放電を終了する。これにより本発明の第4の態様によれば、スイッチング素子がローレベルである期間に、第1コンデンサを当該スイッチング素子に接続されない状態にすることができ、従って、必要以上に電荷を放電してしまう虞を低減することができるという作用効果が得られる。 When the switching element is switched from OFF to ON, the voltage across the switching element drops to a low level. Therefore, the snubber circuit turns off the transistor and ends the discharge of the first capacitor before the switching element is switched from OFF to ON. Thereby, according to the fourth aspect of the present invention, the first capacitor can be kept unconnected to the switching element during the period when the switching element is at a low level, and therefore, the charge is discharged more than necessary. It is possible to obtain an action effect that the possibility of the discharge can be reduced.
<本発明の第5の態様>
本発明の第5の態様は、制御装置により制御されるスイッチング素子のスイッチングサージを抑制するスナバ回路であって、前記スイッチング素子の一端側に第1コンデンサを介してコレクタが接続されるトランジスタと、前記トランジスタのエミッタとグランドとの間に接続される第1抵抗と、前記トランジスタのコレクタにアノードが接続され、グランドにカソードが接続されるダイオードと、を含み、前記トランジスタは、前記スイッチング素子のスイッチングサージにより充電された分の前記第1コンデンサの電荷を放電する、スナバ回路である。
<Fifth aspect of the present invention>
A fifth aspect of the present invention is a snubber circuit that suppresses a switching surge of a switching element controlled by a control device, and a transistor to which a collector is connected to one end side of the switching element via a first capacitor. The transistor comprises a first resistor connected between the emitter and ground of the transistor and a diode having an anode connected to the collector of the transistor and a cathode connected to ground, wherein the transistor switches the switching element. It is a snubber circuit that discharges the charge of the first capacitor as much as it is charged by the surge.
本発明の第5の態様によれば、上記した第1の態様と同様の理由により、第1コンデンサが充放電する電荷がスイッチングサージに伴う分のみに制限されることにより、第1抵抗において消費される電力を最小限に抑えることができ、従って、発熱及び電力損失を抑制することができるという作用効果が得られる。 According to the fifth aspect of the present invention, for the same reason as the first aspect described above, the electric charge charged and discharged by the first capacitor is limited to the amount associated with the switching surge, so that it is consumed in the first resistance. It is possible to minimize the amount of power generated, and therefore, it is possible to obtain the effect of suppressing heat generation and power loss.
本発明によれば、発熱及び電力損失を抑制することができる電力変換装置及びスナバ回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a power conversion device and a snubber circuit capable of suppressing heat generation and power loss.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the contents described below, and can be arbitrarily modified and implemented without changing the gist thereof. In addition, the drawings used to explain the embodiments are all schematically showing the constituent members, and are partially emphasized, enlarged, reduced, or omitted in order to deepen the understanding of the constituent members. It may not accurately represent the scale or shape.
図1は、本発明に係る電力変換装置1の回路図である。電力変換装置1は、本実施形態においては、一次側がフルブリッジ方式の絶縁型DC-DCコンバータであり、入力された入力電圧Vinを安定した所望の電圧に変換して出力電圧Voutとして出力する。電力変換装置1は、インバータ回路10、絶縁トランスT、同期整流回路20、及び駆動制御部30を備える。
FIG. 1 is a circuit diagram of the
インバータ回路10は、公知のフルブリッジインバータ回路であり、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)Q11~Q14、コイルL1、コンデンサC11を含む。尚、本発明においてインバータ回路10は、フルブリッジ方式に限定されるものではなく、例えばハーフブリッジ、フライバック、フォーワード等、他の方式のインバータ回路であってもよい。
The
電界効果トランジスタQ11~Q14は、半導体スイッチング素子であり、後述する一次側ドライバ31に各ゲートが接続されている。電界効果トランジスタQ11のドレインは、電界効果トランジスタQ12のドレインに接続されている。電界効果トランジスタQ11のソースは、電界効果トランジスタQ13のドレインに接続されている。電界効果トランジスタQ12のソースは、電界効果トランジスタQ14のドレインに接続されている。電界効果トランジスタQ13のソース及び電界効果トランジスタQ14のソースは、一次側グランドGND1に接続されている。
The field effect transistors Q11 to Q14 are semiconductor switching elements, and each gate is connected to a
コイルL1は、一端側が電力変換装置1の高電位側の入力端子に接続されており、他端側が電界効果トランジスタQ11のドレインと電界効果トランジスタQ12のドレインとの接続点に接続されている。コンデンサC11は、一端側がコイルL1の他端側に接続されており、他端側が一次側グランドGND1に接続されている。
One end of the coil L1 is connected to the input terminal on the high potential side of the
絶縁トランスTは、電力変換装置1の一次側におけるインバータ回路10から二次側における同期整流回路20へ絶縁しつつ電力を伝える公知の変圧器であり、一次側コイルL11と二次側コイルL21、L22とを含む。一次側コイルL11は、電界効果トランジスタQ12と電界効果トランジスタQ14との接続点に巻き始め端が接続され、電界効果トランジスタQ11と電界効果トランジスタQ13との接続点に巻き終わり端が接続されている。また、絶縁トランスTは、二次側コイルL21の巻き終わり端と二次側コイルL22の巻き始め端とが接続点(センタータップ)において接続されている。
The isolation transformer T is a known transformer that transmits electric power while insulating from the
同期整流回路20は、第1スイッチQ1、第2スイッチQ2、抵抗R21~R24、コイルL2、コンデンサC21、第1スナバ回路21、第1微分回路22、第2スナバ回路23、及び第2微分回路24を含む。ここで、本発明においては、「スイッチング素子」が本実施形態における第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2の少なくとも一方に相当し、「スナバ回路」が本実施形態における第1スナバ回路21及び第2スナバ回路23の少なくとも一方に相当し、「微分回路」が本実施形態における第1微分回路22及び第2微分回路24の少なくとも一方に相当する。
The
第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2は、半導体スイッチング素子であり、例えばNチャンネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。第1スイッチQ1は、絶縁トランスTの二次側コイルL21の巻き始め端にドレインが接続されており、二次側グランドGND2にソースが接続されている。第2スイッチQ2は、絶縁トランスTの二次側コイルL22の巻き終わり端にドレインが接続されており、二次側グランドGND2にソースが接続されている。 The first switch Q1 and the second switch Q2 are semiconductor switching elements, for example, N-channel MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). In the first switch Q1, the drain is connected to the winding start end of the secondary coil L21 of the isolation transformer T, and the source is connected to the secondary ground GND2. In the second switch Q2, the drain is connected to the winding end end of the secondary coil L22 of the isolation transformer T, and the source is connected to the secondary ground GND2.
抵抗R21及び抵抗R22は、後述する二次側ドライバ32から入力されるスイッチ制御信号の電圧を第1スイッチQ1のゲートに出力する。抵抗R21は第1スイッチQ1の安定動作に寄与し、抵抗R22は二次側ドライバ32から制御信号が入力されない状態の第1スイッチQ1のゲート-ソース間電圧VGSを0Vまで低下させる。
The resistance R21 and the resistance R22 output the voltage of the switch control signal input from the
抵抗R23及び抵抗R24は、後述する二次側ドライバ32から入力されるスイッチ制御信号の電圧を第2スイッチQ2のゲートに出力する。抵抗R23は第2スイッチQ2の安定動作に寄与し、抵抗R24は二次側ドライバ32から制御信号が入力されない状態の第2スイッチQ2のゲート-ソース間電圧VGSを0Vまで低下させる。
The resistance R23 and the resistance R24 output the voltage of the switch control signal input from the
コイルL2は、絶縁トランスTの二次側コイルL21とL22との接続点(センタータップ)に一端側が接続されており、他端側が出力Voutに接続されている。コンデンサC21は、出力Voutと二次側グランドGND2との間に接続されている。これにより、コイルL2及びコンデンサC21は、絶縁トランスTのセンタータップと二次側グランドGND2との間の電圧を平滑化し、出力回路として安定した出力電圧Voutを出力する。 One end of the coil L2 is connected to a connection point (center tap) between the secondary coil L21 and L22 of the isolation transformer T, and the other end is connected to the output Vout. The capacitor C21 is connected between the output Vout and the secondary ground GND2. As a result, the coil L2 and the capacitor C21 smooth the voltage between the center tap of the isolation transformer T and the secondary side ground GND2, and output a stable output voltage Vout as an output circuit.
第1スナバ回路21は、第1スイッチQ1がONからOFFに切り替わるタイミングで発生するスイッチングサージを低減する。第1微分回路22は、後述する制御装置33から出力されるスナバ制御信号を、第1スナバ回路21のベース電圧として適した電圧に調整して出力する。第2スナバ回路23は、第2スイッチQ2がONからOFFに切り替わるタイミングで発生するスイッチングサージを低減する。第2微分回路24は、後述する制御装置33から出力されるスナバ制御信号を、第2スナバ回路23のベース電圧として適した電圧に調整して出力する。
The
駆動制御部30は、本発明に係る電力変換装置1を駆動制御するための制御回路であり、一次側ドライバ31、二次側ドライバ32、制御装置33、及びアイソレータ34を含む。
The
一次側ドライバ31は、電界効果トランジスタQ11~Q14の各ゲートに制御信号を出力し、電界効果トランジスタQ11、Q14に対して電界効果トランジスタQ12、Q13が逆位相となるようにON/OFF制御する。これにより、インバータ回路10は、入力端子に印加される直流の入力電圧Vinを交流電力に変換し、絶縁トランスTを介して同期整流回路20へ出力する。
The
二次側ドライバ32は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2のゲートにスイッチ制御信号を出力することにより、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2をON/OFF制御する。より具体的には、二次側ドライバ32は、第1スイッチQ1と第2スイッチQ2とに対して交互にON/OFFするように制御する。これにより、同期整流回路20は、絶縁トランスTから入力される交流電力を直流電力に変換し、出力電圧Voutとして出力する。
The
制御装置33は、一次側ドライバ31と二次側ドライバ32とに制御信号を出力することにより電力変換装置1の全体を統括制御する制御ICであり、本実施形態においては特に、第1微分回路22及び第2微分回路24を介して第1スナバ回路21及び第2スナバ回路23をそれぞれ制御するスナバ制御信号を出力する回路が構成されている。そして、制御装置33は、二次側ドライバ32を介して第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2を制御するためのスイッチ制御信号と、第1スナバ回路21及び第2スナバ回路23を制御するためのスナバ制御信号とを、互いに独立した経路により出力する。
The
アイソレータ34は、二次側に設けられた制御装置33から一次側に設けられた一次側ドライバ31を制御するために、両者の接続を直流的に絶縁する。
The
次に、同期整流回路20の詳細構成について図2を参照しながら説明する。図2は、本発明に係る第1スナバ回路21、第1微分回路22、第2スナバ回路23、及び第2微分回路24の回路図である。
Next, the detailed configuration of the
第1スナバ回路21は、第1トランジスタTR1、第1コンデンサC1、第1抵抗R1、及び第1ダイオードD1を含む。第1トランジスタTR1は、PNP型のバイポーラトランジスタであり、コレクタと第1スイッチQ1のドレインとが、第1コンデンサC1を介して接続されている。また第1トランジスタTR1は、エミッタと二次側グランドGND2とが、第1抵抗R1を介して接続されている。第1ダイオードD1は、例えばショットキーバリアダイオードであり、アノードが第1トランジスタTR1のコレクタに接続され、カソードが二次側グランドGND2に接続されている。
The
第1スナバ回路21は、第1スイッチQ1に生じるスイッチングサージを第1コンデンサC1が吸収することにより、第1スイッチQ1のドレイン-ソース間電圧Vdsが耐圧超過とならないようする保護回路として機能する。また、第1スナバ回路21は、第1トランジスタTR1がONである期間において、スイッチングサージにより充電された第1コンデンサC1の電荷を放電する。
The
第1微分回路22は、第2コンデンサC2、第2抵抗R2、及び第3抵抗R3を含む。第2コンデンサC2は、一端側が制御装置33に接続され、他端側が第3抵抗R3を介して第1トランジスタTR1のベースに接続されている。第2抵抗R2は、一端側が第2コンデンサC2と第3抵抗R3との接続点に接続され、他端側が二次側グランドGND2に接続されている。
The first differentiating
第1微分回路22は、制御装置33から出力されるスナバ制御信号の矩形波を、第2コンデンサC2及び第2抵抗R2から構成される微分回路により微分し、第3抵抗R3により電流を制限しつつ第1トランジスタTR1のベースに出力する。すなわち、第1微分回路22は、制御装置33の制御信号に基づいて第1スナバ回路21の第1トランジスタTR1を所定のタイミング及び所定の期間においてONとなるよう制御する。
The first differentiating
第2スナバ回路23は、第2トランジスタTR2、第3コンデンサC3、第4抵抗R4、及び第2ダイオードD2を含む。第2トランジスタTR2は、PNP型のバイポーラトランジスタであり、コレクタと第2スイッチQ2のドレインとが、第3コンデンサC3を介して接続されている。また第2トランジスタTR2は、エミッタと二次側グランドGND2とが、第4抵抗R4を介して接続されている。第2ダイオードD2は、例えばショットキーバリアダイオードであり、アノードが第2トランジスタTR2のコレクタに接続され、カソードが二次側グランドGND2に接続されている。
The
第2スナバ回路23は、第2スイッチQ2に生じるスイッチングサージを第3コンデンサC3が吸収することにより、第2スイッチQ2のドレイン-ソース間電圧Vdsが耐圧超過とならないようする保護回路として機能する。また、第2スナバ回路23は、第2トランジスタTR2がONである期間において、スイッチングサージにより充電された第3コンデンサC3の電荷を放電する。
The
第2微分回路24は、第4コンデンサC4、第5抵抗R5、及び第6抵抗R6を含む。第4コンデンサC4は、一端側が制御装置33に接続され、他端側が第6抵抗R6を介して第2トランジスタTR2のベースに接続されている。第5抵抗R5は、一端側が第4コンデンサC4と第6抵抗R6との接続点に接続され、他端側が二次側グランドGND2に接続されている。
The second differentiating
第2微分回路24は、制御装置33から出力されるスナバ制御信号の矩形波を、第4コンデンサC4及び第5抵抗R5から構成される微分回路により微分し、第6抵抗R6により電流を制限しつつ第2トランジスタTR2のベースに出力する。すなわち、第2微分回路24は、制御装置33の制御信号に基づいて第2スナバ回路23の第2トランジスタTR2を所定のタイミング及び所定の期間においてONとなるよう制御する。
The second differentiating
続いて、同期整流回路20の動作について図3を参照しながら説明する。図3は、同期整流回路20の各部における電圧波形を示すタイミングチャートである。ここで、第2スイッチQ2のスイッチングサージを低減する第2スナバ回路23及び第2微分回路24の動作は、第1スイッチQ1のスイッチングサージを低減する第1スナバ回路21及び第1微分回路22の動作と同様である。そのため、以下では、第1スナバ回路21及び第1微分回路22の動作について詳細に説明することとし、第2スナバ回路23及び第2微分回路24の動作については詳細な説明を省略する。
Subsequently, the operation of the
制御装置33は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2が交互にON/OFFするように、二次側ドライバ32を介してスイッチ制御信号としてのPWM信号を出力する。すなわち、第1スイッチQ1のゲート-ソース間電圧VGSは、図3に示すように、ハイレベルとローレベルとを交互に繰り返す矩形波となる。
The
第1スイッチQ1は、ゲート-ソース間電圧VGSがハイレベルであるONの状態の期間において、ドレイン-ソース間電圧VDSがローレベルである。そして、第1スイッチQ1は、ONからOFFへ切り替わるタイミングT1、すなわちゲート-ソース間電圧VGSがハイレベルからローレベルに切り替わる時点において、ドレイン-ソース間電圧VDSがローレベルからハイレベルへ切り替わると共に、タイミングT1においてスイッチングサージが発生する。 In the first switch Q1, the drain-source voltage VDS is at a low level during the ON state in which the gate-source voltage VGS is at a high level. Then, the first switch Q1 switches the drain-source voltage VDS from the low level to the high level at the timing T1 of switching from ON to OFF, that is, at the time when the gate-source voltage VGS switches from the high level to the low level. At the same time, a switching surge occurs at the timing T1.
このとき、第1スイッチQ1は、ドレインが第1コンデンサC1及び第1ダイオードD1を介して二次側グランドGND2へ至る導電路が形成されていることから、タイミングT1において発生するスイッチングサージの過剰な電荷が第1スナバ回路21の第1コンデンサC1により吸収され、これによりドレイン-ソース間電圧VDSの急激な上昇が緩和されて、耐圧超過となる虞を低減することができる。そして、第1コンデンサC1は、スイッチングサージに伴う電荷により充電されることにより、タイミングT1の前後において両端電圧VC1が電圧V1から電圧V2に上昇する。
At this time, in the first switch Q1, a conductive path is formed from the drain to the secondary side ground GND2 via the first capacitor C1 and the first diode D1, so that the switching surge generated at the timing T1 is excessive. The electric charge is absorbed by the first capacitor C1 of the
第1スイッチQ1のドレイン-ソース間電圧VDSは、ローレベルからハイレベルへ切り替わるタイミングT1において、スイッチングサージによりハイレベルを超える最大電圧となり、サージ発生期間においてハイレベルの電圧まで減衰する。このとき、制御装置33は、サージ発生期間の後のタイミングT2において、第1微分回路22へ出力するスナバ制御信号VCONTをハイレベルからローレベルに切り替える。ここで、例えばスイッチングサージの減衰時間が比較的長い場合には、ドレイン-ソース間電圧VDSが第1スイッチQ1の耐圧制限以下となる電圧まで減衰した時点や、電圧の最初の1又は2のピークの後をサージ発生期間の完了時刻と見做してタイミングT2を設定してもよい。
The drain-source voltage VDS of the first switch Q1 reaches the maximum voltage exceeding the high level due to the switching surge at the timing T1 of switching from the low level to the high level, and is attenuated to the high level voltage during the surge generation period. At this time, the
タイミングT2において、スナバ制御信号VCONTがハイレベルからローレベルに切り替わると、スナバ制御信号VCONTが第1微分回路22により微分されることにより、第1トランジスタTR1のベース-エミッタ電圧VBEには、図3に示すように、負の電圧が印加されることになる。ここで、当該ベース-エミッタ電圧VBEが第1トランジスタTR1の動作電圧Vth(例えば、-0.7V)よりも低い期間では、第1トランジスタTR1がONとなる。このため、第1スナバ回路21は、二次側グランドGND2から、第1抵抗R1、第1トランジスタTR1、及び第1コンデンサC1を介して、第1スイッチQ1のドレイン側へ至る放電経路が形成され、当該放電経路によって第1コンデンサC1に充電されていた電荷が放電されることになる。これにより、第1コンデンサC1の両端電圧VC1は、電圧V2から徐々に低下する。尚、第1トランジスタTR1のベース-エミッタ電圧VBEは、第2コンデンサC2の特性に伴う緩和時間で徐々に0Vに向かって減衰する。
When the snubber control signal V CONT is switched from the high level to the low level at the timing T2, the snubber control signal V CONT is differentiated by the first differentiating
そして、第1コンデンサC1の両端電圧VC1がスイッチングサージ発生前の電圧V1まで低下するタイミングT3において、制御装置33は、第1微分回路22へ出力するスナバ制御信号VCONTをローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、図3に示すように、第1トランジスタTR1のベース-エミッタ電圧VBEが正の電圧に切りかわり、第1トランジスタTR1がOFFとなる。これに伴い、第1コンデンサC1は、放電経路が遮断されることにより放電を停止して、両端電圧VC1を電圧V1に維持する。ここで、制御装置33は、第1スイッチQ1がOFFから再びONとなるタイミングT4よりも前に放電を停止する。
Then, at the timing T3 in which the voltage across the first capacitor C1 VC1 drops to the voltage V1 before the switching surge occurs, the
このように、制御装置33は、第1スイッチQ1に対してON/OFF制御すると共に、第1スイッチQ1がOFFの期間におけるサージ発生期間以外の期間において、第1コンデンサC1に充電された電荷が放電されるように第1スナバ回路21を制御する。このとき、充放電される第1コンデンサC1の電荷は、第1スイッチQ1のスイッチングサージに伴う分だけであることから、第1抵抗R1において消費される電力を最小限に抑えることができる。また、第2スナバ回路23についても同様に、充放電される第3コンデンサC3の電荷は、第2スイッチQ2のスイッチングサージに伴う分だけであることから、第4抵抗R4において消費される電力を最小限に抑えることができる。
In this way, the
これにより、本発明に係る電力変換装置1によれば、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2におけるスイッチングサージの低減において、電力消費に伴う発熱及び電力損失を抑制することができる。
As a result, according to the
また、制御装置33は、二次側ドライバ32を介して第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2を制御するためのスイッチ制御信号と、第1スナバ回路21及び第2スナバ回路23を制御するためのスナバ制御信号とを、互いに独立した経路により出力している。このため、電力変換装置1は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2をON/OFF制御するタイミング及び期間に対して、第1コンデンサC1及び第2コンデンサC2の充放電のタイミング及び期間をそれぞれ独立して設定することができる。従って、本発明に係る電力変換装置1によれば、第1スナバ回路21及び第2スナバ回路23の動作のタイミング及び期間を、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2の動作のタイミング及び期間に影響されることなく容易に設定することができる。
Further, the
さらに、制御装置33は、例えば、サージ発生期間の後のタイミングT2において、スイッチングサージに伴う分の第1コンデンサC1の電荷の放電を開始する。これにより、第1スナバ回路21は、サージ発生期間中においては、第1抵抗R1、第1コンデンサC1、及び第1トランジスタTR1からなる放電経路が第1スイッチQ1に構成されないため、必要以上に電荷を放電してしまう虞を低減することができる。従って、本発明に係る電力変換装置1によれば、上記した電力消費に伴う発熱及び電力損失を確実に抑制することができる。
Further, the
また、制御装置33は、例えば、第1スイッチQ1がOFFからONに切り替わるタイミングT4の前に、タイミングT3において第1コンデンサC1の放電を終了する。これにより、第1スナバ回路21は、ドレイン-ソース間電圧VDSがローレベルに低下した第1スイッチQ1に対して放電経路を構成しないため、必要以上に第1コンデンサC1の電荷を放電してしまう虞を低減することができる。従って、本発明に係る電力変換装置1によれば、上記した電力消費に伴う発熱及び電力損失をより確実に抑制することができる。
Further, the
尚、スイッチングサージの波形やサージ電圧、及び第1コンデンサC1の放電速度は、電力変換装置1の回路特性に対して略一定である。そのため、電力変換装置1の動作データを予め取得しておくことにより、制御装置33から出力されるスナバ制御信号VCONTの切り替えのタイミング(T2及びT3)を適切に設定しておくことができる。
The waveform of the switching surge, the surge voltage, and the discharge speed of the first capacitor C1 are substantially constant with respect to the circuit characteristics of the
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、二次側の回路構成として同期整流回路20を例示したが、フルブリッジ又はハーフブリッジによる回路構成を採用してもよい。
Although the description of the embodiment is completed above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above embodiment, the
1 電力変換装置
10 インバータ回路
20 同期整流回路
21 第1スナバ回路
22 第1微分回路
23 第2スナバ回路
24 第2微分回路
30 駆動制御部
31 一次側ドライバ
32 二次側ドライバ
33 制御装置
34 アイソレータ
T 絶縁トランス
Q11~Q14 電界効果トランジスタ
L1、L2 コイル
C11、C21 コンデンサ
Q1~Q2 第1~第2スイッチ
R21~R24 抵抗
TR1~TR2 第1~第2トランジスタ
R1~R6 第1~第6抵抗
C1~C4 第1~第4コンデンサ
D1~D2 第1~第2ダイオード
1
Claims (3)
前記スイッチング素子の一端側に第1コンデンサを介してコレクタが接続されるトランジスタと、前記トランジスタのエミッタとグランドとの間に接続される第1抵抗と、前記トランジスタのコレクタにアノードが接続され、グランドにカソードが接続されるダイオードと、を含むスナバ回路と、
一端側が前記トランジスタのベースに接続される第2コンデンサと、前記第2コンデンサの一端側とグランドとの間に接続される第2抵抗と、を含む微分回路と、
前記スイッチング素子を制御するスイッチ制御信号を出力すると共に、前記第2コンデンサの他端側にスナバ制御信号を出力する制御装置と、を備え、
前記トランジスタは、前記スイッチング素子のスイッチングサージにより充電された分の前記第1コンデンサの電荷を放電し、
前記トランジスタは、前記スイッチング素子のサージ発生期間の後に、前記第1コンデンサの放電を開始する、電力変換装置。 Switching element and
A transistor to which a collector is connected to one end side of the switching element via a first capacitor, a first resistor connected between the emitter and ground of the transistor, and an anode connected to the collector of the transistor to ground. With a diode connected to the cathode, and a snubber circuit, including
A differentiating circuit including a second capacitor whose one end side is connected to the base of the transistor and a second resistor connected between one end side of the second capacitor and ground.
A control device that outputs a switch control signal for controlling the switching element and outputs a snubber control signal to the other end side of the second capacitor is provided.
The transistor discharges the electric charge of the first capacitor as much as it is charged by the switching surge of the switching element.
The transistor is a power conversion device that starts discharging the first capacitor after a surge generation period of the switching element .
The power conversion device according to claim 1 or 2 , wherein the transistor ends the discharge of the first capacitor before the switching element is switched from OFF to ON.
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