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絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ

国内特許コード P150011660
掲載日 2015年3月30日
出願番号 特願2008-529891
出願日 平成19年8月17日(2007.8.17)
国際出願番号 JP2007066036
国際公開番号 WO2008020629
国際出願日 平成19年8月17日(2007.8.17)
国際公開日 平成20年2月21日(2008.2.21)
優先権データ
  • 200610030132.4 (2006.8.17) CN
発明者
  • 佐土原 正志
  • 善家 充彦
  • 宮野 利雄
  • 項 安
出願人
  • 株式会社安川電機
  • 上海交通大学
発明の名称 絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ
発明の概要 本発明の絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータは、電圧源(Vin)、エネルギー貯蔵インダクタンス(Lin)、メインスイッチ(S1、S2)、メインスイッチにそれぞれ並列接続される外付けコンデンサー(C1、C2)、補助スイッチ(S1a、S2a)、補助スイッチにそれぞれ並列接続される外付けコンデンサー(C1a、C2a)、共振コンデンサー(C)、センタータップ付き1次巻線とセンタータップ付き2次側巻線を有する昇圧用トランス(Tr)、整流ダイオード(DR1、DR2)、出力フィルター・インダクタンス(Lf)、出力フィルター・コンデンサー(Cf)、及び負荷抵抗(RLd)が含まれる回路により実現され、メインスイッチと、補助スイッチがゼロ電圧の状態で導通及び遮断を行うように制御することにより、スイッチング損失及びEMIノイズを低減でき、高い変換効率が得られる。
従来技術、競合技術の概要 太陽光発電システム、燃料電池発電システムなど、低電圧、大電流の電気供給システムにおいて、DC/DCコンバータはエネルギーの変換、電圧電流の伝達及びパワー制御を実行するのに重要な部品である。燃料電池など低電圧、大電流アプリケーションの特殊性を考慮し、コンバータの設計には、特に低コスト、低汚染性(低ノイズ)、高効率、ハイパワー密度が求められている。そのため、コンバータは上記の要求を満足するために、簡単化、実用性、信頼性を求められている。

従来の昇圧型DC/DCコンバータ回路にはさまざまなものがあり、典型的な回路としては、ダブル式フォワード・トポロジー回路及びプッシュプル回路などある。現在、燃料電池発電システムによく採用されている主なトポロジーは、図4に示すような移相制御フル・ブリッジのゼロ電圧スイッチング回路である。図4に示すように、Q1~Q4は半導体メインスイッチ(MOSFETまたはIGBT)、D1~D4はスイッチQ1~Q4の内部寄生ダイオード、C1~C4はメインスイッチQ1~Q4の寄生コンデンサーまたは外付けコンデンサー、Lrは共振インダクタンス(トランスの漏洩インダクタンスを含む)である。各アームにある二つのパワースイッチは互いに180°の相補導通になっている。二つのアーム間の導通角の差は一つの位相、即ち、一つの移相角である。移相角の大きさを調節することにより、出力電圧が調節される。主な波形は図5に示すとおりである。図5中、Q1及びQ3は一方のブリッジアーム、Q2及びQ4は他方のブリッジアームである。両ブリッジアーム間の移相角により出力電圧の大きさを調節する。同時に、共振インダクタンス(Lr)とブリッジアームのコンデンサー(C1~C4)間の共振を利用して、ゼロ電圧状態のスイッチングの導通と遮断を行う。このような回路は、スイッチング電圧のストレスが低く、デューティ・レシオの調節範囲が広いという良さがある。一方、この回路には、制御回路が複雑で、低圧変換回路に2個のスイッチが直列されているため、スイッチングの導通損失が増大し、コンバータの効率を低下させるという問題があった。

産業上の利用分野 本発明は絶縁昇圧用DC/DCコンバータに関する。具体的には、太陽光発電システム、燃料電池発電システムなど、低電圧、大電流システムにおける直流から直流への変換に用いられる絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
エネルギー貯蔵インダクタンスの一端が電圧源の陽極に接続されて前記電圧源と前記エネルギー貯蔵インダクタンスが直列接続され、前記エネルギー貯蔵インダクタンスの他端がトランスの一次側巻線のセンタータップに接続され、第1メインスイッチのソースが前記電圧源の陰極に接続され、前記第1メインスイッチのドレインが前記トランスの前記一次側巻線の一端に接続され、同様に、第2メインスイッチのソースが前記電圧源の陰極に接続され、前記第2メインスイッチのドレインが前記トランスの一次側巻線の他端に接続され、第1補助スイッチのソースが前記第1メインスイッチのドレインに接続され、第2補助スイッチのソースが前記第2メインスイッチのドレインに接続され、2個の前記補助スイッチのドレイン同士が接続されかつ共振コンデンサーの一端に接続され、前記共振コンデンサーの他端が前記電圧源の陰極に接続されることを特徴とする絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ。

【請求項2】
前記トランスの2次側巻線の両端に整流ダイオードの陽極をそれぞれ接続し、前記整流ダイオードの陰極を互いに接続して出力電圧の陽極とし、前記トランスの前記2次側巻線のセンタータップを出力電圧の陰極とし、出力コンデンサーと負荷抵抗との並列回路の一端を出力電圧の陽極に接続し、前記並列回路の他端を出力電圧の陰極に接続することを特徴とする請求項1記載の絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ。

【請求項3】
前記絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータの制御ロジックが、
(1) 前記第1および第2のメインスイッチが同時に所定期間導通した後、前記第2メインスイッチが遮断となり、
(2) 極めて短いデッドタイムの後、第2補助スイッチ及び前記第1メインスイッチが同時に所定期間導通した後に、前記第2補助スイッチS2aが遮断となり、
(3) また、極めて短いデッドタイムの後、前記第1および第2メインスイッチが同時に所定期間導通した後に、前記第1メインスイッチが遮断となり、
(4) さらに、極めて短いデッドタイムの後、前記第1補助スイッチ及び前記第2メインスイッチが同時に所定期間導通した後に、前記第1補助スイッチが遮断となり、
(5) 最後に、極めて短いデッドタイムの後、前記第1および第2メインスイッチが同時に導通して、最初の段階(1)に戻るように繰り返されることを特徴とする請求項1記載の絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ。

【請求項4】
前記第1および第2メインスイッチ、前記第1および第2補助スイッチとして、フィールド・トランジスタMOSFETまたはIGBTを用いることを特徴とする請求項1記載の絶縁昇圧型プッシュプル式ソフトスイッチングDC/DCコンバータ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008529891thum.jpg
出願権利状態 公開
分野
  • 電気
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