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チョッパ回路 コモンズ 外国出願あり

国内特許コード P110005001
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2007-508188
登録番号 特許第5023338号
出願日 平成18年3月15日(2006.3.15)
登録日 平成24年6月29日(2012.6.29)
国際出願番号 2006JP305150
国際公開番号 WO2006/098376
国際出願日 平成18年3月15日(2006.3.15)
国際公開日 平成18年9月21日(2006.9.21)
優先権データ
  • 特願2005-075269 (2005.3.16) JP
発明者
  • 河村 篤男
  • 弦田 幸憲
  • 伊藤 嘉啓
出願人
  • 国立大学法人横浜国立大学
発明の名称 チョッパ回路 コモンズ 外国出願あり
発明の概要 等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルと、一方の極を主リアクトルの直列接続体の一端に接続し、他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接に接続した主スイッチと、この主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、このスナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した補助スイッチとを備え、スナバ補助ZVZCT(Snubber-Assisted Zero Voltage and Zero Current Transition chopper)チョッパ回路を構成する。上記構成によって、ソフトスイッチングのために備えていたリアクトルで発生していた熱損失を無くし、変換効率を向上させ、主スイッチのターンオンおよびターンオフ時における過電流過電圧を防ぎ、出力ダイオードの逆回復による過電圧を防ぐ。
従来技術、競合技術の概要 燃料電池自動車等の電気自動車駆動用では100kWの出力レンジで動作する高効率で大電力のチョッパ回路が用いられる。従来、この電気自動車の分野では、ハードスイッチングによる変換器が使用されている。

燃料電池自動車に限らず、半導体電力変換装置を用いる分野では低損失が求められるため、ソフトスイッチングによるチョッパ回路が求められている。

従来、大電力用チョッパ回路としては、図30に示すようなCブリッジチョッパ回路が知られている。図示するCブリッジチョッパ回路は、2つのスイッチと1つのコンデンサを用いた構成であり、ロスレススナバ回路による大電流遮断が可能で、無損失である点で大電流用途に適している。

しかしながら、このCブリッジチョッパ回路は、主スイッチとダイオードが主回路に直列接続されているため、全体の電力損失が大きいという課題があり、また、主スイッチS1とS2を同時ターンオンすると、出力ダイオードD3の逆回復時のリカバリ電流により発生する過電圧と、スナバコンデンサの充電電圧が重畳することで、大きな過電圧が発生し、出力ダイオードD3が破損するおそれがあるという課題がある。

そこで、本出願の発明者らは、準共振形回生アクティブスナバ(Quasi-resonant Regenerating Active Snubber:QRAS)方式のチョッパ回路を提案している(例えば、非特許文献1参照)。図31はこのQRASチョッパ回路の一構成例である。このQRASチョッパ回路では、主スイッチS1と補助スイッチS2を備え、主スイッチS1にリアクトルSL1を直列接続する構成によって、主スイッチングS1に流れる電流を遅延させて、主スイッチS1のターンオン時に電流が零となるようにしている(図32)。
【非特許文献1】電気学会産業応用部門大会講演論文集 弦田,神頭、河村「高効率大電力チョッパ回路QRAS」2004-6

産業上の利用分野 本発明は、直流変換を行う電源を構成するチョッパ回路に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とする、チョッパ回路。

【請求項2】
一端を出力平滑コンデンサに接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源の高電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチと前記主リアクトルとの接続点と、直流電源の低電位側端子との間を接続する出力ダイオードと、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とする、チョッパ回路

【請求項3】
一端を直流電源の低電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を直流電源の高電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記2つの主リアクトルの直列接続体間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とする、チョッパ回路

【請求項4】
第1の主スイッチの一方の極を直流電源の高電位側端子に接続し、第2の主スイッチの一方の極を直流電源の低電位側圧端子に接続し、両主スイッチの他方の極を接続してなる2つの主スイッチの直列接続体と、
前記2つの主スイッチの直列接続体間を接続するインバータと、
第1の主スイッチおよび第2の主スイッチの両極間に接続した、直流電源の高電圧から低電圧に向かって順方向に接続する第1のスナバダイオードと第1のスナバコンデンサの直列接続体および第2のスナバダイオードと第2のスナバコンデンサの直列接続体と、
一端を第1の主スイッチと第2の主スイッチの接続点に接続し、他端を出力コンデンサの一端に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
第1のスナバダイオードと第1のスナバコンデンサとの接続点と、2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間を接続した逆阻止特性を有する第1の補助スイッチと、
第2のスナバダイオードと第2のスナバコンデンサとの接続点と、2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間を接続した逆阻止特性を有する第2の補助スイッチとを備え
前記第1の補助スイッチは、第1のスナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより第1の主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、蓄積電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生して、第1の主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、インバータの過電圧を防止し、
前記第2の補助スイッチは、第2のスナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより第2の主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、蓄積電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、第2の主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、インバータの過電圧を防止することを特徴とする、チョッパ回路

【請求項5】
前記主スイッチは、ターンオン時に、当該スナバコンデンサと直流電源側に接続した主リアクトルとの回生共振によって、スナバコンデンサに蓄積された電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して、前記直流電源に回生することを特徴とする、請求項1乃至4に記載のチョッパ回路。

【請求項6】
前記補助スイッチをオン動作させた後に主スイッチをオン動作させることによって、主スイッチを零電圧かつ零電流の状態からオン動作させることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載のチョッパ回路。

【請求項7】
前記主リアクトルは、相互インダクタンスを持つ結合リアクトルにより一体に構成することを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載のチョッパ回路。

【請求項8】
前記スナバコンデンサと出力コンデンサとの間に出力クランプダイオードを備えることを特徴とする、請求項に記載のチョッパ回路。

【請求項9】
一端を直流電源の高電位側端子に接続した主リアクトルと、
一方の極を前記主リアクトルの他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続したスナバコンデンサ、
前記スナバコンデンサの高電位側と直流電源の高電位側端子との間に接続した回生リアクトルと逆阻止特性を有する補助スイッチとの直列接続体を備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記回生リアクトルに、主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とするチョッパ回路。

【請求項10】
一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチと前記主リアクトルの直列接続体の他端との接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に直接に接続した逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、前記主スイッチの浮遊容量の電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とするチョッパ回路。

【請求項11】
一端を直流電源の高電位側端子に接続した主リアクトルと、
一方の極を前記主リアクトルの他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチと前記主リアクトルの他端との接続点と、直流電源の高電位側端子との間に接続した回生リアクトルと逆阻止特性を有する補助スイッチとの直列接続体を備え、
前記補助スイッチは、前記主スイッチの浮遊容量の電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記回生リアクトルに、主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とするチョッパ回路。

【請求項12】
一端を直流電源の高電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの他端に接続し、他方の極を前記直流電源の低電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間を直接に接続するスナバコンデンサと、
前記スナバコンデンサの高電位側と前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に接続した逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とするチョッパ回路。

【請求項13】
前記スナバコンデンサの低電位側と前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間に、前記補助スイッチに対して並列接続したダイオードを備え、
前記ダイオードは、前記補助スイッチのオフ時において前記直流電源側の主リアクトルの電流を導通させ、前記補助スイッチを過電圧から保護することを特徴とする、請求項12に記載のチョッパ回路

【請求項14】
前記補助スイッチのゲート制御によって前記主スイッチによるハードスイッチングと記補助スイッチによるソフトスイッチングを切り替え、
前記ハードスイッチングは、前記補助スイッチをゲートブロックして一時停止させ、前記主スイッチのみによりスイッチングを行い、
前記ソフトスイッチングは、前記補助スイッチを動作させてスイッチングを行うことを特徴とする請求項9乃至12の何れかに記載のチョッパ回路。

【請求項15】
前記主リアクトルは、直流電源の高電位側又は低電位側に設けることを特徴とする請求項9乃至14の何れかに記載のチョッパ回路。

【請求項16】
一端を直流電源の低電位側端子に接続した、等価的に1つのリアクトルを構成する2分割した2つの主リアクトルの直列接続体と、
一方の極を前記主リアクトルの直列接続体の他端に直接に接続し、他方の極を前記直流電源の高電位側端子に直接に接続した主スイッチと、
前記主スイッチの両極間に接続した、出力ダイオードと出力平滑コンデンサとの直列接続体と、
前記主スイッチの両極間に接続した、スナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体と、
前記スナバダイオードとスナバコンデンサとの接続点と、前記2つの主リアクトルの直列接続体の接続点との間を直接に接続する逆阻止特性を有する補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、スナバコンデンサの電圧を零電圧とすることにより主スイッチのターオン時の電圧を零電圧とし、
ターンオン時に、前記出力ダイオードに蓄積される電荷を、前記2つの主リアクトルの内の直流電源側の主リアクトルに、当該主リアクトルの主電流と逆方向に通流して前記直流電源に回生し、主スイッチのターオン時の電流を零電流とし、前記出力ダイオードの過電圧を防止することを特徴とするチョッパ回路。

【請求項17】
主スイッチの両極間にスナバダイオードとスナバコンデンサの直列接続体を接続し、主スイッチの一方の極を2つの主リアクトルの直列接続体もしくは等価的に2つのインダクタンスを直列接続した1つの主リアクトルの一端および出力ダイオードの一方の極に接続し、主スイッチの他方の極を直流電源の一方の電圧端子に直接接続し、前記出力ダイオードの他方の極に負荷が接続された構成であって、
前記スナバダイオードスナバコンデンサとの接続点と前記主リアクトルの直列接続体の接続点もしくは2つのインダクタンスの接続点との間に接続した補助スイッチとを備え、
主スイッチのターンオン前に、補助スイッチを主リアクトルによりソフトスイッチングでターンオンさせ、蓄積電荷を消してソフトスイッチングで前記出力ダイオードの逆阻止特性を回復させた後の前記スナバコンデンサと主リアクトルの共振動作により主スイッチをソフトスイッチングでターンオンし、
主スイッチは前記スナバコンデンサによりソフトスイッチングでターンオフさせ、
補助スイッチは零電流でソフトスイッチングでターンオフさせることを特徴とするチョッパ回路。

【請求項18】
前記補助スイッチは、逆並列ダイオード付きIGBTとダイオードの直列接続で構成することを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のチョッパ回路。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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