DE112011104839T5

DE112011104839T5 - DC-DC-Wandler

Info

Publication number: DE112011104839T5
Application number: DE112011104839T
Authority: DE
Inventors: Masaki Yamada; Ryota KONDO; Takashi Kaneyama; Kazutoshi AWANE; Satoshi Murakami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-11-07
Also published as: WO2012105112A1; CN103339844A; JPWO2012105112A1; US20130301304A1; US9065341B2

Abstract

Ein DC-DC-Wandler, in dem eine Primärseite und eine Sekundärseite durch einen Transformator (3) isoliert sind, enthält: zwei Dioden (9a, 9b) mit Anoden, die jeweils an beiden Enden einer Sekundärwicklung des Transformators (3) angeschlossen sind, und Kathoden, die miteinander verbunden sind; eine Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einem Widerstand (11) und einem Kondensator (10), die in Reihe geschaltet sind; und einen Dämpferschaltkreis (8), der gebildet ist durch Verbinden der Kathoden der Dioden (9a, 9b) mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (11) und dem Kondensator (10). Eine auf der Sekundärseite des Transformators (3) verursachte Stoßspannung wird bei der Spannung des Kondensators (10) festgeklemmt, und eine in dem Kondensator (10) gespeicherte Stoßenergie wird an eine Last (7) via den Widerstand (11) rückgekoppelt. Somit wird eine auf der Sekundärseite des Transformators (3) verursachte Stoßspannung mit einer einfachen Konfiguration unterdrückt, und eine wirksame Verwendung einer Stoßenergie wird gewährleistet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen DC-DC-Wandler, in dem eine Primärseite und eine Sekundärseite durch einen Transformator isoliert sind, und betrifft im Besonderen eine Unterdrückung einer beim Schalten verursachten Stoßspannung
HINTERGRUNDTECHNIK
Eine konventionelle Energieumwandlungsvorrichtung enthält einen Wechselrichter, einen Hochfrequenztransformator und einen bidirektionalen Schalter und richtet durch den bidirektionalen Schalter eine durch den Hochfrequenztransformator hochgesetzte Positiv- und Negativ-Rechteckwellenimpulsfolge in eine Rechteckwellenimpulsfolge mit einer einzelnen Polarität gleich. Zwei oder mehr Reihenschaltungen, so wie eine Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einer Leistungsschaltervorrichtung AS1 und einem Kondensator C1, und eine Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einer Leistungsschaltervorrichtung AS2 und einem Kondensator C2, angeschlossen in einer Richtung entgegengesetzt zu der ersten, sind zwischen beiden ausgangsseitigen Enden des Hochfrequenztransformators angeschlossen. Die Leistungsschaltervorrichtungen AS1 und AS2 arbeiten in Synchronisation mit der Polarität einer Ausgangsspannung des Hochfrequenztransformators, wodurch eine auf der Ausgangsspannung des Transformators verursachte Stoßspannung bei der Spannung eines Kondensators C1 oder C2 festgeklemmt wird (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
ZITIERUNGSLISTE
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2007-215324

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
In der konventionellen Energieumwandlungsvorrichtung werden die Schaltvorrichtungen dazu gebracht, in Synchronisation mit der Polarität der Ausgangsspannung des Transformators zu arbeiten, wodurch der Stoßstrom in dem Kondensator gespeichert wird. Deshalb wird eine Schaltsteuerung benötigt zum Unterdrücken der Stoßspannung, und es gibt eine Grenze hinsichtlich einer Vereinfachung der Schaltkreiskonfiguration. Da ein von dem Kondensator entladener Strom zu der Transformatorseite fließt, wird außerdem eine Verwendung der gespeicherten Stoßenergie beschränkt.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die obigen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen DC-DC-Wandler bereitzustellen, der eine auf einer Sekundärseite eines Transformators verursachte Stoßspannung mit einer einfachen Konfiguration unterdrückt und gewährleistet, dass eine Stoßenergie wirksam verwendet werden kann.
LÖSUNG DER PROBLEME
Ein erster DC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung führt eine DC-DC-Umwandlung einer eingegebenen Gleichstromleistung und ein Ausgeben der umgewandelten Leistung an eine Last durch und enthält: einen Wechselrichter (Engl.: inverter) mit einer Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen, zum Umwandeln einer Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung; einen Transformator mit einer Primärseite, die mit einem Wechselstromausgang des Wechselrichters verbunden ist; einen Gleichrichtungsschaltkreis, der eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen hat und mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden ist. Außerdem enthält der erste DC-DC-Wandler einen Dämpferschaltkreis (Engl.: snubber circuit) mit: einer Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einem Widerstand, der ein Ende hat, das mit dem positiven Anschluss der Last verbunden ist, und einem Kondensator, der ein Ende hat, das mit dem negativen Anschluss der Last verbunden ist, wobei der Widerstand und der Kondensator in Reihe geschaltet sind; und zwei Dioden mit Anoden, die jeweils an beiden Enden einer Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind, und Kathoden, die an einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator angeschlossen sind. Der Dämpferschaltkreis unterdrückt eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung und koppelt eine Leistung des Kondensators an die Last via den Widerstand zurück.
Ferner führt ein zweiter DC-DC-Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eine DC-DC-Umwandlung einer eingegebenen Gleichstromleistung und ein Ausgeben der umgewandelten Leistung an eine Last durch und enthält: einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen hat, zum Umwandeln einer Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung; einen Transformator mit einer Primärseite, die an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters angeschlossen ist; einen Gleichrichtungsschaltkreis, der eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen hat und mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden ist. Außerdem enthält der zweite DC-DC-Wandler einen Dämpferschaltkreis mit: zwei Dioden mit Anoden, die jeweils an beiden Enden einer Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind, und Kathoden, die miteinander verbunden sind; einem Kondensator, der zwischen einem negativen Anschluss der Last und dem Verbindungspunkt zwischen den zwei Dioden angeschlossen ist; und einem Abwärts-Chopper-Schaltkreis (Engl.: step-down chopper circuit), der zusammengesetzt ist aus einer Halbleiter-Schaltvorrichtung, zu der eine Diode antiparallel geschaltet ist, einer Diode und einer Drossel, und der zwischen dem Kondensator und der Last angeschlossen ist. Der Dämpferschaltkreis unterdrückt eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung und koppelt eine Leistung des Kondensators an die Last über den Abwärts-Chopper-Schaltkreis zurück.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dem obigen ersten DC-DC-Wandler wird eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung bei der Spannung des Kondensators durch die Diode des Dämpferschaltkreises festgeklemmt und in dem Kondensator gespeichert. Deshalb ist es möglich, die Stoßspannung zu unterdrücken und jede Vorrichtung des Gleichrichtungsschaltkreises vor einer Überspannung zu schützen, mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung. Außerdem wird die in dem Kondensator gespeicherte Stoßenergie an die Ausgangsseite via den Widerstand rückgekoppelt, wodurch es gewährleistet wird, dass die Stoßenergie wirksam verwendet wird.
Gemäß dem obigen zweiten DC-DC-Wandler wird eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung bei der Spannung des Kondensators durch die Diode des Dämpferschaltkreises festgeklemmt und in dem Kondensator gespeichert. Deshalb ist es möglich, die Stoßspannung zu unterdrücken und jede Vorrichtung des Gleichrichtungsschaltkreises vor einer Überspannung zu schützen, mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung. Außerdem wird die in dem Kondensator gespeicherte Stoßenergie an die Ausgangsseite via den Abwärts-Chopper-Schaltkreis rückgekoppelt, wodurch es gewährleistet wird, dass die Stoßenergie wirksam verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Wellenformdiagramm jedes Abschnitts zum Erläutern der Operation des DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Stromroutendiagramm zum Erläutern der Operation des DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Stromroutendiagramm zum Erläutern der Operation des DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Konfigurationsdiagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Konfigurationsdiagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Konfigurationsdiagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Steuerungsblockdiagramm, das eine Steuerung durch einen Abwärts-Chopper-Schaltkreis gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Konfigurationsdiagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
Hier wird im Nachfolgenden Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
1 ist ein Diagramm, das die Schaltkreiskonfiguration eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, wandelt der DC-DC-Wandler eine Spannung Vin einer Gleichstromenergieversorgung 1 in eine durch einen Transformator 3 isolierte sekundärseitige Gleichspannung um und gibt Gleichspannung Vout an eine Last 7, so wie beispielsweise eine Batterie, aus.
Der DC-DC-Wandler enthält: den isolierten Transformator 3; einen Einzelphasen-Wechselrichter 2, der mit einer Primärwicklung 3a des Transformators 3 verbunden ist und Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa, Sb, Sc und Sd hat, die auf eine Vollbrückenweise angeschlossen sind, und von denen jede aus einem MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) zusammengesetzt ist mit einer Diode zwischen dem Source-Anschluss und dem Drain-Anschluss davon, wobei der Einzelphasen-Wechselrichter 2 somit als ein Wechselrichter zum Umwandeln der Gleichspannung Vin der Gleichstromenergieversorgung 1 in eine Wechselspannung dient; und einen Gleichrichtungsschaltkreis 4, der mit einer Sekundärwicklung 3b des Transformators 3 verbunden ist und Dioden 4a bis 4d als Gleichrichtungsvorrichtungen (Halbleitervorrichtungen) hat, die auf eine Vollbrückenweise angeschlossen sind. Außerdem sind eine Drossel 5 zur Ausgangsglättung und ein Glättungskondensator 6 mit dem Ausgang des Gleichrichtungsschaltkreises 4 verbunden, und Gleichspannung Vout wird an die Last 7 ausgegeben.
Außerdem enthält der DC-DC-Wandler einen Dämpferschaltkreis 8 zum Unterdrücken einer auf der Sekundärseite des Transformators 3 verursachten Stoßspannung, und der Dämpferschaltkreis 8 enthält: Dioden 9a und 9b, deren Anoden mit den jeweiligen Enden der Transformatorsekundärwicklung 3b verbunden sind; und eine Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einem Kondensator 10 und einem Widerstand 11, die in Reihe geschaltet sind. Die Kathoden der zwei Dioden 9a und 9b sind miteinander verbunden, und der Verbindungspunkt dazwischen ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 10 und dem Widerstand 11 verbunden. Das andere Ende des Widerstands 11 ist mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 oder der Last 7 verbunden. Die negativen Anschlüsse des Kondensators 10, des Glättungskondensators 6 und der Last 7 sind miteinander verbunden und dann mit den Anoden der Dioden 4b und 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 verbunden.
Ferner ist ein Steuerschaltkreis 20 außerhalb des Hauptschaltkreises bereitgestellt, und die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout werden jeweils überwacht und ausgegeben an den Steuerschaltkreis 20. Der Steuerschaltkreis 20 gibt ein Gate-Signal 20a an die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd in dem Einzelphasen-Wechselrichter 2 aus, um dadurch die AN-Betriebszeit (AN-Periode) jeder der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd zu steuern, so dass die Ausgangsspannung Vout die Zielspannung sein wird.
Es wird angemerkt, dass die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd des Einzelphasen-Wechselrichters 2 nicht auf einen MOSFET beschränkt sind. Sie können eine Selbstabschalt-Halbleiter-Schaltvorrichtung sein, so wie ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), mit der/dem eine Diode antiparallel verbunden ist/wird.
Die Operation des wie oben beschrieben ausgestalteten DC-DC-Wandlers wird unten beschrieben werden.
2 ist ein Wellenformdiagramm, das zeigt: als das Gate-Signal 20a ein Gate-Signal für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa und Sd und ein Gate-Signal für die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sb und Sc; und eine auf der Transformatorsekundärseite verursachte Spannung. Es wird angemerkt, dass, wenn das Gate-Signal Hoch ist, jede der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd angeschaltet ist.
Der Einzelphasen-Wechselrichter 2 führt alternierend eine Operation eines Anschaltens der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa und Sd zu derselben Zeit und einen Betrieb eines Anschaltens der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sb und Sc zu derselben Zeit durch, mit derselben AN-Betriebszeit (AN-Periode) tx. In dieser Periode überträgt der Transformator 3 Energie von der Primärseite an die Sekundärseite, und eine Spannung tritt auf der Transformatorsekundärseite auf. Wenn die Halbleiter Schaltvorrichtungen Sa und Sd zu derselben Zeit angeschaltet sind/werden, fließt ein Strom durch eine in 3 gezeigte Route, und wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sb und Sc zu derselben Zeit angeschaltet sind/werden, fließt ein Strom durch eine in 4 gezeigte Route, wodurch Energie an die Transformatorsekundärseite übertragen wird.
Um einen Zweigkurzschluss zu unterbinden, wird eine Todzeit td zwischen der Periode, wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa und Sd beide an sind, und der Periode, wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sb und Sc beide an sind, benötigt. Falls ein Zyklus mit T bezeichnet wird, wird deshalb die AN-Betriebszeit (tx) wie folgt dargestellt. tx ≤ T/2 – td
Falls das Windungsverhältnis des Transformators mit n bezeichnet wird, wird außerdem die Ausgangsspannung Vout durch den folgenden Ausdruck dargestellt, mit Verwendung der Eingangsspannung Vin, der AN-Betriebszeit (tx) und des Zyklus T. Vout = Vin·n·(2tx/T)
Und zwar wird eine Steuerung durchgeführt, so dass in dem Fall eines Erhöhens der Ausgangsspannung Vout die AN-Betriebszeit (tx) innerhalb eines nicht (T/2 – td) überschreitenden Bereichs erhöht wird, und in dem Fall eines Verringerns der Ausgangsspannung Vout die AN-Betriebszeit (tx) verringert wird.
Durch alternierendes Durchführen einer Operation eines Anschaltens der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa und Sd zu derselben Zeit und einer Operation eines Anschaltens der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sb und Sc zu derselben Zeit, wie oben beschrieben, fließt ein Strom, dessen Polarität zwischen positiv und negativ invertiert wird, wie in 3 und 4 gezeigt. Der auf der Sekundärseite des Transformators 3 bereitgestellte Dämpferschaltkreis 8 unterdrückt eine Stoßspannung, die auf dem Transformator 3 aufgrund einer Leckinduktivität des Transformators 3 oder einer Induktivitätskomponente einer Schaltungsanordnung bei der Umkehrung des Stroms verursacht wird, wodurch eine Spannung mit einer bevorzugten Wellenform auf der Transformatorsekundärseite auftritt, wie in 2 gezeigt. Es wird angemerkt, dass eine Spannungswellenform in dem Fall, wo kein Stoßunterdrückungsschaltkreis, wie der Dämpferschaltkreis 8, bereitgestellt wird, auch als ein Vergleichsbeispiel in 2 gezeigt ist. Wie in 2 gezeigt, tritt in dem Fall, wo kein Stoßunterdrückungsschaltkreis bereitgestellt ist, eine Stoßspannung zu der Zeit eines Ansteigens auf, wenn eine Spannung auf der Sekundärwicklung des Transformators 3 auftritt, d. h. wenn der Transformator 3 angeschaltet ist/wird.
Die Details der Operation des Dämpferschaltkreises 8 werden unten beschrieben werden.
Wenn der DC-DC-Wandler aktiviert wird, wird der Kondensator 10 anfangs via den Widerstand 11 mit der durch die Drossel 5 und den Glättungskondensator 6 geglätteten Spannung Vout aufgeladen. Wenn die Spannung des Kondensators 10 niedriger als die sekundärseitige Spannung des Transformators 3 ist, fließt außerdem ein Strom von der Transformatorsekundärwicklung 3b in den Kondensator 10 via die Dioden 9a und 9b, wodurch der Kondensator 10 aufgeladen wird.
Wenn eine Stoßspannung auf der sekundärseitigen Spannung des Transformators 3 aufgetreten ist, so dass die resultierende Spannung die Spannung des Kondensators 10 überschritten hat, fließt ein Stoßstrom von der Transformatorsekundärwicklung 3b in den Kondensator 10 via die Dioden 9a und 9b, wodurch die sekundärseitige Spannung des Transformators 3 bei der Spannung des Kondensators 10 festgeklemmt wird, und der Kondensator 10 mit dem Stoßstrom geladen wird. Es wird angemerkt, dass tatsächlich die sekundärseitige Spannung des Transformators 3 gleich zu einer Spannung ist, die erhalten worden ist durch Addieren der Durchlassspannung der Dioden 9a und 9b zu der Spannung des Kondensators 10.
Da der Kondensator 10 anfangs via den Widerstand 11 von der Seite der Ausgangsspannung Vout aufgeladen wird, wenn der DC-DC-Wandler aktiviert ist/wird, fließt niemals ein übermäßiger Stoßstrom, wenn der Transformator 3 angeschaltet ist/wird.
Wenn die Spannung des Kondensators 10 zugenommen hat, indem er mit dem Stoßstrom aufgeladen wird, wird außerdem eine Energie bzw. Leistung des Kondensators 10 an den Glättungskondensator 6 (oder die Last 7) via den Widerstand 11 rückgekoppelt bzw. regeneriert.
Wie oben beschrieben, ist der Dämpferschaltkreis 8, der zusammengesetzt ist aus den Dioden 9a und 9b, dem Kondensator 10 und dem Widerstand 11, auf der Sekundärseite des Transformators 3 bereitgestellt, so dass der Stoßstrom von der Transformatorsekundärwicklung 3b in den Kondensator 10 via die Dioden 9a und 9b fließt, wenn eine Stoßspannung aufgetreten ist. Deshalb wird eine auf der Sekundärseite des Transformators 3 verursachte Stoßspannung unterdrückt, indem sie bei der Spannung des Kondensators 10 festgeklemmt wird. Als ein Beispiel kann verhindert werden, dass eine übermäßige Spannung an die Dioden 4a bis 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 angelegt wird, wodurch der Gleichrichtungsschaltkreis 4 geschützt werden kann. Da die Dioden 9a und 9b anstelle von in der konventionellen Technik verwendeten Schaltvorrichtungen verwendet werden, ist es außerdem möglich, eine Stoßspannung zu unterdrücken und jede Vorrichtung des Gleichrichtungsschaltkreises 4 mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung zu schützen. Da ein übermäßiger Stoßstrom niemals in den Dioden 9a und 9b fließt, können außerdem Vorrichtungen mit kleinen Kapazitäten verwendet werden.
Da eine in dem Kondensator 10 gespeicherte Energie an den Glättungskondensator 6 (oder die Last 7) via den Widerstand 11 rückgekoppelt bzw. regeneriert werden kann, wird es ferner gewährleistet, dass eine durch eine Stoßspannung verursachte Stoßenergie an die Lastseite rückgekoppelt wird, um wirksam verwendet zu werden, wodurch die Energieumwandlungseffizienz des DC-DC-Wandlers verbessert werden kann. Da ein Spannungsanstieg in dem Kondensator 10 verhindert wird, kann außerdem der Unterdrückungseffekt für eine Stoßspannung bei einem hohen Pegel aufrechterhalten werden.
Ausführungsform 2
Als Nächstes wird Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
5 ist ein Diagramm, das die Schaltkreiskonfiguration eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 5 gezeigt, enthält in der vorliegenden Ausführungsform ein Dämpferschaltkreis 81: die Dioden 9a und 9b, deren Anoden mit den jeweiligen Enden der Transformatorsekundärwicklung 3b verbunden sind; und die zwei Reihenschaltungen, die jeweils zusammengesetzt sind aus einem Kondensator 10a und einem Widerstand 11a, die in Reihe geschaltet sind, und einem Kondensator 10b und einem Widerstand 11b, die in Reihe geschaltet sind. Die zwei Reihenschaltungen sind parallel platziert. Die Kathoden der Dioden 9a und 9b sind jeweils mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 10a und dem Widerstand 11a und dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 10b und dem Widerstand 11b verbunden. Außerdem sind die anderen Enden der Widerstände 11a und 11b mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 oder der Last 7 verbunden. Die negativen Anschlüsse der Kondensatoren 10a und 10b, des Glättungskondensators 6 und der Last 7 sind miteinander verbunden und dann mit den Anoden der Dioden 4b und 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 verbunden. Die über den Dämpferschaltkreis 81 hinausgehende Konfiguration ist dieselbe wie in der obigen Ausführungsform 1.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform unterdrückt ähnlich zu der obigen Ausführungsform 1 der auf der Sekundärseite des Transformators 3 bereitgestellte Dämpferschaltkreis 81 eine Stoßspannung, die auf dem Transformator 3 aufgrund einer Leckinduktivität des Transformators 3 oder einer Induktivitätskomponente einer Schaltungsanordnung auf die Inversion eines Stroms hin auftritt. In diesem Fall fließt ein Stoßstrom, der durch die Diode 9a von der Transformatorsekundärwicklung 3b fließt, in den Kondensator 10a, wodurch die Stoßspannung bei der Spannung des Kondensators 10a festgeklemmt wird, und ein Stoßstrom, der durch die Diode 9b fließt, fließt in den Kondensator 10b, wodurch die Stoßspannung bei der Spannung des Kondensators 10b festgeklemmt wird. Wie in der obigen Ausführungsform 1 ist es somit möglich, eine Stoßspannung zu unterdrücken und die Dioden 4a bis 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung zu schützen. Außerdem wird es gewährleistet, dass eine in den Kondensatoren 10a und 10b gespeicherte Stoßenergie via die Widerstände 11a und 11b an die Lastseite rückgekoppelt wird, um wirksam bzw. effizient verwendet zu werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine auf der Sekundärseite des Transformators 3 verursachte Stoßenergie gemeinsam genutzt und gespeichert durch die zwei Kondensatoren 10a und 10b in einer Hälfte des Zyklus für jeden. Deshalb wird ein Spannungsanstieg in den Kondensatoren 10a und 10b unterdrückt, wodurch eine Stoßunterdrückungsfähigkeit verbessert werden kann, und Energie bzw. Leistung kann an die Ausgangsseite rückgekoppelt werden, wobei der Verlust auf den Widerständen 11a und 11b unterdrückt wird.
Ausführungsform 3
Als Nächstes wird Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
6 ist ein Diagramm, das die Schaltkreiskonfiguration eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 6 gezeigt, ist in einem Dämpferschaltkreis 82 der Verbindungspunkt zwischen den Kathoden der zwei Dioden 9a und 9b mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 10 und dem Widerstand 11 via einen MOSFET 12a verbunden, der eine Halbleiter-Schaltvorrichtung ist. Der MOSFET 12a hat eine Diode 12b (in diesem Fall eine parasitäre Diode), die antiparallel angeschlossen ist, und einen Drain-Anschluss, der mit der Seite der Dioden 9a und 9b verbunden ist, und agiert als Stromunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen des Durchlassstroms der Dioden 9a und 9b. Anstelle des MOSFET 12a kann eine Selbstabschalt-Halbleiter-Schaltvorrichtung, so wie ein IGBT, verwendet werden.
Außerdem wird eine auf der Transformatorsekundärseite verursachte Spannung Va erfasst und eingegeben an den Steuerschaltkreis 20, und der Steuerschaltkreis 20 gibt ein Gate-Signal 20b auf Grundlage der erfassten Spannung Va aus, wodurch der MOSFET 12a gesteuert wird.
Die restliche Konfiguration ist dieselbe wie in der obigen Ausführungsform 1.
In der vorliegenden Ausführungsform wird in dem Fall, wo die auf der Transformatorsekundärseite verursachte Spannung Va niedriger als die vorbestimmte Spannung ist und deshalb die Durchbruchspannung der Dioden 4a bis 4d nicht beeinflusst wird, selbst falls eine Stoßspannung auftritt, der MOSFET 12a ausgeschaltet, um einen durch die Dioden 9a und 9b fließenden Strom zu unterbrechen. In dem Fall, wo die Stoßspannung groß ist, wird der MOSFET 12a angeschaltet, so dass der Stoßstrom von der Transformatorsekundärwicklung 3b in den Kondensator 10 via die Dioden 9a und 9b fließt, wodurch die sekundärseitige Spannung des Transformators 3 bei der Spannung des Kondensators 10 festgeklemmt wird und der Kondensator 10 via die Stoßspannung geladen wird. Als ein Ergebnis kann neben dem Erhalten derselben Wirkung wie in der obigen Ausführungsform 1 ein auf dem Kondensator 10 oder dem Widerstand 11 verursachter Verlust reduziert werden, ohne dass der Dämpferschaltkreis 82 unnötig zum Arbeiten veranlasst wird.
Obwohl der Fall, wo die auf der Transformatorsekundärseite verursachte Spannung Va erfasst wird zum Steuern des MOSFET 12a, oben beschrieben worden ist, kann die folgende Konfiguration eingesetzt werden. Und zwar wird auch in dem Fall, wo ein in der Sekundärwicklung 3b fließender Strom klein ist, oder in dem Fall, wo die Eingangsspannung Vin von der Gleichstromenergieversorgung 1 niedrig ist, die Durchbruchspannung der Dioden 4a bis 4d nicht beeinflusst, selbst falls eine Stoßspannung auftritt. Deshalb können der in der Sekundärwicklung 3b fließende Strom oder die Eingangsspannung Vin erfasst werden, wodurch der MOSFET 12a abgeschaltet sein kann. Es wird angemerkt, dass als die Eingangsspannung Vin in diesem Fall die zum Steuern des Einzelphasen-Wechselrichters 2 Erfasste verwendet werden kann.
In der obigen Ausführungsform ist der MOSFET 12a mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kathoden der zwei Dioden 9a und 9b verbunden, wodurch der durch die Dioden 9a und 9b fließende Strom unterbrochen wird. Jedoch kann die Stromunterbrechungseinrichtung eine andere Konfiguration als die obige haben. Beispielsweise kann der Strom auf der Anodenseite der Dioden unterbrochen werden.
Ferner kann die vorliegende Ausführungsform auch auf die obige Ausführungsform 2 angewendet werden. In diesem Fall sind zwei MOSFETs 12a, die jeweils die antiparallel geschaltete Diode 12b haben, bereitgestellt und jeweils dazwischen angeschlossen: die Dioden 9a und 9b; und die Kondensatoren 10a und 10b und die Widerstände 11a und 11b.
Ausführungsform 4
Als Nächstes wird Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
7 ist ein Diagramm, das die Schaltkreiskonfiguration eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 7 gezeigt, hat anstelle des Widerstands 11 der obigen Ausführungsform 1 ein Dämpferschaltkreis 83 einen Abwärts-Chopper-Schaltkreis 16, der zusammengesetzt ist aus: einem MOSFET 13a als eine Halbleiter-Schaltvorrichtung, mit dem eine Diode 13b antiparallel verbunden ist; einer Diode 14; und einer Drossel 15. Der Drain-Anschluss des MOSFET 13a und der Kondensator 10 sind verbunden, und der Verbindungspunkt dazwischen ist mit einem Verbindungspunkt zwischen den Kathoden der zwei Dioden 9a und 9b verbunden. Außerdem ist das andere Ende der Drossel 15 mit dem positiven Anschluss des Glättungskondensators 6 oder der Last 7 verbunden. Die negativen Anschlüsse des Kondensators 10, die Anode der Diode 14, des Glättungskondensators 6 und der Last 7 sind miteinander verbunden, und sind dann mit den Anoden der Dioden 4b und 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 verbunden.
Außerdem werden eine Spannung Vc des Kondensators 10 und ein in der Drossel 15 fließender Stromwert i2 erfasst und an den Steuerschaltkreis 20 eingegeben, und der Steuerschaltkreis 20 gibt ein Gate-Signal 20c auf Grundlage der erfassten Spannung Vc und des Stromwertes i2 aus, wodurch er den MOSFET 13a des Abwärts-Chopper-Schaltkreises 16 steuert. Anstelle des MOSFET 12a kann eine Selbstabschalt-Halbleiter-Schaltvorrichtung, so wie ein IGBT, verwendet werden.
Die restliche Konfiguration ist dieselbe wie in der obigen Ausführungsform 1.
In der vorliegenden Ausführungsform fließt ähnlich zu der obigen Ausführungsform 1, wenn eine Stoßspannung auf der sekundärseitigen Spannung des Transformators 3 aufgetreten ist, so dass die resultierende Spannung die Spannung des Kondensators 10 überschritten hat, ein Stoßstrom von der Transformatorsekundärwicklung 3b in den Kondensator 10 via die Dioden 9a und 9b, wodurch die sekundärseitige Spannung des Transformators 3 bei der Spannung des Kondensators 10 festgeklemmt wird und der Kondensator 10 mit dem Stoßstrom geladen wird.
Die Spannung Vc des Kondensators 10 wird durch den Abwärts-Chopper-Schaltkreis 16 gesteuert, um Zielspannung Vc* zu sein. Hier wird im Nachfolgenden die Steuerung durch den Abwärts-Chopper-Schaltkreis 16 auf Grundlage von 8 beschrieben werden.
Eine PI-Berechnung wird durchgeführt mit Verwendung, als ein Rückkopplungsausmaß 31, der Differenz zwischen der vorbestimmten Zielspannung Vc* und der erfassten Spannung Vc des Kondensators 10, wodurch ein Stromanweisungswert i2* erhalten wird. Dann wird ein Signal 33, das erhalten worden ist mittels PI-Berechnung mit Verwendung einer Abweichung 32 zwischen dem Stromanweisungswert i2* und dem erfassten Stromwert i2 der Drossel 15, durch eine Beurteilungseinheit 34 beurteilt. Auf Grundlage der Beurteilung erzeugt dann eine PWM-Steuerungseinheit 35 das Gate-Signal 20c und gibt dieses an den MOSFET 13a aus.
Die Beurteilungseinheit 34 führt eine Beurteilung durch, so dass, wenn die Spannung Vc des Kondensators 10 niedriger als die Ausgangsspannung Vout ist, der MOSFET 13a abgeschaltet ist/wird, und wenn die Spannung Vc des Kondensators 10 gleich oder höher als die Ausgangsspannung Vout ist, der MOSFET 13a mittels PWM-Steuerung gesteuert wird, um eine Abwärtsoperation bzw. Abspannoperation durchzuführen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ähnlich zu der obigen Ausführungsform 1 eine auf der Sekundärseite des Transformators 3 verursachte Stoßspannung unterdrückt, indem sie bei der Spannung des Kondensators 10 festgeklemmt wird. Als ein Ergebnis kann verhindert werden, dass eine Überschussspannung an die Dioden 4a bis 4d des Gleichrichtungsschaltkreises 4 angelegt wird, wodurch der Gleichrichtungsschaltkreis 4 geschützt werden kann. Da die Dioden 9a und 9b anstelle von in der konventionellen Technik verwendeten Schaltvorrichtungen verwendet werden, ist es außerdem möglich, eine Stoßspannung zu unterdrücken und jede Vorrichtung des Gleichrichtungsschaltkreises 4 mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung zu schützen. Da niemals ein übermäßiger Stoßstrom in den Dioden 9a und 9b fließt, können außerdem Vorrichtungen mit kleinen Kapazitäten verwendet werden.
Da die Energie bzw. Leistung des Kondensators 10 an den Glättungskondensator 6 (oder die Last 7) via den Abwärts-Chopper-Schaltkreis 16 rückgekoppelt werden kann, wird ferner gewährleistet, dass eine durch eine Stoßspannung verursachte Stoßenergie an die Lastseite rückgekoppelt wird, um wirksam verwendet zu werden. In diesem Fall wird ein Verlust im Vergleich mit dem Fall einer Verwendung des Widerstands 11 reduziert, wodurch eine wirksame Verwendung der Stoßenergie gefördert werden kann, und die Energieumwandlungseffizienz des DC-DC-Wandlers verbessert werden kann. Da die Spannung Vc des Kondensators 10 durch den Abwärts-Chopper-Schaltkreis 16 gesteuert wird, kann außerdem ein Spannungsanstieg in dem Kondensator 10 mehr unterdrückt werden, wodurch die Unterdrückungswirkung für die Stoßspannung gesteigert werden kann.
Ausführungsform 5
Als Nächstes wird Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
9 ist ein Diagramm, das die Schaltkreiskonfiguration eines DC-DC-Wandlers gemäß Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 9 gezeigt, wird ein Einzelphasen-Wechselrichter 2a, der ein Nullspannungs-Schaltschaltkreis ist, als ein Wechselrichter zum Umwandeln der Gleichspannung Vin der Gleichstrom-Energieversorgung 1 in die Wechselspannung verwendet.
Der Einzelphasen-Wechselrichter 2a ist ein Nullspannungs-Schaltschaltkreis, der bewirken kann, dass eine Spannung zwischen beiden Enden von jeder der Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd im Wesentlichen null ist beim Schalten davon, und Kondensatoren 18a bis 18d sind parallel mit den jeweiligen Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd verbunden. Außerdem ist eine Resonanzdrossel 19 auf einer Wechselstromausgangsleitung zwischen den Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd und dem Transformator 3 angeschlossen.
Außerdem erzeugt der Steuerschaltkreis 20 das Gate-Signal 20a und gibt es an die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd in dem Einzelphasen-Wechselrichter 2a, um die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Sa bis Sd zum Durchführen eines Nullspannungs-Umschaltens zu veranlassen. Die restliche Konfiguration ist dieselbe wie in der obigen Ausführungsform 1.
Wie oben beschrieben, tritt eine Stoßspannung auf dem Transformator 3 aufgrund einer Leckinduktivität des Transformators 3 oder einer Induktivitätskomponente einer Schaltungsanordnung auf die Inversion des Stroms hin auf. Da in dem Einzelphasen-Wechselrichter 2a die Kondensatoren 18a bis 18d und die Resonanzdrossel 19 auf der Transformatorprimärseite bereitgestellt sind, wird die Stoßspannung groß. Dank dem in der obigen Ausführungsform 1 gezeigten Dämpferschaltkreis 8 ist es in diesem Fall möglich, die Stoßspannung zu unterdrücken und jede Vorrichtung des Gleichrichtungsschaltkreises 4 mit einer einfachen Schaltkreiskonfiguration ohne den Bedarf einer Schaltsteuerung zu schützen, während es gewährleistet wird, dass eine Stoßenergie an die Lastseite rückgekoppelt wird, um wirksam verwendet zu werden. Durch Verwendung des Dämpferschaltkreises 8 zusammen mit dem Nullspannungs-Schaltschaltkreis, in dem ein Schaltverlust im Wesentlichen null ist, kann somit die Energieumwandlungseffizienz mehr gesteigert werden, und die Zuverlässigkeit kann auch verbessert werden.
Es wird angemerkt, dass, obwohl der Dämpferschaltkreis 8 der obigen Ausführungsform 1 in dem obigen Fall verwendet wird, die Dämpferschaltkreise 81 bis 83 der obigen Ausführungsformen 2 bis 4 auch angewendet werden können, wodurch dieselbe Wirkung erhalten werden kann.
Es wird angemerkt, dass innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung die obigen Ausführungsformen frei miteinander kombiniert werden können, oder jede der obigen Ausführungsformen modifiziert oder gekürzt werden kann, wie zweckgemäß.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-215324 [0003]

Claims

DC-DC-Wandler zum Durchführen einer DC-DC-Umwandlung einer eingegebenen Gleichstromleistung und zum Ausgeben der umgewandelten Leistung an eine Last, wobei der DC-DC-Wandler umfasst: einen Wechselrichter mit einer Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen, zum Umwandeln einer Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung; einen Transformator mit einer Primärseite, die mit einem Wechselstromausgang des Wechselrichters verbunden ist; einen Gleichrichtungsschaltkreis, der eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen hat und mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden ist; und einen Dämpferschaltkreis mit: einer Reihenschaltung, die zusammengesetzt ist aus einem Widerstand, der ein Ende hat, das mit dem positiven Anschluss der Last verbunden ist, und einem Kondensator, der ein Ende hat, das mit dem negativen Anschluss der Last verbunden ist, wobei der Widerstand und der Kondensator in Reihe geschaltet sind; zwei Dioden mit Anoden, die jeweils an beiden Enden einer Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind, und Kathoden, die an einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator angeschlossen sind, wobei der Dämpferschaltkreis eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung unterdrückt und eine Leistung des Kondensators an die Last via den Widerstand rückkoppelt.
DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei die Kathoden der zwei Dioden miteinander verbunden sind, und der Verbindungspunkt dazwischen mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator verbunden ist.
DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei zwei der Reihenschaltungen parallel bereitgestellt sind, und die Reihenschaltungen jeweils mit den Kathoden der Dioden verbunden sind.
DC-DC-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit ferner: einer Einrichtung zum Erfassen eines der Werte einer Eingangsspannung des Wechselrichters, einer Spannung des Transformators und eines Stroms des Transformators; und einer Stromunterbrechungseinrichtung zum Unterbrechen eines Durchlassstroms jeder Diode des Dämpferschaltkreises, wobei der Durchlassstrom jeder Diode auf Grundlage des erfassten Wertes unterbrochen wird.
DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 4, wobei eine Halbleiter-Schaltvorrichtung, mit der eine Diode antiparallel geschaltet ist, zwischen den Kathoden der Dioden und dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung angeschlossen ist, wodurch die Stromunterbrechungseinrichtung gebildet wird.
DC-DC-Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wechselrichter enthält: Kondensatoren, die jeweils parallel zu den Halbleiter-Schaltvorrichtungen angeschlossen sind; und eine Drossel, die auf einer Wechselstromausgangsleitung angeschlossen ist, wodurch die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Nullspannungs-Schaltoperationen durchführen.
DC-DC-Wandler zum Durchführen einer DC-DC-Umwandlung einer eingegebenen Gleichstromleistung und zum Ausgeben der umgewandelten Leistung an eine Last, wobei der DC-DC-Wandler umfasst: einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen hat, zum Umwandeln einer Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung; einen Transformator mit einer Primärseite, die an einem Wechselstromausgang des Wechselrichters angeschlossen ist; einen Gleichrichtungsschaltkreis, der eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen hat und mit einer Sekundärseite des Transformators verbunden ist; und einen Dämpferschaltkreis mit: zwei Dioden mit Anoden, die jeweils an beiden Enden einer Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen sind, und Kathoden, die miteinander verbunden sind; einem Kondensator, der zwischen einem negativen Anschluss der Last und dem Verbindungspunkt zwischen den zwei Dioden angeschlossen ist; und einem Abwärts-Chopper-Schaltkreis, der zusammengesetzt ist aus einer Halbleiter-Schaltvorrichtung, zu der eine Diode antiparallel geschaltet ist, einer Diode und einer Drossel, und der zwischen dem Kondensator und der Last angeschlossen ist, wobei der Dämpferschaltkreis eine auf der Sekundärseite des Transformators verursachte Stoßspannung unterdrückt und eine Leistung des Kondensators an die Last über den Abwärts-Chopper-Schaltkreis rückkoppelt.
DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 7 mit ferner: einer Einrichtung zum Erfassen einer Spannung des Kondensators, wobei der Abwärts-Chopper-Schaltkreis arbeitet, so dass die Spannung des Kondensators eine vorbestimmte Spannung werden wird.
DC-DC-Wandler gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Wechselrichter enthält: Kondensatoren, die jeweils parallel zu den Halbleiter-Schaltvorrichtungen angeschlossen sind; und eine auf einer Wechselstromausgangsleitung angeschlossene Drossel, wodurch die Halbleiter-Schaltvorrichtungen Nullspannungs-Schaltoperationen durchführen.