特許 6625906 ハーフブリッジコンバータ回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6625906

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】ハーフブリッジコンバータ回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20191216BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 Q

   H02M3/28 P

【請求項の数】4

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-44034(P2016-44034)

(22)【出願日】2016年3月8日

(65)【公開番号】特開2017-153337(P2017-153337A)

(43)【公開日】2017年8月31日

【審査請求日】2019年1月11日

(31)【優先権主張番号】特願2016-33045(P2016-33045)

(32)【優先日】2016年2月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000144393

【氏名又は名称】株式会社三社電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000970

【氏名又は名称】特許業務法人 楓国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森本 健次

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３４５２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１４８１１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トランスと、
前記トランスの一次側に接続された二つの直列接続したスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、
前記トランスの一次側に接続された二つの直列接続したコンデンサＣ１、Ｃ２と、
前記トランスの二次側に接続された整流回路と、
前記トランスの一次側に接続され、コンデンサＣ３、リアクトルＬ１、およびスイッチ部の直列回路で構成される共振回路と、
前記スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のＰＷＭ制御および前記スイッチ部のオンオフ制御を行う制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２をＰＷＭ制御する第１制御と、
前記スイッチ素子Ｓ１またはＳ２がターンオンするタイミングで前記スイッチ部を一定時間Ｔ１だけオンし、それにより前記共振回路に共振電流を流して前記コンデンサＣ３を充電し、さらに、前記スイッチ素子Ｓ１またはＳ２のＰＷＭ制御信号がオフするタイミングよりも一定時間Ｔ２前で前記スイッチ部をオンし、それにより前記コンデンサＣ３の充電電荷を放電する第２制御と、
を行うハーフブリッジコンバータ回路。

【請求項2】

前記スイッチ部は、逆方向に直列接続したスイッチ素子Ｓ３、Ｓ４で構成され、該スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４にはそれぞれ逆並列ダイオードが接続されている請求項１記載のハーフブリッジコンバータ回路。

【請求項3】

前記スイッチ部は、第１スイッチ部と第２スイッチ部の直列回路で構成され、
前記第１スイッチ部は、第１の双方向スイッチと、これに前記コンデンサＣ３への充電方向に対して順方向に接続した第１のダイオードとを含む回路で構成され、
前記第２スイッチ部は、第２の双方向スイッチと、これに前記コンデンサＣ３への充電方向に対して逆方向に接続した第２のダイオードとを含む回路で構成される、
請求項１記載のハーフブリッジコンバータ回路。

【請求項4】

前記制御回路は、前記整流回路の出力電流が所定以下になったときに、前記第２制御を停止する、請求項１〜３のいずれかに記載のハーフブリッジコンバータ回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、スイッチ素子のターンオフ時にＺＣＳ動作を行わせるハーフブリッジコンバータ回路に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、ハーフブリッジコンバータ回路の基本回路図である。トランスＴｒの一次側には、二つの直列接続したスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、二つの直列接続したコンデンサＣ１、Ｃ２が接続され、二次側に整流回路が接続されている。

【0003】

スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２は休止期間を挟んで交互にオンオフされ、各スイッチ素子に流れる主電流は同スイッチ素子のオンオフに同期して流れる。

【0004】

以上の動作で、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２がターンオフするタイミングに主電流が流れていると、いわゆるターンオフＺＣＳ動作とならず、損失が大きくなる問題がある。

【0005】

そこで、トランスＴｒの漏れインダクタンスとコンデンサＣ１、Ｃ２との共振動作により、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２に流れる主電流を正弦波状の共振波形とし、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のターンオフ時に主電流がゼロとなるようにしてターンオフＺＣＳ動作を行わせるハーフブリッジコンバータ回路が提案されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】http://itohserver01.nagaokaut.ac.jp/itohlab/paper/2010/SPChokkaido/miyawaki.pdf

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記のコンバータ回路では、トランスＴｒの漏れインダクタンスとコンデンサとの共振動作によるターンオフＺＣＳ動作であるため、出力電流の大きさによっては最適な波形とならず、不完全なＺＣＳ動作となる可能性がある。また、不完全なＺＣＳ動作のときにその動作を停止させることもできない。

【0008】

そこで、この発明の目的は、出力電流の大きさが変動してもより確実にＺＣＳ動作が可能なハーフブリッジコンバータ回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明のハーフブリッジコンバータ回路は、
トランスと、
前記トランスの一次側に接続された二つの直列接続したスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、
前記トランスの一次側に接続された二つの直列接続したコンデンサＣ１、Ｃ２と、
前記トランスの二次側に接続された整流回路と、
前記トランスの一次側に接続され、コンデンサＣ３、リアクトルＬ１、およびスイッチ部の直列回路で構成される共振回路と、
前記スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のＰＷＭ制御および前記スイッチ部のオンオフ制御を行う制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２をＰＷＭ制御する第１制御と、
前記スイッチ素子Ｓ１またはＳ２がターンオンするタイミングで前記スイッチ部を一定時間Ｔ１だけオンし、それにより前記共振回路に共振電流を流して前記コンデンサＣ３を充電し、さらに、前記スイッチ素子Ｓ１またはＳ２のＰＷＭ制御信号がオフするタイミングよりも一定時間Ｔ２前で前記スイッチ部をオンし、それにより前記コンデンサＣ３の充電電荷を放電する第２制御と、を行う。

【0010】

スイッチ素子Ｓ１がターンオンすると、前記共振回路のコンデンサＣ３が共振電流で充電開始される。その後スイッチ素子Ｓ１のＰＷＭ制御信号がオフするが、そのオフタイミングのＴ２前でコンデンサＣ３の充電電荷が放電される。このとき、スイッチ素子Ｓ１に電源側から流れる電流は前記放電電流の分だけ減少しようとするため（トランス一次側に流れる電流値はリアクトルの作用で変化がないため）、その結果、スイッチ素子Ｓ１の電流がはやくゼロとなる。これにより、スイッチ素子Ｓ１のターンオフＺＣＳ動作が確実となる。

【0011】

スイッチ素子Ｓ２についても同様である。

【発明の効果】

【0012】

この発明では、共振回路の充電電荷を放電することで、スイッチ素子のターンオフ時の主電流を早いタイミングでゼロにする動作となるため、出力電流の変化があって共振条件が多少変わっても、主電流（スイッチ素子を流れる電流）がゼロになりやすい。また、共振条件が大きくずれるようなときは、スイッチ部のオンオフ制御を停止すれば良いので動作が不安定になるのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】ハーフブリッジコンバータ回路の基本回路図である。

【図2】この発明の実施形態であるハーフブリッジコンバータ回路の回路図である。

【図3】この発明の実施形態であるハーフブリッジコンバータ回路の動作波形図。

【図4】この発明の実施形態であるハーフブリッジコンバータ回路の動作モード遷移図である。

【図5】この発明の実施形態であるハーフブリッジコンバータ回路の動作モード遷移図である。

【図6】スイッチ部の他の回路例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図２は、この発明の実施形態であるハーフブリッジコンバータ回路の回路図である。

【0015】

トランスＴｒの一次側には、二つの直列接続したスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２と、二つの直列接続したコンデンサＣ１、Ｃ２が接続され、二次側に整流ダイオードＤ１、Ｄ２とリアクトルＬ２を含む整流回路が接続されている。

【0016】

また、前記トランスＴｒの一次側に、コンデンサＣ３、リアクトルＬ１、およびスイッチ部の直列回路で構成される共振回路１が接続されている。スイッチ部は、本例では逆方向に直列接続したスイッチ素子Ｓ３、Ｓ４で構成され、該スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４にはそれぞれ逆並列ダイオードが接続されている。

【0017】

前記スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のゲートには制御回路２からＰＷＭ制御信号が出力され、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４にはオンオフ信号が出力される（第１制御）。ＰＷＭ制御信号は、図示していない出力電流検出センサで検出した電流値が目標値になるようにパルス幅が制御された信号とされる。

【0018】

次に、図３〜図５を参照して動作を説明する。図３は、本発明のハーフブリッジコンバータのタイミングチャートを示し、図４、５は、各動作モードにおける電流の流れを示すものである。

【0019】

図３において、のこぎり波は、ＰＷＭ制御信号を生成するための信号で、制御回路２において、こののこぎり波と出力電流目標値を比較することでＰＷＭ（Ａ）、（Ｂ）を生成する。Ｄｅｌａｙ（Ａ１）、（Ａ２）は、ＰＷＭ（Ａ）から生成し、Ｄｅｌａｙ（Ｂ１）、（Ｂ２）は、ＰＷＭ（Ｂ）から生成する。これらのＰＷＭ（Ａ）、（Ｂ）信号とＤｅｌａｙ信号は、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のゲートに与えるＰＷＭ制御信号であるＰ−ＳＷ（Ｓ１）、Ｐ−ＳＷ（Ｓ２）と、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４のゲートに与えるオンオフ信号であるＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ３）、ＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ４）を生成するのに使用される。

【0020】

ｔ０より前は、ＰＷＭ制御信号Ｐ−ＳＷ（Ｓ１）、Ｐ−ＳＷ（Ｓ２）、ＺＣＳ−ＳＷ（Ｓ４）がオフ、ＺＣＳ−ＳＷ（Ｓ３）がオンで、共振回路１とトランスＴｒの一次側には電流が流れていない状態にある。この状態から、期間ｔ０−ｔ１のＭｏｄｅ１になるとＰ−ＳＷ（Ｓ１）がオンして、スイッチ素子Ｓ１がオンされ、トランスＴｒの一次側に電流が流れる。また、ＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ３）がオンしていることで、Ｓ１→Ｃ３→Ｌ１→Ｓ３→Ｓ４の逆並列ダイオードの経路で共振回路１にも電流が流れる。このとき共振回路１に流れるリアクトルＬ１の電流波形は、Ｌ１＿ｃｕｒｒｅｎｔで示すようにコンデンサＣ３とリアクトルＬ１で共振する共振波形となり、コンデンサＣ３の電圧は、この共振電流により、Ｃ３＿ｖｏｌｔａｇｅで示すように上昇する。この共振回路１に共振電流を流す期間ｔ０−ｔ１が本発明の一定時間Ｔ１である。

【0021】

期間ｔ１−ｔ２のＭｏｄｅ２では、Ｐ−ＳＷ（Ｓ１）オンから一定時間Ｔ１後のｔ１で、ＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ３）をオフすることで共振回路１に電流が流れなくなり、コンデンサＣ３の充電が停止する。コンデンサＣ３は、その充電電位に維持される。Ｓ１はオンしてるため、トランスＴｒに電流が流れ続ける。

【0022】

期間ｔ２−ｔ３のＭｏｄｅ３では、Ｐ−ＳＷ（Ｓ１）がオフするｔ４よりも一定時間Ｔ２だけ前のタイミングのｔ２で、ＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ４）をオンする。ＺＣＳ―ＳＷ（Ｓ４）をオンすることで、スイッチ素子Ｓ４がオンされて、コンデンサＣ３の充電電荷の放電が行われる。このとき、放電経路は、Ｃ３→Ｔｒ→Ｓ４→Ｓ３の逆並列ダイオード→Ｌ１であり、共振回路１に流れるリアクトルＬ１の電流Ｌ１＿ｃｕｒｒｅｎｔは図示のようにマイナスとなる（放電方向）。このとき、トランスＴｒへの一次側電流の大きさは大きく変化しないから、スイッチ素子Ｓ１に流れる電流ＳＩＩｄはＬ１＿ｃｕｒｒｅｎｔの分だけ減少する。その結果、スイッチ素子Ｓ１の電流Ｓ１Ｉｄは、共振回路１を設けない場合に比して大きく減少し、ｔ３でゼロになる。図３の電流Ｓ１Ｉｄにおいて、矢印Ａで示す部分は、共振回路１を設けない場合の電流がｔ２のタイミングからＬ１＿ｃｕｒｒｅｎｔ分だけ減少することを示している。なお、矢印Ｂで示す部分は、共振回路1を設けない場合のスイッチ素子Ｓ１の両端電圧Ｓ１Ｖｄｓがｔ４のタイミングから電源電圧Ｅに上昇することを示しており、この場合スイッチ素子Ｓ１のターンオフがＺＣＳ動作とならずスイッチング損失が発生する。

【0023】

期間ｔ３−ｔ４のＭｏｄｅ４になると、時刻ｔ３でコンデンサＣ３からの放電電流がさらに増大し、その電流値は、トランスＴｒへの一次側に流れる電流値を超えようとする。すると、その超えようとした分はコンデンサＣ３から電源側に流れる。そのとき、スイッチ素子Ｓ１の電流Ｓ１Ｉｄが、若干マイナス方向に流れる。ｔ４でＰ−ＳＷ（Ｓ１）がオフすると、コンデンサＣ３から電源側に流れる放電電流の経路がスイッチ素子Ｓ１から同素子の逆並列ダイオードに変わり、スイッチ素子Ｓ１の電流Ｓ１Ｉｄがゼロになるｔ４でＰ−ＳＷ（Ｓ１）がオフすることにより、スイッチ素子Ｓ１はＺＣＳでターンオフすることとなる。そのため、スイッチ素子Ｓ１のターンオフ時のスイッチング損失は発生しない。

【0024】

期間ｔ４−ｔ５のＭｏｄｅ５では、Ｐ−ＳＷ（Ｓ１）、Ｐ−ＳＷ（Ｓ２）、ＺＣＳ−ＳＷ（Ｓ３）がオフ、ＺＣＳ−ＳＷ（Ｓ４）がオンしており、Ｍｏｄｅ４のスイッチ素子Ｓ１に代えて、このスイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードを通って、Ｍｏｄｅ４と同方向に、コンデンサＣ３の充電電荷の放電が継続する。

【0025】

期間ｔ５−ｔ７のＭｏｄｅ６、Ｍｏｄｅ７では、ｔ５でスイッチ素子Ｓ１の逆並列ダイオードがオフして転流が開始し、トランスＴｒの二次側のリアクトルＬ２を電流源として共振回路１に電流が流れ続ける。また、コンデンサＣ３の電位は減少していく。ｔ６−ｔ７のＭｏｄｅ７では、ｔ６でコンデンサＣ３が完全放電し、リアクトルＬ１電流Ｌ１＿ｃｕｒｒｅｎｔが減少し始める。

【0026】

期間ｔ７−ｔ８のＭｏｄｅ８では、ｔ７でリアクトルＬ１電流Ｌ１＿ｃｕｒｒｅｎｔがゼロとなり、次にＰ−ＳＷ（Ｓ２）がオンするサイクルに入る。以下、上記と同様の動作が行われる。なお、Ｐ−ＳＷ（Ｓ２）がオンするサイクルでは、コンデンサＣ３に負の電流が流れ、図３のように、負の方向に充電される。

【0027】

以上のように、期間ｔ０−ｔ１において共振回路１のコンデンサＣ３に充電を行い、Ｐ−ＳＷ（Ｓ１）がオフするタイミングよりも一定時間Ｔ２だけ前にコンデンサＣ３の充電電荷を放電することで（第２制御）、期間ｔ２−ｔ４でスイッチ素子Ｓ１を流れる電流ＳＩＩｄをより早くゼロに持っていくことができる。これにより、スイッチ素子Ｓ１のターンオフを確実にＺＣＳ動作とすることができる。

【0028】

また、軽負荷時など出力電流の変化があるときには共振回路１での共振条件が変化するため、期間ｔ０−ｔ１や期間ｔ２−ｔ４においての電流変化が不安定になることがあるが、その場合であっても、本実施形態の回路は、共振回路１の充電電荷を放電することで、スイッチ素子のターンオフ時の主電流（スイッチ素子を流れる電流）を早いタイミングでゼロにする動作をするため、主電流がゼロになりやすい。また、軽負荷時など出力電流が所定以下になって共振条件が大きくずれるようなときは、制御回路２でスイッチ部のオンオフ制御を停止して共振回路１を切り離すように制御を行えば動作が不安定になるのを防止できる。スイッチ部のオンオフ制御の停止は、Ｓ３、Ｓ４のゲートに与える信号をオフしておけば良いため極めて簡単な制御で良い。

【0029】

なお、スイッチ素子Ｓ３とＳ４で構成されるスイッチ部は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すような、双方向のスイッチで構成することも可能である。図６（Ａ）は、スイッチ素子Ｓ３とＳ４に代えてハードスイッチ等の双方向スイッチＳ５を設けた例である。

【0030】

また、図６（Ｂ）は、第１スイッチ部と第２スイッチ部の直列回路で構成された例である。前記第１スイッチ部は、第１の双方向スイッチＳ６と、これに前記コンデンサＣ３への充電方向に対して順方向に接続した第１のダイオードＤ６とを含む回路で構成され、前記第２スイッチ部は、第２の双方向スイッチＳ７と、これに前記コンデンサＣ３への充電方向に対して逆方向に接続した第２のダイオードＤ７とを含む回路で構成される。双方向スイッチＳ６、Ｓ７は、それぞれ、図２のスイッチ素子Ｓ４、Ｓ３に対応し、双方向スイッチＳ６、Ｓ７にそれぞれ並列接続されるダイオードＤ６、Ｄ７は、スイッチ素子Ｓ４、Ｓ３に逆並列接続される逆並列ダイオードに対応している。

【符号の説明】

【0031】

１−共振回路
２−制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】