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KR20150038104A - 컨버터 및 쌍방향 컨버터 - Google Patents

컨버터 및 쌍방향 컨버터 Download PDF

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KR20150038104A
KR20150038104A KR1020157004080A KR20157004080A KR20150038104A KR 20150038104 A KR20150038104 A KR 20150038104A KR 1020157004080 A KR1020157004080 A KR 1020157004080A KR 20157004080 A KR20157004080 A KR 20157004080A KR 20150038104 A KR20150038104 A KR 20150038104A
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KR
South Korea
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circuit
switching element
parallel
switching
capacitor
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KR1020157004080A
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모토히사 히토미
Original Assignee
오리진 일렉트릭 캄파니 리미티드
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Abstract

본 발명은 광범위한 입출력 전압전류에 대응할 수 있고, 스위칭 손실을 저감시킨 컨버터 및 쌍방향 컨버터를 제공한다. 본 발명에 관한 컨버터 및 쌍방향 컨버터는, 트랜스의 1차 권선에 접속되는 제1 회로, 트랜스의 2차 권선에 접속되는 제2 회로, 트랜스의 1차 권선 또는 2차 권선측에 접속되는 인덕턴스 수단를 갖고, 제1 회로에 있어서 온상태에 있는 조로 되는 제1 또는 제2 레그의 상 암의 제1 회로의 스위칭 소자와 제2 또는 제1 레그의 하 암의 제1 회로의 스위칭 소자 중, 제1 콘덴서 또는 제2 콘덴서가 병렬로 접속된 제1 회로의 스위칭 소자를 먼저 오프시킨다.

Description

컨버터 및 쌍방향 컨버터{CONVERTER AND BI-DIRECTIONAL CONVERTER}
본 발명은, 컨버터 및 쌍방향 컨버터에 관한 것이다.
일반적으로 DC-DC 컨버터에는, 입력측과 출력측을 절연하기 위한 트랜스가 사용된다. 또한, 이 트랜스의 입력측과 출력측의 권수비에 따라서, 입력되는 직류전압을 승압 또는 강압하여 출력할 수 있다. 종래의 DC-DC 컨버터로서, 예컨대 특허문헌 1의 DC-DC 컨버터에서는, 승압용의 트랜스(16)를 사용하고 있다. 이 DC-DC 컨버터는, 특허문헌 1의 도 4(a)에 도시되는 바와 같이 제1, 제4 스위칭 소자(15a, 15d)가 온일 때, 제2, 제3 스위칭 소자(15b，15c)를 오프로 하고, 다음 기간에서 이들 동작을 반전시켜서 각 기간을 번갈아 발생시키는 것으로, 고주파 교류전압 방형파를 발생시키고 있다. 이 동작에 의해 생긴 고주파 교류전압 방형파는, 트랜스(16)로 승압되어, 전파 정류회로(17)를 통하여 출력된다. 컨버터 제어부(20)는, 소망하는 출력전압이 얻어지면, 인버터 회로(14)의 제1, 제4 스위칭 소자(15a，15d) 또는 제2, 제3 스위칭 소자(15b，15c)를 오프시키도록 제어한다.
마찬가지로, 특허문헌 2의 도 7에 도시되는 DC-DC 컨버터에서는, 입력된 직류전압을 인버터(8)의 듀티비 제어에 의해 교류로 하고, 얻어진 교류를 트랜스(9)로 변압하여, 정류회로(10)를 통하여 직류전압을 출력하고 있다. 이 DC-DC 컨버터에서는, 입력전압의 변동에 따라서 인버터(8)의 듀티비를 변동시키고 있다. 이 특허문헌 2의 것에서는, 입력전압이 크게 변동한 경우에, 듀티비가 작게 되면 트랜스(9)의 손실이 크게 되어 버린다. 이 때문에, 특허문헌 2의 도 8에 도시되는 DC-DC 컨버터에서는, 인버터(8)의 앞에 강압회로(7)를 삽입시켜, 입력전압이 큰 경우에는 강압회로(7)를 동작시키고 있다. 또한, 특허문헌 2의 도 1에 도시되는 DC-DC 컨버터에서는, 접속절환회로(18)를 제공하여, 입력전압이 큰 경우에는 접속절환회로(18)를 통하여 출력전압을 낮추고 있다.
특허문헌 1: 특개2008-278723호 공보 특허문헌 2: 특개평11-187654호 공보
그러나, 이들 상술한 DC-DC 컨버터에서는, 소망하는 출력전압으로 되었을 때에 전류가 아직 흐르고 있는 상태에서 인버터 회로의 스위치를 오프시키는 것으로 되어, 스위칭 손실이 생기는 문제가 있다. 또한, 광범위한 입출력 전압전류의 실현을 위하여, 인버터 내의 스위칭 소자를 듀티비 제어로 대응시키면 트랜스의 손실이 크게 되어, 트랜스의 손실을 저감시키기 위하여 강압회로나 절환회로를 제공하면 회로나 제어가 복잡하게 되는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 광범위한 입출력 전압전류에 대응할 수 있고, 스위칭 손실을 저감시킨 컨버터 및 쌍방향 컨버터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 컨버터는, 1차 권선과 2차 권선을 갖는 트랜스, 역병렬 다이오드와 병렬 콘덴서가 각각 병렬로 접속된 스위치 소자를 갖는 스위칭 소자를 상하 암으로 하여 제1 단자와 제2 단자 사이에 각각 병렬로 접속된 제1 레그와 제2 레그, 상기 제1 레그 또는 제2 레그의 상하 암의 일방의 스위칭 소자 또는 상기 제1 레그 및 제2 레그의 상(上) 암 또는 하(下) 암의 일방의 스위칭 소자에 병렬로 접속되는 제1 콘덴서, 상기 제1 레그 또는 제2 레그의 상하 암의 다른 쪽의 스위칭 소자 또는 상기 제1 레그 및 제2 레그의 상 암 또는 하 암의 다른 쪽의 스위칭 소자에 병렬로 접속되는 제2 콘덴서를 갖고, 상기 1차 권선측에 접속되는 제1 회로, 브릿지 접속되는 일방향성 소자 중 적어도 2개의 상기 일방향성 소자는 병렬 콘덴서가 각각 병렬로 접속된 스위치 소자를 포함하는 스위칭 소자가 각각 병렬로 접속되는 브릿지 접속 회로, 적어도 2개의 상기 스위칭 소자에 각각 병렬로 접속되는 제3 콘덴서와 제4 콘덴서를 갖고, 상기 2차 권선측에 접속되는 제2 회로, 상기 제1 레그의 상하 암의 접속점측과 상기 제2 레그의 상하 암의 접속점측과의 사이에 상기 1차 권선을 통하여 또는 상기 브릿지 접속 회로 내에서 상기 일방향성 소자 끼리가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 접속점측과 상기 일방향성 소자 끼리가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 다른 쪽의 접속점측과의 사이에 상기 2차 권선을 통하여 접속되는 인덕턴스 수단, 상기 제1 또는 제2 레그의 상 암의 스위칭 소자와 상기 제2 또는 제1 레그의 하 암의 스위칭 소자를 조(group)로 하여 번갈아 온오프시켜서 상기 제1, 제2 단자측으로부터 입력되는 직류를 교류로 변환시켜서 상기 제1 회로로부터 출력시키고, 상기 조로 되는 스위칭 소자를 번갈아 온오프 제어함에 있어서, 온상태에 있는 상기 조로 되는 상기 제1 또는 제2 레그의 상 암의 스위칭 소자와 상기 제2 또는 제1 레그의 하 암의 스위칭 소자 중, 상기 제1 콘덴서 또는 상기 제2 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 스위칭 소자를 먼저 오프시키는 제어회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 컨버터 및 쌍방향 컨버터는, 광범위한 입출력 전압전류에 대응할 수 있어, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 경우의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 구동신호의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 3은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 경우의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)의 전압, 전류 및 트랜스(11)의 여자전류의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 4는 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 경우의 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 전압, 전류 및 일방향성 소자(D7, D8)의 전압, 전류의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 5는 도 3의 파형도의 일부를 확대한 파형도이다.
도 6은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 경우에 각 타이밍에서 형성되는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4) 간 측에 출력되는 전압을 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다 낮게하는 동작에서의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 구동신호를 나타내는 파형도의 일례이다.
도 8은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)간 측에 출력되는 전압을 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작에서의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)의 전압, 전류 및 트랜스(11)의 여자전류의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 9는 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)간 측에 출력되는 전압을 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작에서의 제2 회로(2)의 일방향성 소자(D5~D8)의 전압, 전류의 일례를 나타내는 파형도이다.
도 10은 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터에 있어서, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)간 측에 출력되는 전압을 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작에 관하여 각 타이밍에서 형성되는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제2의 실시형태에 관한 쌍방향 컨버터의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는 본 발명의 일형태이고, 본 발명은 이들 실시형태에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서의 이하의 실시형태 및 도면에서 부호가 동일한 구성요소는, 상호 동일한 것을 나타내는 것으로 한다.
(제1의 실시형태）　　
도 1 내지 도 6에 의해 본 발명에 관한 제1의 실시형태의 컨버터에 관하여 설명한다. 도 1에, 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터의 구성도를 도시한다. 도 1에 도시되는 컨버터는, 트랜스(11), 트랜스(11)의 1차 권선(11a)측에 접속되는 제1 회로(1), 트랜스(11)의 2차 권선(11b)측에 접속되는 제2의 회로(2), 인덕턴스 수단(L), 제어회로(3)를 포함한다. 이 컨버터는, 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 직류를 교류로 변환시켜서 제1 회로(1)로부터 출력하고, 트랜스(11)를 통하여 제2 회로(2)에서 교류를 직류로 변환시켜 출력측의 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측으로 전력을 공급한다.
제1 단자(T1), 제2 단자에는 외부에서 부착되는 전원으로부터의 전력이 입력된다. 제1 단자(T1), 제2 단자(T2)의 사이에는 콘덴서(16)가 접속되어, 직류전압으로 된다. 또한 제1 단자(T1), 제2 단자 사이에는 제1 회로(1)가 접속되고, 제1 회로(1)는, 제1 레그(12) 및 제2 레그(13)의 상하 암을 스위칭 소자(S1~S4)로 구성한 풀 브릿지의 회로로 되어 있다.
제1 레그(12), 제2 레그(13)는, 제1 단자와 제2 단자 사이에 각각 병렬로 접속된다. 제1 레그(12)는, 스위칭 소자(S1, S2)를 상하 암으로 하고, 제2 레그(13)는 스위칭 소자(S3, S4)를 상하 암으로 한다. 도 1에서는, 스위치 소자(Q1~Q4)에 역병렬 다이오드(D1~D4)와 병렬 콘덴서(C1~C4)가 각각 병렬로 접속된 스위칭 소자(S1~S4)를 사용하고 있다. 요컨대, 역병렬 다이오드(D1~D4)는 스위칭 소자(S1~S4)의 내부 다이오드이고, 병렬 콘덴서(C1~C4)는 스위칭 소자(S1~S4)의 기생용량이다.
또한, 본 발명에 있어서는, 스위치 소자(Q1~Q4)에 병렬로 접속된 역병렬 다이오드(D1~D4)는, 도 1에 도시한 바와 같이 스위칭 소자(S1~S4)의 내장 다이오드를 사용하여도 좋고, 스위칭 소자(S1~S4)와는 별도로 외부 부착된 다이오드를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다. 마찬가지로, 스위치 소자(Q1~Q4)에 병렬로 접속된 병렬 콘덴서(C1~C4)는, 도 1에 도시한 바와 같이 스위칭 소자(S1~S4)의 기생용량을 사용하여도 좋고, 스위칭 소자(S1~S4)와는 별도로 외부 부착된 콘덴서를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다.
제1 콘덴서(Ca), 제2 콘덴서(Cb)는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4) 또는 (S2와 S3) 중 먼저 오프시키는 스위칭 소자에 각각 병렬로 접속된다. 도 1에서는, 제1 콘덴서(Ca), 제2 콘덴서(Cb)를, 먼저 오프시키는 제2 레그(13)의 상하 암의 스위칭 소자(S3, S4)에 각각 병렬로 접속되어 있다.
제2 회로(2)는, 일방향성 소자(D7, D8)와 2개의 스위칭 소자(S5, S6)를 포함하는 브릿지 접속 회로, 2개의 스위칭 소자(S5, S6)에 각각 병렬로 접속되는 제3 콘덴서(Cc)와 제4 콘덴서(Cd)를 갖고, 트랜스(11)의 2차 권선(11b)측에 접속된다. 도 1에서는, 일방향성 소자(D5, D6)와 병렬 콘덴서(C5, C6)가 각각 병렬로 접속된 스위치 소자(Q5, Q6)를 포함하는 스위칭 소자(S5, S6)를 사용하고 있다. 또한, 동일 극성으로 직렬로 접속된 일방향성 소자(D5와 D6)와 직렬회로, 동일 극성으로 직렬로 접속된 일방향성 소자(D7,D8)의 직렬회로가, 각각 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)간 측에 병렬로 접속된다.
도 1에서는, 스위치 소자(Q5, Q6)에 역병렬 다이오드(D5, D6)와 병렬 콘덴서(C5, C6)가 각각 병렬로 접속된 스위칭 소자(S5, S6)를 사용하고 있다. 요컨대, 일방향성 소자(D5, D6)는 스위칭 소자(S5, S6)의 내부 다이오드이고, 병렬 콘덴서(C5, C6)는 스위칭 소자(S5, S6)의 기생용량이다. 또한, 본 발명에 있어서는, 일방향성 소자(D5, D6)는, 도 1에 도시한 바와 같이 스위칭 소자(S5, S6)의 내장 다이오드를 사용하여도 좋고, 스위칭 소자(S5, S6)와는 별도로 외부 부착된 다이오드를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다. 마찬가지로, 병렬 콘덴서(C5, C6)는, 도 1에 도시한 바와 같이 스위칭 소자(S5, S6)의 기생용량을 사용하여도 좋고, 스위칭 소자(S5, S6)와는 별도로 외부 부착된 콘덴서를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다.
제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로 내에서, 일방향성 소자(D5, D6)가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 접속점측과 일방향성 소자(D7, D8)가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 다른 쪽의 접속점측에는, 트랜스(11)의 2차 권선(11b)이 접속된다. 또한, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 사이에는 콘덴서(17)가 접속되어, 직류전압이 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 사이에 출력된다.
인덕턴스 수단(L)은, 제1 레그(12)의 상하 암의 접속점측과 제2 레그(13)의 상하 암의 접속점측에 트랜스(11)의 1차 권선(11a)을 통하여 접속된다. 이 인덕턴스 수단(L)은, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로 내에서 일방향성 소자(D5, D6)가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 접속점측과 일방향성 소자(D7, D8)가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 다른 쪽의 접속점측에 트랜스(11)의 2차 권선(11b)을 통하여 접속시켜도 좋다. 또한, 도 1에서는, 인덕턴스 수단(L)의 일단이 제1 레그(12)의 상하 암의 접속점 측에, 타단이 트랜스(11)의 1차 권선(11a)측에 접속되지만, 인덕턴스 수단(L)의 일단을 제2 레그(13)의 상하 암의 접속점 측에, 타단을 트랜스(11)의 1차 권선(11a) 측에 접속시켜도 좋다. 인덕턴스 수단(L)이 2차 권선(11b)을 통하여 접속되는 경우도 동일하다.
제어회로(3)는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4), 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)에 각각 구동신호를 가하여, 각 스위칭 소자의 온오프 제어를 한다. 도 1의 컨버터는, 제1 레그(12) 또는 제2 레그(13)의 상 암의 스위칭 소자(S1 또는 S3)와 제2 레그(13) 또는 제1 레그(12)의 하 암의 스위칭 소자(S4 또는 S2)가 각각 일조로 되어 번갈아 온오프한다. 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4) 중, 스위칭 소자(S4 또는 S1)를 먼저 오프시키고, 그 후에, 스위칭 소자(S1 또는 S4)를 나중에 오프시킨다. 마찬가지로, 다른 쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3) 중, 스위칭 소자(S3 또는 S2)를 먼저 오프시키고, 그 후에, 스위칭 소자(S2 또는 S3)를 나중에 오프시킨다.
도 1에 도시한 제2 회로(2)의 출력전압 검출수단(18)은, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4) 간에 출력되는 제2 회로(2)의 출력전압을 검출한다. 이 출력전압 검출치는 제어회로(3)에 입력된다. 제어회로(3)는, 출력전압 검출치에도 관하여 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시켜서, 제2 회로(2)의 출력전압을 제어한다. 예컨대, 제어회로(3)는, 출력전압 검출치를 부하조건에 따른 목표 전압치에 접근하도록 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 펄스 폭이나 주파수 등을 조절시키는 펄스 제어를 행한다. 제2 회로(2)의 출력전압 검출수단(18)은, 예컨대 출력측에 저항을 접속하고, 이 저항에 인가되는 전압을 검출한다.
제어회로(3)는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 또는 S6)에 가하는 구동신호의 펄스 제어에 의해, 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 인덕턴스 수단(L)에 축적시키는 에너지량을 제어한다. 이 경우는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4) 끼리 또는 스위칭 소자(S2와 S3) 끼리가 온상태에 있는 기간에, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 또는 S6)를 온상태로 시키는 것으로, 트랜스(11)의 2차 권선(11b) 측을 단락상태로 한다. 이에 의해, 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)에 축적시킨다. 이어, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4) 끼리 또는 스위칭 소자(S2와 S3) 끼리가 온상태를 계속하고 있는 기간에, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 또는 S6)를 오프 상태로 시킨다. 이에 의해, 인덕턴스 수단(L)에 축적시키고 있던 에너지가 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측에 공급된다.
또한, 제어회로(3)는, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)측 사이에 출력되는 전압을 상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작의 경우에, 제1 회로의 스위칭 소자를 펄스 제어하고, 또 제2 회로의 스위칭 소자(S5, S6)를 순방향으로 도통하지 않도록 동작시킨다. 구체적으로는, 제어회로(3)는, 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자(S1와 S4) 끼리 또는 스위칭 소자(S2와 S3) 끼리가 온상태에 있는 기간에, 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)을 통하여, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4) 측에 공급시키도록 제1 회로의 스위칭 소자를 펄스 제어하고, 또 제2 회로의 스위칭 소자(S5, S6)를 순방향으로 도통하지 않도록 동작시킨다. 이 동작에서는, 제어회로(3)는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 및 S6)를 순방향으로 도통시키지 않기 때문에, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로는, 일방향성 소자(D5~D8)가 도통하는 풀 브릿지의 정류회로로서 기능한다.
또한, 구동신호에 관해서는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자, 제2 회로(2)의 스위칭 소자를 온시키기 위한 구동신호를 온신호, 오프시키기 위한 구동신호를 오프신호로 하여 하기 동작으로 설명한다. 구동신호로서는, 전압, 전류 등을 이용한다. 또한, 온신호, 오프신호 등은, 온, 오프의 기간 쭉 신호를 보내는 것이어도, 트리거로서 짧은 시간의 신호를 주는 것이어도 좋고, 특히 한정되지 않는다.
이어서, 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터의 동작의 일례에 관하여 설명한다. 먼저, 도 2 내지 도 6을 이용하여 컨버터의 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작을 행하는 경우에 관하여 설명한다. 도 2는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 구동신호의 일례를 나타내는 파형도이다. 도 3은, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)의 전압, 전류 및 트랜스(11)의 여자전류의 일례를 나타내는 파형도이다. 도 4는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 전압, 전류 및 일방향성 소자(D7, D8)의 전압, 전류의 일례를 나타내는 파형도이다. 또한, 도 5는, 도 3의 파형도의 일부의 시간(Tｘ) 부분을 확대한 도이다. 도 6은, 각 타이밍에서 형성되는 회로도이다. 또한, 도 3 내지 도 5에 도시하는 전류 파형도에서는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4), 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 순방향으로 흐르는 전류를 플러스로 하고, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4), 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 역방향으로 흐르는 전류 및 일방향성 소자(D7, D8)를 순방향으로 흐르는 전류를 마이너스로 하고 있다.
시각(t1)에서, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1 및 S4)에 온신호를제공하는 것으로 한다. 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6)의 온신호는, 시각(t1) 이전에 이미 제공되는 것으로 한다. 그렇게 하면, 스위치 소자(Q1, Q4) 및 스위치 소자(Q6)는 순방향으로 도통한다. 이 상태에서는, 도 6a에 도시되는 바와 같이, 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 공급되는 입력 전력에 의해, 전류가 제1 단자(T1) 측으로부터 스위치 소자(Q1), 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 스위치 소자(Q4), 제2 단자(T2) 측으로 흐른다. 트랜스(11)의 2차 권선(11b) 측에서는, 2차 권선(11b), 스위치 소자(Q6), 일방향성 소자(D8)를 통하여 전류가 흐르며, 2차 권선(11b) 측은 단락 상태로 된다. 이 때문에 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 공급되는 입력 전력에 의해, 인덕턴스 수단(L)에 에너지가 축적된다. 또한, 콘덴서(17)로부터는, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측으로 전력이 공급된다.
시각(t2)에서, 예컨대, 제2 회로의 출력전압 검출수단(18)에 의해 출력된 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간의 전압검출치가 목표치에 근사하도록 제어회로(3)에서 정한 타이밍에서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6)에 오프신호가 제공된 것으로 하면, 인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지에 의한 제2 회로(2)의 출력측으로의 공급이 개시된다. 도 6b에 도시한 바와 같이, 트랜스(11)의 1차 권선(11a) 측은 시각(t1)으로부터 계속하여 동일 경로에서 전류가 흐르지만, 2차 권선(11b) 측에서는 스위치 소자(Q6)가 오프 상태로 된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 이 시각(t2)에서는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6)에 큰 전류가 흐르는 상태에서 스위치 소자(Q6)를 오프시키기 때문에 스위칭 손실이 문제로 된다. 이 스위칭 손실을 줄이는 수단으로서, 스위칭 소자(S6)의 오프 시의 스위칭 소자(S6)의 양단 전압을 낮게 하는 것이 고려된다.
본 발명에서는, 스위치 소자(Q6)에 대하여 병렬 콘덴서(C6)와 제4 콘덴서(Cd)를 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다. 마찬가지로, 스위치 소자(Q5)에 대하여 병렬 콘덴서(C5)와 제3 콘덴서(Cc)를 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다. 시각(t2)에서 스위치 소자(Q6)가 오프하면, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 2차 권선(11b) 측에서는, 오프한 스위치 소자(Q6)에 병렬로 접속된 병렬 콘덴서(C6) 및 제4 콘덴서(Cd)를 충전하는 방향으로, 전류가 2차 권선(11b)으로부터 병렬 콘덴서(C6) 및 제4 콘덴서(Cd), 일방향성 소자(D8)를 흐른다. 한편, 병렬 콘덴서(C5) 및 제4 콘덴서(Cd)로부터는, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)측, 일방향성 소자(D8), 2차 권선(11b)을 통하여 방전 전류가 흐른다. 콘덴서 용량을 크게하는 것에 의해, 병렬 콘덴서(C6) 및 제4 콘덴서(Cd), 병렬 콘덴서(C5) 및 제3 콘덴서(Cc)의 충방전 동작에 의한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6)의 양단전압의 상승을 완만하게 할 수 있다. 이 때문에, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6)의 오프 시의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
시각(t3)에서 제2 회로(2)의 병렬 콘덴서(C6) 및 제4 콘덴서(Cd)와 병렬 콘덴서(C5) 및 제3 콘덴서(Cc)와의 충방전이 끝나면, 도 6c에 도시하는 바와 같이, 일방향성 소자(D5)가 도통한다. 2차 권선(11b) 측의 전류는, 2차 권선(11b)으로부터, 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측, 일방향성 소자(D8)를 통하여 흐른다. 상술한 시각(t1)으로부터 시각(t2)의 사이에 인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지가 제2 회로(2)의 출력측으로 공급된다. 또한, 상술한 인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지에 의한 제2 회로(2) 출력측으로의 공급에서는, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)의 먼저 접속되는 부하로의 공급 이외에, 시각(t1)으로부터 시각(t2)의 사이에 방전된 콘덴서(17)를 충전한다. 또한, 1차 권선(11a) 측의 전류는, 시각(t1)으로부터 스위치 소자(Q4)가 오프하는 시각(t4)까지의 기간은 동일 전류경로에서 계속 흐른다.
시각(t4)에서, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4) 중, 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)에 제어회로(3)로부터 오프신호가 제공된다. 이 때문에, 도 3에 도시하는 바와 같이, 전류치가 비교적 큰 상태에서 스위치 소자(Q4) 오프하기 때문에, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)의 오프 시에 스위칭 손실이 생긴다. 이 스위칭 손실을 줄이는 수단으로서, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)의 오프 시의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)의 양단전압을 낮게 하는 것이 고려된다.
본 발명에서는, 스위치 소자(Q4)에 대하여 병렬 콘덴서(C4) 외에 제2 콘덴서(Cb)도 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다. 마찬가지로, 스위치 소자(Q3)에 대하여 병렬 콘덴서(C3) 외에 제1 콘덴서(Ca)도 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다. 이 때문에, 시각(t4)에서 스위치 소자(Q4)가 오프하면, 도 6d에 도시하는 바와 같이, 1차 권선(11a) 측에서는, 오프한 스위치 소자(Q4)에 병렬로 접속된 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb)를 충전하는 방향으로, 전류가 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb), 제2 단자(T2), 제1 단자(T1) 측으로부터 스위치 소자(Q1)를 통하여 흐른다. 한편, 병렬 콘덴서(C3) 및 제1 콘덴서(Ca)로부터는, 스위치 소자(Q1), 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a)을 통하여 방전전류가 흐른다. 콘덴서 용량을 크게 하는 것으로, 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb), 병렬 콘덴서(C3) 및 제1 콘덴서(Ca)의 충방전 동작 에 의한 스위칭 소자(S4)의 양단 전압 상승을 완만하게 할 수 있다. 따라서, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)의 오프 시의 스위칭 손실을 저감시킬 수 있다.
시각(t5)에서 병렬 콘덴서(C3) 및 제1 콘덴서(Ca)의 방전, 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb)의 충전이 끝나면, 도 6e에 도시하는 바와 같이, 스위치 소자(Q3)에 병렬로 접속된 역병렬 다이오드(D3)가 도통한다. 1차 권선(11a) 측에서는, 인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지 및 트랜스(11)의 여자 전류에 의해, 시각(t5)의 직전에 1차 권선(11a), 인덕턴스 수단(L)에 흐르고 있던 전류와 동일 방향으로, 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a)으로부터 역병렬 다이오드(D3), 스위치 소자(Q1)를 통하여 전류가 흐른다. 또한, 2차 권선(11b) 측의 전류는, 시각(t3)으로부터 계속하여 2차 권선(11b), 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3)측, 제4 단자(T4)측, 일방향성 소자(D8)를 통하여 흐르고 있다. 이 2차 권선(11b) 측의 전류경로에 흐르는 기간은, 일방향성 소자(D5)의 도통시로부터 후에 일방향성 소자(D5)로 흐르는 전류가 거의 제로로 되기까지 계속된다.
시각(t6)에서는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4) 중, 후에 오프시키는 스위칭 소자(S1)의 구동신호를 오프신호로 한다. 스위치 소자(Q1)가 오프하기 때문에, 시각(t6)의 직전에 흐르고 있던 트랜스의 여자 전류에 의해, 1차 권선(11a)으로부터 역병렬 다이오드(D3), 병렬 콘덴서(C1), 인덕턴스 수단(L)을 통하여 전류가 흘러, 병렬 콘덴서(C1)를 충전한다. 한편, 병렬 콘덴서(C2)로부터는, 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 역병렬 다이오드(D3), 제1 단자(T1) 측, 제2 단자(T2) 측을 통하여 방전전류가 흐른다. 이때, 스위치 소자(Q1)에 전류가 아직 흐르고 있는 상태에서 오프시키는 것으로 되지만, 이 전류를, 매우 값이 작은 트랜스(11)의 여자전류로 할 수 있다. 따라서, 스위칭 소자(S1)는 나중에 오프시키는 것으로 오프 시의 전류값을 적게 할 수 있기 때문에, 먼저 오프시키는 스위치 소자(Q4)의 오프 시와 비교하여, 스위칭 손실을 작게 할 수 있다.
시각(t7)에서 병렬 콘덴서(C1, C2)의 충방전이 끝나면, 도 6g에 도시하는 바와 같이, 역병렬 다이오드(D2)가 도통한다. 1차 권선(11a) 측에서는 트랜스(11)의여자전류에 의해, 시각(t7)의 직전에 1차 권선(11a)에 흐르고 있던 전류와 동일 방향으로, 1차 권선(11a)으로부터, 역병렬 다이오드(D3), 제1 단자(T1) 측, 제2 단자(T2) 측, 역병렬 다이오드(D2), 인덕턴스 수단(L)을 통하여 전류가 흐른다. 또한, 2차 권선(11b) 측의 전류는, 시각(t3)으로부터 계속하여 2차 권선(11b), 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3)측, 제4 단자(T4)측, 일방향성 소자(D8)를 통하여 흐르고 있다. 이 2차 권선(11b) 측의 전류경로에 흐르는 기간은, 일방향성 소자(D5)의 도통시로부터 후에 일방향성 소자(D5)로 흐르는 전류가 거의 제로로 되기까지 계속된다.
시각(t8)에서 다른 쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3)의 구동신호를 온신호로 한다. 도 6h에 도시하는 바와 같이, 1차 권선(11a) 측에서는, 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)가 순방향으로 도통하여, 제1 단자(T1) 측, 스위치 소자(Q3), 1차 권선(11a), 인덕턴스 수단(L), 스위치 소자(Q2), 제2 단자(T2) 측을 통하여 전류가 흐른다. 2차 권선(11b) 측에서는, 시각(t8)보다 이전에 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5)의 구동신호에 온신호가 제공되어 있어, 시각(t8)에는 스위치 소자(Q5)가 순방향으로 도통할 수 있는 상태로 되어 있다. 이 때문에, 스위치 소자(Q5)가 순방향으로 도통하면, 2차 권선(11b)으로부터, 역병렬 다이오드(D7), 스위치 소자(Q5)를 통하여 전류가 흘러, 2차 권선(11b) 측은 단락상태로 된다. 따라서, 제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 간으로부터 입력된 전력에 의해 인덕턴스 수단(L)에 에너지가 축적된다.
본 발명에서는, 시각(t8)의 직전에, 스위치 소자(Q2，Q3)에 각각 병렬로 접속되는 역병렬 다이오드(D2，D3)가 도통하고 있기 때문에, 도 5에 도시되는 바와 같이, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2，S3)는 온 시에 제로 전압 스위칭을 실현시킬 수 있다.
또한, 시각(t8)의 직전에 스위치 소자(Q5)에 병렬의 일방향성 소자(D5)가 도통되어 있기 때문에, 스위치 소자(Q5)는 제로 전압으로 온시킬 수 있다. 또한, 스위치 소자(Q5)의 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위해서는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5)의 구동신호인 온신호는, 일방향성 소자(D5)가 도통되어 있는 기간인 시각(t3)으로부터 시각(8)의 기간에 제공하여 두면 좋다.
시각(t8) 후의 다른 쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3)의 동작에 관해서는, 상술한 조로 되는 스위칭 소자(S1, S4)의 시각(t1)으로부터 시각(t8)과 마찬가지로 동작시킨다. 즉, 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)가 도통하고 있는 기간에, 예컨대, 제2 회로(2)의 출력측인 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간의 전압검출치가 소정치로 되도록 제어회로(3)에서 정한 타이밍에서 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5)에 오프신호를 제공한다. 이에 의해, 인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지를 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측에 공급한다. 그 후, 조로 되는 스위칭 소자(S2, S3) 중 제1 콘덴서(Ca)가 병렬로 접속된 스위치 소자(Q3)를 먼저 오프시켜, 후에 스위치 소자(Q2)를 오프시킨다.
또한, 본 발명에서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 후에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2)가 직렬로 접속되어 있다. 이 후에 오프시키는 스위칭 소자(S1, S2)에 관하여 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위하여, 예컨대, 스위칭 소자(S1)를 오프시키는 경우, 이것과 동일한 제1 레그에 있는 다른 쪽의 하 암의 스위칭 소자(S2)의 양단전압을 제로로 낮추고 나서 스위치 소자(Q2)에 온신호를 제공한다. 여기서, 스위치 소자(Q1)에 오프신호를 제공하고 나서 스위치 소자(Q2)에 온신호를 제공하기까지의 기간, 즉 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간을 Td로 한다.
이 스위칭 소자(S2)의 양단전압을 제로로 낮추는, 요컨대 콘덴서(C2) 전압이 제로로 되기까지 방전시키는 방전동작은 상술한 여자전류가 흐르는 것에 의한다. 따라서, 후에 오프시키는 스위칭 소자(S2)의 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위해서는, 먼저 여자전류를 스위칭 소자(S2)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있는 크기로 할 필요가 있다. 또한, 여자전류에 의해 스위칭 소자(S2)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있도록 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 제공할 필요가 있다. 후에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1)에 관하여, 제로 전압 스위칭을 실현시키는 경우도 동일하다. 스위칭 소자(S1)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있도록 하는 크기의 여자전류와 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 제공할 필요가 있다.
또한, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 큰 값으로 설정하면, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 양단전압이 제로까지 낮아진 후에 다시 전압이 상승하여 버리는, 요컨대 콘덴서(C1 또는 C2)가 제로까지 방전된 후에 충전되어 버리는 일이 있다. 이 때문에, 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)은, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 양단전압이 제로까지 낮아지는 기간 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 후에 오프시키는 스위치 소자(Q1，Q2)에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량의 병렬 콘덴서(C1，C2)는, 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량인 경우 등 작은 용량치로 되어, 부품에 따라서는 불균일이 있다. 이 때문에, 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량에 별도로 부착한 콘덴서를 병렬로 접속시켜, 이들 합성용량을 상기 병렬 콘덴서(C1，C2)로 하여도 좋다.
이어서, 도 1의 컨버터 회로도 및 도 7 내지 도 10을 이용하여, 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)간 측에 출력되는 전압을 상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 경우에, 제2 회로(2)를 풀 브릿지의 정류회로로 하여 기능시키는 동작에 관하여 설명한다. 도 7은 이 동작에서의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4) 및 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5,S6) 구동신호의 여자전류의 일례를 도시하는 파형도이다. 도 8은 이 동작에서의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)의 전압, 전류 및 트랜스(11)의 여자전류의 일례를 나타내는 파형도이다. 도 9는, 이 동작에서의 제2 회로(2)의 일방향성 소자(D5~D8)의 전압, 전류의 일례를 나타내는 파형도이다. 또한, 도 10은, 본 발명의 제1의 실시형태에 관한 컨버터의 이 동작에 관하여 각 타이밍에서 형성되는 회로도이다. 또한, 도 8, 도 9에 도시하는 전류 파형에서는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)를순방향으로 흐르는 전류를 플러스로 하고, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)를 역방향으로 흐르는 전류 및 일방향성 소자(D5~D8)를 순방향으로 흐르는 전류를 마이너스로 하고 있다.
이 동작의 경우는, 도 1의 컨버터 회로는, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로는 일방향성 소자(D5~D8)가 도통하는 풀 브릿지의 정류회로로서 기능한다. 이 때문에, 실시형태 1의 컨버터는 적어도 제2 회로(2)는 일방향성 소자(D5~D8)가 있으면 좋기 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 및 S6)의 구동신호에는 온신호는 가하고 있지 않다.
시각(t21)은, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1 및 S4)에 온신호에 온신호을 가하는 시점이다. 이때, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 및 S6)에는 온신호는 가하지 않는다. 도 10a에 도시하는 바와 같이, 트랜스(11)의 1차 권선(11a) 측에서는, 전류가 제1 단자(T1) 측으로부터, 스위치 소자(Q1), 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 스위치 소자(Q4), 제2 단자(T2) 측으로 흐른다. 트랜스(11)의 2차 권선(11b) 측에서는, 2차 권선(11b)으로부터, 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)측으로부터, 일방향성 소자(D8)를 통하여 전류가 흐른다. 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 공급되는 입력 전력은, 인덕턴스 수단(L)을 통하여 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측으로 공급된다.
시각(t22)에서, 예컨대, 제2 회로의 출력전압 검출수단(18)으로 검출된 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간의 전압검출치가 목표치에 근사하도록, 제어회로(3)는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4) 중 먼저 오프시키는 스위칭 소자(S4)에 오프신호를 가한다. 이 때문에, 도 8에 도시하는 바와 같이, 전류치가 비교적 큰 상태에서 스위치 소자(Q4)가 오프하기 때문에, 스위칭 소자(S4)의 오프 시에 스위칭 손실이 생긴다. 본 발명에서는, 상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 설명한 바와 같이, 스위치 소자(Q4)에 대하여 병렬 콘덴서(C4) 외에 제2 콘덴서(Cb)도 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다. 마찬가지로, 스위치 소자(Q3)에 대하여 병렬 콘덴서(C3) 외에 제1 콘덴서(Ca)도 병렬로 접속하여 콘덴서의 용량을 크게 하고 있다.
이 때문에, 시각(t22)에서 스위치 소자(Q4)가 오프하면, 도 10b에 도시하는 바와 같이, 1차 권선(11a) 측에서는, 오프한 스위치 소자(Q4)에 병렬로 접속된 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb)를 충전하는 방향으로, 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb), 제2 단자(T2), 제1 단자(T1) 측으로부터 스위치 소자(Q1)를 통하여 전류가 흐른다. 한편, 병렬 콘덴서(C3) 및 제1 콘덴서(Ca)으로부터는, 스위치 소자(Q1) 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a)을 통하여 방전전류가 흐른다. 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4, S3)에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량을 크게 하고, 스위칭 소자(S4)의 양단전압의 상승을 완만하게 하는 것으로, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4)의 오프 시의 스위칭 손실을 저감시키고 있다.
시각(t23)에서 병렬 콘덴서(C3) 및 제1 콘덴서(Ca)의 방전, 병렬 콘덴서(C4) 및 제2 콘덴서(Cb)의 충전이 끝나면, 도 10c에 도시하는 바와 같이, 스위치 소자(Q3)에 병렬로 접속된 역병렬 다이오드(D3)가 도통한다. 1차 권선(11a) 측에서는인덕턴스 수단(L)에 축적된 에너지 및 트랜스(11)의 여자전류에 의해, 시각(t5)의직전에 1차 권선(11a), 인덕턴스 수단(L)에 흐르고 있던 전류와 동일 방향으로, 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a)으로부터 역병렬 다이오드(D3), 스위치 소자(Q1)를 통하여 전류가 흐른다. 또한, 2차 권선(11b) 측의 전류는, 시각(t21)으로부터 계속하여 2차 권선(11b), 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3)측, 제4 단자(T4)측, 일방향성 소자(D8)를 통하여 흐르고 있다.
시각(t24)에서는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4) 중, 후에 오프시키는 스위칭 소자(S1)의 구동신호를 오프신호로 한다. 스위치 소자(Q1)가 오프하기 때문에, 시각(t23)의 직전에 흐르고 있던 트랜스의 여자전류에 의해, 도 10d에 도시하는 바와 같이, 1차 권선(11a)으로부터 역병렬 다이오드(D3), 병렬 콘덴서(C1), 인덕턴스 수단(L)을 통하여 전류가 흘러, 병렬 콘덴서(C1)를 충전한다. 한편, 병렬 콘덴서(C2)로부터는, 인덕턴스 수단(L), 1차 권선(11a), 역병렬 다이오드(D3), 제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 측을 통하여 방전전류가 흐른다. 이때, 스위치 소자(Q1)에 전류가 아직 흐르고 있는 상태에서 오프시키는 것으로 되지만, 먼저 오프시킨 스위치 소자(Q4)의 경우보다도 작은 값의 전류로 할 수 있다. 따라서, 먼저 오프시키는 스위치 소자(Q4)의 오프 시와 비교하여, 나중에 오프시키는 스위치 소자(Q1)의 스위칭 손실을 작게 할 수 있다.
시각(t25)에서 병렬 콘덴서(C1, C2)의 충방전이 끝나면, 도 10e에 도시하는 바와 같이, 역병렬 다이오드(D2)가 도통한다. 1차 권선(11a) 측에서는 트랜스(11)의 여자전류에 의해, 시각(t25)의 직전에 1차 권선(11a)에 흐르고 있던 전류와 동일 방향으로, 1차 권선(11a)으로부터, 역병렬 다이오드(D3), 제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 측, 역병렬 다이오드(D2), 인덕턴스 수단(L)을 통하여 전류가 흐른다. 또한, 2차 권선(11b) 측의 전류는, 시각(t2)1으로부터 계속하여 2차 권선(11b), 일방향성 소자(D5), 제3 단자(T3)측, 제4 단자(T4)측, 일방향성 소자(D8)를 통하여 흐르고 있다.
시각(t26)에서 다른 쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3)에 온신호를 가한다. 도 10f에 도시하는 바와 같이, 1차 권선(11a) 측에서는, 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)가 순방향으로 도통하여, 제1 단자(T1) 측, 스위치 소자(Q3), 1차 권선(11a), 인덕턴스 수단(L), 스위치 소자(Q2), 제2 단자(T2) 측을 통하여 전류가 흐른다. 1차 권선(11a)으로 흐르는 전류가 지금까지와 역방향으로 되기 때문에, 2차 권선(11b) 측에서는, 일방향성 소자(D6), 일방향성 소자(D7)가 순방향으로 도통하여, 2차 권선(11b)으로부터, 일방향성 소자(D7), 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)측으로부터 일방향성 소자(D6)을 통하여 전류가 흐른다. 도 10a의 경우와 마찬가지로, 제1 단자(T1), 제2 단자(T2) 간으로부터 입력된 전력은, 인덕턴스 수단(L)을 통하여 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 측에 공급된다.
상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작의 경우와 마찬가지로, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로 하여 기능시키는 동작에서도, 시각(t26)의 직전에, 스위치 소자(Q2，Q3)에 각각 병렬로 접속되는 역병렬 다이오드(D2，D3)가 도통되어 있기 때문에, 도 8에 도시되는 바와 같이, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2，S3)는 온 시에 제로 전압 스위칭을 실현시킬 수 있다.
시각(t26) 후의 다른 쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3)의동작에 관해서는, 상술한 조로 되는 스위칭 소자(S1, S4)의 시각(t21)으로부터 시각(t26)과 마찬가지로 동작시킨다. 즉, 예컨대, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간의 출력전압이 소망하는 값으로 되도록, 제어회로(3)는, 조로 되는 스위칭 소자(S2, S3) 중 제1 콘덴서(Ca)가 병렬로 접속된 스위치 소자(Q3)를 먼저 오프시키고, 후에 스위치 소자(Q2)를 오프시킨다.
상술한 제1의 실시형태에 관한 컨버터에서는, 제어회로(3)는, 상술한 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로 하여 기능시키는 동작을 행하고 있는 경우에 있어서, 제1 회로의 스위칭 소자의 펄스 폭이나 주파수를 변조시켜도 상기 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)간 측으로부터 출력되는 전압검출치가 목표치에 근사하지 않는 경우는, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 절환한다. 역으로, 제어회로(3)는, 상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작을 행하고 있는 경우에 있어서, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)의 펄스 폭이나 주파수를 변조시켜도 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)간 측으로부터 출력되는 전압검출치가 목표치에 근사하지 않는 경우는, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로서 기능시키는 동작으로 절환한다. 2개의 동작을 절환하는 것으로, 트랜스(11)의 권수비 등의 회로정수나 부하조건으로 들어가지 않고, 광범위한 입출력 전압전류에 대응시킬 수 있다.
또한, 상술한 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작의 경우와 마찬가지로, 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로서 기능시키는 동작에서도, 제1 회로(1)의 조로 되는 스위치 소자 중, 먼저 오프시키는 스위치 소자에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량이, 나중에 오프시키는 스위치 소자 에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량보다도 크게 되도록 한다. 또한, 나중에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2)에 관하여 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위하여, 먼저 여자전류를 스위칭 소자(S2 또는 S1)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있게 하는 크기로 할 필요가 있다. 또한, 여자전류에 의해 스위칭 소자(S2 또는 S1)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있도록 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 제공할 필요가 있다.
제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)은, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 양단전압이 제로까지 낮아지는 기간 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 나중에 오프시키는 스위치 소자(Q1，Q2)에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량의 병렬 콘덴서(C1，C2)는, 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량의 경우 등 작은 용량값으로 되어, 부품에 따라서는 불균일이 있다. 이 때문에, 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량에 별도로 부착하는 콘덴서를 병렬로 접속시켜, 이들 합성 용량을 상기 병렬 콘덴서(C1，C2)로 하여도 좋다.
또한, 도 2, 도 7에서는, 시각(t8), 시각(t26)에, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2, S3)의 구동신호인 온신호를 동시에 가하고 있고, 또 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)가 순방향으로 도통하여 시작하고 있는 동작의 일례를 도시한다. 그러나, 상술한 실시형태의 동작의 일례에 한정되지 않고, 스위칭 소자(S2, S3)의 온신호를 가하는 시점은 동시가 아니라도 좋다. 또한, 스위칭 소자(S2, S3)의 온신호를 가하는 시점은, 역병렬 다이오드(D2, D3)가 도통하고 있는 기간이어도 좋다. 이 경우는, 스위칭 소자(S2, S3)의 온신호를 가하는 시점과 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)가 순방향으로 도통하여 시작하는 시점은 일치하지 않고, 예컨대, 역병렬 다이오드(D2, D3)를 도통하는 전류가 제로로 되고 나서 스위치 소자(Q2) 및 스위치 소자(Q3)를 순방향으로 전류가 흐르기 시작한다. 또한, 역방향으로 전류를 흘렸을 때의 스위치 소자(Q2, Q3)의 전압 강하가 순방향 전류를 흘렸을 때의 역병렬 다이오드(D2, D3)의 전압 강하인 순전압보다도 작은 경우에는, 스위칭 소자(S2, S3)의 온신호를 가하고, 스위치 소자(Q2, Q3)를 역방향으로 도통시켜서 스위칭 소자(S2, S3)의 도통 손실을 저감시킬 수 있다. 다른 한쪽의 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S4)의 경우에 관해서도 동일하다.
상술한 제1의 실시형태에서는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1 및 S4, S2 및 S3) 중 제2 레그(13)의 상하 암의 스위칭 소자(S4, S3)를 먼저 오프시키고 있지만, 제1 레그(12)의 상하 암의 스위칭 소자(S1, S2)를 먼저 오프시켜도 좋다. 이 경우, 제1 콘덴서(Ca), 제2 콘덴서(Cb)를, 먼저 오프시키는 스위칭 소자(S1, S2)에 각각 접속시킨다. 또한, 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자를, 제1 레그(12)와 제2 레그(13)의 상 암의 스위칭 소자(S1, S3), 또는 제1 레그(12)와 제2 레그(13)의 하 암의 스위칭 소자(S2, S4)로 하여도 좋다. 이 경우, 제1 콘덴서(Ca), 제2 콘덴서(Cb)를, 먼저 오프시키는 스위칭 소자(S1, S3) 또는 스위칭 소자(S2, S4)에 각각 병렬로 접속시킨다.
또한, 상술한 제1의 실시형태에 있어서, 도 1에 도시한 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로 내에서, 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간에 접속되는 스위칭 소자(S5, S6)의 직렬회로와 일방향성 소자(D7，D8)의 직렬회로의 위치가 교체하여도 좋다. 이 경우도, 제3 콘덴서(Cc), 제4 콘덴서(Cd)는, 온오프시키는 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)에 각각 병렬로 접속된다. 또한, 제2 회로(2)에 있어서 일방향성 소자(D7 또는 D8)와 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 또는 S6)의 직렬회로를 각각 제3 단자(T3), 제4 단자(T4) 간에 접속하는 혼합 브릿지 접속의 회로 구성으로 하여도 좋다. 이 경우도, 제3 콘덴서(Cc), 제4 콘덴서(Cd)는, 온오프시키는 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)에 각각 병렬로 접속시킨다.
또한, 상술한 실시형태 1의 설명에서는, 제2 회로(2)의 일방향성 소자(D7), 일방향성 소자(D8)로서 다이오드로 도시하지만, 이 일례에 한정되지 않고 전류를 한방향으로 도통시키는 소자이라면 좋다. 또한, 일방향성 소자로서, 스위칭 소자(S5, S6)와 마찬가지로 스위칭 소자의 내부 다이오드를 사용하여도 좋다. 상술한 제2 회로(2)의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로서 기능시키는 동작의 설명에 있어서, 일방향성 소자(D5, D6)가 도통하는 기간에, 예컨대, 도 1의 스위칭 소자(S5, S6)에 온신호를 가하고, 스위치 소자(Q5, Q6)를 역방향, 즉 일방향성 소자(D5, D6)의 순방향으로 도통시켜도 좋다. 역방향으로 전류를 흘렸을 때의 스위치 소자(Q5, Q6)의 전압 강하가 순방향 전류를 흘렸을 때의 역 일방향성 소자(D5, D6)의 전압강하인 순전압보다도 작은 경우에는, 일방향성 소자(D5, D6)의 도통 손실보다도 저감시킬 수 있다. 마찬가지로, 일방향성 소자(D7, D8)를 포함하는 스위칭 소자(S7, S8) 또는 일방향성 소자(D7, D8)와 병렬로 접속한 스위칭 소자(S7, S8)를 이용한 경우도, 스위치 소자(Q7, Q8)를 역방향으로 도통시켜서 일방향성 소자(D7, D8)의 도통 손실보다도 저감시킬 수 있다. 또한, 상술한 컨버터에 있어서 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4)측 간에 출력되는 전압을 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5, S6)를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작 만에 이용되는 경우는, 제2 회로(2)는 적어도 풀 브릿지의 정류회로로서 동작하는 일방향성 소자(D5~D8) 또는 일방향성 소자(D5~D8)의 순방향과 동일 방향으로 전류를 흐르게 하는 스위칭 소자를 가지면 좋다.
본 발명의 컨버터는, 트랜스의 1차 권선 또는 2차 권선측에 접속되는 인덕턴스 수단을 이용하고, 제2 회로의 스위칭 소자를 온오프시키는 동작과 제2 회로의 브릿지 접속 회로를 풀 브릿지의 정류회로로서 기능시키는 동작을 실현시키는 것으로 광범위한 입출력 전압전류로 대응시킬 수 있다. 또한, 전류가 흐르고 있는 상태에서 스위칭 소자를 오프시켰을 때 발생하는 스위칭 손실을 저감할 수 있어, 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자 중의 한쪽을 뒤로부터 오프시켰을 때 발생하는 스위칭 손실을 저감할 수 있다. 또한, 제로 전압 스위칭을 실현시키는 것으로 스위칭 손실의 저감을 도모할 수 있다.
(제2의 실시형태）
도 11에, 본 발명의 제2의 실시형태에 관한 쌍방향 컨버터의 전압회로도를 도시한다. 본 발명의 제2의 실시형태에 관한 쌍방향 컨버터에 있어서, 제1의 실시형태에 관한 컨버터와 부호가 동일한 구성요소는, 상호 동일한 것을 도시하는 것으로 한다. 여기서는, 주로 제1의 실시형태에 관한 컨버터와 상이한 구성 및 동작에 관하여 설명한다.
제2의 실시형태에 관한 쌍방향 컨버터에서는, 쌍방향에서 동작시키기 때문에, 제2 회로는, 제1 회로와 동일 구성으로 되지 않도록 한다. 이 때문에, 도 11에서, 제2 회로(22)는, 스위칭 소자를 2개의 레그의 상하 암으로한 회로 구조로 한다. 또한, 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7, S8)에도 구동신호를 가하는 것으로부터도, 여기서는 제어회로(23)로 한다. 또한, 제1 회로(1)의 제1 레그(12), 제2 레그(13) 및 제2 회로(22)의 제3 레그(14)에 관하여는, 제1의 실시형태에서 서술한 도 1에 도시하는 구성과 동일하다. 또한, 도 1과 마찬가지로, 도 11에서는, 인덕턴스 수단(L)은, 1차 권선(11a)측에 접속되어 있지만, 2차 권선(11b)측에 접속시켜도 좋다.
제1 회로(1)에서 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4, S2와 S3) 중, 먼저 오프시키는 한쪽의 레그의 상하 암, 여기서는 제1 레그(12)의 상하 암의 스위칭 소자(S3, S4)가 직렬로 접속된다. 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S3, S4)에는, 각각 제1, 제2 콘덴서(Ca, Cb)가 병렬로 접속된다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 제2 회로(22)의 제3 레그(24), 제4 레그(25)는, 제3 단자(T3)와 제4 단자(T4) 사이에 각각 병렬로 접속된다. 제3 레그(24), 제4 레그(25)는, 상하 암을 스위칭 소자(S5~S8)로 구성한 풀 브릿지 접속의 회로로 된다. 또한, 스위칭 소자(S5~S8)는, 스위치 소자(Q5~Q8)와 일방향성 소자(D5~D8)와 병렬 콘덴서(C5~C8)가 각각 병렬로 접속된다. 또한, 제1의 실시형태와 마찬가지로, 일방향성 소자(D5~D8)는, 도 11에 도시한 바와 같이 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S5~S8)의 내장 다이오드를 사용하여도 좋고, 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S5~S8)와는 별도로 외부 부착된 다이오드를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다. 마찬가지로, 병렬 콘덴서(C5~C8)는, 도 11에 도시한 바와 같이 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S5~S8)의 기생용량을 사용하여도 좋고, 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S5~S8)와는 별도로 외부 부착된 콘덴서를 사용하여도 좋고, 또는 이들 조합시켜도 좋다.
제2 회로(22)로부터 제1 회로(1) 측으로 전력을 공급하는 경우에, 제2 회로(22)에서 조로 되는 스위칭 소자(S5와 S8, S6와 S7) 중, 먼저 오프시키는 일방의 레그의 상하 암, 여기서는 제3 레그(24)의 상하 암의 스위칭 소자(S5, S6)가 직렬로 접속된다. 먼저 오프시키는 스위칭 소자(S5, S6)에는, 각각 제3, 제4 콘덴서(Cc, Cd)가 병렬로 접속된다.
제1 회로(1)로부터 제2 회로(22) 측으로 전력을 공급하는 경우는, 상술한 실시형태 1에서 서술한 것과 동일한 동작을 실시한다. 또한, 제2 회로(22)로부터 제1 회로(1) 측으로 전력을 공급하는 경우, 제어회로(23)는, 제2 회로(22)에서 조로 되는 스위칭 소자(S5와 S8, S6과 S7) 중, 제3, 제4 콘덴서(Cc，Cd)가 각각 병렬로 접속된 스위칭 소자(S5, S6)를 먼저 오프시킨다.
제1 회로(1)로부터 제2 회로(22) 측으로 전력을 공급할 때에, 출력측으로 되는 제2 회로(2)의 스위칭 소자를 온오프시키는 경우는, 제1의 실시형태와 마찬가지로, 제어회로(23)는, 제2 회로(22)의 제3, 제4 콘덴서(Cc, Cd)가 병렬로 접속된 스위칭 소자(S5，S6)를 온오프시킨다. 또한, 제2 회로(22)로부터 제1 회로(1) 측으로 전력을 공급했을 때에, 출력측으로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자를 온오프시키는 경우는, 제어회로(23)는, 제1 회로(1) 중 제1, 제2 콘덴서(Ca，Cb)가 각각 병렬로 접속된 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S3，S4)를 온오프시킨다. 또한, 출력측의 전압을 제2 회로 또는 제1 회로의 스위칭 소자를 온오프시키는 동작으로 얻어지는 출력전압보다도 낮게 하는 동작의 경우는, 제1의 실시형태에서 서술한 바와 같이, 출력측의 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S5~S8) 또는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1~S4)는 정류회로로서 기능한다.
또한, 제어회로(23)는, 출력측의 제2 회로(22) 또는 제1 회로(1)를 정류회로로서 기능시키는 동작을 행하고 있는 경우에 있어서, 제1 회로(1) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자의 펄스 폭이나 주파수를 변조시켜도 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)간 또는 제1 단자(T1), 제2 단자(T2)간 측으로부터 출력되는 전압검출치가 목표치에 근사하지 않는 경우는, 출력측의 제2 회로(22) 또는 제1 회로(1)의 스위칭 소자를 온오프시키는 동작으로 절환한다.
구체적으로는, 제1 회로(1)로부터 제2 회로(22) 측으로 전력을 공급하는 경우에, 제어회로(3)는, 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자(S1와 S4) 또는 (S2와 S4)가 온상태에 있는 기간에 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)을 통하여 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4) 측에 공급시키도록 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4 또는 S3)를 펄스 제어한다. 이때, 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S5 및 S6)를 순방향으로 도통시키지 않는다. 이 상태로부터, 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자(S1와 S4) 또는 (S2와 S4)가 온상태에 있는 기간에 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)에 축적시키도록 제3 콘덴서(Cc) 또는 제4 콘덴서(Cd)가 병렬로 접속된 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6 또는 S5)를 순방향으로 도통시킨다. 그리고, 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4 또는 S3)를 오프하기 전에 순방향으로 도통시키고 있는 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6 또는 S5)를 오프시키는 동작으로 절환한다.
역으로, 제어회로(23)는, 출력측의 제2 회로(22) 또는 제1 회로(1)의 스위칭 소자를 온오프시키는 동작을 행하고 있는 경우에 있어서, 제2 회로(22) 또는 제1 회로(1)의 스위칭 소자의 펄스 폭이나 주파수를 변조시켜도 제3 단자(T3), 제4 단자(T4)간 또는 제1 단자(T1), 제2 단자(T2)간 측으로부터 출력되는 전압검출치가 목표치에 근사하지 않는 경우는, 출력측의 제2 회로(22) 또는 제1 회로(1)를 정류회로로서 기능시키는 동작으로 절환한다.
구체적으로는, 제1 회로(1)로부터 제2 회로(22) 측으로 전력을 공급하는 경우에, 제어회로(3)는, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4) 또는 (S2와 S4)가 온상태에 있는 기간에 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)에 축적시키도록 제3 콘덴서(Cc) 또는 제4 콘덴서(Cd)가 병렬로 접속된 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S6 또는 S5)를 순방향으로 도통시킨다. 이때, 먼저 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S4 또는 S3)를 오프 하기 전에 순방향으로 도통시키고 있는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S6 또는 S5)를 오프시키는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S6 또는 S5)의 펄스 제어를 행하고 있는 것으로 한다. 이어서, 이 동작으로부터, 조로 되는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1와 S4) 또는 (S2와 S4)가 온상태에 있는 기간에 제1 단자(T1) 및 제2 단자(T2) 측으로부터 입력되는 에너지를 인덕턴스 수단(L)을 통하여 제3 단자(T3) 및 제4 단자(T4) 측에 공급시키도록 제2 회로(2)의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시키지 않는 동작으로 절환한다.
상술한 바와 같이 동작을 절환하여, 제3, 제4 단자간 또는 제1, 제2 단자간 측으로부터 출력되는 전압검출치를 목표치에 근사하게 하도록 하기 위해, 제1 회로, 제2 회로의 스위칭 소자의 펄스 제어를 행한다. 2개의 동작을 절환하는 것으로, 트랜스의 권수비 등의 회로정수나 부하조건에 구애되지 않고 광범위한 입출력 전압전류에 대응시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에서는, 입력 측의 제1 또는 제2 회로의 조로 되는 스위치 소자 중, 먼저 오프시키는 스위치 소자에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량이, 나중에 오프시키는 스위치 소자에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량보다도 크게 되도록 한다. 마찬가지로, 온오프시키는 출력측의 제2 회로 또는 제1 회로의 스위칭 소자에 관해서도 병렬로 콘덴서를 접속한다. 이것에 의해, 제1 회로의 스위칭 소자, 제2 회로의 스위칭 소자의 온 시, 오프 시에 생기는 스위칭 손실을 저감시키고 있다.
또한, 나중에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7, S8)에 관하여 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위해서는, 예컨대, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7)를 오프시키는 경우, 이것과 동일한 레그에 있는 다른 쪽의 암의 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 양단전압을 제로로 낮추고 나서 스위치 소자(Q2 또는 Q8)에 온신호를 가할 필요가 있다. 이 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 양단전압, 요컨대 콘덴서(C2 또는 C8) 전압이 제로로 되기까지 방전시키는 방전동작은 상술한 여자전류가 흐르는 것에 의한다.
따라서, 나중에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 제로 전압 스위칭을 실현시키기 위해서는, 먼저 여자전류를 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있는 크기로 할 필요가 있다. 또한, 여자전류에 의해 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있도록 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7, S8)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 제공할 필요가 있다. 나중에 오프시키는 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1), 제2 회로(2)의 스위칭 소자(S7)에 관하여, 제로 전압 스위칭을 실현시키는 경우도 동일하다. 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S8)의 양단전압을 제로까지 낮출 수 있도록 하는 크기의 여자전류와 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2) 또는 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7, S8)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 제공할 필요가 있다.
또한, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)을 큰 값으로 설정하면, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 양단전압이 제로까지 낮아진 나중에 다시 전압이 상승하여 버리는, 요컨대 콘덴서(C1 또는 C2)가 제로까지 방전된 나중에 충전되어 버리는 일이 있다. 이 때문에, 스위칭 소자(S1, S2)를 공히 오프시키는 기간(Td)은, 스위칭 소자(S1 또는 S2)의 양단전압이 제로까지 낮아지는 기간 정도로 하는 것이 바람직하다. 제2 회로(22)의 스위칭 소자(S7, S8)에 관하여도 동일하다. 또한, 나중에 오프시키는 스위치 소자(Q1，Q2)에 병렬로 접속되는 콘덴서의 용량의 병렬 콘덴서(C1，C2)는, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량의 경우 등 작은 용량값으로 되어, 부품에 따라서는 불균일이 있다. 이 때문에, 제1 회로(1)의 스위칭 소자(S1, S2) 내장의 기생용량에 별도 부착되는 콘덴서를 병렬로 접속시켜, 이들 합성 용량을 상기 병렬 콘덴서(C1，C2)로 하여도 좋다. 제2 회로(22)의 병렬 콘덴서(C7, C8)에 관하여도 동일하다.
본 발명에서는, 상술한 설명에 있어서, 여자전류를 적절한 크기로 하기 위하여 트랜스(11)의 1차 권선 또는 2차 권선에 병렬로 제공되는 인덕턴스 성분도 상술한 트랜스의 여자 인덕턴스에 포함된다. 또한, 상술한 설명에 있어서, 트랜스(11)의 여자인덕턴스와 이것에 병렬로 제공되는 인덕턴스 성분에 의한 합성 인덕턴스 에 따라서 흐르는 전류도 상술한 여자전류에 포함된다. 트랜스의 여자 인덕턴스는, 트랜스의 구조에 있어서, 예컨대, 코어의 갭폭, 권선의 권수량, 코어의 재질 등에 의해 조정할 수 있다.
상술한 제1, 제2의 실시형태에서는, 제어회로(3, 23)는, 제2 회로의 출력전압 검출수단(18), 제1 회로의 출력전압 검출수단(19)에 의해 검출된 전압치가 목표치에 근사하도록 하고 있지만, 이용하는 검출치는 출력전류치나 출력전력 외에 이들 조합시켜도 좋다. 마찬가지로 입력측의 전압, 전류 또는 전력의 검출치가 목표치에 근사하도록 하여도 좋다. 또한, 일반적으로, 전력의 검출치로서는, 검출된 전압 및 전류를 곱셈한 연산값을 이용한다. 상술한 출력된 전압, 전류 또는 전력의 검출치 또는 입력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치에는, 이들 값에 있는 계수를 곱셈나눗셈하거나, 또는 값을 가감산 등을 하거나 하여 연산을 하여 얻어진 값도 포함된다.
본 발명은, 트랜스의 1차 권선 또는 2차 권선측에 접속되는 인덕턴스 수단을 이용하여, 출력측의 제2 회로 또는 제1 회로의 스위칭 소자를 온오프시키는 동작 과 출력측의 제2 회로 또는 제1 회로를 정류회로로서 기능시키는 동작을 실현시키는 것으로 광범위한 입출력 전압전류에 대응시킬 수 있다. 또한, 전류가 흐르고 있는 상태에서 스위칭 소자를 오프시켰을 때 발생하는 스위칭 손실을 저감할 수 있어, 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자 중의 한쪽을 뒤로부터 오프시켰을 때 발생하는 스위칭 손실을 저감할 수 있다. 또한, 제로 전압 스위칭을 실현시키는 것으로 스위칭 손실의 저감을 도모할 수 있다.
본 발명의 전기회로에 있어서, 접속점과는 전기적으로 접속되어 동전위에 있는 부위를 말하고, 물리적으로 접속된 점을 말하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 컨버터 및 쌍방향 컨버터에 있어서의 각부의 구성, 구조, 수, 배치, 형상, 재질 등에 관해서는, 상기 구체예에 한정되지 않고, 당업자가 적절히 선택적으로 채용한 것도, 본 발명의 요지를 포함하는 한, 본 발명의 범위에 포함된다.
더욱 구체적으로는, 예컨대, 반도체 소자로서 기호에 의해 예시된 것 등은, 이들의 특정 전기소자에는 한정되지 않고, 동일의 기능 또는 작용을 갖는 단일 전기 소자 또는 복수의 전기소자를 포함하는 전기회로로서 구성할 수 있어, 이들 모두의 변형은 본 발명의 범위에 포함된다. 마찬가지로, 다이오드, 콘덴서, 스위칭 소자를 필두로 하는 각 회로소자의 수나 배치관계 등에 관해서도, 당업자가 적절히 설계 변경한 것은 본 발명의 범위에 포함된다.
T1...제1 단자, T2...제2 단자, T3...제3 단자,
T4...제4단자, 1...제1 회로, 2, 22...제2 회로,
3, 23...제어회로, 11...트랜스, 12...제1 레그,
13...제2 레그, 24...제3 레그, 25...제4 레그,
16, 17... 콘덴서, 18...제2 회로의 출력전압 검출수단
19...제1 회로의 출력전압 검출수단,
S1~S4...제1 회로의 스위칭 소자, Q1~Q4...스위치 소자,
D1~D4...역병렬 다이오드, C1~C4...병렬 콘덴서,
D5~D8...일방향성 소자역병렬 다이오드,
S5~S8...제2 회로의 스위칭 소자, Q5~Q8...스위치 소자,
C5~C8...병렬 콘덴서, Ca~Cd...제1~제4 콘덴서, L...인덕턴스 수단

Claims (8)

1차 권선과 2차 권선을 갖는 트랜스,
역병렬 다이오드와 병렬 콘덴서가 각각 병렬로 접속된 스위치 소자를 갖는 스위칭 소자를 상하 암으로 하여 제1 단자와 제2 단자 사이에 각각 병렬로 접속된 제1 레그와 제2 레그, 상기 제1 레그 또는 제2 레그의 상하 암의 일방의 스위칭 소자 또는 상기 제1 레그 및 제2 레그의 상 암 또는 하 암의 일방의 스위칭 소자에 병렬로 접속되는 제1 콘덴서, 상기 제1 레그 또는 제2 레그의 상하 암의 다른 쪽의 스위칭 소자 또는 상기 제1 레그 및 제2 레그의 상 암 또는 하 암의 다른 쪽의 스위칭 소자에 병렬로 접속되는 제2 콘덴서를 갖고, 상기 1차 권선측에 접속되는 제1 회로,
브릿지 접속되는 일방향성 소자 중 적어도 2개의 상기 일방향성 소자는 병렬 콘덴서가 각각 병렬로 접속된 스위치 소자를 포함하는 스위칭 소자가 각각 병렬로 접속되는 브릿지 접속 회로, 적어도 2개의 상기 스위칭 소자에 각각 병렬로 접속되는 제3 콘덴서와 제4 콘덴서를 갖고, 상기 2차 권선측에 접속되는 제2 회로,
상기 제1 레그의 상하 암의 접속점측과 상기 제2 레그의 상하 암의 접속점측과 사이에 상기 1차 권선을 통하여 또는 상기 브릿지 접속 회로 내에서 상기 일방향성 소자 끼리가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 접속점측과 상기 일방향성 소자 끼리가 동일 극성으로 직렬로 접속되는 다른 쪽의 접속점측과 사이에 상기 2차 권선을 통하여 접속되는 인덕턴스 수단,
상기 제1 또는 제2 레그의 상 암의 스위칭 소자와 상기 제2 또는 제1 레그의 하 암의 스위칭 소자를 조(group)로 하여 번갈아 온오프시켜서 상기 제1, 제2 단자측으로부터 입력되는 직류를 교류로 변환시켜서 상기 제1 회로로부터 출력시키고, 상기 조로 되는 스위칭 소자를 번갈아 온오프 제어함에 있어서, 온상태에 있는 상기 조로 되는 상기 제1 또는 제2 레그의 상 암의 스위칭 소자와 상기 제2 또는 제1 레그의 하 암의 스위칭 소자 중, 상기 제1 콘덴서 또는 상기 제2 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 스위칭 소자를 먼저 오프시키는 제어회로을 포함하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항에 있어서, 상기 제어회로는, 상기 제3 및 제4 단자간 측으로부터 출력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치 또는 상기 제1 및 제2 단자간 측으로부터 입력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치가 목표치에 근사하도록, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단에 축적시키도록 상기 제3 콘덴서 또는 제4 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 스위칭 소자를 순방향으로 도통시키고, 먼저 오프시키는 제1 회로의 스위칭 소자를 오프하기 전에 상기 순방향으로 도통시킨 제2 회로의 스위칭 소자를 오프시키는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어회로는, 상기 제3 및 제4 단자간 측으로부터 출력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치 또는 상기 제1 및 제2 단자간 측으로부터 입력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치가 목표치에 근사하도록, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단을 통하여 상기 제3 및 제4 단자 측에 공급시키도록 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시키지 않는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어회로는, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단을 통하여 상기 제3 및 제4 단자 측에 공급시키도록 상기 제1 회로의 스위칭 소자를 펄스 제어하고, 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시키지 않는 동작으로부터, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단에 축적시키도록 상기 제3 콘덴서 또는 제4 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시켜, 먼저 오프시키는 제1 회로의 스위칭 소자를 오프하기 전에 상기 순방향으로 도통시키고 있는 제2 회로의 스위칭 소자를 오프시키는 동작으로 절환하여, 상기 제3 및 제4 단자간 측으로부터 출력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치 또는 상기 제1 및 제2 단자간 측으로부터 입력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치를 목표치에 근사시키도록 하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어회로는, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단에 축적시키도록 상기 제3 콘덴서 또는 제4 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시켜, 먼저 오프시키는 제1 회로의 스위칭 소자를 오프하기 전에 상기 순방향으로 도통시키고 있는 제2 회로의 스위칭 소자를 오프시키는 상기 제2 회로의 스위칭 소자의 펄스 제어를 행하는 동작으로부터, 상기 조로 되는 제1 회로의 스위칭 소자가 온상태에 있는 기간에 상기 제1 및 제2 단자측으로부터 입력되는 에너지를 상기 인덕턴스 수단을 통하여 상기 제3 및 제4 단자 측에 공급시키도록 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 순방향으로 도통시키지 않는 동작으로 절환하여, 상기 제3 및 제4 단자간 측으로부터 출력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치 또는 상기 제1 및 제2 단자간 측으로부터 입력되는 전압, 전류 또는 전력의 검출치를 목표치에 근사시키는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조로 되는 상기 제1 회로의 스위칭 소자 중 먼저 오프시키는 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 병렬 콘덴서 및 상기 제1 콘덴서 또는 제2 콘덴서와의 합성 용량은, 나중에 오프시키는 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 병렬 콘덴서의 용량보다 크고,
상기 트랜스는, 나중에 오프시키는 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 스위치 소자와 동일한 레그에 있는 다른 상 또는 하 암의 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 병렬 콘덴서의 양단전압을 제로 근처까지 낮추도록 상기 병렬 콘덴서의 전하를 방전시키는 크기의 여자전류를 흘리는 여자 인덕턴스를 갖고,
상기 제어회로는, 상기 여자전류에 의해 나중에 오프시키는 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 스위치 소자와 동일한 레그에 있는 다른 상 또는 하 암의 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 병렬 콘덴서의 양단전압이 제로 근방까지 낮아지기까지, 나중에 오프시키는 제1 회로의 스위칭 소자의 스위치 소자와 동일한 레그에 있는 다른 상 또는 하 암의 스위칭 소자의 스위치 소자를 공히 오프시키는 기간을 제공하는 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회로의 상기 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 역병렬 다이오드는, 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 내장 다이오드, 상기 제1 회로의 스위칭 소자와는 별도로 외부 부착된 다이오드, 또는 이들을 조합한 것이고, 상기 제1 회로의 상기 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 병렬 콘덴서는, 상기 제1 회로의 스위칭 소자의 기생용량, 상기 제1 회로의 스위칭 소자와는 별도로 외부 부착된 콘덴서, 또는 이들을 조합한 것이고,
상기 제2 회로의 상기 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 상기 일방향성 소자는, 상기 제2 회로의 스위칭 소자의 내장 다이오드, 상기 제2 회로의 스위칭 소자와는 별도로 외부에서 부착되는 다이오드, 또는 이들을 조합한 것이고, 상기 제2 회로의 상기 스위칭 소자의 스위치 소자에 병렬로 접속된 병렬 콘덴서는, 상기 제2 회로의 스위칭 소자의 기생용량, 상기 제2 회로의 스위칭 소자와는 별도로 외부에서 부착되는 콘덴서, 또는 이들을 조합한 것인 것을 특징으로 하는 컨버터.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회로의 상기 제1 또는 제2 레그의 상하 암으로 하여 상기 제1 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제1 회로의 스위칭 소자와 상기 제2 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제1 회로의 스위칭 소자가 접속되고,
상기 제2 회로의 상기 브릿지 접속 회로는 상기 일방향성 소자와 상기 병렬 콘덴서가 각각 병렬로 접속된 상기 스위치 소자를 갖는 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 상하 암으로 하여 제3 단자와 제4 단자 사이에 각각 병렬로 접속된 제3 레그와 제4 레그로 구성되며, 상기 제3 또는 제4 레그의 상하 암으로 하여 상기 제3 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제2 회로의 스위칭 소자와 상기 제4 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제2 회로의 스위칭 소자가 접속되고,
상기 제어회로는, 상기 제3 또는 제4 레그의 상 암의 제2 회로의 스위칭 소자와 상기 제4 또는 제3 레그의 하 암의 제2 회로의 스위칭 소자를 조로 하여 번갈아 온오프시켜서 상기 제3, 제4 단자측으로부터 입력되는 직류를 교류로 변환시켜서 상기 제2 회로로부터 출력시키고, 상기 조로 되는 제2 회로의 스위칭 소자를 번갈아 온오프 제어함에 있어, 온상태에 있는 상기 조로 되는 상기 제3 또는 제4 레그의 상 암의 제2 회로의 스위칭 소자와 상기 제4 또는 제3 레그의 하 암의 제2 회로의 스위칭 소자 중, 상기 제3 콘덴서 또는 상기 제4 콘덴서가 병렬로 접속된 상기 제2 회로의 스위칭 소자를 먼저 오프시키는 것을 특징으로 하는 컨버터를 포함한 쌍방향 컨버터.
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