(57)【要約】【課題】インバータの出力に変圧器を接続する回路の場合、スイッチ素子のわずかな動作の違いにより偏磁が生じる。この抑制のため、コンデンサをインバータ出力に接続する方式があるが、コンデンサが大型で、高価となる課題がある。  【解決手段】高周波の交流を出力する電圧形インバータの出力と変圧器の一次巻線との間にダイオードの逆並列接続回路を直列接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、
前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間にダイオードの逆並列接続回路を、直列接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、
前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間に、ダイオードと、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子と、の直列接続回路を逆並列接続した回路を、直列接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、
前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間に、ダイオードの逆並列接続回路と、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子と、の直列接続回路を、直列接続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
前記抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子は、温度上昇に対して抵抗値またはインピーダンス値が上昇する正の温度特性を有するものを適用することを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子は、前記変圧器のコアと熱結合手段で熱結合させることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルブリッジ形DC-DCコンバータやハーフブリッジ形DC-DCコンバータなどのように、変圧器に高周波の交流電圧が印加される電力変換回路における変圧器の偏磁防止回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７に特許文献１に示される従来技術を用いたＤＣ−ＤＣコンバータの回路例を示す。
直流電源より入力される直流入力端子Ｐｉ、Ｎｉ間にコンデンサ１０、スイッチ素子１と２からなる第1のスイッチ素子直列回路およびスイッチ素子３と４からなる第2のスイッチ素子直列回路が並列接続され、電圧形フルブリッジインバータ回路が構成される。インバータ回路の出力は偏磁防止用コンデンサ１１を介して変圧器５の一次巻線に、変圧器５の二次巻線は整流用ダイオード６と７に、ダイオード６と７のカソード接続点はリアクトル８とコンデンサ９からなるフィルタ回路にそれぞれ接続され、コンデンサ９の両端が直流出力端子Ｐｏ、Ｎｏとなる。
【０００３】
このような構成における動作を以下に説明する。ここで、図８に、各スイッチ素子1から４のゲート駆動電圧VG1〜VG4、変圧器５の一次巻線電圧V５を示す。
スイッチ素子1と4がオンの状態で変圧器5の一次巻線には正の電圧、スイッチ素子2と3がオンの状態で変圧器5の一次巻線には負の電圧が、各々印加される。このように変圧器５の一次巻線に印加される正負の電圧は二次側で整流され、絶縁された異なる電圧に変換されて出力される。しかし、変圧器５の正と負の電圧時間積が異なると、変圧器５は飽和し、過大な電流がインバータ回路内に流れる。その結果、損失が増加し、装置が破損してしまう。
【０００４】
そこで、図７ではインバータ出力と変圧器５の一次巻線との間に直列に偏磁防止用のコンデンサ１１を接続している。ここで、例えばスイッチ素子1と4がオンする期間とスイッチ素子2と3がオンする期間が異なったとしても、コンデンサ11に直流成分の電圧が充電されるため、変圧器5の一次巻線には正負の電圧時間積の等しい交流電圧が印加されることになる。従って、コンデンサ１１を用いることにより変圧器５を飽和させることなく、安全に動作させることができる。尚、詳細は特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２９５６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来方式では、コンデンサ１１には変圧器５の一次巻線に流れる電流を許容できるコンデンサを使用する必要がある。コンデンサ1個あたりの許容電流は小さいため、多くのコンデンサを並列接続して、許容電流を得なければならない。従って、装置が大形化し、コストが高くなってしまう。一方、変圧器５の印加電圧や電流のアンバランスを検出し、偏磁を防止するように制御信号を調整する制御方式も可能であるが、異なる電位の電圧や電流の検出回路、制御回路が複雑になるなどの問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間にダイオードの逆並列接続回路を直列接続する。
【０００８】
第２の発明においては、直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間に、ダイオードと、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子と、の直列接続回路を逆並列接続した回路を、直列接続する。
【０００９】
第３の発明においては、直流電源と、前記直流電源から高周波交流電圧を作り出す電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間に、ダイオードの逆並列接続回路と、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子と、の直列接続回路を、直列接続する。
【００１０】
第4の発明においては、前記抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子は、温度上昇に対して抵抗値またはインピーダンス値が上昇する正の温度特性を有するものを適用する。
【００１１】
第5の発明においては、前記抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子は、前記変圧器のコアと熱結合手段で熱結合させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間にダイオードの逆並列接続回路を直列接続する簡単な構成で、変圧器の偏磁を防止している。この結果、フルブリッジ形やハーフブリッジ形のDC-DCコンバータなどの変圧器の偏磁を簡単な構成で抑制することができ、装置の小形化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第1の実施例の回路図を示す。
【図２】図1の動作波形例を示す。
【図３】ダイオードの電流―電圧特性例を示す。
【図４】本発明の第２の実施例の回路図を示す。
【図５】本発明の第３の実施例の回路図を示す。
【図６】本発明の第４の実施例の構造図を示す。
【図７】従来の実施例の回路図を示す。
【図８】図７の動作波形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の要点は、電圧形インバータと、前記電圧形インバータの出力電圧を電圧変換する変圧器と、を備えた電力変換装置において、前記電圧形インバータの出力と前記変圧器の一次巻線との間に、ダイオードの逆並列接続回路、またはダイオードと抵抗またはインピーダンス素子の直列接続回路の逆並列接続回路、またはダイオード逆並列接続回路と抵抗の直列接続回路を、直列接続する点である。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。
ここで、従来技術と比較して、コンデンサ１１の代わりにダイオード１２と１３の逆並列接続回路が挿入されている。図２にその動作波形例を示す。スイッチ素子1と4がオンの時に変圧器５の一次巻線にはダイオード１３を介して正の電圧、スイッチ素子２と３がオンしている時にダイオード１２を介して変圧器５の一次巻線に負の電圧が印加される。
【００１６】
ここで、制御信号や主回路定数がアンバランスしていると、飽和する方向に動作する。例えばスイッチ素子1と4がオンする期間がスイッチ素子2と3がオンする期間よりも長い場合、変圧器５の一次巻線に発生する正の電圧時間積が負の電圧時間積よりも大きくなり、図２に示すように変圧器５の一次巻線電流I5が正の方向で上昇する。このとき、ダイオード１３の順方向電圧VDは図３に示すような特性となり、一次巻線電流I5の上昇によってVDも上昇し、変圧器５の一次巻線電圧V5は以下の式のようになる。
・・・・・式(1)
【００１７】
このように、変圧器５が飽和する方向に動作すると、変圧器５の一次巻線電圧V5は低下し、偏磁を防止するように動作する。ここで、V10はコンデンサ10の電圧であり、スイッチ素子のオン電圧は無視する。変圧器５の一次巻線電圧V5が負の方向で偏磁するときも同様にダイオード12の電圧が上昇することで、変圧器５の偏磁を防止する。ここではフルブリッジのDC-DCコンバータを例に説明したが、変圧器に両極性の電圧が印加されるその他の回路、例えばハーフブリッジのDC-DCコンバータなどにも本方式を適用できる。
【００１８】
一般的に、体積やコスト当たりの許容電流はコンデンサよりもダイオードの方が大きいので、ダイオードを二つ用いることで偏磁防止回路を構成することができる本方式では、従来のように複数のコンデンサを並列接続する方式よりも装置を小形、低コスト化することが可能である。
【実施例２】
【００１９】
図４に、本発明の第２の実施例を示す。
ここでは、本発明の第1の実施例の偏磁防止回路のダイオード12と13に直列に、それぞれ抵抗14と15が接続される例である。抵抗14と15は、温度上昇によって、抵抗値やインピーダンス値が温度変化する素子、例えば抵抗やサーミスタなどであれば良い。スイッチ素子1と4のオン期間がスイッチ素子2と3のオン期間よりも長い場合、第1の実施例と同様に変圧器５の一次巻線電流I5は正の期間で上昇する。このとき、抵抗15と13の電流は増加し、ダイオード13のオン電圧だけでなく、抵抗15の抵抗成分も上昇する。この場合、変圧器５の一次巻線電圧V5は次式で表される。
・・・・・式(2)
【００２０】
ここで、ダイオード13のオン電圧V13だけでなく、抵抗15の電圧降下V15が大きくなり、変圧器５の一次巻線電圧V5は低下し、変圧器の正負の電圧時間積がバランスするように動作する。一方、変圧器５の一次巻線に負の電圧が印加されているときに飽和する方向に動作すると、ダイオード12と抵抗14の電圧が上昇し、変圧器５の偏磁を防止するように一次巻線電圧V5が変化する。このように、ダイオード12と13だけでなく、抵抗14や15の電圧降下を利用して偏磁を防止することができ、本発明の第1の実施例よりも効果的に偏磁を抑制できる。
【実施例３】
【００２１】
図５に、本発明の第３の実施例を示す。
第2の実施例との違いは、ダイオード１２と１３の逆並列接続回路と直列に抵抗１６が接続されている点である。動作的には、第2の実施例と同様である。即ち、変圧器５が偏磁して電流が増加すれば、抵抗１６の両端電圧が増加して、変圧器５の一次巻線への印加電圧が低下し、偏磁を抑制できる。抵抗１６は、温度上昇によって、抵抗値やインピーダンス値が変化する素子、例えば抵抗やサーミスタなどであれば良い。変圧器５に、正の電圧が印加される場合も負の電圧が印加される場合も抵抗１６が同じように作用する。出力容量の小さい装置では、抵抗を1個使用するだけで済むため、装置の小型化、低価格化の点で有利となる。
【実施例４】
【００２２】
図６に、本発明の第４の実施例を示す。
本発明の実施例２または３において、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子の取付け方法に関するもので、変圧器のコアと熱結合手段で熱結合させるものである。
プリント基板２１に巻線２２、コア２３などから構成される変圧器が設置された構成で、コア２３には、熱伝導性シート２４を介して、抵抗分またはインピーダンス分が温度変化する素子が熱結合されている。
【００２３】
アモルファス、フェライトなどの高周波変圧器のコアに用いられる材料では、温度が上昇すると飽和磁束密度が低下して、飽和または偏磁し易くなる。そこで、本発明では、温度の上昇に対して抵抗値やインピーダンス値が温度変化する素子として、温度に対する正特性を持つ抵抗やサーミスタを変圧器のコア２３に熱結合手段２４を用いて熱結合させている。
【００２４】
熱結合手段としては、熱伝導性に優れたシリコンゴムのシートや樹脂フィルムなどが適用可能である。コアの温度上昇により偏磁が発生すると、抵抗値やインピーダンス値も増加するので、変圧器の一次巻線に印加される電圧は実施例２または３よりも低く抑えることができ、より一層の偏磁抑制効果が可能となる。
【００２５】
また、変圧器のコアに直接、抵抗値やインピーダンス値が温度変化する素子を取り付けることができない場合には、抵抗値やインピーダンス値が温度変化する素子を変圧器から離れた位置に設置し、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属バーで変圧器のコアと抵抗値やインピーダンス値が温度変化する素子とを接続すればよい。
【００２６】
尚、温度の低下により飽和磁束密度が小さくなるような磁性材料が変圧器のコアとして、使用される場合には、温度に対して負の温度特性を持った抵抗やインピーダンス素子を適用すれば良いことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、変圧器を使用するスイッチング電源、ＤＣ−ＤＣコンバータ、無停電電源装置、高周波インバータなどへの適用が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１〜４・・・スイッチ素子          ５・・・変圧器
６、７、１２、１３・・・ダイオード          ８・・・リアクトル
９、１０・・・電解コンデンサ          １１・・・コンデンサ
１４、１５、１６・・・抵抗          ２１・・・プリント基板
２２・・・巻線          ２３・・・コア          ２４・・・熱伝導性シート
２５・・・抵抗またはインピーダンスが温度変化する素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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