(57)【要約】【課題】スイッチング損失の低減、スイッチングノイズの低減、スイッチング素子耐圧の低減を可能とする昇降圧チョッパ回路を提供する。【解決手段】１つのリアクトルを介して直流電圧源を２段に接続し、各直流電圧源がリアクトルとスイッチング素子を介して閉回路となる構成とし、各スイッチング素子のオン期間の割合を制御することで、リアクトルに蓄積されるエネルギーを変化させて、直流電圧源と直流母線の電圧源との間で電力を授受するチョッパ回路。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直流電圧源と、
第１の直流電圧源の負側端子に直列接続された第１のスイッチ回路と、
第２の直流電圧源と、
第２の直流電圧源の正側端子に直列接続された第２のスイッチ回路と、
第１の直流電圧源の正側端子と第２の直流電圧源の負側端子との間に直流母線を接続する際に介される第３のスイッチ回路と、
第１の直流電圧源と第１のスイッチ回路との接続点と、第２の直流電圧源と第２のスイッチ回路との接続点との間に接続されるリアクトルと、
を含み、
第１の直流電圧源の正側端子と第２のスイッチ回路の第２の直流電圧源側でない端子とは、共通接続され、
第２の直流電圧源の負側端子と第１のスイッチ回路の第１の直流電圧源側でない端子とは、共通接続され、
第１のスイッチ回路は、方向性を有する第１のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列接続されてカソード側がリアクトル側である第１のダイオードとを含み、
第２のスイッチ回路は、方向性を有する第２のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列接続されてアノード側がリアクトル側である第２のダイオードとを含み、
第３のスイッチ回路は、アノード側が第１の直流電圧源の正側端子側である第３のダイオードを含み、
各スイッチング素子のオン期間の割合を制御することで、リアクトルに蓄積されるエネルギーを変化させて、第１および第２の直流電圧源から直流母線の電圧源へ電力供給することを特徴とするチョッパ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のチョッパ回路において、第３のスイッチ回路は、方向性を有して第３のダイオードに逆並列接続される第３のスイッチング素子を含み、各スイッチング素子のオン期間の割合を制御することで、リアクトルに蓄積されるエネルギーを変化させて、第１および第２の直流電圧源と直流母線の電圧源との間で電力授受することを特徴とするチョッパ回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載のチョッパ回路において、直流母線に並列接続されたキャパシタを含むことを特徴とするチョッパ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチングにより昇圧または降圧動作が可能な昇降圧チョッパ回路に関し、詳しくは、直流電源を２段に接続する昇降圧チョッパ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＣ-ＤＣコンバータは各種電子機器で幅広く用いられる他に、電力回路においてもチョッパ回路として応用面が極めて広い。電力回路における応用では、高効率で電力制御ができるため、たとえば、鉄道や電気自動車などの直流電動機の速度制御として用いられている。
【０００３】
従来のチョッパ回路は、図７に示すような１段チョッパ回路によるものが知られている。１段チョッパ回路は、回路構成が簡単である一方、回路における電圧、電流の変動幅が大きく、スイッチングに伴う損失や、ノイズの発生に問題があった。
この問題に対して、チョッパ回路を多相多重化にする図８に示すような構成が知られているが、このチョッパ回路では、構成が複雑となる問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上記問題点を解消するために研究した結果、本発明に到達した。即ち、本発明の目的は、１つのリアクトルを介して直流電圧源を２段に接続し、各直流電圧源がリアクトルとスイッチング素子を介して閉回路となる構成であり、スイッチング損失の低減、スイッチングノイズの低減、スイッチング素子耐圧の低減を可能とする昇降圧チョッパ回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の観点では、本発明は、第１の直流電圧源と、第１の直流電圧源の負側端子に直列接続された第１のスイッチ回路と、第２の直流電圧源と、第２の直流電圧源の正側端子に直列接続された第２のスイッチ回路と、第１の直流電圧源の正側端子と第２の直流電圧源の負側端子との間に直流母線を接続する際に介される第３のスイッチ回路と、第１の直流電圧源と第１のスイッチ回路との接続点と、第２の直流電圧源と第２のスイッチ回路との接続点との間に接続されるリアクトルと、を含み、第１の直流電圧源の正側端子と第２のスイッチ回路の第２の直流電圧源側でない端子とは、共通接続され、第２の直流電圧源の負側端子と第１のスイッチ回路の第１の直流電圧源側でない端子とは、共通接続され、第１のスイッチ回路は、方向性を有する第１のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列接続されてカソード側がリアクトル側である第１のダイオードとを含み、第２のスイッチ回路は、方向性を有する第２のスイッチング素子と、このスイッチング素子に逆並列接続されてアノード側がリアクトル側である第２のダイオードとを含み、第３のスイッチ回路は、アノード側が第１の直流電圧源の正側端子側である第３のダイオードを含み、各スイッチング素子のオン期間の割合を制御することで、リアクトルに蓄積されるエネルギーを変化させて、第１および第２の直流電圧源から直流母線の電圧源へ電力供給することを特徴とするチョッパ回路を提供する。
上記第１の観点によるチョッパ回路では、例えば、図１に示す回路構成とすることができる。なお、第１および第２のスイッチ回路（３０、４０）は、方向性を有するスイッチング素子（たとえば、ＩＧＢＴであり、図中の３１と４１。）と、このスイッチング素子（３１、４１）に逆並列接続されたダイオード（３２、４２）を用いて実現できる。ここで、図１の回路は、各スイッチング素子（３１、４１）のオンオフ切り替えにより、いくつかの接続状態が可能であり、例えば、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３種類の接続状態が可能である。図２（ａ）は、第１および第２のスイッチング素子（３１、４１）がともにオフ、図２（ｂ）は、第１のスイッチング素子（３１）がオフで第２のスイッチング素子（４１）がオン、図２（ｃ）は、第１のスイッチング素子（３１）がオンで第２のスイッチング素子（４１）がオフ時の接続状態を示す。なお、図には示さないが、この３種類のほかに、第１の直流電圧源（１０）と第２の直流電圧源（２０）の電圧が等しい場合は、第１および第２のスイッチング素子（３１、４１）をともにオンとする接続状態が可能である。
次に、図２を用いて、直流母線（７０）に対する昇圧動作の原理を説明する。なお、図２には、点線にて代表的な電流の流れを示す。まず、図２（ｂ）では、第２のスイッチ回路（４０）が短絡であるため、点線で示すように、第１の直流電圧源（１０）と第２のスイッチ回路（４０）とリアクトル（６０）の閉回路が形成され、第１の直流電圧源（１０）のエネルギーがリアクトル（６０）に蓄積される。同様に、図２（ｃ）においても、第１のスイッチ回路（３０）が短絡であるため、点線で示すように、第２の直流電圧源（２０）と第１のスイッチ回路（３０）とリアクトル（６０）の閉回路が形成され、第２の直流電圧源（２０）のエネルギーがリアクトル（６０）に蓄積される。次に、図２（ｂ）または（ｃ）の状態から図２（ａ）に示す状態に切り替わることにより、点線で示すように、第２の直流電圧源（２０）とリアクトル（６０）と第１の直流電圧源（１０）と第３の回路（５０）の第３のダイオードが直列接続され、第３のダイオードの順方向に電流が流れる。この際、リアクトル（６０）からは、図２（ｂ）または（ｃ）の状態により蓄えられていたエネルギーが放出され、いわゆる昇圧動作により、直流母線（７０）の電圧源への電力供給ができる。
【０００６】
第２の観点では、本発明は、第１の観点によるチョッパ回路において、第３のスイッチ回路は、方向性を有して第３のダイオードに逆並列接続される第３のスイッチング素子を含み、各スイッチング素子のオン期間の割合を制御することで、リアクトルに蓄積されるエネルギーを変化させて、第１および第２の直流電圧源と直流母線の電圧源との間で電力授受することを特徴とするチョッパ回路を提供する。
上記第２の観点によるチョッパ回路では、例えば、図３に示すように、図１に示す回路の第３のスイッチ回路（５０）において、第３のダイオード（５１）と逆並列に、方向性を有する第３のスイッチング素子（たとえば、ＩＧＢＴであり、図中の５２。）を接続することにより実現できる。ここで、図３の回路は、第３のスイッチング素子（５２）のオンオフ切り替えにより、いくつかの接続状態が可能であり、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示す２種類の接続状態が可能である。図４（ａ）は、第３のスイッチング素子（５２）がオン、図４（ｂ）は、第３のスイッチング素子（５２）がオフ時の接続状態を示す。
次に、図４を用いて、直流母線（７０）に対する降圧動作の原理を説明する。なお、図４には、点線にて代表的な電流の流れを示す。まず、図４（ａ）では、第３のスイッチ回路（５０）が短絡であるため、点線で示すように、第３のスイッチ回路（５０）と第１の直流電圧源（１０）とリアクトル（６０）と第２の直流電圧源（２０）の回路が形成され、第１の直流電圧源（１０）と第２の直流電圧源（２０）およびリアクトル（６０）にエネルギーが蓄積される。次に、第３のスイッチ回路（５０）の第３のスイッチング素子をオフにすることにより、図４（ｂ）の点線で示すように、第１の直流電圧源（１０）と第２のスイッチ回路（４０）とリアクトル（６０）の閉回路と、第２の直流電圧源（２０）と第１のスイッチ回路（３０）とリアクトル（６０）の閉回路がそれぞれ形成され、図４（ａ）の状態にてリアクトル（６０）に蓄積されたエネルギーが、第１の直流電圧源（１０）および第２の直流電圧源（２０）にそれぞれ供給される。よって、直流母線（７０）に対していわゆる降圧動作を実現することができる。ゆえに、第１の観点による昇圧動作と組み合わせて、第１〜第３のスイッチング素子（３１、４１、５２）のオン期間の割合を制御することで、第１および第２の直流電圧源（１０、２０）と直流母線（７０）の電圧源との間の電力授受を実現できる。
【０００７】
第３の観点では、本発明は、第１または第２の観点によるチョッパ回路において、直流母線に並列接続されたキャパシタを含むことを特徴とするチョッパ回路を提供する。
上記第３の観点によるチョッパ回路では、直流母線に並列関係であるキャパシタを接続することにより、スイッチングによる直流母線端の電圧脈動を平滑化することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、蓄電池、電気二重層コンデンサなどの蓄電装置の充放電制御を効率よく行うことができる。従来の単独直流チョッパに比べて、スイッチング素子耐圧、許容電流を低減できると共に、スイッチング制御に伴うスイッチングノイズの発生の低減に伴う周辺機器への影響を抑制することができる。また、２組の直流電源の動作電圧の均等化制御も可能となる。これにより、直流電源に太陽電池を接続した場合などでは、影補償効果としても有用である。さらに、一般的な多相多重化回路構成に比べて、必要とするインダクタが１個で構成できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１０】
（第１の実施の形態）
第１の直流電圧源および第２の直流電圧源には蓄電池や電気二重層コンデンサなどの蓄電装置を接続し、電力変動の大きな発電機との間で、効率的に電力授受を行わせ、発電電力の平準化をはかる電力平準化装置として用いる。
【００１１】
（第２の実施の形態）
第１の直流電圧源および第２の直流電圧源には蓄電池や電気二重層コンデンサなどの蓄電装置を接続し、電力変動の大きな負荷が接続されている直流母線との間で、効率的に電力授受を行わせ、負荷の平準化をはかる電力平準化装置として用いる。
【００１２】
（第３の実施の形態）
第１の直流電圧源および第２の直流電圧源には太陽電池を接続し、太陽電池の動作電圧を制御すると同時に、それらの出力を直流母線に取り出す太陽電池の出力制御装置として用いる。２組の太陽電池を最も大きな出力が得られる動作電圧に独立に制御できるので２組の太陽電池に対して影補償効果を持たせることができる。
【００１３】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図５に、実施例１として、第１の観点に係るチョッパ回路の直流電圧源として２組の太陽電池を接続した主回路構成図を示す。このときの回路パラメータを表１に示す。
【表１】
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第１のスイッチング素子（３１）と第２のスイッチング素子（４１）は、いずれかをオンするか、共にオフとするかの３つのモードにて制御した。また、太陽電池（１１、２１）の動作電圧は、第１のスイッチング素子（３１）と第２のスイッチング素子（４１）の通流率α１、α２により制御した。すなわち、太陽電池の日射量の変化に応じて電流が変化した場合でも、α１とα２の比率を変化させることで太陽電池を最適動作電圧で動作させることが可能となる。図６に、太陽電池の動作条件が変動したときのシミュレーション結果を示す。直流母線への出力電力Ｐｏの時間経過を提案型回路（Ａ）、従来型回路（Ｂ）にて示す。ケースＡは２つの太陽電池の特性が等しく、ケースＢ、Ｃは一方が５０％の部分陰等の影響を受けた場合、ケースＤは日射量が共に５０％となった場合である。また、表２には得られた出力の比較を示す。通常の回路方式では、太陽電池の電流が減少した分合計出力が低下するが、提案した回路ではいずれのケースでも動作電圧を最適値に制御でき、常に最大出力が得られることが確認できた。
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の観点によるチョッパ回路の構成例である。
【図２】図１の回路構成例のスイッチングによる接続状態例である。
【図３】第２の観点によるチョッパ回路の構成例である。
【図４】図３の回路構成例のスイッチングによる接続状態例である。
【図５】実施例１に係る主回路構成図である。
【図６】実施例１のシミュレーション結果例である。
【図７】従来のチョッパ回路例である。
【図８】従来のチョッパ回路例である。
【符号の説明】
【００１６】
１０…第１の直流電圧源
１１…太陽電池
２０…第２の直流電圧源
２１…太陽電池
３０…第１のスイッチ回路
３１…第１のスイッチング素子
３２…第１のダイオード
４０…第２のスイッチ回路
４１…第２のスイッチング素子
４２…第２のダイオード
５０…第３のスイッチ回路
５１…第３のダイオード
５２…第３のスイッチング素子
６０…リアクトル
７０…直流母線
８０…コンデンサ
９０…インバータ
１００…チョッパ回路
【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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