电力变换装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是下述申请的分案申请： 发明名称：电力变换装置； 申请日：2012年3月30日； 【申请号】201210089875. 4。
技术领域
[0002] 本发明涉及将直流输入变换为绝缘的直流输出或交流输出、或者将交流输入变换 为绝缘的直流输出的电力变换技术，涉及作为具备针对输入侧的电力再生功能或正负双极 性输出功能的DC(directcurrent:直流）/DC变换器、DC/AC(alternatingcurrent:交 流）逆变器而使用的绝缘型电力变换装置。
【背景技术】
[0003] 在将电池等的直流电力变换为绝缘的直流电力或交流电力的情况下，使用绝缘型 DC/DC变换器或绝缘型DC/AC逆变器等的绝缘型电力变换装置。关于该绝缘型电力变换装 置，作为绝缘型DC/DC变换器的一种，已知正激变换器（forwardconverter)。此外，作为绝 缘型DC/AC逆变器，已知将绝缘型DC/DC变换器和DC/AC逆变器组合的逆变器。还已知在 这样的绝缘型DC/AC逆变器中省略了整流单元的逆变器(例如，日本特开2004-135408号公 报)。
[0004] 作为正激变换器，图37所示的结构例示了在绝缘变压器中使用了两个一次绕组 的正激变换器。根据驱动电路的结构，也能够以绝缘变压器的一个一次绕组构成。
[0005] 关于该电路的工作，参照图38A以及38B，图38A示出开关元件导通时的工作，图 38B示出开关元件截止时的工作。通过利用控制单元交替地切换这两个状态，从而作为绝缘 型DC/DC变换器而进行工作。关于其切换频率，作为一个例子是数十[kHz]~数[MHz]。
[0006] 如图38A所示，当开关元件导通时，电流开始从直流电源流到绝缘变压器的一个 一次绕组中，由此，在该一次绕组中产生反电动势，由此在绝缘变压器的二次绕组中产生感 应电动势。在图中，粗线箭头示出电流方向。在绝缘变压器的二次绕组中产生的电流通过 二极管和电感器向负载提供电力，并且，将电容器充电。在此期间，在电感器中蓄积能量。
[0007] 如图38B所示，当开关元件截止时，电流通过二极管流到绝缘变压器的另一个一 次绕组中，绝缘变压器的磁通量被恢复（reset)。图中，粗虚线箭头示出磁通量恢复的电流 方向。在粗线箭头的前端标注有X，这表示在该箭头方向不流过电流。在电感器中由蓄积 的能量产生反电动势。由此，通过二极管向负载提供电力，并且，将电容器充电。若电感器 中蓄积的能量的排出结束，则从电容器向负载提供电力。
[0008] 这样的开关元件的导通期间相对于导通/截止的周期的时间比（占空比)影响输出 电力。再有，在图37所示的正激变换器中，为了避免绝缘变压器的磁饱和，需要使占空比为 50 [%]以下来使用。在占空比为50 [%]时，S卩，在导通期间和截止期间相等时，成为最大输出 电压。但是，这是绝缘变压器的一次绕组的两个绕组数相同的情况。
[0009] 在没有损失等的理想状态时，正激变换器的输出电压用下面的公式进行表示。
[0010] 输出电压=直流电源电压X占空比X(绝缘变压器的二次绕组数+绝缘变压器 的一次绕组数） -（1)。
[0011] 在图37所示的正激变换器中，控制电路具有控制开关元件的导通/截止的功能， 以由电压设定部设定的处于〇[%] (=〇V)~50[%](=最大输出电压）之间的占空比来进行 工作。
[0012] 在没有损失等的理想状态的情况下，输出电压由上述的式（1)决定，但是，实际上 由于各部分的损失等，输出电压与理想状态相比稍低。
[0013] 图37所示的正激变换器输出从0[V]到最大输出电压的单一极性的直流电压，不 能够进行双极性的输出。此外，这样的正激变换器不能够将输出侧电力再生到直流电源侧。
[0014] 图39所示的绝缘型DC/AC逆变器是将绝缘型DC/DC变换器和DC/AC逆变器组合后 的结构。虽然图39所示的绝缘型DC/DC变换器为推挽（push-pull)方式，但也能够使用上 述的正激变换器等。DC/AC逆变器部分例示了全桥（full-bridge)驱动电路，能够利用PWM (pulsewidthmodulation:脉冲宽度调制）或PFM(pulsefrequencymodulation:脉冲频 率调制）等输出任意的交流。该绝缘型DC/AC逆变器不能够将输出侧的电力再生到直流电 源侧，在需要电力再生的情况下需要追加用于电力再生的电路。
[0015] 在该绝缘型DC/AC逆变器中，由于使绝缘型DC/DC变换器和DC/AC逆变器进行组 合，所以，电路复杂化，在安装面积或成本方面是不利的。
[0016] 此外，针对绝缘变压器的二次侧之后，将上述的绝缘型DC/AC逆变器（日本特开 2004-135408号公报的图1)与图39所示的电路进行对比，如下所示。
[0017] a)省略了整流单元（由四个二极管构成的二极管桥、电容器）以及一个电感器(在 图39所示的电路中是两个电感器的对，相对于此，在日本特开2004-135408号公报中是一 个电感器)。
[0018] b)在绝缘变压器的二次侧的全桥开关电路中所使用的双向性开关元件在可获得 性或成本方面是不利的。
[0019] 并且，在上述的绝缘型DC/AC逆变器（日本特开2004-135408号公报的图1)中，没 有记载将输出侧的电力再生到绝缘变压器的一次侧的直流电源。虽然存在利用双向性开关 和设置在绝缘变压器的二次侧的电解电容器进行电力再生的记述，但是，能够蓄积在电解 电容器中的能量是微少的，不能够对将输出侧的电力再生到直流电源侧的情况下的那样的 大电力进行再生。
[0020] 课题如下。
[0021] (1)在绝缘型DC/DC变换器(正激变换器等）中，只能得到正负任一方的极性输出。
[0022] (2)在绝缘型DC/DC变换器(正激变换器等）中，如果要使输出侧的电力再生到直 流电源侧，则必须另外设置反向的绝缘型DC/DC变换器，存在装置规模变成约两倍的问题。
[0023] (3)在绝缘型DC/AC逆变器中，需要用于将直流电源绝缘并对直流电压进行变换 的绝缘型DC/DC变换器和用于将电压变换后的直流变换为交流的DC/AC逆变器的这二者， 所以，结构复杂，并且安装空间、重量、体积大，价格高。
[0024] (4)在绝缘型DC/AC逆变器中，如果要将输出侧的电力再生到输入电源侧，则必须 另外设置用于电力再生的反向的绝缘型AC/DC变换器或绝缘型DC/DC变换器(在将DC/AC 逆变器部的DC电源再生到绝缘变压器的一次侧的直流电源的情况)，存在装置规模变大的 问题。
[0025] (5 )在日本特开2004-135408号公报的绝缘型DC/AC逆变器中，能够省略整流单元 以及一个电感器，但是，在绝缘变压器的二次侧还需要四个难以获得的双向性开关元件。因 此，存在需要相应的安装空间、此外成本也高的问题。
[0026] (6)在日本特开2004-135408号公报的绝缘型DC/AC逆变器中，不存在将输出侧的 电力再生到直流电源侧的记载，在为了向直流电源侧的电力再生而另外设置反向的AC/DC 变换器的情况下，存在装置的规模变为接近两倍的问题。
【发明内容】
[0027] 因此，本发明鉴于上述问题提供一种具备向直流电源侧的电力再生功能或正负双 极性输出功能的绝缘型电力变换装置。
[0028] 用于解决上述课题的本发明的结构如下。
[0029] (1) -种具备绝缘变压器的绝缘型电力变换装置，其特征在于，具备： 设置在直流电源和所述绝缘变压器的一次侧之间并且用于在正向对所述绝缘变压器 的一次侧进行驱动的第一开关单元； 设置在所述直流电源和所述绝缘变压器的一次侧之间并且用于在反向对所述绝缘变 压器的一次侧进行驱动的第二开关单元； 设置在所述绝缘变压器的二次侧且将负载和电感器串联连接的串联电路；以及 设置在所述串联电路和所述绝缘变压器的二次侧之间并且具有双向性的一个或多个 第四开关单元， 将所述直流电源的电力作为任意极性的直流或交流送出到所述负载侧或者将来自所 述负载侧的直流电力或交流电力再生到所述直流电源。
[0030] 该结构对应于后述的示例11 (图31)。
[0031] (2)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，还具备与所述串联电路 并联设置并具有双向性的一个或多个第三开关单元。
[0032] (3)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述绝缘变压器具备串 联连接的第一以及第二一次绕组，所述第一开关单元的一端连接到所述第一一次绕组，所 述第二开关单元的一端连接到所述第二一次绕组，所述第一开关单元以及所述第二开关单 元的另一端共同连接。该结构构成推挽方式的绝缘型电力变换装置。
[0033] (4)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述绝缘变压器具备一 个一次绕组，所述一次绕组的一端经由所述第一开关单元以及所述第二开关单元连接到所 述直流电源，所述一次绕组的另一端经由电容器连接到所述直流电源、或者连接到两个直 流电源之间的中点。该结构构成半桥方式的绝缘型电力变换装置。
[0034] (5)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述绝缘变压器具备一 个一次绕组，所述第一开关单元由至少两个开关元件构成，所述第二开关单元由至少两个 开关元件构成，由所述第一开关单元的所述开关元件以及所述第二开关单元的所述开关元 件构成桥电路，所述桥电路连接到所述一次绕组。该结构构成全桥方式的绝缘型电力变换 装置。
[0035] (6)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第一开关单元、所述 第二开关单元、或者所述第一以及第二开关单元这二者是场效应晶体管（M0S-FET)、结型场 效应晶体管（J-FET)、双极晶体管或绝缘栅双极晶体管（IGBT)。
[0036] (7)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第一开关单元、所述 第二开关单元以及所述第四开关单元中的一个或多个并联地具备二极管，该二极管是与所 述开关单元连接的二极管元件、或者内置在所述开关单元中的二极管或寄生二极管。
[0037] (8)如上述（2)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第三开关单元并联 地具备二极管，该二极管是与所述开关单元连接的二极管元件、或者内置在所述开关单元 中的二极管或寄生二极管。
[0038] (9)如上述（2)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第三开关单元由在 对置的方向连接的两个单向开关元件构成。
[0039] (10)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第四开关单元由在 对置的方向连接的两个单向开关元件构成。
[0040] (11)如上述（2)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第三开关单元由二 极管桥以及在构成该二极管桥的二极管的阳极彼此的连接点和阴极彼此的连接点之间连 接的单向开关元件构成。
[0041] (12)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第四开关单元由二 极管桥以及在构成该二极管桥的二极管的阳极彼此的连接点和阴极彼此的连接点之间连 接的单向开关元件构成。
[0042] (13)如上述（2)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第三开关单元由 MOS-FET、J-FET、双极晶体管、IGBT或者单一的双向性开关元件的任意一种构成。
[0043] (14)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述第四开关单元由 MOS-FET、J-FET、双极晶体管、IGBT或者单一的双向性开关元件的任意一种构成。
[0044] (15)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述绝缘变压器在二 次侧具备一个或多个其它绕组，对所述一个或多个其它绕组分别设置整流单元以及平滑单 元，利用所述一个或多个其它绕组的每一个和所述整流单元以及平滑单元构成绝缘的直流 源。
[0045] (16)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于，所述绝缘型电力变换装 置输出多相输出，各多相输出从所述绝缘变压器的单独的二次绕组输出或者从共同的二次 绕组输出。
[0046] ( 17)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于， 所述绝缘型电力变换装置输出二相输出，该二相输出中的某个相侧的所述开关元件的 驱动波形使用与利用输入波形的绝对值和锯齿状波的比较所生成的波形相当的波形， 其它的相侧的所述开关元件的驱动波形使用与利用所述输入波形的绝对值和反锯齿 状波的比较所生成的波形相当的波形。
[0047] ( 18)如上述（1)所述的绝缘型电力变换装置，其特征在于， 所述绝缘型电力变换装置输出三相输出，该三相输出中的第一相侧的所述开关元件的 驱动波形使用与利用输入波形的绝对值和锯齿状波的比较所生成的波形相当的波形， 与所述第一相不同的第二相侧的所述开关元件的驱动波形使用与利用所述输入波形 的绝对值和反锯齿状波的比较所生成的波形相当的波形， 与所述第一或所述第二相不同的第三相侧的所述开关元件的驱动波形使用与利用所 述输入波形的绝对值和三角波的比较所生成的波形相当的波形。
[0048] 根据本发明，得到如下的任一种效果。
[0049] ( 1)在作为绝缘型DC/DC变换器而使用的情况下，正负哪种极性的输出都能够得 到。
[0050] (2)在作为绝缘型DC/DC变换器而使用的情况下，能够将输出侧的直流电力再生 到直流电源侧。
[0051] (3)在作为绝缘型0(：/^(：逆变器而使用的情况下，使绝缘型0(：/1)(：变换器的正负输 出连续地变化，从而能够进行交流输出，所以，结构简单，能够小型、轻量化并能够谋求低成 本化。
[0052] (4)在作为绝缘型DC/AC逆变器而使用的情况下，不需要追加结构就能够将输出 侧的电力再生到输入电源侧，能够在很多用途中利用。
[0053] (5)当与日本特开2004-135408号公报的绝缘型DC/AC逆变器进行比较时，二次侧 的开关元件用容易获得的单向的开关元件即可，因此能够实现低成本化。此外，即使是在使 用双向性开关元件的情况下，其需要的数量也少，能够实现小型轻量化、低成本化。
[0054] (6)能够在不变更结构的情况下得到缘型DC/DC变换器工作或绝缘型DC/AC逆变 器工作。
【附图说明】
[0055] 图1是示出示例1的绝缘型电力变换装置的一个例子的图。
[0056] 图2A以及图2B是示出示例1的绝缘型电力变