2次側位相シフトPWMを用いた低電圧大電流DC-DCコンバータに関する研究

摘要

半導体電力変換装置では，制御性能の向上，小型•軽量化を目的として，スイッチング周波数の高周波化が求められる。しかし，使用するパワー半導体デバイス(以下，本論文ではパワーデバイスと称す)のスイッチング損失の増加やEMIノイズの発生等が問題となっている。その対策として，LC共振回路を利用するソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング：ZVS：Zero Volt Switching,ゼロ電流スイッチング：ZCS：Zero Current Switching)技術が開発され，実用化が進められた(1)。この技術を導入した高周波トランスリンクDC-DCコンバータ(以下，高周波リンクDC-DCコンバータと称す)は応用範囲が広く，近年では，メッキ用電源や溶接機等の低電圧大電流産業応用機器にも適用されている(2)。その中で，10kW程度以下の小容量溶接電源に対しては，位相シフトPWM(PWM：Pulse Width Modulation：パルス幅変調)制御方式などの適用によりソフトスイッチングを実現し，スイッチング周波数の高周波化により小型•軽量化，高性能化が実現されている。しかしながら，生産量が多いとされる10kW～30kW程度の中•大容量溶接電源に対してはパワーMOSFETの適用が難しく，また，部品の追加によるコストや損失の増加からアクティブ補助共振ソフトスイッチング方式などの導入も難しいため，IGBTによるハードスイッチングが主流となっている(3)。また，従来の位相シフトPWM制御(以下，本論文では従来法と称す)では，インバータや高周波トランスに特有の循環電流が流れ，損失増加の原因となっている。さらに，インバータ内での負荷電流の急峻な正負反転がソフトスイッチングの妨げとなるために共振補助インダクタが必要となる場合があり，インバータ内のパワーデバイスに流れる電流のピーク値が増加してしまう問題がある。そこで，先行研究では，循環電流を除去し，かつソフトスイッチングの実現を可能とする「2次側位相シフトPWM制御」が提案され，高電圧小電流負荷に対する損失低減効果が示された(4)。この2次側位相シフトPWM制御(以下，本論文では提案法と称す)では，2次側整流回路内に新たにパワーデバイスを追加し，トランスを介さず2次側のみで負荷電流を還流させる「単独還流期間」を設けることで，インバータや高周波トランスにおける循環電流の除去を可能とし，さらに負荷電流の急峻な正負反転が生じないため，共振補助インダクタが不要となる。一方で，2次側に追加するパワーデバイスによる損失増加が懸念されるため，低電圧大電流負荷に対しては適用が難しいと考えられていた(5)。しかし，近年ではパワーデバイスの低損失化が図られており，そのようなデバイスを用いることで，低電圧大電流負荷に対しても提案法の適用の可能性が見えてきた。