(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】2021069232
(43)【公開日】20210430
(54)【発明の名称】電力切替器、電力整流器及び電力変換器
(51)【国際特許分類】
   H02M 1/08 20060101AFI20210402BHJP
   H02M 7/12 20060101ALI20210402BHJP
   H03K 17/10 20060101ALI20210402BHJP
【FI】
   !H02M1/08 C
   !H02M7/12 X
   !H02M7/12 K
   !H03K17/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】OL
【全頁数】16
(21)【出願番号】2019194441
(22)【出願日】20191025
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目1番1号
(74)【代理人】
【識別番号】100091982
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118876
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 順生
(74)【代理人】
【識別番号】100103263
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 康
(72)【発明者】
【氏名】林 祐輔
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社東芝内
(72)【発明者】
【氏名】高尾 和人
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社東芝内
(72)【発明者】
【氏名】池田 健太郎
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社東芝内
【テーマコード(参考)】
5H006
5H740
5J055
【Fターム(参考)】
5H006AA05
5H006CA02
5H006CA12
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5J055FX05
5J055FX13
5J055GX01
5J055GX02
(57)【要約】
【課題】簡易な回路構成で、安定した動作が可能な電力切替器、電力整流器及び電力変換器を提供する。
【解決手段】電力切替器は、第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替えるノーマリオフの第1トランジスタと、第1トランジスタにカスコード接続され、第1トランジスタの第2電極が接続される第2制御電極を有するノーマリオンの第2トランジスタと、第1トランジスタの第1電極及び第2電極の間の電圧に基づいて制御電圧を生成する制御電圧生成器と、制御電圧に基づいて、第1トランジスタの耐圧以下の駆動電圧を生成する駆動電圧生成器と、を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替えるノーマリオフの第1トランジスタと、
前記第1トランジスタにカスコード接続され、前記第1トランジスタの前記第2電極が接続される第2制御電極を有するノーマリオンの第2トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間の電圧に基づいて制御電圧を生成する制御電圧生成器と、
前記制御電圧に基づいて、前記第1トランジスタの耐圧以下の前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成器と、を備える電力切替器。
【請求項2】
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間に接続される第1整流素子と、
前記第2トランジスタの第3電極及び第4電極の間に接続される第2整流素子と、を備え、
前記第1トランジスタがオンになると、前記第2電極から前記第1トランジスタを介して前記第1電極に電流が流れ、かつ前記第4電極から前記第2トランジスタを介して前記第3電極に電流が流れるように、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのゲート電圧が設定される、請求項1に記載の電力切替器。
【請求項3】
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間の電圧の極性に基づいて、前記第1トランジスタをオンさせるための前記駆動電圧の生成を前記駆動電圧生成器に指示するか否かを判定する極性判定制御部と、を備え、
前記駆動電圧生成器は、前記極性判定制御部から前記駆動電圧の生成が指示されたときに、前記駆動電圧を前記第1制御電極に印加する、請求項1又は2に記載の電力切替器。
【請求項4】
前記第2トランジスタの耐圧は、前記第1トランジスタの耐圧より高い、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力切替器。
【請求項5】
前記第2トランジスタにカスコード接続されるノーマリオンの第3トランジスタと、
前記第3トランジスタの第3制御電極と前記第2トランジスタの前記第2制御電極との間に接続される第3整流素子と、を備える、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電力切替器。
【請求項6】
前記第3トランジスタの耐圧は、前記第1トランジスタの耐圧よりも高い、請求項5に記載の電力切替器。
【請求項7】
前記第3トランジスタは、カスコード接続されるn個(nは2以上の整数)のトランジスタ群を有し、
前記第3トランジスタは、前記nの値とカスコード接続された各トランジスタの耐圧の総和により耐圧が調整される、請求項5又は6に記載の電力切替器。
【請求項8】
交流入力電圧が印加される第1入力端子及び第2入力端子と、
整流された電圧が出力される第1出力端子及び第2出力端子と、
前記第1入力端子又は前記第2入力端子と、前記第1出力端子又は前記第2出力端子との間に接続される第1電力切替器と、を備え、
前記第1電力切替器は、
第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替えるノーマリオフの第1トランジスタと、
前記第1トランジスタにカスコード接続され、前記第1トランジスタの前記第2電極が接続される第2制御電極を有するノーマリオンの第2トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間の電圧に基づいて制御電圧を生成する制御電圧生成器と、
前記制御電圧に基づいて、前記第1トランジスタの耐圧以下の前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成器と、を備え、
前記第2電極は前記第1入力端子又は前記第2入力端子に接続され、
前記第2トランジスタの第3電極は前記第1出力端子又は前記第2出力端子に接続される、電力整流器。
【請求項9】
前記第3電極は、半波整流電圧を出力する、請求項8に記載の電力整流器。
【請求項10】
前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、前記制御電圧生成器及び前記駆動電圧生成器をそれぞれ有する第2電力切替器、第3電力切替器及び第4電力切替器を備え、
前記第1電力切替器は、前記第1入力端子から前記第1出力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第2電力切替器は、前記第2出力端子から前記第2入力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第3電力切替器は、前記第2入力端子から前記第1出力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第4電力切替器は、前記第2出力端子から前記第1入力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第1出力端子は、全波整流電圧を出力する、請求項8に記載の電力整流器。
【請求項11】
交流入力電圧が印加される第1入力端子及び第2入力端子と、
前記第1入力端子及び前記第2入力端子の間に直列接続され、前記交流入力電圧を分圧した分圧入力電圧を電気的に絶縁した状態で全波整流電圧にそれぞれ変換する複数のAC−DCコンバータと、
前記複数のAC−DCコンバータで変換された前記全波整流電圧を出力する第1出力端子及び第2出力端子と、を備え、
前記AC−DCコンバータは、
前記分圧入力電圧を整流する電力整流器と、
前記電力整流器の出力電圧の電圧レベルを変換するDC−DCコンバータと、を有し、
前記電力整流器は、第1電力切替器を有し、
前記第1電力切替器は、
第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替えるノーマリオフの第1トランジスタと、
前記第1トランジスタにカスコード接続され、前記第1トランジスタの前記第2電極が接続される第2制御電極を有するノーマリオンの第2トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間の電圧に基づいて制御電圧を生成する制御電圧生成器と、
前記制御電圧に基づいて、前記第1トランジスタの耐圧以下の前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成器と、を有し、
前記第2電極には、前記分圧入力電圧が入力され、
前記第2トランジスタの第3電極から出力された電圧は、前記DC−DCコンバータに入力される、電力変換器。
【請求項12】
前記AC−DCコンバータは、
分圧入力電圧が印加される第3入力端子及び第4入力端子と、
整流された電圧が出力される第3出力端子及び第4出力端子と、
前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、前記制御電圧生成器及び前記駆動電圧生成器をそれぞれ有する第2電力切替器、第3電力切替器及び第4電力切替器と、を備え、
前記第1電力切替器は、前記第3入力端子から前記第3出力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第2電力切替器は、前記第4出力端子から前記第4入力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第3電力切替器は、前記第4入力端子から前記第3出力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第4電力切替器は、前記第4出力端子から前記第3入力端子に電流を流すか否かを切り替え、
前記第3電極は、全波整流電圧を出力する、請求項11に記載の電力変換器。
【請求項13】
前記DC−DCコンバータは、
前記電力整流器の出力電圧が印加される第1ノード及び第2ノードの間にカスコード接続される複数のスイッチング素子と、
所定のデューティ比で前記複数のスイッチング素子をオン又はオフするローカルコントローラと、を有する、請求項11又は12に記載の電力変換器。
【請求項14】
前記ローカルコントローラは、他のDC−DCコンバータの動作に無関係に、所定のデューティ比で前記複数のスイッチング素子をオン又はオフする、請求項13に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電力切替器、電力整流器及び電力変換器に関する。
【背景技術】
【0002】
AC−DCコンバータやDC−DCコンバータ等のセル回路を複数個直列接続したマルチセル回路に入力電圧を印加して電力変換を行う電力変換器が提案されている。この種の電力変換器では、各セル回路の出力電圧や出力電流を制御するスレーブコントローラをセル回路ごとに設けるだけでなく、マルチセル回路内の全セル回路の動作を安定化させるマスタコントローラを設けるのが一般的である。マスタコントローラは、各スレーブコントローラと連携しながら、各セル回路を制御しなければならず、制御が複雑になる。また、マスタコントローラを設けると、部品点数が増える上に、マスタコントローラと全セル回路とを繋ぐ配線が必要となり、配線数も増え、消費電力の増大を招き、小型化も困難になる。
【0003】
また、上述したセル回路は、全波整流回路を備えることが多いが、全波整流回路にダイオードを用いると、ダイオードの電力損失が問題となる。このため、ダイオードにトランジスタを並列接続し、ダイオードに電流を流す代わりに、トランジスタに電流を流すことで、電力損失を抑制する同期整流回路が提案されている。
【0004】
しかしながら、同期整流回路を用いて高電圧の整流を行うには、高耐圧のトランジスタを設ける必要があり、コストが高くなる上に、トランジスタの電力損失を抑制するための複雑な制御回路が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2016−27779号公報
【特許文献2】特開2017−77114号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本開示の一態様は、簡易な回路構成で、安定した動作が可能な電力切替器、電力整流器及び電力変換器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本実施形態によれば、第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替えるノーマリオフの第1トランジスタと、
前記第1トランジスタにカスコード接続され、前記第1トランジスタの前記第2電極が接続される第2制御電極を有するノーマリオンの第2トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記第1電極及び前記第2電極の間の電圧に基づいて制御電圧を生成する制御電圧生成器と、
前記制御電圧に基づいて、前記第1トランジスタの耐圧以下の前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成器と、を備える電力切替器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第1の実施形態による電力切替器の回路図。
【図2】第2トランジスタに第3トランジスタをカスコード接続した電力切替器の回路図。
【図3】第2の実施形態による電力整流器の回路図。
【図4】図3の電力整流器を実際に動作させた場合の電圧/電流波形図。
【図5】第3の実施形態による電力整流器の回路図。
【図6】図5の電力整流器の一変形例の回路図。
【図7】第4の実施形態による電力切替器1を有する電力変換器の概略構成を示すブロック図。
【図8】図7の電力変換器の一例を示す回路図。
【図9】図7の電力変換器内の各部の波形図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して、電力切替器、電力整流器及び電力変換器の実施形態について説明する。以下では、電力切替器、電力整流器及び電力変換器の主要な構成部分を中心に説明するが、電力切替器、電力整流器及び電力変換器には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。
【0010】
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態による電力切替器1の回路図である。図1の電力切替器1は、ノーマリオフの第1トランジスタQ1と、ノーマリオフの第2トランジスタQ2と、制御電圧生成器2と、駆動電圧生成器3とを備えている。
【0011】
第1トランジスタQ1は、第1制御電極に入力される駆動電圧により、第1電極及び第2電極の間の電流経路を遮断するか否かを切り替える。以下では、第1制御電極がゲート、第1電極がドレイン、第2電極がソースである例を説明する。
【0012】
ノーマリオフの第1トランジスタQ1は、ノーマリオフのトランジスタであればよく、例えばシリコンのパワーMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)やシリコンカーバイドのBJT(Bipolar Junction Transistor)である。第1トランジスタQ1は、そのデバイス構造上、第1トランジスタQ1のソースとドレイン間に接続されたダイオードD1を内蔵している場合がある。このダイオードD1は外付けでもよい。ダイオードD1のアノードは第1トランジスタQ1のソースに接続され、カソードは第1トランジスタQ1のドレインに接続される。
【0013】
ノーマリオフとは、第1トランジスタQ1のゲート電圧を例えば0Vにして第1トランジスタQ1にオフ指令を与えた場合に、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間に電流が流れないことを意味する。よって、第1トランジスタQ1は、ゲート電圧が0Vのときに電力を消費しない。
【0014】
ノーマリオンの第2トランジスタQ2は、第1トランジスタQ1にカスコード接続されている。第2トランジスタQ2は、第1トランジスタQ1の第2電極(例えばソース)が接続される第2制御電極(例えばゲート)を有する。第2トランジスタQ2は、そのデバイス構造上、第2トランジスタQ2のソースとドレイン間に接続されたダイオードD2を内蔵している場合がある。第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間にはダイオードD2が外部に接続されていてもよい。
【0015】
ノーマリオンとは、第2トランジスタQ2のゲート電圧に0Vを印加した場合、ドレイン電流Idが流れ、ゲート電圧に負の電圧(例えば−15V)を印加した場合に電流が流れなくなることを意味する。第2トランジスタQ2は、ノーマリオンのトランジスタであればよく、例えばSiC−JFET(Junction Field Effect Transistor)である。第2トランジスタQ2を第1トランジスタQ1にカスコード接続することで、第1トランジスタQ1がオフ状態のときに第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に電流が流れないようにすることができる。
【0016】
図1の電力切替器1では、第2トランジスタQ2の耐圧を第1トランジスタQ1の耐圧よりも大きくしている。例えば、第2トランジスタQ2のドレインと第1トランジスタQ1のソースとの間に大きな電圧が印加される場合には、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には、第1トランジスタQ1の耐圧以下の電圧が印加されるようにし、残りの電圧は第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加されるようにしている。これにより、第1トランジスタQ1が低耐圧であっても、電力切替器1の耐圧を高くすることができ、100Vを超えるような高電圧を切り替えることができる。
【0017】
より具体的には、第1トランジスタQ1の耐圧は例えば20V程度であるのに対して、第2トランジスタQ2の耐圧は例えば数百V程度である。第1トランジスタQ1の耐圧は例えば10V以上100V以下であるのに対して、第2トランジスタQ2の耐圧は例えば100Vを超え900V以下である。図1の電力切替器1を数百Vの高入力電圧を切り替えるために利用する場合、高入力電圧の大半が第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加されるようにすることで、第1トランジスタQ1を破壊させることなく、高電圧の切替を行うことができる。
【0018】
制御電圧生成器2は、第1トランジスタQ1の第1電極(例えばドレイン)と第2電極(例えばソース)との間の電圧に基づいて制御電圧を生成する。図1の電力切替器1は、第1トランジスタQ1がオンのときに、ダイオードD1よりも、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間に電流が流れるようにする。このため、制御電圧生成器2は、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間の電圧をモニタして、第1トランジスタQ1のゲートを制御するための制御電圧を生成する。
【0019】
このように、制御電圧生成器2は、第1トランジスタQ1がオンになると、ダイオードD1よりも、ソースから第1トランジスタQ1を介してドレインに電流が流れ、かつ、ソースから第2トランジスタQ2を介してドレインに電流が流れるように、第1トランジスタQ1と第2トランジスタQ2のゲート駆動電圧を設定する。
【0020】
駆動電圧生成器3は、制御電圧生成器2で生成された制御電圧に基づいて、第1トランジスタQ1の耐圧以下の駆動電圧を生成して、第1トランジスタQ1のゲートに印加する。
【0021】
図1の電力切替器1は、電圧検出器4と極性判定制御部5を備えていてもよい。電圧検出器4は、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間電圧を検出する。極性判定制御部5は、第1トランジスタQ1の第1電極(例えばドレイン)及び前記第2電極(例えばソース)の間の電圧の極性に基づいて、駆動電圧生成器3に駆動電圧の生成を指示するか否かを判定する。駆動電圧生成器3は、極性判定制御部5から駆動電圧の生成を指示されたときに、駆動電圧を第1トランジスタQ1のゲートに印加する。
【0022】
極性判定制御部5を設ける理由は、電力切替器1に入力された交流入力電圧Vinが例えば正側電圧の場合のみ、第1トランジスタQ1をオンさせるためである。
【0023】
制御電圧生成器2、駆動電圧生成器3、電圧検出器4、及び極性判定制御部5は半導体IC8に内蔵可能である。
【0024】
制御電圧生成器2、駆動電圧生成器3、電圧検出器4、及び極性判定制御部5はいずれも、第1トランジスタQ1の耐圧以下の低電圧で動作するため、図1の電力切替器1の切替動作に高電圧は必要とされず、回路構成を簡略化でき、部品コストも抑制できる。高電圧が印加される可能性のある第2トランジスタQ2のゲート電圧は、第1トランジスタQ1のソース電圧が決まれば、自動的に設定されるため、第2トランジスタQ2の制御は不要である。
【0025】
図1の電力切替器1の耐圧をさらに向上させたい場合は、ノーマリオンの第2トランジスタQ2に、別のノーマリオンの第3トランジスタQ3a、Q3b等をカスコード接続すればよい。また、第3トランジスタQ3a、Q3b等は、カスコード接続されるn個(nは2以上の整数)のトランジスタ群を有していてもよい。nの数を大きくするほど、図1の電力切替器1の耐圧は大きくなる。
【0026】
図2は第2トランジスタQ2に第3トランジスタQ3a、Q3b等をカスコード接続した電力切替器1の回路図である。図2の電力切替器1は、第2トランジスタQ2にカスコード接続される第3トランジスタQ3a、Q3b等を備えており、この第3トランジスタQ3a、Q3b等は、カスコード接続されるn個のトランジスタ群を有する。第3トランジスタQ3a、Q3b等のゲートと第1トランジスタQ1のソースとの間にはダイオード(第3整流素子)D3aが接続されている。また、第3トランジスタQ3a、Q3b等内の各トランジスタのゲート間には、向きを揃えてダイオードD3bが接続されている。これらのダイオードD3a、D3bを設けることで、第1トランジスタQ1のソース電圧が決まれば、第2トランジスタQ2と、第3トランジスタQ3a、Q3b等内のn個のトランジスタ群のすべてのゲート電圧を決めることができ、第2トランジスタQ2とn個のトランジスタ群の各ゲート電圧を個別に制御する必要がなくなる。n個の数を調整することで、図2の電力切替器1の耐圧を任意に制御できる。すなわち、耐圧をより高くしたい場合は、カスコード接続されるトランジスタ群の数を増やせばよい。
【0027】
このように、本実施形態による電力切替器1は、ノーマリオフの低耐圧の第1トランジスタQ1と、ノーマリオンの高耐圧の第2トランジスタQ2とをカスコード接続して構成され、電力切替器1の切替動作は、低電圧で行うことができるため、回路構成を簡略化できる。また、本実施形態による電力切替器1は、低耐圧の第1トランジスタQ1を備えているにもかかわらず、高耐圧である。その理由は、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には第1トランジスタQ1の耐圧以下の電圧が印加されるようにし、第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に高電圧が印加されるように各トランジスタQ1,Q2のゲート電圧を制御するためである。また、第2トランジスタQ2に、別の第3トランジスタQ3a、Q3b等をカスコード接続し、第3トランジスタQ3a、Q3b等内のカスコード接続されるトランジスタの数を調整することで、電力切替器1の耐圧を任意に調整できる。
【0028】
また、第2トランジスタQ2はノーマリオン型であるが、第2トランジスタQ2には第1トランジスタQ1がカスコード接続されており、第1トランジスタQ1はノーマリオフ型であるため、ゲート駆動電圧が0Vにおいて電力切替器1に電流が流れ続けることはなく、駆動電圧生成器3から負のゲート駆動電圧を与え続ける必要が無いことからオフ時の電力消費を抑制できる。
【0029】
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、第1の実施形態による電力切替器1を電力整流器に適用したものである。
【0030】
図3は第2の実施形態による電力整流器6の回路図である。図3の電力整流器6は、交流入力電圧Vinを整流して半波整流電圧を出力するものである。電力整流器6から出力された半波整流電圧は負荷回路7に供給される。負荷回路7の種類は問わない。負荷回路7は、DC−DCコンバータ等の電力変換器であってもよい。
【0031】
電力整流器6は、図1又は図2の電力切替器1と同様の回路で構成可能である。図3では、図1の制御電圧生成器2、駆動電圧生成器3、電圧検出器4、及び極性判定制御部5を半導体IC8で構成する例を示しているが、少なくとも一部を別の半導体IC8で構成したり、ディスクリート部品で構成してもよい。
【0032】
図3の電力整流器6は、同期整流回路である。例えば、交流電源10から負荷回路7に電流を流したい場合は、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間に並列接続されているダイオードD1に電流を流す代わりに、第1トランジスタQ1のゲート電圧を制御して第1トランジスタQ1をオンさせ、第1トランジスタQ1のソースからドレインに電流を流す。このように、図3の電力整流器6は、第1トランジスタQ1をオン又はオフさせて整流作用を行わせるため、同期整流回路として動作する。
【0033】
図4は図3の電力整流器6を実際に動作させた場合の電圧/電流波形図である。図4の波形w1は交流入力電圧Vin波形、波形w2は第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間電圧(ドレインを基準としたときのソース電圧)、波形w3は波形w2の拡大図、波形w4は第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間電圧(ドレインを基準としたときのソース電圧)、波形w5は交流電源から電力整流器6に流れる電流である。
【0034】
波形w1に示す交流入力電圧Vinは例えば交流100Vである。第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には、波形w2とw3に示すように20V程度の電圧が印加され、残りの電圧は波形w4に示すように第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加される。
【0035】
このように、図3の電力整流器6では、100Vを超える交流入力電圧Vinを印加した場合でも、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には20V程度の低電圧しか印加されないようにし、残りの大電圧は第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加されるようにするため、低耐圧の第1トランジスタQ1を破壊することなく、簡易な回路構成で、大きな交流入力電圧Vinを同期整流することができる。
【0036】
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、全波整流電圧を出力する同期整流回路を実現するものである。
【0037】
図5は第3の実施形態による電力整流器6aの回路図である。図5の電力整流器6aは、図1又は図2の電力切替器1と同様の構成の第1〜第4電力切替器11〜14をブリッジ状に接続して構成される。第1電力切替器11は、第1入力端子IN1から第1出力端子OUT1に電流を流すか否かを切り替える。第2電力切替器12は、第2出力端子OUT2から第2入力端子IN2に電流を流すか否かを切り替える。第3電力切替器13は、第2入力端子IN2から第1出力端子OUT1に電流を流すか否かを切り替える。第4電力切替器14は、第2出力端子OUT2から第1入力端子IN1に電流を流すか否かを切り替える。第1出力端子OUT1と第2出力端子OUT2の間には、全波整流電圧が出力される。
【0038】
図5の電力整流器6aは、同期整流回路である。第1〜第4電力切替器11〜14のそれぞれは、順方向に電流を流すタイミングに合わせて第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2をオンする。第1〜第4電力切替器11〜14は、交流入力電圧Vinの位相に合わせて、第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2のオン/オフ制御を行う。
【0039】
例えば、第1入力端子IN1に入力される交流入力電圧Vinが0Vより大きい場合、第1電力切替器11と第2電力切替器12がオンして、第1入力端子IN1から第1電力切替器11を通って、第1出力端子OUT1に電流が流れる。また、第2出力端子OUT2に流れ込んだ電流は、第2電力切替器12を通って、第2入力端子IN2に電流が流れる。
【0040】
一方、第1入力端子IN1に入力される交流入力電圧Vinが0V以下の場合、第3電力切替器13と第4電力切替器14がオンして、第2入力端子IN2から第3電力切替器13を通って、第1出力端子OUT1に電流が流れる。また、第2出力端子OUT2に流れ込んだ電流は、第4電力切替器14を通って、第1入力端子IN1に電流が流れる。
【0041】
このように、第1〜第4電力切替器11〜14は、交流入力電圧Vinの位相に合わせて、第1トランジスタQ1及び第2トランジスタQ2のオン/オフ制御を行うため、同期整流回路を構成できる。また、第1〜第4電力切替器11〜14のそれぞれは、低耐圧の第1トランジスタQ1と高耐圧の第2トランジスタQ2をカスコード接続して構成され、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には耐圧を超える電圧が印加されないようにし、第1トランジスタQ1の耐圧を超える分の高電圧は第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加されるようにするため、低電力損失にて大きな交流入力電圧Vinの全波整流動作を行うことができる。
【0042】
なお、図5の電力整流器6aの一変形例として、図6のようなトーテムポール型の電力整流器6bを構成することもできる。図6の電力整流器6bは、図5の第2電力切替器12を第4トランジスタQ4に置換し、第4電力切替器14を第5トランジスタQ5に置換したものである。図6の電力整流器6bは、図5の電力整流器6aをより簡略化した構成であり、50Hzや60Hz成分のみの交流入力電圧Vinを全波整流するために用いることができる。なお、第5及び第6トランジスタQ4,Q5のドレイン−ソース間には、ダイオードD4,D5が並列接続されていてもよい。
【0043】
(第4の実施形態)
第4の実施形態は、上述した電力切替器1を電力変換器に適用したものである。
【0044】
図7は第4の実施形態による電力切替器1を有する電力変換器21の概略構成を示すブロック図、図8は図7の電力変換器21の一例を示す回路図である。図7及び図8に示すように、電力変換器21は、マルチセル整流器22と、昇圧チョッパ23とを備えている。
【0045】
マルチセル整流器22は、第1入力端子IN1及び第2入力端子IN2と、複数のAC−DCコンバータ24と、第1出力端子OUT1及び第2出力端子OUT2とを備えている。
【0046】
第1入力端子IN1及び第2入力端子IN2には、交流入力電圧Vinが印加される。複数のAC−DCコンバータ24は、第1入力端子IN1及び第2入力端子IN2の間に直列接続されている。各AC−DCコンバータ24は、交流入力電圧Vinを分圧した分圧入力電圧を電気的に絶縁した状態で全波整流電圧にそれぞれ変換する。第1出力端子OUT1及び第2出力端子OUT2からは、複数のAC−DCコンバータ24で変換された全波整流電圧が出力される。
【0047】
このように、複数のAC−DCコンバータ24は、入力側が直列接続され、出力側が並列接続されている。
【0048】
第1入力端子IN1と第2入力端子IN2の間には、例えば1000Vを超えるような大きな交流入力電圧Vinが印加される。第1入力端子IN1と第2入力端子IN2の間に印加された交流入力電圧Vinは、複数のAC−DCコンバータ24の数分だけ分圧されて、各AC−DCコンバータ24に印加される。これにより、各AC−DCコンバータ24に印加される交流入力電圧Vinの振幅を100〜数百Vに抑えることができる。
【0049】
各AC−DCコンバータ24は、例えば図5と同様の全波整流を行う電力整流器6aと、DC−DCコンバータ25とを有する。
【0050】
DC−DCコンバータ25は、図8に示すように、互いに電気的に絶縁された一次側回路26及び二次側回路27を有する。一次側回路26は、キャパシタC1,C2と、カスコード接続された第6トランジスタQ6及び第7トランジスタQ7と、インダクタL1と、トランス28の一次側巻線28aと、第6トランジスタQ6及び第7トランジスタQ7のオン又はオフを切替制御するローカルコントローラ29とを有する。二次側回路27は、ダイオードD8〜D11を有するダイオードブリッジ回路30と、トランス28の二次側巻線28bと、キャパシタC3とを有する。第6トランジスタQ6のドレイン−ソース間にはダイオードD6が並列接続され、第7トランジスタQ7のドレイン−ソース間にはダイオードD7が並列接続されている。なお、図8に示したDC−DCコンバータ25の内部構成は一例であり、種々の変形例を適用可能である。
【0051】
ローカルコントローラ29は、他のDC−DCコンバータ25内の第6トランジスタQ6及び第7トランジスタQ7のオン/オフタイミングとは無関係に、対応するDC−DCコンバータ25内の第6トランジスタQ6及び第7トランジスタQ7のオン又はオフを切替制御する。
このように、各DC−DCコンバータ25は、対応するローカルコントローラ29により制御されるが、複数のDC−DCコンバータ25を全体的に制御するマスタコントローラは設けられていない。これは、各DC−DCコンバータ25が、第6トランジスタQ6及び第7トランジスタQ7を一定の時比率でオン/オフ制御すれば、複数のDC−DCコンバータ25を全体的に制御しなくても、各DC−DCコンバータ25の入力電圧と出力電流が平衡する動作が自動的に行われるためである。
【0052】
仮に、従来技術のように、マスタコントローラを設けて、各DC−DCコンバータ25を全体的に制御すると、その影響で、各ローカルコントローラ29は制御を変えざるを得ず、また、その影響で、再びマスタコントローラが制御を変えるといった動作を繰り返すことになり、制御が複雑化して、各DC−DCコンバータ25の動作が不安定になるおそれがある。
【0053】
本実施形態における各ローカルコントローラ29は、第6及び第7トランジスタQ6、Q7のオンとオフを一定の時比率で切り替えるだけの簡易な制御を行っており、これ以外の、例えば電圧や電流をある指令値に追従させるために時比率を変化させる、などの制御は何も行わない。これにより、直列接続された各DC−DCコンバータ25の入力電圧と出力電流は自動的に平衡し、結果として各DC−DCコンバータ25の動作が安定化する。また、トランス28の巻き線28aと28bの巻き数が等しい場合、各DC−DCコンバータ25から出力されコンデンサC3に印加される全波整流電圧の電圧振幅、周波数及び位相はコンデンサC1に印加される全波整流電圧に一致する。
【0054】
昇圧チョッパ23は、マルチセル整流器22の第1及び第2出力端子OUT1、OUT2に接続されており、直流電圧レベルを変換する動作を行う。昇圧チョッパ23は、インダクタL2と、第8トランジスタQ8と、ダイオードD12と、電界コンデンサC4と、位相検出器31と、第1係数調整器32と、差分器33と、第2係数調整器34と、駆動信号生成部35とを有する。第8トランジスタQ8のドレイン−ソース間には、ダイオードD13が並列接続されている。
【0055】
昇圧チョッパ23は、位相検出器31にて入力電圧の位相を検出して、入力電圧のゼロ点を検出する。ゼロ点に対して、どのくらいの電流を流すかを表す整流波波形を第1係数調整器32で生成する。この整流波波形と、実際に流れる電流との差分を差分器33で検出し、第2係数調整器34にて比例積分制御を行う。なお、図8に示した昇圧チョッパ23の内部構成は一例であり、種々の変形例を適用可能である。
【0056】
図9は図7の電力変換器21内の各部の波形図である。図9の波形w6は、第1入力端子IN1及び第2入力端子IN2に印加される交流入力電圧Vinの波形である。波形w7は、図7の第1出力端子OUT1及び第2出力端子OUT2から出力される電圧の波形である。波形w8は、各DC−DCコンバータ25の入力電圧の波形である。波形w9は、第1出力端子OUT1に流れる電流波形である。波形w10は、第1入力端子IN1に流れる電流波形である。
【0057】
図9に示すように、ローカルコントローラ29だけの制御であっても、図7の電力変換器21は安定に動作する。
【0058】
このように、第4の実施形態による電力変換器21は、接続段数を任意に変更可能な複数のAC−DCコンバータ24を有する。接続段数を増やすことで、1000Vを超えるような大きな交流入力電圧Vinの電力変換を簡易な回路構成で安定に行うことができる。また、各AC−DCコンバータ24は、図1等の電力切替器1を有する電力整流器6aとDC−DCコンバータ25を有する。電力整流器6a内の電力切替器1は図1と同様に、低耐圧の第1トランジスタQ1と高耐圧の第2トランジスタQ2をカスコード接続して構成されるため、第1トランジスタQ1のドレイン−ソース間には耐圧以下の電圧を印加し、残りの電圧は第2トランジスタQ2のドレイン−ソース間に印加することができ、第1トランジスタQ1を破壊させずに、100Vを超える交流入力電圧Vinの整流を行うことができる。また、各DC−DCコンバータ25は、対応するローカルコントローラ29で制御され、複数のDC−DCコンバータ25を全定期に制御するマスタコントローラは不要であるため、AC−DCコンバータ24の制御が簡略化され、回路規模も小さくすることができる。
【0059】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0060】
1 電力切替器、2 制御電圧生成器、3 駆動電圧生成器、4 電圧検出器、5 極性判定制御部、6 電力整流器、7 負荷回路、8 半導体IC、10 交流電源、11 第1電力切替器、12 第2電力切替器、13 第3電力切替器、14 第4電力切替器、21 電力変換器、22 マルチセル整流器、23 昇圧チョッパ、24 AC−DCコンバータ、25 DC−DCコンバータ、26 一次側回路、27 二次側回路、28 トランス、28a 一次側巻線、28b 二次側巻線、29 ローカルコントローラ、31 位相検出器、32 第1係数調整器、33 差分器、34 第2係数調整器、35 駆動信号生成部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】20200924
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0042
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0042】
なお、図5の電力整流器6aの一変形例として、図6のようなトーテムポール型の電力整流器6bを構成することもできる。図6の電力整流器6bは、図5の第2電力切替器12を第4トランジスタQ4に置換し、第電力切替器13を第5トランジスタQ5に置換したものである。図6の電力整流器6bは、図5の電力整流器6aをより簡略化した構成であり、50Hzや60Hz成分のみの交流入力電圧Vinを全波整流するために用いることができる。なお、第5及び第6トランジスタQ4,Q5のドレイン−ソース間には、ダイオードD4,D5が並列接続されていてもよい。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0056
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0056】
図9は図7の電力変換器21内の各部の波形図である。図9の波形w6は、第1入力端子IN1及び第2入力端子IN2に印加される交流入力電圧Vinの波形である。波形w7は、図7の第1出力端子OUT1及び第2出力端子OUT2から出力される電圧の波形である。波形w8は、各AC−DCコンバータ24の入力電圧の波形である。波形w9は、第1出力端子OUT1に流れる電流波形である。波形w10は、第1入力端子IN1に流れる電流波形である。