JP2011078271A - Power converter - Google Patents

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Yasushige Kuraki
康滋 椋木
Satoshi Azuma
聖 東
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power converter decreasing the conductive loss of a semiconductor element while reducing the increase of a manufacturing cost, in the power converter converting an AC voltage into a DC voltage. <P>SOLUTION: The power converter is equipped with: a single-phase full-wave rectifying circuit 103 connected to a single-phase AC power supply 101 through a reactor 102; two capacitors 105 and 106 connected in series between the output terminals of the single-phase full-wave rectifying circuit 103; and two bidirectional switches 15 and 16 connected among each input terminal of the single-phase full-wave rectifying circuit 103 and the connection point of the two mutual capacitors 105 and 106 respectively. The single-phase full-wave rectifying circuit 103 is composed of a plurality of diodes 1 to 4 each formed of a wideband gap semiconductor. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device that converts an AC voltage into a DC voltage.

単相交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置として、単相交流電源の各出力端子と４つのダイオードからなる整流回路とを、力率改善用の交流リアクトルを介して接続し、出力電圧を平滑化するための平滑用コンデンサを並列接続した単相ブリッジ整流回路がある。この回路は、回路構成が簡素であり、少ない素子数で構成できる等の利点がある。その反面、大型の交流リアクトルを必要とすること、交流側入力波形に高調波成分を含むこと等の課題がある。   As a power conversion device that converts single-phase AC voltage to DC voltage, each output terminal of the single-phase AC power supply and a rectifier circuit consisting of four diodes are connected via an AC reactor for power factor improvement, and the output voltage is There is a single-phase bridge rectifier circuit in which smoothing capacitors for smoothing are connected in parallel. This circuit has an advantage that the circuit configuration is simple and the circuit can be configured with a small number of elements. On the other hand, there are problems such as requiring a large AC reactor and including harmonic components in the AC input waveform.

一方、三相交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置として、三相交流電源の各出力端子と６つのダイオードからなる三相ブリッジ整流回路の各入力端子とを、各相に設けた交流リアクトルを介して接続し、三相ブリッジ整流回路の出力端子間に一対の平滑用コンデンサを直列接続し、三相ブリッジ整流回路の各入力端子と平滑用コンデンサ同士の接続点との間に、各々双方向スイッチを接続した回路構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、三相について示されているが、単相の場合でも同様に構成することができると考えられる。このような構成の交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置であれば、例えば、周知のＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御で双方向スイッチを制御することによって、入力電流を正弦波に近づけ、電力変換装置の入力力率の改善および高調波成分の抑制が可能となる。さらに、交流リアクトルの小型化が可能となる。   On the other hand, as a power converter for converting a three-phase AC voltage into a DC voltage, an AC reactor in which each output terminal of a three-phase AC power supply and each input terminal of a three-phase bridge rectifier circuit composed of six diodes are provided in each phase And connecting a pair of smoothing capacitors in series between the output terminals of the three-phase bridge rectifier circuit, both between each input terminal of the three-phase bridge rectifier circuit and the connection point between the smoothing capacitors. A circuit configuration in which a direction switch is connected has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, three phases are shown, but it is considered that the same configuration can be achieved even in the case of a single phase. In the case of a power conversion device that converts an AC voltage having such a configuration into a DC voltage, for example, by controlling a bidirectional switch by well-known PWM (Pulse Width modulation) control, the input current is made closer to a sine wave, It is possible to improve the input power factor of the converter and suppress harmonic components. Furthermore, the AC reactor can be reduced in size.

国際公開公報ＷＯ０１／４７０９４（第１１−１３頁、第１図）International Publication No. WO01 / 47094 (pages 11-13, FIG. 1)

従来の電力変換装置では、入力力率の改善および高調波成分の抑制には有効であるものの、双方向スイッチを追加する構成であるため、双方向スイッチに用いるスイッチング素子の導通損失のために効率が低下し、電力変換効率が高効率である電力変換装置が実現できないという問題があった。   Although the conventional power converter is effective for improving the input power factor and suppressing harmonic components, it has a configuration in which a bidirectional switch is added, so it is efficient due to the conduction loss of the switching element used in the bidirectional switch. There is a problem that a power conversion device with high power conversion efficiency cannot be realized.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、双方向スイッチを設けた場合でも、電力変換効率が高効率である電力変換装置を得るとともに、電力変換装置の製造コストの増加を軽減するものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when a bidirectional switch is provided, the present invention provides a power conversion device with high power conversion efficiency and reduces the manufacturing cost of the power conversion device. This is to reduce the increase.

この発明に係る電力変換装置は、リアクトルを介して交流電源に接続された全波整流回路と、全波整流回路の出力端子間に直列接続された２つのコンデンサと、全波整流回路の各入力端子と２つのコンデンサ同士の接続点との間に各々接続された２つの双方向スイッチとを備えた電力変換装置であって、全波整流回路は、ワイドバンドギャップ半導体で形成された複数のダイオードによって構成されたものである。   A power converter according to the present invention includes a full-wave rectifier circuit connected to an AC power supply via a reactor, two capacitors connected in series between output terminals of the full-wave rectifier circuit, and each input of the full-wave rectifier circuit. A power conversion device comprising two bidirectional switches each connected between a terminal and a connection point between two capacitors, wherein the full-wave rectifier circuit comprises a plurality of diodes formed of a wide band gap semiconductor It is comprised by.

また、この発明に係る電力変換装置は、リアクトルを介して交流電源に接続された全波整流回路と、全波整流回路の出力端子間に直列接続された２つのコンデンサと、全波整流回路の各入力端子と２つのコンデンサ同士の接続点との間に各々接続された２つの双方向スイッチとを備えた電力変換装置であって、２つの双方向スイッチは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたスイッチング素子によって構成されたものである。   The power conversion device according to the present invention includes a full-wave rectifier circuit connected to an AC power supply via a reactor, two capacitors connected in series between output terminals of the full-wave rectifier circuit, and a full-wave rectifier circuit. A power conversion device including two bidirectional switches connected between each input terminal and a connection point between two capacitors, wherein the two bidirectional switches are formed of a wide band gap semiconductor. It is comprised by the switching element.

この発明は、全波整流回路のダイオードおよび双方向スイッチのスイッチング素子のうち少なくともいずれか一方をワイドバンドギャップ半導体で形成するようにしたので、半導体素子の導通損を低減することができ、電力変換効率が高効率である電力変換装置を得ることができるとともに、電力変換装置の製造コストの増加を軽減することができる。   In the present invention, since at least one of the diode of the full-wave rectifier circuit and the switching element of the bidirectional switch is formed of a wide band gap semiconductor, the conduction loss of the semiconductor element can be reduced, and the power conversion A power conversion device with high efficiency can be obtained, and an increase in manufacturing cost of the power conversion device can be reduced.

本発明の実施の形態１における電力変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the power converter device in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態２における電力変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the power converter device in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態３における電力変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the power converter device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態４における電力変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the power converter device in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態４におけるＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングチャートの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the timing chart of ON / OFF of MOSFET in Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態４におけるＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングチャートの別の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the ON / OFF timing chart of MOSFET in Embodiment 4 of this invention.

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電力変換装置の回路構成図である。図１において、電力変換装置１００は、交流リアクトル１０２、全波整流回路である整流回路１０３、双方向スイッチ１５，１６、および一対（２つ）のコンデンサ１０５，１０６によって構成されている。交流リアクトル１０２は入力力率改善のために設けられ、一対のコンデンサ１０５，１０６は出力電圧を平滑化するために設けられている。 Embodiment 1 FIG.
1 is a circuit configuration diagram of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the power conversion apparatus 100 includes an AC reactor 102, a rectifier circuit 103 that is a full-wave rectifier circuit, bidirectional switches 15 and 16, and a pair (two) of capacitors 105 and 106. The AC reactor 102 is provided for improving the input power factor, and the pair of capacitors 105 and 106 are provided for smoothing the output voltage.

整流回路１０３は、交流リアクトル１０２を介して交流電源である単相交流電源１０１に接続されており、４つのダイオード１〜４によって構成されている。整流回路１０３の出力端子間に一対のコンデンサ１０５，１０６が直列接続されている。整流回路１０３の各入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に、各々双方向スイッチ１５，１６が接続されている。双方向スイッチ１５，１６は図示しない制御回路によってオン・オフの制御がされている。双方向スイッチ１５，１６を用いてＰＷＭ制御をすることによって、単相交流電源１０１からの入力電流を正弦波に近づけることができ、電力変換装置１００の入力力率の改善および高調波成分の抑制が可能となる。このため、大型の交流リアクトル１０２を用いる必要がない。   The rectifier circuit 103 is connected to a single-phase AC power source 101 that is an AC power source via an AC reactor 102, and includes four diodes 1 to 4. A pair of capacitors 105 and 106 are connected in series between the output terminals of the rectifier circuit 103. Bidirectional switches 15 and 16 are connected between the input terminals of the rectifier circuit 103 and the connection points between the capacitors 105 and 106, respectively. The bidirectional switches 15 and 16 are ON / OFF controlled by a control circuit (not shown). By performing PWM control using the bidirectional switches 15 and 16, the input current from the single-phase AC power supply 101 can be approximated to a sine wave, and the input power factor of the power conversion device 100 is improved and harmonic components are suppressed. Is possible. For this reason, it is not necessary to use the large AC reactor 102.

本実施の形態では、ダイオード１〜４にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを適用し、双方向スイッチ１５，１６にシリコン半導体によって形成されたスイッチング素子を適用する。ワイドバンドギャップ半導体は、シリコンに比べてバンドギャップが大きい半導体である。例えば、３−５族半導体、特に窒化物半導体は大きなバンドギャップを有する。ワイドバンドギャップ半導体の具体例としては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。また、シリコンのバンドギャップ１．１２ｅＶの２倍程度以上のバンドギャップを有する半導体でもよい。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを使用することによってダイオード１〜４の導通損を低減できる。また、逆回復電流の発生も抑制できるため、逆回復電流による損失も低減でき、電力変換装置の電力変換効率の向上を実現できる。さらに、ダイオード１〜４のみをワイドバンドギャップ半導体によって形成するので、電力変換装置の製造コストの増加を軽減することができる。   In the present embodiment, a diode formed of a wide band gap semiconductor is applied to the diodes 1 to 4, and a switching element formed of a silicon semiconductor is applied to the bidirectional switches 15 and 16. A wide band gap semiconductor is a semiconductor having a larger band gap than silicon. For example, a Group 3-5 semiconductor, particularly a nitride semiconductor, has a large band gap. Specific examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide (SiC), a gallium nitride-based material, and diamond. Further, it may be a semiconductor having a band gap that is about twice or more the silicon band gap of 1.12 eV. By using a diode formed of a wide band gap semiconductor, the conduction loss of the diodes 1 to 4 can be reduced. Moreover, since generation | occurrence | production of reverse recovery current can also be suppressed, the loss by reverse recovery current can also be reduced and the improvement of the power conversion efficiency of a power converter device is realizable. Furthermore, since only the diodes 1 to 4 are formed of a wide band gap semiconductor, an increase in manufacturing cost of the power conversion device can be reduced.

また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、ダイオードの小型化が可能であり、これら小型化されたダイオードを用いることにより、ダイオードを組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。さらに、耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。   In addition, a diode formed of such a wide band gap semiconductor has a high withstand voltage and a high allowable current density, so that the diode can be miniaturized. By using these miniaturized diodes, the diode It is possible to reduce the size of a semiconductor module in which is incorporated. Furthermore, since the heat resistance is high, the heat dissipating fins of the heat sink can be downsized and the water cooling section can be air cooled, so that the semiconductor module can be further downsized.

以上のように、整流回路１０３を構成するダイオード１〜４がワイドバンドギャップ半導体で形成されているので、ダイオード１〜４の導通損や逆回復電流による損失を低減することができ、電力変換効率が高効率である電力変換装置１００を得ることができるとともに、電力変換装置１００の製造コストの増加を軽減することができる。   As described above, since the diodes 1 to 4 constituting the rectifier circuit 103 are formed of a wide band gap semiconductor, the conduction loss of the diodes 1 to 4 and the loss due to the reverse recovery current can be reduced, and the power conversion efficiency As a result, it is possible to obtain the power conversion device 100 with high efficiency, and to reduce an increase in manufacturing cost of the power conversion device 100.

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２における電力変換装置の構成図である。本実施の形態では、ダイオードに代わって双方向スイッチがワイドバンドギャップ半導体によって形成されている点が実施の形態１と異なる。図２において、電力変換装置１１０は、交流リアクトル１０２、整流回路１１３、双方向スイッチ５，６、および一対のコンデンサ１０５，１０６によって構成されている。整流回路１１３は、交流リアクトル１０２を介して単相交流電源１０１に接続されており、４つのダイオード１１〜１４によって構成されている。そして、整流回路１１３の各入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に、各々双方向スイッチ５，６が接続されている。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 is a configuration diagram of a power conversion device according to Embodiment 2 of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that a bidirectional switch is formed of a wide band gap semiconductor instead of a diode. In FIG. 2, the power conversion device 110 includes an AC reactor 102, a rectifier circuit 113, bidirectional switches 5 and 6, and a pair of capacitors 105 and 106. The rectifier circuit 113 is connected to the single-phase AC power supply 101 via the AC reactor 102, and includes four diodes 11 to 14. Bidirectional switches 5 and 6 are connected between the input terminals of the rectifier circuit 113 and the connection points between the capacitors 105 and 106, respectively.

本実施の形態では、双方向スイッチ５，６にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を適用し、ダイオード１１〜１４にシリコン半導体によって形成されたダイオードを適用する。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を使用することによって双方向スイッチ５，６の導通損を低減できる。また、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子はシリコン半導体によって形成されたスイッチング素子と比較して、高速スイッチング動作が可能であるため、双方向スイッチ５，６のスイッチング損失の低減や交流リアクトル１０２の小型化が可能となる。さらに、双方向スイッチ５，６のみをワイドバンドギャップ半導体によって形成することによって電力変換装置の製造コストの増加を軽減することができる。   In the present embodiment, a switching element formed of a wide band gap semiconductor is applied to the bidirectional switches 5 and 6, and a diode formed of a silicon semiconductor is applied to the diodes 11 to 14. By using a switching element formed of a wide band gap semiconductor, the conduction loss of the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced. In addition, since the switching element formed by the wide band gap semiconductor can perform a high-speed switching operation as compared with the switching element formed by the silicon semiconductor, the switching loss of the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced and the AC reactor 102 can be reduced. Can be reduced in size. Furthermore, by forming only the bidirectional switches 5 and 6 with a wide band gap semiconductor, an increase in the manufacturing cost of the power conversion device can be reduced.

以上のように、双方向スイッチ５，６がワイドバンドギャップ半導体で形成されているので、双方向スイッチ５，６の導通損を低減することができ、高速スイッチング動作が可能となるとともに、電力変換装置１１０の製造コストの増加を軽減することができる。   As described above, since the bidirectional switches 5 and 6 are formed of wide band gap semiconductors, the conduction loss of the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced, high-speed switching operation is possible, and power conversion is performed. An increase in manufacturing cost of the device 110 can be reduced.

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３における電力変換装置の構成図である。本実施の形態では、双方向スイッチもワイドバンドギャップ半導体によって形成されている点が実施の形態１と異なる。図３において、電力変換装置１２０は、交流リアクトル１０２、整流回路１０３、双方向スイッチ５，６、および一対のコンデンサ１０５，１０６によって構成されている。整流回路１０３は、交流リアクトル１０２を介して単相交流電源１０１に接続されており、４つのダイオード１〜４によって構成されている。そして、整流回路１０３の各入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に、各々双方向スイッチ５，６が接続されている。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of a power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention. The present embodiment is different from the first embodiment in that the bidirectional switch is also formed of a wide band gap semiconductor. In FIG. 3, the power conversion device 120 includes an AC reactor 102, a rectifier circuit 103, bidirectional switches 5 and 6, and a pair of capacitors 105 and 106. The rectifier circuit 103 is connected to the single-phase AC power supply 101 via the AC reactor 102, and includes four diodes 1 to 4. Bidirectional switches 5 and 6 are connected between the input terminals of the rectifier circuit 103 and the connection points between the capacitors 105 and 106, respectively.

本実施の形態では、ダイオード１〜４にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードを適用し、双方向スイッチ５，６にワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を適用する。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたダイオードおよびスイッチング素子を使用することによってダイオード１〜４および双方向スイッチ５，６の導通損を低減でき、電力変換装置１２０全体の導通損を低減できる。また、ダイオード１〜４における逆回復電流の発生も抑制できるため、逆回復電流による損失も低減でき、電力変換装置の電力変換効率の向上を実現できる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子はシリコン半導体によって形成されたスイッチング素子と比較して、高速スイッチング動作が可能であるため、双方向スイッチ５，６のスイッチング損失の低減や交流リアクトル１０２の小型化が可能となる。   In this embodiment, a diode formed of a wide bandgap semiconductor is applied to the diodes 1 to 4, and a switching element formed of a wide bandgap semiconductor is applied to the bidirectional switches 5 and 6. By using the diode and the switching element formed by the wide band gap semiconductor, the conduction loss of the diodes 1 to 4 and the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced, and the conduction loss of the entire power converter 120 can be reduced. Moreover, since generation | occurrence | production of the reverse recovery current in the diodes 1-4 can also be suppressed, the loss by reverse recovery current can also be reduced and the improvement of the power conversion efficiency of a power converter device is realizable. Furthermore, since the switching element formed by the wide band gap semiconductor can perform a high-speed switching operation as compared with the switching element formed by the silicon semiconductor, the switching loss of the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced and the AC reactor 102 can be reduced. Can be reduced in size.

以上のように、ダイオード１〜４および双方向スイッチ５，６がワイドバンドギャップ半導体で形成されているので、ダイオード１〜４および双方向スイッチ５，６の導通損を低減することができる。   As described above, since the diodes 1 to 4 and the bidirectional switches 5 and 6 are formed of a wide band gap semiconductor, the conduction loss of the diodes 1 to 4 and the bidirectional switches 5 and 6 can be reduced.

実施の形態４．
図４は、この発明の実施の形態４における電力変換装置の構成図である。図４において、電力変換装置２００は、交流リアクトル１０２、整流回路２０３、双方向スイッチ回路２０４、および一対のコンデンサ１０５，１０６によって構成されている。 Embodiment 4 FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram of a power conversion device according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 4, the power conversion device 200 includes an AC reactor 102, a rectifier circuit 203, a bidirectional switch circuit 204, and a pair of capacitors 105 and 106.

整流回路２０３は、交流リアクトル１０２を介して単相交流電源１０１に接続されており、４つのダイオード２１〜２４によって構成されている。整流回路２０３の出力端子間に一対のコンデンサ１０５，１０６が直列接続されている。整流回路２０３の入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に、双方向スイッチ回路２０４が接続されている。双方向スイッチ回路２０４は、後述するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）７〜１０によって構成され、ＭＯＳＦＥＴ７〜１０は図示しない制御回路によってオン・オフの制御がされている。双方向スイッチ回路２０４を用いてＰＷＭ制御をすることによって、単相交流電源１０１からの入力電流を正弦波に近づけることができ、電力変換装置２００の入力力率の改善および高調波成分の抑制が可能となる。このため、大型の交流リアクトル１０２を用いる必要がない。   The rectifier circuit 203 is connected to the single-phase AC power supply 101 via the AC reactor 102, and includes four diodes 21 to 24. A pair of capacitors 105 and 106 are connected in series between the output terminals of the rectifier circuit 203. A bidirectional switch circuit 204 is connected between the input terminal of the rectifier circuit 203 and the connection point between the capacitors 105 and 106. The bidirectional switch circuit 204 is configured by MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) 7 to 10 described later, and the MOSFETs 7 to 10 are controlled to be turned on and off by a control circuit (not shown). By performing PWM control using the bidirectional switch circuit 204, the input current from the single-phase AC power supply 101 can be brought close to a sine wave, and the input power factor of the power conversion device 200 can be improved and harmonic components can be suppressed. It becomes possible. For this reason, it is not necessary to use the large AC reactor 102.

双方向スイッチ回路２０４は、２つの双方向スイッチによって構成されている。一方の双方向スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ７，８で構成され、交流リアクトル１０２を介して単相交流電源１０１に接続されている整流回路２０３の入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に接続されている。他方の双方向スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ９，１０で構成され、単相交流電源１０１に直接接続されている整流回路２０３の入力端子とコンデンサ１０５，１０６同士の接続点との間に接続されている。各ＭＯＳＦＥＴ７〜１０は、各々寄生ダイオード７ｄ〜１０ｄを有している。また、ＭＯＳＦＥＴ７，８はソース端子同士が接続されるように対称に直列接続され、ＭＯＳＦＥＴ９，１０もソース端子同士が接続されるように対称に直列接続されている。なお、ＭＯＳＦＥＴ７，８、ＭＯＳＦＥＴ９，１０は、各々ドレイン端子同士が接続されるように直列接続されていてもよい。ＭＯＳＦＥＴ７，８を図示しない制御回路によって相補的にオン・オフすることによってＭＯＳＦＥＴ７，８は双方向スイッチとして動作する。同様に、ＭＯＳＦＥＴ９，１０も図示しない制御回路によって相補的にオン・オフすることによって双方向スイッチとして動作する。   The bidirectional switch circuit 204 includes two bidirectional switches. One bidirectional switch is composed of MOSFETs 7 and 8 and is connected between the input terminal of the rectifier circuit 203 connected to the single-phase AC power supply 101 via the AC reactor 102 and the connection point between the capacitors 105 and 106. Has been. The other bidirectional switch is composed of MOSFETs 9 and 10 and is connected between the input terminal of the rectifier circuit 203 directly connected to the single-phase AC power supply 101 and the connection point between the capacitors 105 and 106. The MOSFETs 7 to 10 have parasitic diodes 7d to 10d, respectively. The MOSFETs 7 and 8 are connected in series in a symmetrical manner so that the source terminals are connected, and the MOSFETs 9 and 10 are also connected in series in a symmetrical manner so that the source terminals are connected. The MOSFETs 7 and 8 and the MOSFETs 9 and 10 may be connected in series so that the drain terminals are connected to each other. When the MOSFETs 7 and 8 are complementarily turned on and off by a control circuit (not shown), the MOSFETs 7 and 8 operate as bidirectional switches. Similarly, the MOSFETs 9 and 10 operate as bidirectional switches by being complementarily turned on and off by a control circuit (not shown).

本実施の形態では、ＭＯＳＦＥＴ７〜１０にワイドバンドギャップ半導体であるシリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴを適用する。シリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴは、従来のシリコン製ＭＯＳＦＥＴと比較して、低オン抵抗であり高速動作が可能である。その一方で、シリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴは、寄生ダイオードの順電圧効果がシリコン製ＭＯＳＦＥＴと比較して大きく、寄生ダイオードを還流ダイオードとして利用すると、双方向スイッチの寄生ダイオードの導通損が無視できなくなる。また、寄生ダイオードへの通電動作はシリコンカーバイド結晶の劣化を誘発し、シリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴの素子破壊に至る可能性がある。なお、シリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴの代わりに、窒化ガリウム系材料製やダイヤモンド製ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。また、４つのダイオード２１〜２４をシリコンカーバイド、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体で形成してもよい。   In this embodiment, a silicon carbide MOSFET which is a wide band gap semiconductor is applied to the MOSFETs 7 to 10. A silicon carbide MOSFET has a low on-resistance and can operate at high speed as compared with a conventional silicon MOSFET. On the other hand, MOSFETs made of silicon carbide have a larger forward voltage effect of parasitic diodes than silicon MOSFETs, and when parasitic diodes are used as free-wheeling diodes, the conduction loss of parasitic diodes in bidirectional switches cannot be ignored. In addition, the energization operation to the parasitic diode induces deterioration of the silicon carbide crystal, which may lead to element destruction of the silicon carbide MOSFET. Note that a gallium nitride-based material or a diamond MOSFET may be used instead of the silicon carbide MOSFET. The four diodes 21 to 24 may be formed of a wide band gap semiconductor such as silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.

そこで、本実施の形態では、同一レグであるＭＯＳＦＥＴ７，８のオン・オフのタイミングを同期させる。同様に、同一レグであるＭＯＳＦＥＴ９，１０のオン・オフのタイミングを同期させる。図５に、本実施の形態におけるＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングチャートの一例を示す。ＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングはＰＷＭ(パルス幅変調)法によって、入力電流を正弦波に近づけるように制御する。なお、このＰＷＭ波形は一例であり、このＰＷＭ波形に限定されるものではない。   Therefore, in this embodiment, the ON / OFF timings of the MOSFETs 7 and 8 that are the same leg are synchronized. Similarly, the on / off timings of the MOSFETs 9 and 10 that are the same leg are synchronized. FIG. 5 shows an example of an on / off timing chart of the MOSFET in this embodiment. The on / off timing of the MOSFET is controlled by a PWM (pulse width modulation) method so that the input current approaches a sine wave. This PWM waveform is an example and is not limited to this PWM waveform.

同一レグのＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングを同期させることによって、ＭＯＳＦＥＴ内部の寄生ダイオードを経由せずに双方向スイッチの導通が可能になる。このため、双方向スイッチの寄生ダイオードの導通損の低減およびシリコンカーバイド製ＭＯＳＦＥＴの素子破壊を防止することができる。また、ＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングを高速で制御できるため、確実なスイッチングが可能となる。   By synchronizing the on / off timing of the MOSFETs in the same leg, the bidirectional switch can be conducted without going through a parasitic diode inside the MOSFET. For this reason, it is possible to reduce the conduction loss of the parasitic diode of the bidirectional switch and to prevent the element destruction of the silicon carbide MOSFET. In addition, since the on / off timing of the MOSFET can be controlled at high speed, reliable switching is possible.

また、単相交流電源１０１から出力される交流電圧の極性に応じて、一方のＭＯＳＦＥＴをオン状態に保持してもよい。図６に、本実施の形態におけるＭＯＳＦＥＴのオン・オフのタイミングチャートの別の一例を示す。単相交流電源１０１の極性が正の場合には、同一レグのＭＯＳＦＥＴ７，８のうちＰＷＭ制御を行うＭＯＳＦＥＴ７についてはオン・オフのスイッチングを行い、単に導通するためのＭＯＳＦＥＴ８についてはオン状態を保持する。そして、単相交流電源１０１の極性が負に反転した場合には、ＰＷＭ制御を行うＭＯＳＦＥＴ８についてはオン・オフのスイッチングを行い、単に導通するためのＭＯＳＦＥＴ７についてはオン状態を保持する。同様に、同一レグのＭＯＳＦＥＴ９，１０においても、単相交流電源１０１の極性が正の場合には、ＰＷＭ制御を行うＭＯＳＦＥＴ１０についてはオン・オフのスイッチングを行い、単に導通するためのＭＯＳＦＥＴ９についてはオン状態を保持する。そして、単相交流電源１０１の極性が負に反転した場合には、ＰＷＭ制御を行うＭＯＳＦＥＴ９についてはオン・オフのスイッチングを行い、単に導通するためのＭＯＳＦＥＴ１０についてはオン状態を保持する。このため、双方向スイッチの寄生ダイオードの導通損を低減することができると共に、少ないスイッチング回数での動作が可能となり、スイッチング損失を低減することができる。   Further, one MOSFET may be held in an on state according to the polarity of the AC voltage output from the single-phase AC power supply 101. FIG. 6 shows another example of an on / off timing chart of the MOSFET in this embodiment. When the polarity of the single-phase AC power supply 101 is positive, the MOSFET 7 that performs PWM control among the MOSFETs 7 and 8 of the same leg is switched on and off, and the MOSFET 8 that is simply conducted is kept on. . When the polarity of the single-phase AC power supply 101 is inverted to negative, the MOSFET 8 that performs PWM control is turned on / off, and the MOSFET 7 that is simply conducted is kept on. Similarly, in the MOSFETs 9 and 10 of the same leg, when the polarity of the single-phase AC power supply 101 is positive, the MOSFET 10 that performs PWM control is switched on and off, and the MOSFET 9 that is simply conducted is turned on. Keep state. When the polarity of the single-phase AC power supply 101 is inverted to negative, the MOSFET 9 that performs PWM control is turned on / off, and the MOSFET 10 that is simply conducted is kept on. For this reason, the conduction loss of the parasitic diode of the bidirectional switch can be reduced, the operation can be performed with a small number of times of switching, and the switching loss can be reduced.

以上のように、ワイドバンドギャップ半導体で形成される２つのＭＯＳＦＥＴ７，８（ＭＯＳＦＥＴ９，１０）を対称に直列接続させて双方向スイッチを構成し、２つのＭＯＳＦＥＴ７，８（ＭＯＳＦＥＴ９，１０）のオン・オフのタイミングを同期させることによって、双方向スイッチの寄生ダイオードの導通損を低減及び素子破壊を防止することができる。また、単相交流電源の極性に応じて、双方向スイッチを構成する一方のＭＯＳＦＥＴをオンすることによって、少ないスイッチング回数での動作が可能となり、スイッチング損失を低減することができ、ＭＯＳＦＥＴのゲートドライブ損失を低減することができる。   As described above, two MOSFETs 7 and 8 (MOSFETs 9 and 10) formed of wide band gap semiconductors are connected in series in a symmetrical manner to form a bidirectional switch, and the two MOSFETs 7 and 8 (MOSFETs 9 and 10) are turned on / off. By synchronizing the OFF timing, the conduction loss of the parasitic diode of the bidirectional switch can be reduced and the element can be prevented from being destroyed. In addition, by turning on one of the MOSFETs constituting the bidirectional switch according to the polarity of the single-phase AC power supply, it is possible to operate with a small number of switching operations, reducing switching loss, and MOSFET gate drive. Loss can be reduced.

なお、実施の形態１〜４において、単相の電力変換装置の構成について説明したが、全波整流回路のダイオードおよび双方向スイッチのスイッチング素子のうち少なくともいずれか一方をワイドバンドギャップ半導体で形成する回路構成を３相などの多相の電力変換装置に適用してもよい。   In Embodiments 1 to 4, the configuration of the single-phase power conversion device has been described. However, at least one of the diode of the full-wave rectifier circuit and the switching element of the bidirectional switch is formed of a wide band gap semiconductor. The circuit configuration may be applied to a multi-phase power conversion device such as a three-phase.

１〜４，１１〜１４，２１〜２４ ダイオード、５，６，１５，１６ 双方向スイッチ、７〜１０ ＭＯＳＦＥＴ、１００，１１０，１２０，２００ 電力変換装置、１０１ 単相交流電源、１０２ 交流リアクトル、１０３，１１３，２０３ 整流回路、１０５，１０６ コンデンサ、２０４ 双方向スイッチ回路。   1 to 4, 11 to 14, 21 to 24 diode, 5, 6, 15, 16 bidirectional switch, 7 to 10 MOSFET, 100, 110, 120, 200 power converter, 101 single-phase AC power supply, 102 AC reactor, 103, 113, 203 Rectifier circuit, 105, 106 capacitor, 204 bidirectional switch circuit.

Claims (6)

リアクトルを介して交流電源に接続された全波整流回路と、前記全波整流回路の出力端子間に直列接続された２つのコンデンサと、前記全波整流回路の各入力端子と前記２つのコンデンサ同士の接続点との間に各々接続された２つの双方向スイッチとを備えた電力変換装置であって、
前記全波整流回路は、ワイドバンドギャップ半導体で形成された複数のダイオードによって構成されたことを特徴とする電力変換装置。 A full-wave rectifier circuit connected to an AC power supply via a reactor, two capacitors connected in series between output terminals of the full-wave rectifier circuit, each input terminal of the full-wave rectifier circuit and the two capacitors A power conversion device including two bidirectional switches each connected between the connection points of
The full-wave rectifier circuit is composed of a plurality of diodes formed of a wide band gap semiconductor. リアクトルを介して交流電源に接続された全波整流回路と、前記全波整流回路の出力端子間に直列接続された２つのコンデンサと、前記全波整流回路の各入力端子と前記２つのコンデンサ同士の接続点との間に各々接続された２つの双方向スイッチとを備えた電力変換装置であって、
前記２つの双方向スイッチは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたスイッチング素子によって構成されたことを特徴とする電力変換装置。 A full-wave rectifier circuit connected to an AC power supply via a reactor, two capacitors connected in series between output terminals of the full-wave rectifier circuit, each input terminal of the full-wave rectifier circuit and the two capacitors A power conversion device including two bidirectional switches each connected between the connection points of
The power converter according to claim 2, wherein the two bidirectional switches are configured by switching elements formed of a wide band gap semiconductor. 前記２つの双方向スイッチは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されたスイッチング素子によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, wherein the two bidirectional switches are configured by switching elements formed of a wide band gap semiconductor. 前記双方向スイッチは、対称に直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴによって構成され、前記２つのＭＯＳＦＥＴは、オン・オフのタイミングが同期するように制御され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。 4. The bidirectional switch is configured by two MOSFETs connected in series in a symmetrical manner, and the two MOSFETs are controlled so that the on / off timing is synchronized. Power converter. 前記双方向スイッチは、対称に直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴによって構成され、前記交流電源から出力される交流電圧の極性に応じて前記２つのＭＯＳＦＥＴのうちのいずれか一方がオン状態を保持し、他方がオン・オフするように制御され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。 The bidirectional switch is configured by two MOSFETs that are symmetrically connected in series, and one of the two MOSFETs is kept on according to the polarity of the AC voltage output from the AC power supply, The power converter according to claim 2 or 3, wherein the other is controlled so as to be turned on and off. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 5, wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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