JP2014099946A - Step-up pfc control unit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To largely reduce the power consumption of a step-up PFC control unit.SOLUTION: A step-up PFC control unit 100 includes an AC/DC converter 30 that rectifies and increases a voltage of a single-phase AC current. The AC/DC converter 30 includes: plural AC switches S1-S4; a step-up coil 4; a smoothing capacitor 7; and a drive logic circuit 53 that controls ON/OFF state of the AC switches S1-S4 to alternately perform magnetic energy storage to the step-up coil 4 and charge storage to the smoothing capacitor 7. When the gate-source voltage is higher than a threshold value voltage, the AC switches S1-S4 allow the current to flow from the drain to the source and from the source to the drain according to the polarity of the drain-source voltage; when the gate-source voltage is smaller than the threshold value voltage, the AC switches S1-S4 shut off the current from flowing from the drain to the source; and when the gate voltage with respect to the drain voltage is larger than the threshold value voltage, the AC switches S1-S4 allow current to flow from the source to the drain.

Description

本発明は、入力交流電圧を整流して交流電圧のピーク値より大きい直流電圧を出力する高入力力率で高効率の昇圧型PFC(Power Factor Correction)制御装置に関する。   The present invention relates to a high-input power factor and high-efficiency step-up PFC (Power Factor Correction) controller that rectifies an input AC voltage and outputs a DC voltage larger than the peak value of the AC voltage.

図16は、特許文献1に記載された、整流ダイオードブリッジのない昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。図16に記載された整流ダイオードブリッジの無い昇圧型PFC制御装置500は、高域阻止フィルタ502の小型化及び低コスト化を目的としたものである。   FIG. 16 is a circuit block diagram of a step-up PFC control device without a rectifier diode bridge described in Patent Document 1. The step-up PFC control device 500 without a rectifier diode bridge described in FIG. 16 is intended to reduce the size and cost of the high-frequency block filter 502.

この目的の実現の為に、位相が互いに180度異なる2つののこぎり波発振器514及び515を用いて、昇圧のためのスイッチング動作の位相を180度ずらして2回行うこととしている。つまり、スイッチング素子T1及びT2による第1のスイッチング動作と、スイッチング素子T3及びT4による第2のスイッチング動作である。その結果、高域阻止フィルタ502に流れる電流のリップルは、スイッチング周波数に比べ、2倍高調波を有するものとなる。これにより、高域阻止フィルタ502を小型化及び低コスト化できるとしている。   In order to realize this object, two sawtooth wave oscillators 514 and 515 whose phases are different from each other by 180 degrees are used, and the phase of the switching operation for boosting is shifted twice by 180 degrees. That is, the first switching operation by the switching elements T1 and T2 and the second switching operation by the switching elements T3 and T4. As a result, the ripple of the current flowing through the high-frequency blocking filter 502 has a second harmonic compared with the switching frequency. As a result, the high-frequency blocking filter 502 can be reduced in size and cost.

特開2008-125310号公報JP 2008-125310 A

しかしながら、前述した従来の昇圧型PFC制御装置500は、ダイオードD1またはD2の順方向電圧VFとシリコン系半導体からなるスイッチング素子T1〜T4の寄生ダイオードの順方向電圧VFPとによる電圧降下による損失が発生するという課題を有している。   However, the above-described conventional step-up PFC control device 500 generates a loss due to a voltage drop due to the forward voltage VF of the diode D1 or D2 and the forward voltage VFP of the parasitic diode of the switching elements T1 to T4 made of silicon-based semiconductor. Have the problem of doing.

さらに、シリコン系半導体からなるスイッチング素子T1〜T4の寄生ダイオードのリカバリー電流により、スイッチング素子T1〜T4のターンオン動作時のスイッチング損失が大きいという課題を有している。また、スイッチング損失はPFC制御装置のスイッチング周波数に比例して増大する。その為、磁気誘導手段504のサイズを小さくする為にスイッチング周波数を上げることは、上記スイッチング損失の増大を招く。   Furthermore, there is a problem that the switching loss during the turn-on operation of the switching elements T1 to T4 is large due to the recovery current of the parasitic diodes of the switching elements T1 to T4 made of silicon-based semiconductor. Further, the switching loss increases in proportion to the switching frequency of the PFC control device. Therefore, increasing the switching frequency in order to reduce the size of the magnetic induction means 504 causes an increase in the switching loss.

本発明は、上記課題に鑑み、PFC制御装置内の消費電力の大部分を占めるスイッチング素子の寄生ダイオードとダイオードD1及びD2を無くして低消費電力化及び小型化を実現する昇圧型PFC制御装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a step-up PFC control device that realizes low power consumption and miniaturization by eliminating the parasitic diodes of the switching elements and the diodes D1 and D2 that occupy most of the power consumption in the PFC control device. The purpose is to provide.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る昇圧型PFC制御装置は、入力された単相交流電圧を整流して昇圧するAC/DCコンバータ部を備える昇圧型PFC制御装置であって、前記AC/DCコンバータ部は、ブリッジ接続された複数の交流スイッチ部と、前記単相交流電圧の印加に応じて流れる双方向電流に応じた磁気エネルギーを蓄える昇圧用コイルと、前記昇圧用コイルに蓄えられた前記磁気エネルギーに対応した電荷を蓄える平滑用コンデンサと、前記複数の交流スイッチ部のオンオフ状態を制御することにより前記双方向電流の電流径路を切り換えて、前記昇圧用コイルへの前記磁気エネルギーの蓄積と前記平滑用コンデンサへの電荷蓄積とを交互に行わせるドライブロジック回路とを備え、前記複数の交流スイッチ部の各々は、ゲート端子とドレイン端子とソース端子とを有し、(1)ソース電圧に対するゲート電圧であるゲート−ソース間電圧が閾値電圧より高い場合に、ドレイン−ソース間電圧の極性に応じて前記ドレイン端子から前記ソース端子へ、または、前記ソース端子から前記ドレイン端子へ電流を流し、(2)前記ゲート−ソース間電圧が前記閾値電圧以下の場合に、前記ドレイン端子から前記ソース端子に流れる電流を遮断し、ドレイン電圧に対するゲート電圧が前記閾値電圧以上になると前記ソース端子から前記ドレイン端子へ電流を流すスイッチング素子で構成されることを特徴とするものである。   In order to solve the above problems, a boost PFC control device according to an aspect of the present invention is a boost PFC control device including an AC / DC converter that rectifies and boosts an input single-phase AC voltage. The AC / DC converter unit includes a plurality of AC switch units that are bridge-connected, a boosting coil that stores magnetic energy corresponding to a bidirectional current that flows in response to the application of the single-phase AC voltage, and the boosting unit A smoothing capacitor that stores a charge corresponding to the magnetic energy stored in the coil, and switching a current path of the bidirectional current by controlling an on / off state of the plurality of AC switch units, to the boosting coil A drive logic circuit for alternately storing the magnetic energy and storing the charge in the smoothing capacitor, and the plurality of AC switches. Each of the units has a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal. (1) When the gate-source voltage, which is the gate voltage with respect to the source voltage, is higher than the threshold voltage, depending on the polarity of the drain-source voltage Current flows from the drain terminal to the source terminal or from the source terminal to the drain terminal, and (2) when the gate-source voltage is equal to or lower than the threshold voltage, the drain terminal is changed to the source terminal. It is configured by a switching element that cuts off a flowing current and flows a current from the source terminal to the drain terminal when a gate voltage with respect to a drain voltage becomes equal to or higher than the threshold voltage.

上記構成によれば、AC/DCコンバータ部にダイオードが不要であり、また交流スイッチ部を構成するスイッチング素子には寄生ダイオードも無く、ダイオードの順方向電圧の電圧降下による消費電力を無くすことができる。また、従来には存在した寄生ダイオードのリカバリー電流によるスイッチング損失もなくなるので、大幅に消費電力を削減した昇圧型PFC制御装置が実現できる。   According to the above configuration, no diode is required in the AC / DC converter unit, and there is no parasitic diode in the switching element configuring the AC switch unit, so that power consumption due to a voltage drop in the forward voltage of the diode can be eliminated. . In addition, since there is no switching loss due to the recovery current of the parasitic diode that has existed in the past, a step-up type PFC control device with significantly reduced power consumption can be realized.

また、本発明の他の態様は、前記複数の交流スイッチ部は、第1〜第4の前記スイッチング素子を備え、前記昇圧用コイルの第1の電極は、前記単相交流電圧が印加される第1交流端子に接続され、前記第1のスイッチング素子のドレイン端子と前記第3のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記平滑用コンデンサの第1の電極に接続され、前記第2のスイッチング素子のソース端子と前記第4のスイッチング素子のソース端子とは、前記平滑用コンデンサの第2の電極に接続され、前記第1のスイッチング素子のソース端子と前記第2のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記昇圧用コイルの第2の電極に接続され、前記第3のスイッチング素子のソース端子と前記第4のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記単相交流電圧が印加される第2交流端子に接続され、前記第1〜第4のスイッチング素子のゲート端子は、前記ドライブロジック回路から出力される制御信号をレベルシフトする各々のプリドライブ回路に接続されており、前記ドライブロジック回路は、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とが、または、前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子とが同時にオン状態とならないように制御してもよい。   In another aspect of the present invention, the plurality of AC switch units include first to fourth switching elements, and the first electrode of the boosting coil is applied with the single-phase AC voltage. The drain terminal of the first switching element and the drain terminal of the third switching element are connected to the first electrode of the smoothing capacitor, and are connected to the first AC terminal. The source terminal and the source terminal of the fourth switching element are connected to the second electrode of the smoothing capacitor, and the source terminal of the first switching element and the drain terminal of the second switching element are: The single-phase AC voltage is connected to the second electrode of the boosting coil, and the source terminal of the third switching element and the drain terminal of the fourth switching element are Connected to the second AC terminal to be applied, the gate terminals of the first to fourth switching elements are connected to each pre-drive circuit for level-shifting the control signal output from the drive logic circuit, The drive logic circuit may be controlled such that the first switching element and the second switching element or the third switching element and the fourth switching element are not simultaneously turned on. Good.

これによれば、AC/DCコンバータ部は、4つの双方向スイッチング素子がブリッジ接続された基本的なブリッジ回路で構成される。よって、AC/DCコンバータ部は、簡潔かつ高効率に双方向電流の電流パスを制御して昇圧することが可能となる。   According to this, the AC / DC converter unit is configured by a basic bridge circuit in which four bidirectional switching elements are bridge-connected. Therefore, the AC / DC converter unit can control and boost the bidirectional current path simply and with high efficiency.

また、本発明の他の態様は、前記ドライブロジック回路は、さらに、前記単相交流電圧を出力する交流電源と前記AC/DCコンバータ部との間に流れる電流が略零の場合には、前記複数の交流スイッチ部のうち少なくとも1つの交流スイッチ部を構成する前記スイッチング素子の前記ゲート−ソース間電圧が前記閾値電圧以下になるように前記スイッチング素子のゲート信号を制御することが好ましい。   According to another aspect of the present invention, the drive logic circuit further includes the drive logic circuit when the current flowing between the AC power source that outputs the single-phase AC voltage and the AC / DC converter unit is substantially zero. It is preferable to control the gate signal of the switching element so that the gate-source voltage of the switching element constituting at least one AC switch part among the plurality of AC switch parts is equal to or lower than the threshold voltage.

これにより、昇圧コイルに流れる電流が略零の場合は、昇圧用コイルの磁気エネルギーが無くなっても、昇圧型PFC制御装置の出力側から入力交流電源へ電流が逆流しないようにすることが可能となる。   As a result, when the current flowing through the booster coil is substantially zero, it is possible to prevent the current from flowing backward from the output side of the booster type PFC control device to the input AC power supply even when the magnetic energy of the booster coil is lost. Become.

また、本発明の他の態様は、前記複数の交流スイッチ部のうち少なくとも2個の交流スイッチ部は、ソース端子同士またはドレイン端子同士が直列接続された2つの前記スイッチング素子で構成されてもよい。   In another aspect of the present invention, at least two AC switch units among the plurality of AC switch units may be configured by the two switching elements in which source terminals or drain terminals are connected in series. .

これによれば、上述した昇圧型PFC制御装置と同様に、従来の昇圧型PFC制御装置の整流昇圧動作を維持しつつ消費電力を低減することができる。さらには、高入力耐圧性を有する昇圧型PFC制御装置が実現できる。また、この昇圧型PFC制御装置は、入力交流電圧源から、当該昇圧型PFC制御装置の出力端子とGND端子との間に接続される負荷を完全に切り離すことも可能である。   According to this, similarly to the above-described step-up PFC control device, it is possible to reduce power consumption while maintaining the rectifying step-up operation of the conventional step-up PFC control device. Furthermore, a step-up PFC control device having high input voltage resistance can be realized. In addition, the step-up PFC control device can completely disconnect the load connected between the output terminal and the GND terminal of the step-up PFC control device from the input AC voltage source.

また、本発明の他の態様は、前記スイッチング素子は、半導体基板の上に形成された複数の窒化物半導体層からなる積層体と、前記積層体の上に形成された前記ゲート端子と、前記ゲート端子を挟んで両側方に形成された前記ドレイン端子及び前記ソース端子とを備えることが望ましい。   According to another aspect of the present invention, the switching element includes a stacked body composed of a plurality of nitride semiconductor layers formed on a semiconductor substrate, the gate terminal formed on the stacked body, It is desirable to provide the drain terminal and the source terminal formed on both sides of the gate terminal.

上記スイッチング素子は、一般的に、窒化ガリウム半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタとして知られていて、GaNトランジスタと呼ばれている。上記GaNトランジスタは、ゲート/ソース間電圧がある閾値電圧より高い場合にFET特性と逆FET特性を有し、且つ、ゲート/ソース間電圧が当該閾値電圧以下の場合に逆導通特性を有し、また、高耐圧特性を有する双方向スイッチング素子ともなり、FET特性及び逆FET特性において非常に低いオン抵抗値のFETトランジスタでもある。また、シリコン系半導体素子のような少数キャリア効果がなく、リカバリー電流によるスイッチング損失増大の影響もほとんど無い。従って、本発明の昇圧型PFC制御装置が有する双方向スイッチング素子としてGaNトランジスタを用いることで、より低消費電力の昇圧型PFC制御装置が実現できる。また、スイッチング損失の低減によりスイッチング周波数を上げることが可能となり、これにより昇圧用コイルのサイズを小さくでき、結果的に装置の小型化が可能となる。   The switching element is generally known as a heterojunction field effect transistor using a gallium nitride semiconductor and is called a GaN transistor. The GaN transistor has FET characteristics and reverse FET characteristics when the gate / source voltage is higher than a certain threshold voltage, and has reverse conduction characteristics when the gate / source voltage is equal to or lower than the threshold voltage. It is also a bidirectional switching element having high withstand voltage characteristics, and is an FET transistor having a very low on-resistance value in FET characteristics and reverse FET characteristics. Further, there is no minority carrier effect as in a silicon-based semiconductor element, and there is almost no influence of an increase in switching loss due to a recovery current. Therefore, by using a GaN transistor as a bidirectional switching element included in the step-up PFC control device of the present invention, a step-down PFC control device with lower power consumption can be realized. In addition, the switching frequency can be increased by reducing the switching loss, whereby the size of the boosting coil can be reduced, and as a result, the device can be reduced in size.

本発明によれば、ダイオード及びスイッチング素子の寄生ダイオードの無い昇圧型PFC制御装置を提供することができる。従来の昇圧型PFC制御装置の消費電力は、ダイオード及びスイッチング素子の寄生ダイオードによるものが大きいが、本発明では消費電力を大幅に削減できる。また、昇圧型PFC制御装置が有するPFC制御部は、従来の昇圧型PFC制御装置の有する制御部をそのまま用いることができるので、従来の昇圧型PFC制御装置から本発明の昇圧型PFC制御装置への置き換えが容易である。   According to the present invention, it is possible to provide a step-up type PFC control device without a diode and a parasitic diode of a switching element. The power consumption of the conventional boost type PFC control device is largely due to the diode and the parasitic diode of the switching element, but the power consumption can be greatly reduced in the present invention. In addition, since the PFC control unit included in the boost type PFC control device can use the control unit of the conventional boost type PFC control device as it is, the conventional boost type PFC control device changes to the boost type PFC control device of the present invention. Is easy to replace.

本発明の実施の形態に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram of a step-up PFC control device according to an embodiment of the present invention. 本発明に用いる双方向スイッチング素子のFET特性を表すI−V特性図である。It is an IV characteristic diagram showing the FET characteristic of the bidirectional | two-way switching element used for this invention. 本発明に用いる双方向スイッチング素子の逆FET特性を表すI−V特性図である。It is an IV characteristic diagram showing the reverse FET characteristic of the bidirectional | two-way switching element used for this invention. 本発明に用いる双方向スイッチング素子の逆導通特性を表すI−V特性図である。It is an IV characteristic view showing the reverse conduction characteristic of the bidirectional | two-way switching element used for this invention. スイッチング素子のオン動作状態における等価変換を説明する図である。It is a figure explaining the equivalent conversion in the ON operation state of a switching element. スイッチング素子のオフ動作状態における等価変換を説明する図である。It is a figure explaining the equivalent conversion in the OFF operation state of a switching element. 本発明の実施の形態に係るドライブロジック回路の回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram of a drive logic circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るドライブロジック回路の内部信号の動作タイミングチャートである。4 is an operation timing chart of internal signals of the drive logic circuit according to the embodiment of the present invention. 入力交流電源の電圧極性が正の場合における、実施の形態に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。It is a figure showing the electric current path of the pressure | voltage rise operation | movement of the AC / DC converter part which concerns on embodiment when the voltage polarity of an input AC power supply is positive. 入力交流電源の電圧極性が負の場合における、実施の形態に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。It is a figure showing the current path of the pressure | voltage rise operation of the AC / DC converter part which concerns on embodiment when the voltage polarity of an input AC power supply is negative. 本発明の昇圧型PFC制御装置が有する双方向スイッチング素子の断面図の一例である。It is an example of sectional drawing of the bidirectional | two-way switching element which the pressure | voltage rise type PFC control apparatus of this invention has. 本発明の実施の形態の第1の変形例に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the step-up PFC control device according to the first modification of the embodiment of the present invention. 入力交流電源の電圧極性が正の場合における、実施の形態の第1の変形例に係る交流スイッチの状態を表す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing the state of the AC switch according to the first modification of the embodiment when the voltage polarity of the input AC power supply is positive. 入力交流電源の電圧極性が負の場合における、実施の形態の第1の変形例に係る交流スイッチの交流スイッチの状態を表す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing the state of the AC switch of the AC switch according to the first modification of the embodiment when the voltage polarity of the input AC power supply is negative. 本発明の実施の形態の第2の変形例に係るドライブロジック回路の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the drive logic circuit concerning the 2nd modification of an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態の第2の変形例に係るドライブロジック回路の内部信号の動作タイミングチャートである。It is an operation | movement timing chart of the internal signal of the drive logic circuit which concerns on the 2nd modification of embodiment of this invention. 入力交流電源の電圧極性が正の場合における、実施の形態の第2の変形例に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。It is a figure showing the electric current path of the pressure | voltage rise operation of the AC / DC converter part which concerns on the 2nd modification of embodiment when the voltage polarity of an input AC power supply is positive. 入力交流電源の電圧極性が負の場合における、実施の形態の第2の変形例に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。It is a figure showing the electric current path of the pressure | voltage rise operation of the AC / DC converter part which concerns on the 2nd modification of embodiment when the voltage polarity of an input AC power supply is negative. 比較例に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the pressure | voltage rise type PFC control apparatus which concerns on a comparative example. 比較例に係る入力交流電源の電圧極性が正の場合におけるスイッチング素子の状態を表す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing the state of a switching element in case the voltage polarity of the input AC power supply which concerns on a comparative example is positive. 比較例に係る入力交流電源の電圧極性が負の場合におけるスイッチング素子の状態を表す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing the state of a switching element in case the voltage polarity of the input AC power supply which concerns on a comparative example is negative. 比較例に係る入力交流電源の電圧極性が正の場合におけるスイッチング素子の過渡特性を表す図である。It is a figure showing the transient characteristic of a switching element in case the voltage polarity of the input AC power supply which concerns on a comparative example is positive. 比較例に係る入力交流電源の電圧極性が負の場合におけるスイッチング素子の過渡特性を表す図である。It is a figure showing the transient characteristic of a switching element in case the voltage polarity of the input alternating current power supply which concerns on a comparative example is negative. 特許文献1に記載された、整流ダイオードブリッジのない昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。FIG. 10 is a circuit block diagram of a step-up PFC control device without a rectifier diode bridge described in Patent Document 1.

以下に、本発明に係る昇圧型PFC制御装置について、順次、好適な実施の形態を、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に記載した具体的な構成に限定されるものではなく、実施の形態において説明する技術的思想と同様の技術的思想及び当技術分野における技術常識に基づいて構成されるものを含むものである。   Hereinafter, preferred embodiments of a step-up PFC control apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the specific configurations described in the following embodiments, and is based on the same technical idea as the technical idea described in the embodiment and the common general technical knowledge in this technical field. Is included.

(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。同図に記載された昇圧型PFC制御装置100は、AC/DCコンバータ部30と、電流検出素子3と、第2誤差増幅器9と、乗算回路10と、第2絶対値回路11と、PWMコンパレータ12と、のこぎり波発振器14と、差動増幅器17と、基準電圧源18と、第1誤差増幅器19と、コンパレータ20と、第1絶対値回路21とを備える。また、AC/DCコンバータ部30は、入力交流電源1から入力された交流電圧を整流して昇圧する機能を有し、昇圧用コイル4と、平滑用コンデンサ7と、交流スイッチS1〜S4と、4つのプリドライブ回路51と、3つの電源52と、ドライブロジック回路53とを備える。
(Embodiment)
FIG. 1 is a circuit block diagram of a step-up PFC control apparatus according to an embodiment of the present invention. The step-up PFC control device 100 shown in FIG. 1 includes an AC / DC converter unit 30, a current detection element 3, a second error amplifier 9, a multiplier circuit 10, a second absolute value circuit 11, and a PWM comparator. 12, a sawtooth wave oscillator 14, a differential amplifier 17, a reference voltage source 18, a first error amplifier 19, a comparator 20, and a first absolute value circuit 21. The AC / DC converter unit 30 has a function of rectifying and boosting the AC voltage input from the input AC power supply 1, and includes a boosting coil 4, a smoothing capacitor 7, AC switches S1 to S4, Four pre-drive circuits 51, three power supplies 52, and a drive logic circuit 53 are provided.

AC/DCコンバータ部30を除くブロック構成は、図13に示された従来の昇圧型PFC制御装置500のブロック構成と同じである。よって、本発明の実施の形態おける説明では、AC/DCコンバータ部30を中心に説明をする。   The block configuration excluding the AC / DC converter unit 30 is the same as the block configuration of the conventional step-up PFC control device 500 shown in FIG. Therefore, in the description of the embodiment of the present invention, the AC / DC converter unit 30 will be mainly described.

AC/DCコンバータ部30では、図13に示されたシリコン系半導体スイッチング素子T1及びT2が、それぞれ、双方向スイッチング素子である交流スイッチS1及びS2に置き換えられている。また、図13に示されたダイオードD1及びD2が、双方向スイッチング素子を用いた交流スイッチS3及びS4に置き換えられている。   In the AC / DC converter unit 30, the silicon-based semiconductor switching elements T1 and T2 shown in FIG. 13 are replaced with AC switches S1 and S2 which are bidirectional switching elements, respectively. Further, the diodes D1 and D2 shown in FIG. 13 are replaced with AC switches S3 and S4 using bidirectional switching elements.

交流スイッチS1〜S4は、以下のようにブリッジ接続されている。昇圧用コイル4の第1の電極である入力側電極は、単相の入力交流電圧が印加される第1交流端子に接続され、交流スイッチS1のドレイン端子と交流スイッチS3のドレイン端子とは、平滑用コンデンサ7の第1の電極に接続され、交流スイッチS2のソース端子と交流スイッチS4のソース端子とは、平滑用コンデンサ7の第2の電極である接地電極に接続され、交流スイッチS1のソース端子と交流スイッチS2のドレイン端子とは、昇圧用コイル4の第2の電極である出力側電極に接続され、交流スイッチS3のソース端子と交流スイッチS4のドレイン端子とは、入力交流電圧が印加される第2交流端子に接続されている。また、交流スイッチS1〜S4のゲート端子は、それぞれ、ドライブロジック回路53から出力される制御信号をレベルシフトする各々のプリドライブ回路51に接続されている。   The AC switches S1 to S4 are bridge-connected as follows. The input side electrode, which is the first electrode of the boosting coil 4, is connected to a first AC terminal to which a single-phase input AC voltage is applied. The drain terminal of the AC switch S1 and the drain terminal of the AC switch S3 are: The source terminal of the AC switch S2 and the source terminal of the AC switch S4 are connected to the ground electrode, which is the second electrode of the smoothing capacitor 7, and connected to the first electrode of the smoothing capacitor 7. The source terminal and the drain terminal of the AC switch S2 are connected to the output side electrode, which is the second electrode of the boosting coil 4, and the source terminal of the AC switch S3 and the drain terminal of the AC switch S4 have an input AC voltage. It is connected to the applied second AC terminal. The gate terminals of the AC switches S1 to S4 are connected to the respective predrive circuits 51 that shift the level of the control signal output from the drive logic circuit 53.

昇圧用コイル4は、単相の入力交流電圧の印加に応じて流れる双方向電流に応じた磁気エネルギーを蓄える。   The step-up coil 4 stores magnetic energy corresponding to a bidirectional current that flows in response to application of a single-phase input AC voltage.

平滑用コンデンサ7は、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーに対応した電荷を蓄える。   The smoothing capacitor 7 stores a charge corresponding to the magnetic energy stored in the boosting coil 4.

ここで、双方向スイッチング素子の特性について説明する。   Here, the characteristics of the bidirectional switching element will be described.

双方向スイッチング素子は、図2A、図2B、及び図2Cに示されたI−V特性を持つ双方向スイッチング素子である。以下にこの特性について説明する。   The bidirectional switching element is a bidirectional switching element having the IV characteristic shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C. This characteristic will be described below.

図2Aは、本発明に用いる双方向スイッチング素子のFET特性を表すI−V特性図である。また、図2Bは、本発明に用いる双方向スイッチング素子の逆FET特性を表すI−V特性図である。また、図2Cは、本発明に用いる双方向スイッチング素子の逆導通特性を表すI−V特性図である。   FIG. 2A is an IV characteristic diagram showing FET characteristics of the bidirectional switching element used in the present invention. FIG. 2B is an IV characteristic diagram showing the reverse FET characteristic of the bidirectional switching element used in the present invention. FIG. 2C is an IV characteristic diagram showing reverse conduction characteristics of the bidirectional switching element used in the present invention.

上記双方向スイッチング素子は、ゲート端子と、ドレイン端子と、ソース端子とを有し、ソース端子電圧に対するゲート端子電圧の差分電圧であるゲート/ソース間電圧Vgsが、閾値電圧Vthより高い場合に、ドレイン端子とソース端子間の差分電圧VDSの極性に応じてドレイン端子からソース端子へ電流IDSを流し、または、ソース端子からドレイン端子へ電流IDSを流すことができる。   The bidirectional switching element has a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal. When the gate / source voltage Vgs, which is a differential voltage of the gate terminal voltage with respect to the source terminal voltage, is higher than the threshold voltage Vth, The current IDS can flow from the drain terminal to the source terminal or the current IDS can flow from the source terminal to the drain terminal according to the polarity of the differential voltage VDS between the drain terminal and the source terminal.

図2A及び図2Bでは、ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthより高いことによりスイッチング素子がオン動作状態となっている場合の、電流IDSと差分電圧VDSとの関係を表している。電流IDSはドレイン端子からソース端子へ流れる場合を正の値とする。   2A and 2B show the relationship between the current IDS and the differential voltage VDS when the switching element is in the on-operation state because the gate / source voltage Vgs is higher than the threshold voltage Vth. The current IDS is a positive value when flowing from the drain terminal to the source terminal.

上記I−V特性は、MOSFETのI−V特性のように3極管領域と飽和領域とを有する。3極管領域とは、VDSがゼロ電圧からある電圧値に達するまでのゼロ電圧近傍の領域であり、飽和領域とは、VDSが変化してもIDSがあまり変化しない定電流特性に類似した特性を示す領域である。3極管領域では、I−V特性に直線性がありIDSに対するVDSの傾きを、スイッチング素子のオン抵抗Ronとして定義できる。3極管領域におけるオン抵抗Ronは、飽和領域におけるオン抵抗に比べ十分小さい。この3極管領域における双方向スイッチング素子の特性が、交流スイッチS1〜S4の動作特性として重要であり、以下の説明では3極管領域の特性について限定する。   The IV characteristic has a triode region and a saturation region like the MOSFET IV characteristic. The triode region is a region in the vicinity of the zero voltage until the VDS reaches a certain voltage value from the zero voltage, and the saturation region is a characteristic similar to the constant current characteristic in which the IDS does not change much even if the VDS changes. It is an area | region which shows. In the triode region, the IV characteristic has linearity, and the slope of VDS with respect to IDS can be defined as the on-resistance Ron of the switching element. The on-resistance Ron in the triode region is sufficiently smaller than the on-resistance in the saturation region. The characteristics of the bidirectional switching element in the triode region are important as the operation characteristics of the AC switches S1 to S4. In the following description, the characteristics of the triode region are limited.

図2Aは、VDSが正の場合、つまりドレイン電圧がソース電圧より高い場合のI−V特性図である。このI−V特性図からわかるようにIDSは正の値となり、電流はドレイン端子からソース端子へ流れる。図2Aに表されたI−V特性を、FET特性と呼ぶことにする。また、図2Bは、VDSが負の場合、つまりドレイン電圧がソース電圧より低い場合のI−V特性図である。このI−V特性図からわかるようにIDSは負の値となり、電流はソース端子からドレイン端子へ流れる。図2Bに表されたI−V特性を、逆FET特性と呼ぶことにする。   FIG. 2A is an IV characteristic diagram when VDS is positive, that is, when the drain voltage is higher than the source voltage. As can be seen from the IV characteristic diagram, IDS has a positive value, and current flows from the drain terminal to the source terminal. The IV characteristics shown in FIG. 2A will be referred to as FET characteristics. FIG. 2B is an IV characteristic diagram when VDS is negative, that is, when the drain voltage is lower than the source voltage. As can be seen from this IV characteristic diagram, IDS has a negative value, and current flows from the source terminal to the drain terminal. The IV characteristics shown in FIG. 2B will be referred to as inverse FET characteristics.

上記双方向スイッチング素子は、ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthより低い場合、ドレイン端子からソース端子へは電流IDSを流せない。但し、双方向スイッチング素子は、ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthより低い場合でも、ゲート端子電圧に対してドレイン端子電圧が低く、且つこの差電圧(Vgs−VDS)が閾値電圧Vthより高い場合には、ソース端子からドレイン端子に電流IDSを流すことができる。この特性を逆導通特性と呼ぶことにする。図2Cは、この逆導通特性を示したI−V特性図である。図2Cからわかるように、Vgs=0Vの状態すなわちゲート端子とソース端子とがショートしたような状態では、ソース端子をアノードとしドレイン端子をカソードとして順方向電圧が閾値電圧VthであるダイオードのI−V特性と同じである。   In the bidirectional switching element, when the gate / source voltage Vgs is lower than the threshold voltage Vth, the current IDS cannot flow from the drain terminal to the source terminal. However, in the bidirectional switching element, even when the gate-source voltage Vgs is lower than the threshold voltage Vth, the drain terminal voltage is lower than the gate terminal voltage, and the difference voltage (Vgs−VDS) is higher than the threshold voltage Vth. In some cases, the current IDS can flow from the source terminal to the drain terminal. This characteristic is called reverse conduction characteristic. FIG. 2C is an IV characteristic diagram showing the reverse conduction characteristic. As can be seen from FIG. 2C, in the state of Vgs = 0V, that is, in the state where the gate terminal and the source terminal are short-circuited, the diode I− is connected to the source terminal as the anode and the drain terminal as the cathode and the forward voltage is the threshold voltage Vth. It is the same as the V characteristic.

以上のように、図2A、図2B及び図2Cからわかることは、双方向スイッチング素子は、ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vth以上であれば、FET動作及び逆FET動作をし、オン抵抗値Ronを持つ抵抗と見なすことができる。一方、ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vth以下であれば、逆導通特性による動作をし、ソース端子をアノードとしドレイン端子をカソードとするダイオードと見なせる。このダイオードの順方向電圧は(Vth−Vgs)となる。   As can be seen from FIGS. 2A, 2B, and 2C, the bidirectional switching element performs the FET operation and the reverse FET operation when the gate / source voltage Vgs is equal to or higher than the threshold voltage Vth, and the on-resistance It can be regarded as a resistor having the value Ron. On the other hand, when the gate-source voltage Vgs is equal to or lower than the threshold voltage Vth, the operation is performed according to the reverse conduction characteristic, and it can be regarded as a diode having the source terminal as an anode and the drain terminal as a cathode. The forward voltage of this diode is (Vth−Vgs).

今後、本発明の実施の形態においては、双方向スイッチング素子を以下のように等価変換する。   In the future, in the embodiment of the present invention, the bidirectional switching element is equivalently converted as follows.

(1)ゲート/ソース間電圧Vgsが閾値電圧Vthより高い状態の双方向スイッチング素子のオン動作状態では、該スイッチング素子をオン抵抗値Ronの抵抗と見なす。   (1) In the ON operation state of the bidirectional switching element in which the gate / source voltage Vgs is higher than the threshold voltage Vth, the switching element is regarded as a resistance having an ON resistance value Ron.

(2)ゲート端子とソース端子とを短絡した双方向スイッチング素子のオフ動作状態では、該スイッチング素子を、ソース端子をアノードとしドレイン端子をカソードとするダイオードと見なす。   (2) In the off operation state of the bidirectional switching element in which the gate terminal and the source terminal are short-circuited, the switching element is regarded as a diode having the source terminal as an anode and the drain terminal as a cathode.

図2Dは、スイッチング素子のオン動作状態における等価変換を説明する図であり、図2Eは、スイッチング素子のオフ動作状態における等価変換を説明する図である。   FIG. 2D is a diagram for explaining equivalent conversion in the on-operation state of the switching element, and FIG. 2E is a diagram for explaining equivalent conversion in the off-operation state of the switching element.

次に、AC/DCコンバータ部30が有するドライブロジック回路53について説明する。   Next, the drive logic circuit 53 included in the AC / DC converter unit 30 will be described.

図3Aは、本発明の実施の形態に係るドライブロジック回路53の回路ブロック図であり、図3Bは、本発明の実施の形態に係るドライブロジック回路53の内部信号の動作タイミングチャートである。   FIG. 3A is a circuit block diagram of the drive logic circuit 53 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3B is an operation timing chart of internal signals of the drive logic circuit 53 according to the embodiment of the present invention.

図3Aに記載されたドライブロジック回路53は、PWM信号を入力し、交流スイッチS1及びS2の一方をPWM駆動させるためのLPWM信号を生成し、交流スイッチS1及びS2の他方をPWM駆動させるためのUPWM信号を生成する。ここで、PWM信号は、図1に示されたPWMコンパレータ12から出力された信号であり、昇圧動作をPWM制御するための信号である。上記LPWM信号により、上記交流スイッチS1及びS2の一方は昇圧動作のために昇圧用コイル4を駆動し、上記UPWM信号により、上記交流スイッチS1及びS2の他方は、上記交流スイッチS1及びS2の一方と同期動作する。   The drive logic circuit 53 shown in FIG. 3A receives a PWM signal, generates an LPWM signal for PWM driving one of the AC switches S1 and S2, and PWM-drives the other of the AC switches S1 and S2. A UPWM signal is generated. Here, the PWM signal is a signal output from the PWM comparator 12 shown in FIG. 1, and is a signal for PWM control of the boosting operation. One of the AC switches S1 and S2 drives the boosting coil 4 for boosting operation by the LPWM signal, and the other of the AC switches S1 and S2 is one of the AC switches S1 and S2 by the UPWM signal. Operates synchronously.

図3Bからわかるように、LPWM信号は、昇圧動作をPWM制御する為のPWM信号と同じ波形であるが、ある遅延時間DTだけPWM信号から遅延している。同じくUPWM信号は、LPWM信号とは逆極性の信号であり、UPWM信号とLPWM信号とが同時にLowである区間を遅延時間DTだけ設けるように波形生成されている。この2つの信号が同時にLowである区間をデッドタイムとよぶことにする。このデッドタイムにより2つの交流スイッチS1及びS2は、正常動作している限りは、同時にオン動作状態になることは在り得なくなる。   As can be seen from FIG. 3B, the LPWM signal has the same waveform as the PWM signal for PWM control of the boosting operation, but is delayed from the PWM signal by a certain delay time DT. Similarly, the UPWM signal is a signal having a polarity opposite to that of the LPWM signal, and a waveform is generated so that a section in which the UPWM signal and the LPWM signal are simultaneously Low is provided only for the delay time DT. A section in which these two signals are Low at the same time is called a dead time. Due to this dead time, as long as the two AC switches S1 and S2 are operating normally, they cannot be in the ON operation state at the same time.

結果的には、交流スイッチS1及びS2が共にオン動作状態することで昇圧型PFC制御装置の出力とGNDとが短絡状態となってしまう、いわゆる交流スイッチS1及びS2の貫通状態に陥ることが回避される。そして、昇圧用コイル4に蓄えられたエネルギーにより流れる電流は、LPWM信号とUPWM信号により、交流スイッチS1及びS2のスイッチング動作を経由して、平滑用コンデンサ7に移され安定した昇圧動作が実現される。この昇圧動作において、交流スイッチS1またはS2は、前述した等価変換の規則により、デッドタイムの区間は(勿論、デッドタイム区間だけでなくUPWM信号がLowである区間も)昇圧用ダイオードとして動作し、UPWM信号がHighである区間は、オン抵抗値Ronを有する抵抗として動作する。   As a result, it is avoided that the output of the step-up PFC control device and GND are short-circuited due to both of the AC switches S1 and S2 being in an on-operation state, so that the so-called AC switches S1 and S2 are not penetrated. Is done. The current flowing by the energy stored in the boosting coil 4 is transferred to the smoothing capacitor 7 by the LPWM signal and the UPWM signal via the switching operation of the AC switches S1 and S2, and a stable boosting operation is realized. The In this boosting operation, the AC switch S1 or S2 operates as a boosting diode in the dead time section (of course, not only in the dead time section but also in the section in which the UPWM signal is Low) according to the rules of equivalent conversion described above. The section in which the UPWM signal is High operates as a resistor having an on-resistance value Ron.

交流スイッチS1及びS2が昇圧用ダイオードとして動作している間で電流が流れる区間は、デッドタイム区間だけの非常に短い時間だけである。従って、従来の昇圧型PFC制御装置のスイッチング素子T1及びT2に比べ、交流スイッチS1及びS2の消費電力は非常に小さくなる。   The period in which current flows while the AC switches S1 and S2 operate as boosting diodes is only a very short period of time, which is a dead time period. Therefore, the power consumption of the AC switches S1 and S2 is very small compared to the switching elements T1 and T2 of the conventional step-up PFC control device.

ドライブロジック回路53の4つ出力信号G_S1〜G_S4は、4つの交流スイッチS1〜S4を制御する。図3Bのタイミング波形図のように、出力信号G_S1及びG_S2には、LPWM信号またはUPWM信号が出力され、出力信号G_S3及びG_S4には、HighまたはLowレベルの信号が出力される。なお、図3Bに記載されたDIR信号は、図1からわかるように、入力交流電源1の交流出力が昇圧用コイル4に正電圧を印加する場合にはHighレベル信号となり、交流出力が昇圧用コイル4に負電圧を印加する場合にはLowレベル信号となる。   Four output signals G_S1 to G_S4 of the drive logic circuit 53 control the four AC switches S1 to S4. As shown in the timing waveform diagram of FIG. 3B, the output signals G_S1 and G_S2 output the LPWM signal or the UPWM signal, and the output signals G_S3 and G_S4 output the high or low level signal. As can be seen from FIG. 1, the DIR signal shown in FIG. 3B becomes a high level signal when the AC output of the input AC power supply 1 applies a positive voltage to the boosting coil 4, and the AC output is for boosting. When a negative voltage is applied to the coil 4, it becomes a Low level signal.

図4Aは、入力交流電源の電圧極性が正の場合における、実施の形態に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図であり、図4Bは、入力交流電源の電圧極性が負の場合における、実施の形態に係るAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。図4A及び図4Bに記載された昇圧動作は、図3Aに示されたドライブロジック回路53がPWM動作をすることにより実現されるものである。ここで、入力交流電源1の電圧極性の正または負に依存せず、平滑用コンデンサ7には、常に昇圧用コイル4の磁気エネルギーによって電流が流れ、出力電圧Voが昇圧されることを説明する。   FIG. 4A is a diagram illustrating a current path of the boost operation of the AC / DC converter unit according to the embodiment when the voltage polarity of the input AC power supply is positive, and FIG. 4B is a diagram illustrating that the voltage polarity of the input AC power supply is negative. It is a figure showing the electric current path of the pressure | voltage rise operation | movement of the AC / DC converter part which concerns on embodiment in the case of. The boosting operation described in FIGS. 4A and 4B is realized by the PWM operation of the drive logic circuit 53 shown in FIG. 3A. Here, it will be described that a current always flows through the smoothing capacitor 7 by the magnetic energy of the boosting coil 4 and the output voltage Vo is boosted regardless of whether the voltage polarity of the input AC power supply 1 is positive or negative. .

入力交流電源1が正極性の時には、DIR信号がHighレベルであり、図3Bのタイミング波形図から、交流スイッチS2が昇圧用コイル4を駆動するためのLPWM信号を受け、交流スイッチS1がUPWM信号を受ける。交流スイッチS3はLowレベル信号を受け、交流スイッチS4はHighレベル信号を受ける。交流スイッチS1〜S4は、これらの信号を受け、図4Aに表された動作状態となる。なお、図4A及び図4Bでは、LPWM信号は昇圧用PWM動作を制御するPWM信号として記述しており、同期信号であるUPWM信号はPWM信号の反転信号を意味するバー付きのPWM信号として記述している。   When the input AC power supply 1 is positive, the DIR signal is at a high level. From the timing waveform diagram of FIG. 3B, the AC switch S2 receives the LPWM signal for driving the boosting coil 4, and the AC switch S1 is the UPWM signal. Receive. The AC switch S3 receives a Low level signal, and the AC switch S4 receives a High level signal. The AC switches S1 to S4 receive these signals and enter the operating state shown in FIG. 4A. In FIGS. 4A and 4B, the LPWM signal is described as a PWM signal for controlling the step-up PWM operation, and the UPWM signal that is a synchronization signal is described as a PWM signal with a bar that represents an inverted signal of the PWM signal. ing.

図4Aでは、交流スイッチS2がPWM動作をして昇圧用コイル4を駆動し、交流スイッチS1がPWM動作の反転した動作状態となり、交流スイッチS4がオン抵抗Ronを有する抵抗として働き電流を流し、交流スイッチS3はオフ動作状態のため等価回路的にはダイオードと見なせるが電流が流れない状態となっている。交流スイッチS2がPWM動作でオン動作状態の時は、図4Aの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。一方、交流スイッチS2がPWM動作でオフ動作状態の時は、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、図4Aの経路(b)にて電流が交流スイッチS1を経由して流れ、平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置100の出力電圧Voが昇圧されていく。   In FIG. 4A, the AC switch S2 performs a PWM operation to drive the boosting coil 4, the AC switch S1 enters an operation state in which the PWM operation is inverted, and the AC switch S4 functions as a resistor having an on-resistance Ron to pass a current. Since the AC switch S3 is in an OFF operation state, it can be regarded as a diode in terms of an equivalent circuit, but no current flows. When the AC switch S2 is in the ON operation state by the PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 4A. On the other hand, when the AC switch S2 is in the OFF operation state by PWM operation, current flows through the AC switch S1 in the path (b) of FIG. A current is charged from a terminal of the capacitor 7 that is not grounded, and the output voltage Vo of the step-up PFC control device 100 is stepped up.

交流スイッチS2及びS1の同期動作したPWM動作では、前述のデッドタイム区間が設けられてあり、交流スイッチS1及びS2が貫通状態に陥ることはない。デッドタイム区間の非常に短い時間では、交流スイッチS1は昇圧用ダイオードとして働く。交流スイッチS2がオンからオフ動作状態になると、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、昇圧用コイル4の電流は、デッドタイム区間では交流スイッチS1を昇圧用ダイオードとして、また、交流スイッチS1がオン動作状態では、交流スイッチS1を、オン抵抗Ronを有する抵抗として、交流スイッチS1を経由して図4Aの経路(b)にて平滑用コンデンサ7の接地されていない端子へ流入する。   In the PWM operation in which the AC switches S2 and S1 are operated synchronously, the above-described dead time interval is provided, and the AC switches S1 and S2 do not fall into the through state. In a very short time of the dead time interval, the AC switch S1 functions as a boosting diode. When the AC switch S2 is switched from ON to OFF, the current of the booster coil 4 is caused by the magnetic energy stored in the booster coil 4 so that the AC switch S1 is used as a booster diode and the AC switch S1 in the dead time period. In the ON operation state, the AC switch S1 flows as a resistor having an ON resistance Ron and flows into the ungrounded terminal of the smoothing capacitor 7 via the AC switch S1 through the path (b) of FIG. 4A.

これに対して、入力交流電源1が負極性の時には、DIR信号がLowレベルであり、図3Bのタイミング波形図から、入力交流電源1が正極性の場合と比べて交流スイッチS2及びS1の動きが逆となり、また交流スイッチS4及びS3の動きが逆となることが判る。   On the other hand, when the input AC power supply 1 has a negative polarity, the DIR signal is at a low level. From the timing waveform diagram of FIG. 3B, the movement of the AC switches S2 and S1 compared to the case where the input AC power supply 1 has a positive polarity. It turns out that the movements of the AC switches S4 and S3 are reversed.

図4Bでは、交流スイッチS1がPWM動作をして昇圧用コイル4を駆動し、交流スイッチS2がPWM動作の反転した動作状態となり、交流スイッチS3がオン抵抗Ronを有する抵抗として働き電流を流し、交流スイッチS4はオフ動作状態のため等価回路的にはダイオードと見なせるが電流が流れない状態となっている。交流スイッチS1がPWM動作でオン動作状態の時は、図4Bの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。一方、交流スイッチS1がPWM動作でオフ動作状態の時は、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、図4Bの経路(b)にて電流が交流スイッチS2を経由して流れ、平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置100の出力電圧Voが昇圧されていく。   In FIG. 4B, the AC switch S1 performs a PWM operation to drive the boosting coil 4, the AC switch S2 enters an operation state in which the PWM operation is inverted, and the AC switch S3 functions as a resistor having an on-resistance Ron to pass a current. Since the AC switch S4 is in an OFF operation state, it can be regarded as a diode in terms of an equivalent circuit, but no current flows. When the AC switch S1 is in the ON operation state by PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 4B. On the other hand, when the AC switch S1 is in the OFF operation state by PWM operation, current flows through the AC switch S2 in the path (b) of FIG. A current is charged from a terminal of the capacitor 7 that is not grounded, and the output voltage Vo of the step-up PFC control device 100 is stepped up.

この場合においても、交流スイッチS1及びS2の同期動作したPWM動作では、前述のデッドタイム区間が設けてあり、入力交流電源1が正極性である時の交流スイッチS1と同じ動作を交流スイッチS2が行い、昇圧用コイル4の電流は交流スイッチS2を経由して経路(b)で平滑用コンデンサ7の接地されていない端子へ流入する。   Even in this case, in the PWM operation in which the AC switches S1 and S2 are operated synchronously, the above-described dead time interval is provided, and the AC switch S2 performs the same operation as the AC switch S1 when the input AC power supply 1 is positive. Then, the current of the boosting coil 4 flows into the ungrounded terminal of the smoothing capacitor 7 via the AC switch S2 through the path (b).

つまり、ドライブロジック回路53は、交流スイッチS1〜S4のオンオフ状態を制御することにより、双方向電流の電流径路を切り換えて、昇圧用コイル4への磁気エネルギーの蓄積と平滑用コンデンサ7への電荷蓄積とを交互に行わせる。   That is, the drive logic circuit 53 switches the current path of the bidirectional current by controlling the on / off states of the AC switches S1 to S4 to accumulate magnetic energy in the boosting coil 4 and charge to the smoothing capacitor 7. Accumulate and alternate.

以上の動作より、入力交流電源1の電圧極性が正であっても負であっても平滑用コンデンサ7の接地されていない端子には、常に昇圧用コイル4の磁気エネルギーによって電流が流れ、出力電圧Voは昇圧されることが判る。従って、図1に示された昇圧型PFC制御装置100は、整流ダイオードブリッジが無いにもかかわらず、入力交流電源1の交流電圧を整流し昇圧する機能を有することがわかる。   From the above operation, a current always flows through the terminal of the smoothing capacitor 7 that is not grounded regardless of whether the voltage polarity of the input AC power supply 1 is positive or negative, by the magnetic energy of the boosting coil 4, and output It can be seen that the voltage Vo is boosted. Therefore, it can be seen that the step-up PFC control device 100 shown in FIG. 1 has a function of rectifying and stepping up the AC voltage of the input AC power supply 1 even though there is no rectifier diode bridge.

また、図1に示された昇圧用コイル4に流れる電流が略零の状態では、図3Aに示されたヒステリシス比較器が、電流検出素子3の出力信号を第2絶対値回路11で正の電圧信号に変換した信号Scと、比較基準電圧VRBとを比較することにより、電流がほとんど流れていないことを検出する。Highレベルのゲート信号を受けてオン抵抗値Ronを有する抵抗として動作している交流スイッチS1またはS2は、上記ヒステリシス比較器のゼロ電流検出動作により、そのゲート信号をHighレベルからLowレベルに変化させられることで、ダイオード動作へと変化する。   When the current flowing through the boosting coil 4 shown in FIG. 1 is substantially zero, the hysteresis comparator shown in FIG. 3A outputs the output signal of the current detection element 3 to the positive value in the second absolute value circuit 11. By comparing the signal Sc converted into a voltage signal with the comparison reference voltage VRB, it is detected that almost no current flows. The AC switch S1 or S2 operating as a resistor having an on-resistance value Ron upon receiving a high-level gate signal changes the gate signal from the high level to the low level by the zero current detection operation of the hysteresis comparator. As a result, the operation changes to diode operation.

この機能は、昇圧用コイル4に流れる電流が略零の場合、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気的なエネルギーがなくなるために、出力側から交流スイッチと昇圧用コイル4を介して入力交流電源1に電流が逆流することを回避するためのものである。   In this function, when the current flowing through the boosting coil 4 is substantially zero, the magnetic energy stored in the boosting coil 4 is lost, so that the input AC power source is connected from the output side through the AC switch and the boosting coil 4. This is to prevent the current from flowing back to 1.

なお、昇圧用コイル4にて電流が流れなくなると、昇圧用コイル4の両端電圧がリンギング現象を起こすことがある。この場合は、図3Aに図示されていないが、ヒステリシス比較器の出力信号がLowレベルになるとある一定期間Lowレベルを維持する機能を、ヒステリシス比較器の後段に追加すればよい。   If no current flows through the boosting coil 4, the voltage across the boosting coil 4 may cause a ringing phenomenon. In this case, although not shown in FIG. 3A, a function of maintaining the Low level for a certain period when the output signal of the hysteresis comparator becomes Low level may be added to the subsequent stage of the hysteresis comparator.

以上、本発明の実施の形態に係る昇圧型PFC制御装置100により、ダイオードが無く、またスイッチング素子の寄生ダイオードも無い昇圧型PFC制御装置が実現される。   As described above, the step-up PFC control apparatus 100 according to the embodiment of the present invention realizes a step-up PFC control apparatus without a diode and without a parasitic diode of a switching element.

従来の昇圧型PFC制御装置の消費電力において、ダイオードとスイッチング素子の寄生ダイオードとが影響する導通損失とスイッチング損失とが、装置全体の電力損失に対して大きな比重を占めていた。これに対して、本発明に係る昇圧型PFC制御装置では、ダイオードとスイッチング素子の寄生ダイオードとを無くしたことで、従来の整流及び昇圧動作を維持しつつ消費電力を大幅に削減できる。   In the power consumption of the conventional boost type PFC control device, the conduction loss and the switching loss influenced by the diode and the parasitic diode of the switching element occupy a large proportion of the power loss of the entire device. In contrast, in the step-up PFC control device according to the present invention, the power consumption can be greatly reduced while maintaining the conventional rectification and step-up operation by eliminating the diode and the parasitic diode of the switching element.

また、交流スイッチとして用いられる双方向スイッチング素子は、寄生ダイオードを持たず、そのため、寄生ダイオードによるリカバリー電流が無い。これにより、スイッチング周波数を上げても昇圧型PFC制御装置のスイッチング損失の大幅な増加はなく、スイッチング周波数を上げて昇圧用コイル4を小さくすることが可能となる。   In addition, the bidirectional switching element used as an AC switch does not have a parasitic diode, and therefore there is no recovery current due to the parasitic diode. As a result, even if the switching frequency is increased, the switching loss of the step-up PFC controller does not increase significantly, and the step-up coil 4 can be made smaller by increasing the switching frequency.

また、昇圧型PFC制御装置が有するPFC制御部は、従来からの昇圧型PFC制御装置の制御部をそのまま用いることができるので、従来の昇圧型PFC制御装置から本発明の昇圧型PFC制御装置の置き換えも容易にできる。   Further, since the PFC control unit included in the boost type PFC control device can use the control unit of the conventional boost type PFC control device as it is, the boost type PFC control device of the present invention is changed from the conventional boost type PFC control device. Replacement is also easy.

なお、上述したスイッチング素子は、半導体基板の上に形成された窒化物半導体層からなる積層体と、当該積層体の上に互いに間隔をおいて形成されたドレイン端子及びソース端子と、当該ドレイン端子及びソース端子の間に形成されたゲート端子とを備えることを特徴とするものであってもよい。このスイッチング素子について、図5を用いて説明する。   Note that the switching element described above includes a stacked body formed of a nitride semiconductor layer formed on a semiconductor substrate, a drain terminal and a source terminal formed on the stacked body at intervals, and the drain terminal. And a gate terminal formed between the source terminals. This switching element will be described with reference to FIG.

図5は、本発明の昇圧型PFC制御装置が有する双方向スイッチング素子の断面図の一例である。同図に記載された双方向スイッチング素子は、半導体基板の上に形成された窒化物半導体からなるノーマリオフ型のヘテロ接合FETである。具体的には、上記スイッチング素子は、シリコン基板201の上にバッファ層202を介して半導体層の積層体203が形成されることにより実現される。   FIG. 5 is an example of a cross-sectional view of a bidirectional switching element included in the step-up PFC control device of the present invention. The bidirectional switching element shown in the figure is a normally-off type heterojunction FET made of a nitride semiconductor formed on a semiconductor substrate. Specifically, the switching element is realized by forming a stacked body 203 of semiconductor layers on a silicon substrate 201 via a buffer layer 202.

バッファ層202は、窒化アルミニウムと窒化ガリウムとが交互に積層されたものである。   The buffer layer 202 is formed by alternately stacking aluminum nitride and gallium nitride.

積層体203は、アンドープ窒化ガリウム層204の上にn型窒化アルミニウムガリウム層205が形成されたもので、この2つの層の間のヘテロ界面近傍には2次元電子ガスと呼ばれるキャリア濃度の高いFETのチャンネル領域が生成される。   In the stacked body 203, an n-type aluminum gallium nitride layer 205 is formed on an undoped gallium nitride layer 204, and an FET having a high carrier concentration called a two-dimensional electron gas is located in the vicinity of the heterointerface between the two layers. Channel regions are generated.

積層体203の上に、ソース端子とドレイン端子とを形成するために、チャンネル領域とオーミック接合するするソース端子用オーミック電極206aとドレイン端子用オーミック電極206bと配線210とが配置される。   On the stacked body 203, in order to form a source terminal and a drain terminal, a source terminal ohmic electrode 206a, a drain terminal ohmic electrode 206b, and a wiring 210 which are in ohmic contact with the channel region are arranged.

ソース端子用オーミック電極206aとドレイン端子用オーミック電極206bとの間の領域では、FET特性を制御するp型半導体層であるコントロール層209がn型窒化アルミニウムガリウム層205の上に形成される。   In a region between the source terminal ohmic electrode 206a and the drain terminal ohmic electrode 206b, a control layer 209, which is a p-type semiconductor layer for controlling FET characteristics, is formed on the n-type aluminum gallium nitride layer 205.

コントロール層209の上にはゲート電極208が形成され、コントロール層209とはオーミック接触している。このゲート電極208に与えられる電気信号により、ノーマリオフ型のヘテロ接合FET、すなわち、双方向型のスイッチング素子のドレイン端子とソース端子の間に流れる電流が制御される。   A gate electrode 208 is formed on the control layer 209 and is in ohmic contact with the control layer 209. The electric signal supplied to the gate electrode 208 controls the current flowing between the drain terminal and the source terminal of the normally-off type heterojunction FET, that is, the bidirectional switching element.

図5において、ドレイン端子用オーミック電極206bからゲート電極208までの距離が、ソース端子用オーミック電極206aからゲート電極208までの距離より長いのは、ドレイン端子とゲート端子間の耐圧のほうがソース端子とゲート端子間の耐圧より大きいことが要求されるためである。   In FIG. 5, the distance from the drain terminal ohmic electrode 206b to the gate electrode 208 is longer than the distance from the source terminal ohmic electrode 206a to the gate electrode 208 because the withstand voltage between the drain terminal and the gate terminal is higher than the source terminal. This is because it is required to be larger than the breakdown voltage between the gate terminals.

図5のように形成された双方向型のスイッチング素子は、GaNトランジスタと呼ばれ、IGBTのように高耐圧で大電流駆動することができるデバイスである。また、IGBTの電流電圧特性におけるPN接合によるオフセット電圧を持たずに、図2A及び図2Bで示したような双方に電流を流す特性を有する。さらに、デバイスのチップ面積に対してオン抵抗成分Ronが非常に小さい。加えて、上記GaNトランジスタは、図2Cに示した逆導通特性をも有する。   The bidirectional switching element formed as shown in FIG. 5 is called a GaN transistor, and is a device that can be driven with a high current with a high breakdown voltage, such as an IGBT. Further, the current-voltage characteristics of the IGBT have a characteristic of flowing a current through both of them as shown in FIGS. 2A and 2B without having an offset voltage due to a PN junction. Furthermore, the on-resistance component Ron is very small with respect to the chip area of the device. In addition, the GaN transistor also has the reverse conduction characteristics shown in FIG. 2C.

上述した特性に加え、GaNトランジスタは、少数キャリアによる蓄積効果がほとんどなく、IGBTや他のシリコン系半導体素子のようなターンオフ時のテール電流効果もほとんどない。   In addition to the above-described characteristics, the GaN transistor has almost no accumulation effect due to minority carriers, and almost no tail current effect during turn-off as in IGBTs and other silicon-based semiconductor devices.

故に、上記GaNトランジスタを双方向スイッチング素子として用いた交流スイッチで構成されたAC/DCコンバータ部30は、その非常に小さなオン抵抗値Ronによる導通損失の低減と少数キャリア蓄積効果がほとんど無いことによるスイッチング損失の低減により、消費電力を大幅に小さくできる。   Therefore, the AC / DC converter unit 30 composed of an AC switch using the GaN transistor as a bidirectional switching element has a reduced conduction loss due to its very small on-resistance value Ron and almost no minority carrier storage effect. By reducing switching loss, power consumption can be greatly reduced.

また、上記双方向型のスイッチング素子にGaNトランジスタを適用することで、リカバリー電流によるスイッチング損失増大の影響もほとんど無く、スイッチング損失の低減によりスイッチング周波数を上げることが可能となり、これにより昇圧用コイル4のサイズを小さくでき、結果的に装置の小型化が可能となる。   In addition, by applying a GaN transistor to the bidirectional switching element, there is almost no influence of an increase in switching loss due to the recovery current, and the switching frequency can be increased by reducing the switching loss. As a result, the apparatus can be miniaturized.

従って、本発明の実施の形態に係る昇圧型PFC制御装置100の双方向スイッチング素子としてGaNトランジスタを用いることで、より低消費電力の昇圧型PFC制御装置が実現できる。   Therefore, by using a GaN transistor as the bidirectional switching element of the step-up PFC control apparatus 100 according to the embodiment of the present invention, a step-down PFC control apparatus with lower power consumption can be realized.

図6は、本発明の実施の形態の第1の変形例に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。同図に記載された昇圧型PFC制御装置150は、図1に記載された昇圧型PFC制御装置100と比較して、AC/DCコンバータ部31の交流スイッチの一部が構成として異なる。以下、図1に記載された昇圧型PFC制御装置100と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。   FIG. 6 is a circuit block diagram of a step-up PFC control device according to a first modification of the embodiment of the present invention. The step-up PFC control device 150 shown in the figure is different from the step-up PFC control device 100 shown in FIG. 1 in the configuration of a part of the AC switch of the AC / DC converter unit 31. Hereinafter, the description of the same points as the step-up PFC control apparatus 100 described in FIG.

交流スイッチS2及びS4は、それぞれ、ドレイン端子同士が直列接続された2つの双方向スイッチング素子で構成されている。この構成により、交流スイッチの耐圧を上げることが可能となり、より高入力耐圧の昇圧型PFC制御装置が実現できる。また、昇圧型PFC制御装置150では、図示されているOFF信号にLowレベルの信号を与えることにより、昇圧型PFC制御装置150の入力交流電源1から出力側を切り離すことができる。   Each of the AC switches S2 and S4 is composed of two bidirectional switching elements in which drain terminals are connected in series. With this configuration, it is possible to increase the withstand voltage of the AC switch, and a higher input withstand voltage boost type PFC control device can be realized. Further, in the step-up PFC control device 150, the output side can be disconnected from the input AC power supply 1 of the step-up PFC control device 150 by giving a low level signal to the illustrated OFF signal.

図7Aは、入力交流電源の電圧極性が正の場合における、実施の形態の第1の変形例に係る交流スイッチの状態を表す等価回路図であり、図7Bは、入力交流電源の電圧極性が負の場合における、実施の形態の第1の変形例に係る交流スイッチの状態を表す等価回路図である。図7A及び図7Bでは、PWMコンパレータ12の出力であるPWM信号はLowレベルで、OFF信号もLowレベルとしている。   FIG. 7A is an equivalent circuit diagram showing the state of the AC switch according to the first modification of the embodiment when the voltage polarity of the input AC power supply is positive, and FIG. 7B shows the voltage polarity of the input AC power supply. It is an equivalent circuit diagram showing the state of the alternating current switch which concerns on the 1st modification of embodiment in the negative case. 7A and 7B, the PWM signal that is the output of the PWM comparator 12 is at the low level, and the OFF signal is also at the low level.

なお、本変形例では、交流スイッチS2及びS4を、それぞれ、2つの双方向スイッチング素子の直列接続により構成されるものとしたが、交流スイッチS1及びS3に当該直列接続された2つの双方向スイッチング素子を適用し、交流スイッチS2及びS4を通常の交流スイッチとしてもよい。   In this modification, the AC switches S2 and S4 are each configured by connecting two bidirectional switching elements in series, but the two bidirectional switching connected in series to the AC switches S1 and S3. An element is applied, and the AC switches S2 and S4 may be normal AC switches.

また、本変形例に係る交流スイッチS2及びS4は、2つの双方スイッチング素子の各ドレイン端子が接続された構成としているが、ソース端子同士が接続された形で直列接続されたものでもよい。   Moreover, although AC switch S2 and S4 which concern on this modification are set as the structure by which each drain terminal of two both switching elements was connected, the thing connected in series with the form which the source terminals were connected may be used.

図8Aは、本発明の実施の形態の第2の変形例のドライブロジック回路63の回路ブロック図であり、図8Bは、本発明の実施の形態の第2の変形例のドライブロジック回路63の内部信号の動作タイミングチャートである。   FIG. 8A is a circuit block diagram of a drive logic circuit 63 according to a second modification of the embodiment of the present invention, and FIG. 8B illustrates a drive logic circuit 63 according to the second modification of the embodiment of the present invention. It is an operation | movement timing chart of an internal signal.

図8Aに記載されたドライブロジック回路63は、PWM信号を入力し、交流スイッチS2及びS4の一方をPWM駆動させるためのLPWM信号を生成し、交流スイッチS1及びS3の一方をPWM駆動させるためのUPWM信号を生成する。ここで、PWM信号は、図1に示されたPWMコンパレータ12から出力された信号であり、昇圧動作をPWM制御するための信号である。上記LPWM信号により、上記交流スイッチS2及びS4の一方は昇圧動作のために昇圧用コイル4を駆動し、上記UPWM信号により、上記交流スイッチS1及びS3の一方は、上記交流スイッチS2及びS4の一方と同期動作する。   The drive logic circuit 63 shown in FIG. 8A receives a PWM signal, generates an LPWM signal for PWM driving one of the AC switches S2 and S4, and PWM drives one of the AC switches S1 and S3. A UPWM signal is generated. Here, the PWM signal is a signal output from the PWM comparator 12 shown in FIG. 1, and is a signal for PWM control of the boosting operation. One of the AC switches S2 and S4 drives the boosting coil 4 for boosting operation by the LPWM signal, and one of the AC switches S1 and S3 is one of the AC switches S2 and S4 by the UPWM signal. Operates synchronously.

図8Bからわかるように、PWM信号、UPWM信号及びLPWM信号の関係は、図3Bで説明した関係と同じである。この2つの信号が同時にLowである区間をデッドタイムと呼ぶことにする。UPWM信号及びLPWM信号が同時にLowであるデッドタイムにより、2つの交流スイッチS1及びS2、または、交流スイッチS3及びS4が、正常動作している限りは、同時にオン動作状態になることは在り得なくなる。   As can be seen from FIG. 8B, the relationship among the PWM signal, the UPWM signal, and the LPWM signal is the same as the relationship described in FIG. 3B. A section in which these two signals are Low at the same time is called a dead time. Due to the dead time when the UPWM signal and the LPWM signal are simultaneously Low, as long as the two AC switches S1 and S2 or the AC switches S3 and S4 are operating normally, they cannot be in the ON operation state at the same time. .

結果的には、交流スイッチS1及びS2、または、交流スイッチS3及びS4が共にオン動作状態することで昇圧型PFC制御装置200の出力とGNDとが短絡状態となってしまう、いわゆる貫通状態に陥るこが回避される。そして、昇圧用コイル4に蓄えられたエネルギーにより流れる電流は、S2またはS4がLPWM信号によりスイッチング動作をすることで、交流スイッチS1またはS3のUPWM信号によるスイッチング動作を経由して、平滑用コンデンサ7に移され安定した昇圧動作が実現される。この昇圧動作において、UPWM信号でスイッチング動作する交流スイッチS3またはS4は、前述した等価変換の規則により、デッドタイムの区間は(勿論、デッドタイム区間だけでなくUPWM信号がLowである区間も)昇圧用ダイオードとして動作し、UPWM信号がHighである区間は、オン抵抗値Ronを有する抵抗として動作する。   As a result, when the AC switches S1 and S2 or the AC switches S3 and S4 are both turned on, the output of the step-up PFC control device 200 and the GND are short-circuited, resulting in a so-called through state. This is avoided. The current flowing due to the energy stored in the boosting coil 4 is switched by the smoothing capacitor 7 via the switching operation by the UPWM signal of the AC switch S1 or S3 when S2 or S4 performs the switching operation by the LPWM signal. And a stable boosting operation is realized. In this boosting operation, the AC switch S3 or S4 that performs switching operation with the UPWM signal is boosted in the dead time interval (of course, not only in the dead time interval but also in the interval in which the UPWM signal is Low) according to the rules of equivalent conversion described above. A section in which the UPWM signal is High operates as a resistor having an on-resistance value Ron.

交流スイッチS1及びS3が昇圧用ダイオードとして動作している間で電流が流れる区間は、デッドタイム区間だけの非常に短い時間だけである。従って、従来の昇圧型PFC制御装置のスイッチング素子T3及びT4に比べ、交流スイッチS1及びS3の消費電力は非常に小さくなる。   The period during which the current flows while the AC switches S1 and S3 are operating as boosting diodes is only a very short period of the dead time period. Therefore, the power consumption of the AC switches S1 and S3 is very small compared to the switching elements T3 and T4 of the conventional step-up PFC control device.

ドライブロジック回路63の出力は実施の形態のものと同じく4つある。各出力信号G_S1〜G_S4は、それぞれ、交流スイッチS1〜S4を制御する。図8Bのタイミング波形図のように、出力信号G_S2及びG_S4には、LPWM信号またはHighレベルの信号が出力され、出力信号G_S1及びG_S3には、UPWM信号またはLowレベルの信号が出力される。なお、図8Bに記載されたDIR信号は、図1からわかるように、入力交流電源1の交流出力が昇圧用コイル4に正電圧を印加する場合にはHighレベル信号となり、交流出力が昇圧用コイル4に負電圧を印加する場合にはLowレベル信号となる。   There are four outputs of the drive logic circuit 63 as in the embodiment. The output signals G_S1 to G_S4 control the AC switches S1 to S4, respectively. As shown in the timing waveform diagram of FIG. 8B, the output signals G_S2 and G_S4 output an LPWM signal or a high level signal, and the output signals G_S1 and G_S3 output a UPWM signal or a low level signal. As can be seen from FIG. 1, the DIR signal shown in FIG. 8B becomes a high level signal when the AC output of the input AC power supply 1 applies a positive voltage to the boosting coil 4, and the AC output is for boosting. When a negative voltage is applied to the coil 4, it becomes a Low level signal.

図9Aは、入力交流電源の電圧極性が正の場合のAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図であり、図9Bは、入力交流電源の電圧極性が負の場合のAC/DCコンバータ部の昇圧動作の電流パスを表す図である。図9A及び図9Bに記載された昇圧動作は、図8Aに示されたドライブロジック回路63がPWM動作をすることにより実現されるものである。ここで、入力交流電源1の電圧極性の正または負に依存せず、平滑用コンデンサ7には、常に昇圧用コイル4の磁気エネルギーによって電流が流れ、出力電圧Voが昇圧されることを説明する。   FIG. 9A is a diagram showing a current path of the boost operation of the AC / DC converter unit when the voltage polarity of the input AC power supply is positive, and FIG. 9B is an AC / DC when the voltage polarity of the input AC power supply is negative. It is a figure showing the electric current path of the pressure | voltage rise operation of a converter part. The boosting operation described in FIGS. 9A and 9B is realized by the PWM operation of the drive logic circuit 63 shown in FIG. 8A. Here, it will be described that a current always flows through the smoothing capacitor 7 by the magnetic energy of the boosting coil 4 and the output voltage Vo is boosted regardless of whether the voltage polarity of the input AC power supply 1 is positive or negative. .

入力交流電源1が正極性の時には、DIR信号がLowレベルであり、図8Bのタイミング波形図から、交流スイッチS2が昇圧用コイル4を駆動するためのLPWM信号を受け、交流スイッチS1がUPWM信号を受ける。交流スイッチS3はLowレベル信号を受け、交流スイッチS4はHighレベル信号を受ける。交流スイッチS1〜S4は、これらの信号を受け、図9Aに表された動作状態となる。なお、図9A及び図9Bでは、LPWM信号は昇圧用PWM動作を制御するPWM信号として記述しており、同期信号であるUPWM信号はPWM信号の反転信号を意味するバー付きのPWM信号として記述している。   When the input AC power supply 1 is positive, the DIR signal is at a low level. From the timing waveform diagram of FIG. 8B, the AC switch S2 receives the LPWM signal for driving the boosting coil 4, and the AC switch S1 is the UPWM signal. Receive. The AC switch S3 receives a Low level signal, and the AC switch S4 receives a High level signal. The AC switches S1 to S4 receive these signals and enter the operating state shown in FIG. 9A. In FIGS. 9A and 9B, the LPWM signal is described as a PWM signal for controlling the step-up PWM operation, and the UPWM signal that is a synchronization signal is described as a PWM signal with a bar that represents an inverted signal of the PWM signal. ing.

図9Aでは、交流スイッチS2がPWM動作をして昇圧用コイル4を駆動し、交流スイッチS1がPWM動作の反転した動作状態となる。交流スイッチS4はオン抵抗Ronを有する抵抗として電流を流し、交流スイッチS3はオフ動作状態のため等価回路的にはダイオードと見なせるが電流が流れない状態となっている。交流スイッチS2がPWM動作でオン動作状態の時は、図9Aの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。一方、交流スイッチS2がPWM動作でオフ動作状態の時は、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、図9Aの経路(b)にて電流が交流スイッチS1を経由して流れ、平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置200の出力電圧Voが昇圧されていく。   In FIG. 9A, the AC switch S2 performs a PWM operation to drive the boosting coil 4, and the AC switch S1 is in an operation state in which the PWM operation is inverted. The AC switch S4 allows current to flow as a resistor having an ON resistance Ron, and the AC switch S3 is in an OFF operation state, so that it can be regarded as a diode in terms of an equivalent circuit, but no current flows. When the AC switch S2 is in the ON operation state by the PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 9A. On the other hand, when the AC switch S2 is in the OFF operation state by the PWM operation, current flows through the AC switch S1 in the path (b) of FIG. 9A due to the magnetic energy stored in the boosting coil 4, and smoothing is performed. A current is charged from a terminal of the capacitor 7 that is not grounded, and the output voltage Vo of the step-up PFC control device 200 is stepped up.

交流スイッチS2及びS1の同期動作したPWM動作では、前述のデッドタイム期間が設けられており、交流スイッチS2及びS1が貫通状態に陥ることはない。交流スイッチS2がオンからオフ動作状態になると、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、昇圧用コイル4の電流は、デッドタイム期間では交流スイッチS1を昇圧用ダイオードとして、また、交流スイッチS1がオン動作状態では、交流スイッチS1を、オン抵抗Ronを有する抵抗として、交流スイッチS1を経由して図9Aの経路(b)にて平滑用コンデンサ7の接地されていない端子へ流入する。   In the PWM operation in which the AC switches S2 and S1 are operated synchronously, the above-described dead time period is provided, and the AC switches S2 and S1 do not fall into the through state. When the AC switch S2 is switched from ON to OFF, the current in the booster coil 4 is caused by the magnetic energy stored in the booster coil 4 so that the AC switch S1 is used as a booster diode and the AC switch S1 during the dead time period. In the ON operation state, the AC switch S1 flows as a resistor having an ON resistance Ron and flows into the ungrounded terminal of the smoothing capacitor 7 via the AC switch S1 through the path (b) of FIG. 9A.

これに対して、入力交流電源1が負極性の時には、DIR信号がHighレベルであり、図8Bのタイミング波形図から、入力交流電源1が正極性の場合と比べて交流スイッチS2及びS4の動きが逆となり、また、交流スイッチS1及びS3の動きが逆となることが判る。   On the other hand, when the input AC power supply 1 has a negative polarity, the DIR signal is at a high level. From the timing waveform diagram of FIG. 8B, the movement of the AC switches S2 and S4 compared to the case where the input AC power supply 1 has a positive polarity. Is reversed, and the movements of the AC switches S1 and S3 are reversed.

図9Bでは、交流スイッチS4がPWM動作をして昇圧用コイル4を駆動し、交流スイッチS3がPWM動作の反転した動作状態となり、交流スイッチS2がオン抵抗Ronを有する抵抗として電流を流し、交流スイッチS1はオフ動作状態のため等価回路的にはダイオードと見なせるが電流が流れない状態となっている。交流スイッチS4がPWM動作でオン動作状態の時は、図9Bの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。一方、交流スイッチS4がPWM動作でオフ動作状態の時は、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより、図9Bの経路(b)にて電流が交流スイッチS3を経由して流れ、平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置200の出力電圧Voが昇圧されていく。   In FIG. 9B, the AC switch S4 performs a PWM operation to drive the boosting coil 4, the AC switch S3 enters an operation state in which the PWM operation is inverted, and the AC switch S2 passes a current as a resistor having an on-resistance Ron. Since the switch S1 is in the OFF operation state, it can be regarded as a diode in terms of an equivalent circuit, but no current flows. When the AC switch S4 is in the ON operation state by the PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 9B. On the other hand, when the AC switch S4 is in the OFF operation state by the PWM operation, the magnetic energy stored in the boosting coil 4 causes a current to flow through the AC switch S3 in the path (b) of FIG. A current is charged from a terminal of the capacitor 7 that is not grounded, and the output voltage Vo of the step-up PFC control device 200 is stepped up.

この場合においても、交流スイッチS4及びS3の同期動作したPWM動作では、前述のデッドタイム区間が設けてあり、入力交流電源1が正極性である時の交流スイッチS1と同じ動作を交流スイッチS3が行い、昇圧用コイル4の電流は交流スイッチS3を経由して経路(b)で平滑用コンデンサ7の接地されていない端子へ流入する。   Even in this case, in the PWM operation in which the AC switches S4 and S3 are operated synchronously, the dead time interval described above is provided, and the AC switch S3 performs the same operation as the AC switch S1 when the input AC power source 1 is positive. Then, the current of the boosting coil 4 flows into the ungrounded terminal of the smoothing capacitor 7 through the path (b) via the AC switch S3.

以上の動作より、入力交流電源1の電圧極性が正であっても負であっても平滑用コンデンサ7の接地されていない端子には、常に昇圧用コイル4の磁気エネルギーによって電流が流れ、出力電圧Voは昇圧されることが判る。従って、図1のドライブロジック回路53を実施形態のもう一つの変形例のドライブロジック回路63に置き換えても、結果的に同じ昇圧動作を実現していることがわかる。   From the above operation, a current always flows through the terminal of the smoothing capacitor 7 that is not grounded regardless of whether the voltage polarity of the input AC power supply 1 is positive or negative, by the magnetic energy of the boosting coil 4, and output It can be seen that the voltage Vo is boosted. Therefore, it can be seen that even if the drive logic circuit 53 of FIG. 1 is replaced with the drive logic circuit 63 of another modification of the embodiment, the same boosting operation is realized as a result.

また、図1に示された昇圧用コイル4に流れる電流が略零の状態では、図8Aに示されたヒステリシス比較器が、電流検出素子3の出力信号を第2絶対値回路11で正の電圧信号に変換した信号Scと、比較基準電圧VRBとを比較することにより、電流がほとんどないことを検出する。また、図8Bのように、LPWM信号で昇圧用コイル4をスイッチング駆動している交流スイッチS2またはS4に対してUPWM信号により同期動作している交流スイッチS1またはS3は、上記ヒステリシス比較器のゼロ電流検出動作により、そのゲート信号をLowレベルに変化させられ、交流スイッチS1またはS3はダイオード動作へと変化する。   When the current flowing through the boosting coil 4 shown in FIG. 1 is substantially zero, the hysteresis comparator shown in FIG. 8A causes the output signal of the current detection element 3 to be positive by the second absolute value circuit 11. By comparing the signal Sc converted into the voltage signal with the comparison reference voltage VRB, it is detected that there is almost no current. Further, as shown in FIG. 8B, the AC switch S1 or S3 that operates synchronously with the UPWM signal with respect to the AC switch S2 or S4 that switches the boosting coil 4 with the LPWM signal is the zero of the hysteresis comparator. The gate signal is changed to a low level by the current detection operation, and the AC switch S1 or S3 is changed to a diode operation.

この機能は、昇圧用コイル4に流れる電流が略零の場合、昇圧用コイル4に蓄えられた磁気的なエネルギーがなくなるために、出力側から交流スイッチと昇圧用コイル4を介して入力交流電源1に電流が逆流することを回避するためのものである。   In this function, when the current flowing through the boosting coil 4 is substantially zero, the magnetic energy stored in the boosting coil 4 is lost, so that the input AC power source is connected from the output side through the AC switch and the boosting coil 4. This is to prevent the current from flowing back to 1.

なお、昇圧用コイル4にて電流が流れなくなると、昇圧用コイル4の両端電圧がリンギング現象を起こすことがある。この場合は、図8Aに図示されていないが、ヒステリシス比較器の出力信号がLowレベルになるとある一定期間Lowレベルを維持する機能を、ヒステリシス比較器の後段に追加すればよい。   If no current flows through the boosting coil 4, the voltage across the boosting coil 4 may cause a ringing phenomenon. In this case, although not shown in FIG. 8A, a function of maintaining the Low level for a certain period when the output signal of the hysteresis comparator becomes Low level may be added to the subsequent stage of the hysteresis comparator.

以上、本発明の実施の形態の第2の変形例のドライブロジック回路63により、ダイオードが無く、またスイッチング素子の寄生ダイオードも無い昇圧型PFC制御装置が実現される。   As described above, the drive logic circuit 63 according to the second modified example of the embodiment of the present invention realizes a step-up PFC control device without a diode and without a parasitic diode of a switching element.

(比較例)
以下では、本発明の実施の形態及びその変形例に対する比較例について説明する。
(Comparative example)
Below, the comparative example with respect to embodiment of this invention and its modification is demonstrated.

図10は、比較例に係る昇圧型PFC制御装置の回路ブロック図である。同図に記載された昇圧型PFC制御装置300は、整流ダイオードブリッジのない昇圧型PFC回路である。   FIG. 10 is a circuit block diagram of a boost type PFC control device according to a comparative example. The step-up type PFC control device 300 shown in the figure is a step-up type PFC circuit without a rectifier diode bridge.

本比較例に係る昇圧型PFC制御装置300は、図13に記載された特許文献1の昇圧型PFC制御装置500が有している、昇圧動作のために180度位相をずらしてスイッチング動作を2回行うための仕組み(一対のスイッチング素子T3及びT4)と高域阻止フィルタ502とが除外されている。また、昇圧型PFC制御装置500が有している、スイッチング動作を行う一対のスイッチング素子T1及びT2は、n形MOSFET等のシリコン系半導体のスイッチング素子T5及びT6に置き換えられ、且つ、スイッチング素子T5及びT6を駆動するためのレベルシフト機能を有するプリドライブ回路51と電源52とが付加されている。以後、図13を基に、整流ダイオードブリッジのない昇圧型PFC制御装置300の動作及び課題を説明する。   The step-up PFC control apparatus 300 according to this comparative example includes the step-up PFC control apparatus 500 of Patent Document 1 described in FIG. A mechanism (a pair of switching elements T3 and T4) and a high-frequency block filter 502 are excluded. In addition, the pair of switching elements T1 and T2 that perform the switching operation included in the step-up PFC control device 500 are replaced with switching elements T5 and T6 of silicon-based semiconductor such as n-type MOSFET, and the switching element T5. And a pre-drive circuit 51 having a level shift function for driving T6 and a power source 52 are added. Hereinafter, the operation and problem of the step-up PFC control apparatus 300 without a rectifier diode bridge will be described with reference to FIG.

図10において、第1誤差増幅器19は昇圧型PFC制御装置300の出力電圧Voと出力電圧を設定する基準電圧源18の電圧値Vrefとの差分に比例した誤差電圧Veを生成する。差動増幅器17及び第1絶対値回路21により入力交流電源1の交流電圧を全波整流した電圧と相似形に波形生成された電圧信号Vinaが生成される。乗算回路10は、VeとVinaとを乗算して、電流制御指令値となる電圧信号Irefを生成する。この電圧信号Irefは、誤差電圧Veに比例し、且つ、入力交流電源1の交流電圧を全波整流した電圧波形と相似形のVinaと同じ脈動波形となる。   In FIG. 10, the first error amplifier 19 generates an error voltage Ve that is proportional to the difference between the output voltage Vo of the step-up PFC controller 300 and the voltage value Vref of the reference voltage source 18 that sets the output voltage. A voltage signal Vina having a waveform similar to a voltage obtained by full-wave rectifying the AC voltage of the input AC power supply 1 is generated by the differential amplifier 17 and the first absolute value circuit 21. The multiplier circuit 10 multiplies Ve and Vina to generate a voltage signal Iref that is a current control command value. The voltage signal Iref is proportional to the error voltage Ve and has the same pulsation waveform as Vina that is similar to the voltage waveform obtained by full-wave rectifying the AC voltage of the input AC power supply 1.

一方で、スイッチング素子T5及びT6のスイッチング動作により、入力交流電源1から昇圧用コイル4に流れる電流は、電流検出素子3により検出され、第2絶対値回路11により正の値の電圧値信号に波形整形された電流波形信号Scに変換される。   On the other hand, the current flowing from the input AC power source 1 to the boosting coil 4 by the switching operation of the switching elements T5 and T6 is detected by the current detection element 3, and converted to a positive voltage value signal by the second absolute value circuit 11. It is converted to a current-shaped waveform waveform Sc.

電流波形信号Scは、第2誤差増幅器9、PWMコンパレータ12、のこぎり波発振器14、スイッチング素子T5又はT6、昇圧用コイル4、ダイオードD1又はD2、平滑用コンデンサ7、出力負荷8、電流検出素子3、及び第2絶対値回路11により構成される電流制御負帰還ループにより、電圧信号Irefに追従するように制御され、当該Irefとほぼ同じ値となる。   The current waveform signal Sc includes a second error amplifier 9, a PWM comparator 12, a sawtooth oscillator 14, a switching element T5 or T6, a boosting coil 4, a diode D1 or D2, a smoothing capacitor 7, an output load 8, and a current detecting element 3. , And the current control negative feedback loop constituted by the second absolute value circuit 11 is controlled so as to follow the voltage signal Iref, and becomes almost the same value as the Iref.

電圧信号Irefは、入力交流電源1の交流電圧を全波整流した電圧波形と相似形の脈動波形であるため、電流波形信号ScがIrefに追従するということは、入力交流電源1の交流電圧と入力交流電源1の交流電流とがほぼ同位相でかつほぼ同波形となるということである。従って、入力交流電源の力率はほぼ1となる。   Since the voltage signal Iref is a pulsation waveform similar to the voltage waveform obtained by full-wave rectification of the AC voltage of the input AC power supply 1, the fact that the current waveform signal Sc follows Iref means that the AC voltage of the input AC power supply 1 is This means that the alternating current of the input AC power supply 1 has substantially the same phase and substantially the same waveform. Therefore, the power factor of the input AC power supply is approximately 1.

また、誤差電圧Veは、出力電圧Voと電圧信号Vrefとの差分が第1誤差増幅器19により増幅された電圧である。第1誤差増幅器19と乗算回路10と上述した電流制御負帰還ループとで構成されるPFC制御ループにより、第1誤差増幅器19の出力である誤差電圧Veは有限の値となるように制御される。誤差電圧Veは第1誤差増幅器19のゲインをAとすると、下記の式で記述される。   The error voltage Ve is a voltage obtained by amplifying the difference between the output voltage Vo and the voltage signal Vref by the first error amplifier 19. The error voltage Ve that is the output of the first error amplifier 19 is controlled to be a finite value by the PFC control loop including the first error amplifier 19, the multiplier circuit 10, and the above-described current control negative feedback loop. . The error voltage Ve is described by the following equation, where A is the gain of the first error amplifier 19.

Ve = A×(Vref−Vo) ・・・・・ (式1)         Ve = A × (Vref−Vo) (Equation 1)

従って、誤差電圧Veが有限の値であることは、第1誤差増幅器19のゲインAが十分に大きく設定されていれば、Vref=Voとなる。つまり昇圧型PFC制御装置300の出力電圧VoはVrefによって決まる固定電圧値となる。   Therefore, if the error voltage Ve is a finite value, if the gain A of the first error amplifier 19 is set sufficiently large, Vref = Vo. That is, the output voltage Vo of the step-up PFC control device 300 becomes a fixed voltage value determined by Vref.

以上の説明からわかるように、本比較例に係る昇圧型PFC制御装置300では、その出力電圧Voは基準電圧の電圧値Vrefで設定された所望の電圧を維持しながら、入力交流電源の力率をほぼ1にできる高入力力率の昇圧型AC/DCコンバータが実現される。   As can be seen from the above description, in the step-up PFC control device 300 according to this comparative example, the output voltage Vo maintains the desired voltage set by the voltage value Vref of the reference voltage, and the power factor of the input AC power supply. Thus, a step-up AC / DC converter with a high input power factor capable of reducing the power to approximately 1 is realized.

また、差動増幅器17、コンパレータ20、NOT論理回路13、2つのAND論理回路16、スイッチング素子T5及びT6、及びダイオードD1及びD2により、整流ダイオードブリッジを用いない整流昇圧スイッチング動作が実現できている。以下、この点について説明する。   The differential amplifier 17, the comparator 20, the NOT logic circuit 13, the two AND logic circuits 16, the switching elements T5 and T6, and the diodes D1 and D2 realize a rectified boost switching operation without using a rectifier diode bridge. . Hereinafter, this point will be described.

コンパレータ20が差動増幅器17の出力信号を比較することで、入力交流電源1の交流電圧の極性が判断される(この入力交流電源1の交流電圧の極性は、昇圧用コイル4に対して入力交流電源1が正の電圧を印加する時に、正の極性とする)。交流電圧の極性が正であればコンパレータ20の出力信号はHighレベルとなり、交流電圧の極性が負であれば出力はLowとなる。   The comparator 20 compares the output signal of the differential amplifier 17 to determine the polarity of the AC voltage of the input AC power supply 1 (the polarity of the AC voltage of the input AC power supply 1 is input to the boosting coil 4). When the AC power supply 1 applies a positive voltage, the polarity is positive). If the polarity of the alternating voltage is positive, the output signal of the comparator 20 is at a high level, and if the polarity of the alternating voltage is negative, the output is low.

コンパレータ20の出力信号を受けて、NOT論理回路13と2つのAND論理回路16は、入力交流電圧の極性が正であれば、昇圧用スイッチング動作の為にPWMコンパレータ12から出力されるPWM信号でスイッチング素子T6をPWM駆動させ、スイッチング素子T5のゲート電圧をLowレベルにしてスイッチング素子T5をオフさせる。同様に、NOT論理回路13及び2つのAND論理回路16は、入力交流電圧の極性が負であれば、PWM信号でスイッチング素子T5をPWM駆動させ、スイッチング素子T6のゲート電圧をLowレベルにしてスイッチング素子T6をオフさせる。   When the output signal of the comparator 20 is received, the NOT logic circuit 13 and the two AND logic circuits 16 are PWM signals output from the PWM comparator 12 for the boosting switching operation if the polarity of the input AC voltage is positive. The switching element T6 is PWM driven, the gate voltage of the switching element T5 is set to the low level, and the switching element T5 is turned off. Similarly, if the polarity of the input AC voltage is negative, the NOT logic circuit 13 and the two AND logic circuits 16 drive the switching element T5 by PWM with the PWM signal, and switch the gate voltage of the switching element T6 to the low level. The element T6 is turned off.

図11Aは、比較例に係る入力交流電源の電圧極性が正の場合におけるスイッチング素子の状態を表す等価回路図であり、図11Bは、比較例に係る入力交流電源の電圧極性が負の場合におけるスイッチング素子の状態を表す等価回路図である。つまり、図11A及び図11Bは、入力交流電源1の電圧極性が正の場合と負の場合とで、コンパレータ20、NOT論理回路13、及び2つのAND論理回路16の動作によるPWM動作によって、どのようにして昇圧動作がなされるかを説明する図である。   FIG. 11A is an equivalent circuit diagram showing the state of the switching element when the voltage polarity of the input AC power supply according to the comparative example is positive, and FIG. 11B is when the voltage polarity of the input AC power supply according to the comparative example is negative. It is an equivalent circuit diagram showing the state of a switching element. That is, FIG. 11A and FIG. 11B show which is different depending on the PWM operation by the operation of the comparator 20, the NOT logic circuit 13, and the two AND logic circuits 16, depending on whether the voltage polarity of the input AC power supply 1 is positive or negative. It is a figure explaining how voltage | pressure | voltage rise operation | movement is made in this way.

スイッチング素子T6がPWM動作でオン動作状態の時は、図11Aの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。また、スイッチング素子T6がPWM動作でオフ動作をする時は、図11Aの経路(b)にて昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより電流が流れ、平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置300の出力電圧Voが昇圧される。なお、スイッチング素子T5及びT6は、n型MOSFET等のシリコン系半導体のスイッチング素子であるため、図10に示されたように、ソース端子とドレイン端子との間に寄生ダイオードが存在している。よって、図11Aのように、経路(b)にて昇圧用コイル4の磁気エネルギーにより発生する電流は、スイッチング素子T5の寄生ダイオードを経由して流れる。   When the switching element T6 is in the ON operation state by the PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 11A. Further, when the switching element T6 is turned off by the PWM operation, a current flows due to the magnetic energy stored in the boosting coil 4 in the path (b) of FIG. 11A, and the smoothing capacitor 7 is not grounded. Current is charged, and the output voltage Vo of the step-up PFC control device 300 is stepped up. Since the switching elements T5 and T6 are silicon semiconductor switching elements such as n-type MOSFETs, there are parasitic diodes between the source terminal and the drain terminal as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 11A, the current generated by the magnetic energy of the boosting coil 4 in the path (b) flows via the parasitic diode of the switching element T5.

一方、スイッチング素子T5がPWM動作でオン動作状態の時は、図11Bの経路(a)にて昇圧用コイル4を励磁させる電流が流れる。また、スイッチング素子T5がPWM動作でオフ動作をする時は、図11Bの経路(b)にて昇圧用コイル4に蓄えられた磁気エネルギーにより電流が流れ、この場合でも平滑用コンデンサ7の接地されていない端子から電流が充電され昇圧型PFC制御装置300の出力電圧Voが昇圧される。よって、図11Bのように、経路(b)にて昇圧用コイル4の磁気エネルギーにより流れる電流は、スイッチング素子T6の寄生ダイオードを経由して流れる。   On the other hand, when the switching element T5 is in the ON operation state by the PWM operation, a current for exciting the boosting coil 4 flows through the path (a) in FIG. 11B. Further, when the switching element T5 is turned off by PWM operation, a current flows due to the magnetic energy stored in the boosting coil 4 in the path (b) of FIG. 11B, and even in this case, the smoothing capacitor 7 is grounded. A current is charged from a terminal that is not connected, and the output voltage Vo of the boost PFC control device 300 is boosted. Therefore, as shown in FIG. 11B, the current that flows due to the magnetic energy of the boosting coil 4 in the path (b) flows through the parasitic diode of the switching element T6.

しかしながら、上記比較例に係る昇圧型PFC制御装置300では、以下の2つの課題がある。   However, the boost PFC control device 300 according to the comparative example has the following two problems.

(1)ダイオードD1またはD2の順方向電圧VFと、スイッチング素子T5またはT6の寄生ダイオードの順方向電圧VFPとによる電圧降下による損失が発生する。   (1) A loss due to a voltage drop due to the forward voltage VF of the diode D1 or D2 and the forward voltage VFP of the parasitic diode of the switching element T5 or T6 occurs.

(2)スイッチング素子T5またはT6の寄生ダイオードのリカバリー電流により、スイッチング素子T5またはT6のターンオン動作時のスイッチング損失が大きい。   (2) The switching current during the turn-on operation of the switching element T5 or T6 is large due to the recovery current of the parasitic diode of the switching element T5 or T6.

この2点の課題について説明する。   These two problems will be described.

まず、ダイオードの順方向電圧VF及び寄生ダイオードの順方向電圧VFPに関する課題(1)について説明する。入力交流電源1の交流電圧が正の場合、の図11Aの経路(a)にて電流が流れるときには、ダイオードD2の順方向電圧VFが発生する。また、図11Aの経路(b)にて電流が流れるときには、ダイオードD2の順方向電圧VFに加え、オフ動作状態のスイッチング素子T5の順方向電圧VFPによる電圧降下が発生する。これらの電圧降下とこれらのダイオードに流れる電流とによって、ダイオードD2及びスイッチング素子T5に消費電力、すなわち損失が発生する。同様に、入力交流電源1の交流電圧が負の場合、図11Bの経路(a)にて電流が流れるときは、ダイオードD1の順方向電圧VFが発生し、図11Bの経路(b)にて電流が流れるときは、ダイオードD1の順方向電圧VF及びスイッチング素子T6の順方向電圧VFPによる電圧降下が発生し、ダイオードD1及びスイッチング素子T6に損失が発生する。   First, the problem (1) related to the forward voltage VF of the diode and the forward voltage VFP of the parasitic diode will be described. When the AC voltage of the input AC power supply 1 is positive, the forward voltage VF of the diode D2 is generated when a current flows through the path (a) in FIG. 11A. When a current flows through the path (b) in FIG. 11A, a voltage drop due to the forward voltage VFP of the switching element T5 in the off operation state occurs in addition to the forward voltage VF of the diode D2. Power consumption, that is, loss occurs in the diode D2 and the switching element T5 due to these voltage drops and the current flowing through these diodes. Similarly, when the AC voltage of the input AC power supply 1 is negative and the current flows through the path (a) in FIG. 11B, the forward voltage VF of the diode D1 is generated, and the path (b) in FIG. When current flows, a voltage drop occurs due to the forward voltage VF of the diode D1 and the forward voltage VFP of the switching element T6, and loss occurs in the diode D1 and the switching element T6.

電流が定常的に流れることによる素子の消費電力は、導通損失と呼ばれる。スイッチング素子T5またはT6がオン動作状態で電流が流れた場合の導通損失は、スイッチング素子の電流が流れるチャンネル部の抵抗(今後はこの抵抗をオン抵抗と呼ぶ)が小さいために、ダイオードの順方向電圧VFまたはVFPの電圧降下による導通損失に比べ非常に小さなものとなる。従って、図11A及び図11Bに示された電流経路からわかるように、従来の昇圧型PFC制御装置の導通損失の大部分はダイオードの順方向電圧VF及びVFPによるものであることがわかる。つまり、比較例に係る昇圧型PFC制御装置300のダイオードD1及びD2と、スイッチング素子T5及びT6の寄生ダイオードをなくすことができれば、昇圧型PFC制御装置300の導通損失を大幅に削減できる。   The power consumption of the element due to the constant flow of current is called conduction loss. The conduction loss in the case where current flows when the switching element T5 or T6 is in the on-operation state is the forward direction of the diode because the resistance of the channel portion through which the current of the switching element flows (hereinafter referred to as on-resistance) is small. This is very small compared to the conduction loss due to the voltage drop of the voltage VF or VFP. Therefore, as can be seen from the current paths shown in FIGS. 11A and 11B, it can be seen that most of the conduction loss of the conventional boost type PFC control device is due to the forward voltages VF and VFP of the diode. That is, if the diodes D1 and D2 of the boost type PFC control device 300 according to the comparative example and the parasitic diodes of the switching elements T5 and T6 can be eliminated, the conduction loss of the boost type PFC control device 300 can be greatly reduced.

次に、スイッチング損失の課題(2)について説明する。スイッチング素子T5及びT6のソース端子とドレイン端子の間に存在する寄生ダイオードのアノードはスイッチング素子のソースに、また、寄生ダイオードのカソードはスイッチング素子のドレインに存在する。図11Aでは、スイッチング素子T5がオフ動作状態のとき、また、図11Bでは、スイッチング素子T6がオフ動作状態のとき、各経路(b)にて電流が流れる場合に、寄生ダイオードのアノードからカソードに電流が流れている。   Next, the problem (2) of switching loss will be described. The anode of the parasitic diode existing between the source terminal and the drain terminal of the switching elements T5 and T6 is at the source of the switching element, and the cathode of the parasitic diode is at the drain of the switching element. In FIG. 11A, when the switching element T5 is in the OFF operation state, and in FIG. 11B, when the current flows through each path (b) when the switching element T6 is in the OFF operation state, the parasitic diode is switched from the anode to the cathode. Current is flowing.

この時、上記寄生ダイオードにはダイオード内の少数キャリア蓄積効果によるリカバリー電流成分が発生する。その結果、スイッチング素子T5及びT6の一方がオフ動作状態で寄生ダイオードに電流が流れている経路(b)状態から、スイッチング素子T5及びT6の他方がターンオンして経路(a)の状態にて電流が流れる始める時に、スイッチング素子T5及びT6の他方は、ターンオン動作により、昇圧用コイル4を駆動するための電流だけでなく、不要な寄生ダイオードのリカバリー電流をも駆動する。   At this time, a recovery current component due to the minority carrier accumulation effect in the diode is generated in the parasitic diode. As a result, from the path (b) state in which one of the switching elements T5 and T6 is in the off operation state and the current flows through the parasitic diode, the other of the switching elements T5 and T6 is turned on and the current in the path (a) state. When the current starts to flow, the other of the switching elements T5 and T6 drives not only a current for driving the boosting coil 4 but also a recovery current of an unnecessary parasitic diode by a turn-on operation.

図12Aは、比較例に係る入力交流電源の電圧極性が正の場合におけるスイッチング素子の過渡特性を表す図であり、図12Bは、比較例に係る入力交流電源の電圧極性が負の場合におけるスイッチング素子の過渡特性を表す図である。図12Aのように、スイッチング素子T6を流れる電流IDS(T6)には、状態(b)から状態(a)の変化であるターンオン動作により、昇圧用コイル4の駆動電流IL4に加えスイッチング素子T5の寄生ダイオードのリカバリー電流が重畳される。一方、図12Bのように、スイッチング素子T5を流れる電流IDS(T5)には、状態(b)から状態(a)の変化であるターンオン動作により、昇圧用コイル4の駆動電流IL4に加えスイッチング素子T6の寄生ダイオードのリカバリー電流が重畳される。   FIG. 12A is a diagram illustrating transient characteristics of the switching element when the voltage polarity of the input AC power supply according to the comparative example is positive, and FIG. 12B illustrates switching when the voltage polarity of the input AC power supply according to the comparative example is negative. It is a figure showing the transient characteristic of an element. As shown in FIG. 12A, the current IDS (T6) flowing through the switching element T6 has a turn-on operation that is a change from the state (b) to the state (a), in addition to the driving current IL4 of the boosting coil 4 and the switching element T5. The recovery current of the parasitic diode is superimposed. On the other hand, as shown in FIG. 12B, the current IDS (T5) flowing through the switching element T5 includes a switching element in addition to the drive current IL4 of the boosting coil 4 by a turn-on operation that is a change from the state (b) to the state (a). The recovery current of the parasitic diode of T6 is superimposed.

上記リカバリー電流は、無視できない大きなもので、スイッチング素子のスイッチング動作時の消費電力を意味するスイッチング損失の増大に影響を及ぼす。このスイッチング損失は、昇圧型PFC制御装置のスイッチング周波数に比例して増大する。その為、昇圧用コイル4のサイズを小さくする目的で、スイッチング周波数を上げることは、スイッチング素子のスイッチング損失の増大を招く。つまり、本比較例に係る昇圧型PFC制御装置300では、将来的に昇圧コイルを小型化することが困難である。また現状の問題としても、かなり大きなスイッチング損失が発生するために電流連続モードでの昇圧型PFC制御装置としては適切なものでない。この昇圧方式を使用する適切な条件は、電流が流れていない時にスイッチング素子がスイッチング動作する、いわゆるソフトスイッチングを前提にした条件でければならない。つまりこの昇圧方式では、PFC制御方法について制限がある。   The recovery current is a large one that cannot be ignored, and affects the increase in switching loss, which means power consumption during the switching operation of the switching element. This switching loss increases in proportion to the switching frequency of the step-up PFC control device. Therefore, increasing the switching frequency for the purpose of reducing the size of the boosting coil 4 causes an increase in switching loss of the switching element. That is, it is difficult for the boost type PFC control apparatus 300 according to this comparative example to downsize the boost coil in the future. In addition, as a current problem, a considerably large switching loss is generated, so that it is not suitable as a step-up PFC control device in the current continuous mode. Appropriate conditions for using this boosting method must be based on the premise of so-called soft switching in which the switching element performs switching operation when no current flows. That is, in this boosting method, there is a limitation on the PFC control method.

以上のように、本比較例に係る昇圧型PFC制御装置300では、スイッチング素子の寄生ダイオードが、当該寄生ダイオード自身の順方向電圧VFによる消費電力の増大に関与しているだけでなく、異なるスイッチング素子のスイッチング損失にも影響を及ぼすという問題を有している。   As described above, in the step-up PFC control device 300 according to this comparative example, the parasitic diode of the switching element is not only involved in the increase in power consumption due to the forward voltage VF of the parasitic diode itself, but also different switching There is a problem of affecting the switching loss of the element.

(まとめ)
実施の形態及びその変形例で説明したように、本発明に係る昇圧型PFC制御装置は、入力された単相交流電圧を整流して昇圧するAC/DCコンバータ部を備え、当該AC/DCコンバータ部は、ブリッジ接続された複数の交流スイッチ部と、単相交流電圧の印加に応じて流れる双方向電流に応じた磁気エネルギーを蓄える昇圧用コイルと、当該昇圧用コイルに蓄えられた磁気エネルギーに対応した電荷を蓄える平滑用コンデンサと、複数の交流スイッチ部のオンオフ状態を制御することにより双方向電流の電流径路を切り換えて、昇圧用コイルへの磁気エネルギーの蓄積と平滑用コンデンサへの電荷蓄積とを交互に行わせるドライブロジック回路とを備え、複数の交流スイッチ部の各々は、ゲート端子とドレイン端子とソース端子とを有し、(1)ソース端子電圧に対するゲート端子電圧の差分電圧であるゲート/ソース間電圧が閾値電圧より高い場合に、ドレイン/ソース間電圧の極性に応じてドレイン端子からソース端子へ、または、ソース端子からドレイン端子へ電流を流すことができるFET特性及び逆FET特性を有し、(2)且つ、ゲート/ソース間電圧が上記閾値電圧以下の場合に、ドレイン端子からソース端子への電流は遮断されるがドレイン端子電圧を基準にしてゲート端子電圧が上記閾値電圧以上になるとソース端子からドレイン端子に電流を流すことができる逆導通特性を有する、双方向スイッチング素子で構成される。
(Summary)
As described in the embodiments and the modifications thereof, the step-up PFC control apparatus according to the present invention includes an AC / DC converter unit that rectifies and boosts an input single-phase AC voltage, and the AC / DC converter. The unit includes a plurality of bridge-connected AC switch units, a boosting coil that stores magnetic energy corresponding to a bidirectional current that flows in response to application of a single-phase AC voltage, and magnetic energy stored in the boosting coil. The smoothing capacitor that stores the corresponding charge and the current path of the bidirectional current can be switched by controlling the on / off state of multiple AC switch units, and the magnetic energy is stored in the boosting coil and the charge is stored in the smoothing capacitor. Each of the plurality of AC switch sections has a gate terminal, a drain terminal, and a source terminal. (1) When the gate / source voltage, which is the differential voltage of the gate terminal voltage with respect to the source terminal voltage, is higher than the threshold voltage, depending on the polarity of the drain / source voltage, or from the drain terminal to the source terminal, or the source terminal FET characteristics and reverse FET characteristics that allow current to flow from the drain terminal to the drain terminal. (2) When the gate-source voltage is less than the above threshold voltage, the current from the drain terminal to the source terminal is cut off. However, when the gate terminal voltage becomes equal to or higher than the threshold voltage with respect to the drain terminal voltage, the bidirectional switching element has a reverse conduction characteristic that allows current to flow from the source terminal to the drain terminal.

この構成によれば、AC/DCコンバータ部にダイオードが不要であり、またスイッチング素子には寄生ダイオードも無く、ダイオードの順方向電圧の電圧降下による消費電力を無くすことができる。また、スイッチング素子の寄生ダイオードのリカバリー電流によるスイッチング損失もなくなるので、大幅に消費電力を削減した昇圧型PFC制御装置が実現できる。   According to this configuration, no diode is required in the AC / DC converter unit, and there is no parasitic diode in the switching element, so that power consumption due to a voltage drop in the forward voltage of the diode can be eliminated. In addition, since there is no switching loss due to the recovery current of the parasitic diode of the switching element, it is possible to realize a step-up PFC control device that significantly reduces power consumption.

また、上記双方向の電流径路を制御する昇圧用PFC制御部は、従来の昇圧型PFC制御装置の昇圧用PFC制御部をそのまま用いることができ、昇圧型PFC制御装置としての制御動作は従来のものとほとんど同じとなる。   Further, the boosting PFC control unit that controls the bidirectional current path can use the boosting PFC control unit of the conventional boosting PFC control device as it is, and the control operation as the boosting PFC control device is the conventional one. It is almost the same as the thing.

また、ドライブロジック回路は、AC/DCコンバータ部と入力交流電源との間に流れる電流が略零の場合には、当該電流がないことを検出するヒステリシス比較器からの制御信号を受けて、複数の交流スイッチ部のうち少なくとも1つの交流スイッチ部のゲート/ソース間電圧が閾値電圧以下になるように制御をする。   In addition, when the current flowing between the AC / DC converter unit and the input AC power supply is substantially zero, the drive logic circuit receives a control signal from a hysteresis comparator that detects the absence of the current, Control is performed so that the gate-source voltage of at least one of the AC switch units is equal to or lower than the threshold voltage.

これにより、昇圧コイルに流れる電流が略零の場合は、昇圧用コイルの磁気エネルギーが無くなっても、昇圧型PFC制御装置の出力側から入力交流電源へ電流が逆流しないようにすることが可能となる。   As a result, when the current flowing through the booster coil is substantially zero, it is possible to prevent the current from flowing backward from the output side of the booster type PFC control device to the input AC power supply even when the magnetic energy of the booster coil is lost. Become.

また、実施の形態の第1の変形例によれば、複数の交流スイッチ部のうち少なくとも2個の交流スイッチ部は、ソース端子同士またはドレイン端子同士が直列接続された2つの双方向スイッチング素子で構成される。   Further, according to the first modification of the embodiment, at least two of the AC switch units are two bidirectional switching elements in which source terminals or drain terminals are connected in series. Composed.

これによれば、上述した昇圧型PFC制御装置と同様に、従来の昇圧型PFC制御装置の整流昇圧動作を維持しつつ消費電力を低減することができる。さらには、高入力耐圧性を有する昇圧型PFC制御装置が実現できる。また、この昇圧型PFC制御装置は、入力交流電圧源から、当該PFC制御装置の出力端子とGND端子との間に接続される負荷を完全に切り離すことも可能である。   According to this, similarly to the above-described step-up PFC control device, it is possible to reduce power consumption while maintaining the rectifying step-up operation of the conventional step-up PFC control device. Furthermore, a step-up PFC control device having high input voltage resistance can be realized. In addition, the step-up PFC control device can completely disconnect the load connected between the output terminal and the GND terminal of the PFC control device from the input AC voltage source.

また、実施の形態及びその変形例に係る昇圧型PFC制御装置において、双方向のスイッチング素子は、半導体基板の上に形成された窒化物半導体層からなる積層体と、当該積層体の上に形成されたゲート端子と、当該ゲート端子を挟んで両側方に形成されたドレイン端子及びソース端子とを備える。この双方向のスイッチング素子は、一般的に、窒化ガリウム半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタとして知られていて、GaNトランジスタと呼ばれている。   Further, in the step-up PFC control device according to the embodiment and the modification thereof, the bidirectional switching element is formed on the stacked body including the nitride semiconductor layer formed on the semiconductor substrate, and on the stacked body. And a drain terminal and a source terminal formed on both sides of the gate terminal. This bidirectional switching element is generally known as a heterojunction field effect transistor using a gallium nitride semiconductor, and is called a GaN transistor.

上記GaNトランジスタは、上記のゲート/ソース間電圧がある閾値電圧より高い場合にFET特性と逆FET特性を有し、且つ、ゲート/ソース間電圧が当該閾値電圧以下の場合に逆導通特性を有し、また、高耐圧特性を有する双方向スイッチング素子ともなり、FET特性及び逆FET特性において非常に低いオン抵抗値のFETトランジスタでもある。また、シリコン系半導体素子のような少数キャリア効果がなく、リカバリー電流によるスイッチング損失増大の影響もほとんど無い。従って、本発明の昇圧型PFC制御装置が有する双方向のスイッチング素子としてGaNトランジスタを用いることで、より低消費電力の昇圧型PFC制御装置が実現できる。   The GaN transistor has FET characteristics and reverse FET characteristics when the gate-source voltage is higher than a certain threshold voltage, and has reverse conduction characteristics when the gate-source voltage is equal to or lower than the threshold voltage. In addition, it is also a bidirectional switching element having a high breakdown voltage characteristic, and is an FET transistor having a very low on-resistance value in FET characteristics and reverse FET characteristics. Further, there is no minority carrier effect as in a silicon-based semiconductor element, and there is almost no influence of an increase in switching loss due to a recovery current. Therefore, by using a GaN transistor as a bidirectional switching element included in the step-up PFC control device of the present invention, a step-down PFC control device with lower power consumption can be realized.

以上、本発明の昇圧型PFC制御装置について、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る昇圧型PFC制御装置は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。実施の形態及びその変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、実施の形態及びその変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る昇圧型PFC制御装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。   As mentioned above, although the boost type PFC control device of the present invention has been described based on the embodiment, the boost type PFC control device according to the present invention is not limited to the above embodiment and its modifications. Other embodiments realized by combining arbitrary components in the embodiment and its modifications, and various modifications conceivable by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention to the embodiments and their modifications. Modifications obtained by applying the above and various devices incorporating the step-up PFC control device according to the present invention are also included in the present invention.

本発明は、交流入力から直流電圧を出力するAC/DCコンバータに適用でき、特に、整流ダイオードブリッジが不要である高入力力率及び高効率の昇圧型PFC制御装置を有するAC/DCコンバータとして有用である。   The present invention can be applied to an AC / DC converter that outputs a DC voltage from an AC input, and is particularly useful as an AC / DC converter having a high-input power factor and high-efficiency step-up PFC controller that does not require a rectifier diode bridge. It is.

1 入力交流電源
3 電流検出素子
4 昇圧用コイル
7 平滑用コンデンサ
8 出力負荷
9 第2誤差増幅器
10 乗算回路
11 第2絶対値回路
12 PWMコンパレータ
14、514、515 のこぎり波発振器
17 差動増幅器
18 基準電圧源
19 第1誤差増幅器
20 コンパレータ
21 第1絶対値回路
30、31、32、33 AC/DCコンバータ部
51 プリドライブ回路
52 電源
100、150、200、250、300、500 昇圧型PFC制御装置
201 シリコン基板
202 バッファ層
203 積層体
204 アンドープ窒化ガリウム層
205 n型窒化アルミニウムガリウム層
206a ソース端子用オーミック電極
206b ドレイン端子用オーミック電極
208 ゲート電極
209 コントロール層
210 配線
502 高域阻止フィルタ
504 磁気誘導手段
S1、S2、S3、S4 交流スイッチ
T1、T2、T3、T4、T5、T6 スイッチング素子
D1、D2 ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input AC power source 3 Current detection element 4 Boosting coil 7 Smoothing capacitor 8 Output load 9 Second error amplifier 10 Multiplier circuit 11 Second absolute value circuit 12 PWM comparator 14, 514, 515 Sawtooth wave oscillator 17 Differential amplifier 18 Reference Voltage source 19 First error amplifier 20 Comparator 21 First absolute value circuit 30, 31, 32, 33 AC / DC converter unit 51 Pre-drive circuit 52 Power supply 100, 150, 200, 250, 300, 500 Step-up PFC controller 201 Silicon substrate 202 Buffer layer 203 Stack 204 Undoped gallium nitride layer 205 N-type aluminum gallium nitride layer 206a Ohmic electrode for source terminal 206b Ohmic electrode for drain terminal 208 Gate electrode 209 Control layer 210 Wiring 502 Pass blocking filter 504 magnetic induction means S1, S2, S3, S4 AC switch T1, T2, T3, T4, T5, T6 switching elements D1, D2 diode

Claims (5)

入力された単相交流電圧を整流して昇圧するAC/DCコンバータ部を備える昇圧型PFC制御装置であって、
前記AC/DCコンバータ部は、
ブリッジ接続された複数の交流スイッチ部と、
前記単相交流電圧の印加に応じて流れる双方向電流に応じた磁気エネルギーを蓄える昇圧用コイルと、
前記昇圧用コイルに蓄えられた前記磁気エネルギーに対応した電荷を蓄える平滑用コンデンサと、
前記複数の交流スイッチ部のオンオフ状態を制御することにより前記双方向電流の電流径路を切り換えて、前記昇圧用コイルへの前記磁気エネルギーの蓄積と前記平滑用コンデンサへの電荷蓄積とを交互に行わせるドライブロジック回路とを備え、
前記複数の交流スイッチ部の各々は、
ゲート端子とドレイン端子とソース端子とを有し、(1)ソース電圧に対するゲート電圧であるゲート−ソース間電圧が閾値電圧より高い場合に、ドレイン−ソース間電圧の極性に応じて前記ドレイン端子から前記ソース端子へ、または、前記ソース端子から前記ドレイン端子へ電流を流し、(2)前記ゲート−ソース間電圧が前記閾値電圧以下の場合に、前記ドレイン端子から前記ソース端子に流れる電流を遮断し、ドレイン電圧に対するゲート電圧が前記閾値電圧以上になると前記ソース端子から前記ドレイン端子へ電流を流すスイッチング素子で構成される
昇圧型PFC制御装置。
A step-up PFC control device including an AC / DC converter unit that rectifies and boosts an input single-phase AC voltage,
The AC / DC converter unit includes:
A plurality of AC switches connected in a bridge;
A boosting coil that stores magnetic energy according to a bidirectional current that flows in response to the application of the single-phase AC voltage;
A smoothing capacitor for storing a charge corresponding to the magnetic energy stored in the boosting coil;
The current path of the bidirectional current is switched by controlling the on / off states of the plurality of AC switch units, and the accumulation of the magnetic energy in the boosting coil and the charge accumulation in the smoothing capacitor are alternately performed. Drive logic circuit
Each of the plurality of AC switch units is
A gate terminal, a drain terminal, and a source terminal; (1) when the gate-source voltage, which is the gate voltage with respect to the source voltage, is higher than the threshold voltage, the drain terminal depends on the polarity of the drain-source voltage. A current is passed to the source terminal or from the source terminal to the drain terminal; and (2) when the gate-source voltage is equal to or lower than the threshold voltage, the current flowing from the drain terminal to the source terminal is cut off. A step-up PFC control device comprising a switching element that causes a current to flow from the source terminal to the drain terminal when the gate voltage with respect to the drain voltage becomes equal to or higher than the threshold voltage.
前記複数の交流スイッチ部は、
第1〜第4の前記スイッチング素子を備え、
前記昇圧用コイルの第1の電極は、前記単相交流電圧が印加される第1交流端子に接続され、
前記第1のスイッチング素子のドレイン端子と前記第3のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記平滑用コンデンサの第1の電極に接続され、
前記第2のスイッチング素子のソース端子と前記第4のスイッチング素子のソース端子とは、前記平滑用コンデンサの第2の電極に接続され、
前記第1のスイッチング素子のソース端子と前記第2のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記昇圧用コイルの第2の電極に接続され、
前記第3のスイッチング素子のソース端子と前記第4のスイッチング素子のドレイン端子とは、前記単相交流電圧が印加される第2交流端子に接続され、
前記第1〜第4のスイッチング素子のゲート端子は、前記ドライブロジック回路から出力される制御信号をレベルシフトする各々のプリドライブ回路に接続されており、
前記ドライブロジック回路は、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とが、または、前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子とが同時にオン状態とならないように制御する
請求項1に記載の昇圧型PFC制御装置。
The plurality of AC switch units are
Comprising the first to fourth switching elements,
A first electrode of the boosting coil is connected to a first AC terminal to which the single-phase AC voltage is applied;
The drain terminal of the first switching element and the drain terminal of the third switching element are connected to the first electrode of the smoothing capacitor,
The source terminal of the second switching element and the source terminal of the fourth switching element are connected to the second electrode of the smoothing capacitor,
The source terminal of the first switching element and the drain terminal of the second switching element are connected to the second electrode of the boosting coil,
The source terminal of the third switching element and the drain terminal of the fourth switching element are connected to a second AC terminal to which the single-phase AC voltage is applied,
The gate terminals of the first to fourth switching elements are connected to respective pre-drive circuits that level-shift control signals output from the drive logic circuit,
The drive logic circuit controls so that the first switching element and the second switching element or the third switching element and the fourth switching element are not turned on at the same time. 2. The step-up PFC control device according to 1.
前記ドライブロジック回路は、さらに、前記単相交流電圧を出力する交流電源と前記AC/DCコンバータ部との間に流れる電流が略零の場合には、前記複数の交流スイッチ部のうち少なくとも1つの交流スイッチ部を構成する前記スイッチング素子の前記ゲート−ソース間電圧が前記閾値電圧以下になるように前記スイッチング素子のゲート信号を制御する
請求項1に記載の昇圧型PFC制御装置。
The drive logic circuit further includes at least one of the plurality of AC switch units when the current flowing between the AC power source that outputs the single-phase AC voltage and the AC / DC converter unit is substantially zero. The step-up PFC control device according to claim 1, wherein a gate signal of the switching element is controlled so that a voltage between the gate and the source of the switching element constituting the AC switch unit is equal to or lower than the threshold voltage.
前記複数の交流スイッチ部のうち少なくとも2個の交流スイッチ部は、
ソース端子同士またはドレイン端子同士が直列接続された2つの前記スイッチング素子で構成される
請求項1に記載の昇圧型PFC制御装置。
At least two AC switch units among the plurality of AC switch units are:
The step-up PFC control device according to claim 1, comprising two switching elements in which source terminals or drain terminals are connected in series.
前記スイッチング素子は、
半導体基板の上に形成された複数の窒化物半導体層からなる積層体と、
前記積層体の上に形成された前記ゲート端子と、
前記ゲート端子を挟んで両側方に形成された前記ドレイン端子及び前記ソース端子とを備える
請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の昇圧型PFC制御装置。
The switching element is
A laminate composed of a plurality of nitride semiconductor layers formed on a semiconductor substrate;
The gate terminal formed on the laminate;
The step-up PFC control device according to claim 1, further comprising: the drain terminal and the source terminal formed on both sides of the gate terminal.
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