JP2019075920A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板面積の増大を抑制しつつ、各々の駆動部間において、良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保する。【解決手段】電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を含む電力変換回路部と、各々の半導体スイッチング素子の開閉を制御するための制御信号を生成する制御信号生成部と、半導体スイッチング素子を駆動する複数の駆動部と、電力変換回路部及び複数の駆動部を搭載する第１基板と、を備える。各々の駆動部は、第１基板の外部から入力される交流電源電力を直流電源電力に変換する電源部と、制御信号に基づいて半導体スイッチング素子を駆動するための駆動信号を直流電源電力から生成する駆動信号生成部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
コンバータ、モーターの電源などに使用される電力変換装置では、複数のスイッチング素子がゲートドライバにより駆動される。
ここで、本発明に関連する従来技術の一例として、特許文献１は、電力変換回路の主回路及びゲート駆動回路で構成される単位モジュールが複数接続されるマルチレベル電力変換回路を教示している。このマルチレベル電力変換回路では、電源側及び負荷側の構成に応じて複数の単位モジュールを組み換えられる。
特許第６１６４６６７号公報
各々のゲートドライバに直流の電源電力を供給する複数の電源回路の設計において、電力変換装置が大電力用の装置であるほど、安全性を確保するために十分なガルバニック絶縁を各々の電源回路間に施す必要がある。ところが、各々の電源回路間の離間距離を大きくすると、各々の電源回路を離して搭載するために要する基板面積が増大するため、電力変換装置の小型化が難しくなり、製造コストも増加する。従って、各々の電源回路間の離間距離を大きくし難いという問題があった。なお、このような問題は、特許文献１には言及されていない。
本発明は、上記の状況を鑑みて、基板面積の増大を抑制しつつ、各々の電源部間において、良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の一の態様による電力変換装置は、複数の半導体スイッチング素子を含む電力変換回路部と、各々の前記半導体スイッチング素子の開閉を制御するための制御信号を生成する制御信号生成部と、前記半導体スイッチング素子を駆動する複数の駆動部と、前記電力変換回路部及び複数の前記駆動部を搭載する第１基板と、を備え、各々の前記駆動部は、前記第１基板の外部から入力される交流電源電力を直流電源電力に変換する電源部と、前記制御信号に基づいて前記半導体スイッチング素子を駆動するための駆動信号を前記直流電源電力から生成する駆動信号生成部と、を有する構成（第１の構成）とされる。
第１の構成の電力変換装置は、各々の前記駆動部において、前記電源部は、前記交流電源電力が一次側端子に入力される第１絶縁トランスを有し、前記第１絶縁トランスの二次側端子から出力される二次側電力を直流の前記直流電源電力に変換する構成（第２の構成）であってもよい。
第１又は第２の構成の電力変換装置は、直流電力源の出力電力を前記交流電源電力に変換する交流変換部と、前記交流変換部を搭載する第２基板と、をさらに備える構成（第３の構成）であってもよい。
第３の構成の電力変換装置は、前記交流電源電力を伝送する伝送線をさらに有し、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられる前記伝送線の数は２本である構成（第４の構成）であってもよい。
第１〜第４のうちのいずれかの構成の電力変換装置は、第１直流電源と第２直流電源との間で電力を双方向に伝送する電力変換装置であって、複数の前記半導体スイッチング素子は、複数の第１半導体スイッチング素子と複数の第２半導体スイッチング素子とを含み、前記電力変換回路部は、複数の前記第１半導体スイッチング素子、及び第１コンデンサを含む第１フルブリッジ回路と、複数の前記第２半導体スイッチング素子、及び第２コンデンサを含む第２フルブリッジ回路と、第２絶縁トランスと、を有し、前記第１フルブリッジ回路の一方端は前記第１直流電源に接続されて、前記第１フルブリッジ回路の他方端は前記第２絶縁トランスの一方側巻線に接続され、前記第２フルブリッジ回路の一方端は前記第２絶縁トランスの他方側巻線に接続されて、前記第２フルブリッジ回路の他方端は前記第２直流電源に接続される構成（第５の構成）とされる。
さらに、第５の構成の電力変換装置は、複数の前記第１半導体スイッチング素子は、別々の前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、同じ前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、からなり、複数の前記第２半導体スイッチング素子は、別々の前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、同じ前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、からなる構成（第６の構成）であってもよい。
或いは、第１〜第４のうちのいずれかの構成の電力変換装置は、第３直流電源の電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、前記電力変換回路部は、前記三相のうちの第１相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第１ハーフブリッジ回路と、前記三相のうちの前記第１相とは異なる第２相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第２ハーフブリッジ回路と、前記三相のうちの前記第１相及び前記第２相とは異なる第３相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第３ハーフブリッジ回路と、を有し、前記第１ハーフブリッジ回路、前記第２ハーフブリッジ回路、及び前記第３ハーフブリッジ回路はそれぞれ、２個の前記半導体スイッチング素子を有する構成（第７の構成）とされる。
さらに、第７の構成の電力変換装置は、前記第１ハーフブリッジ回路、前記第２ハーフブリッジ回路、及び前記第３ハーフブリッジ回路において、一方の前記半導体スイッチング素子は、別々の前記駆動部により駆動され、他方の前記半導体スイッチング素子は、同じ前記駆動部により駆動される構成（第８の構成）であってもよい。
本発明によると、基板面積の増大を抑制しつつ、電力変換装置の各々の電源部間において、良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる。
第１実施形態に係る電力変換装置の電力制御基板に搭載される回路を示す。 第１実施形態における半導体スイッチング素子の開閉のタイミングチャートである。 第２実施形態に係る電力変換装置の電力制御基板に搭載される回路を示す。 第２実施形態における半導体スイッチング素子のＰＷＭ駆動のＯＮ／ＯＦＦと、三相交流電力の各々の交流電流成分とのタイミングチャートである。
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置１の電力制御基板１３に搭載される回路を示す。なお、図１では、電力制御基板１３の外部に配置される構成要素の電気的な接続は破線で示されている。
電力変換装置１は、フルブリッジ回路ＦＢ１、ＦＢ２がそれぞれ絶縁トランスＴｃに対して左右対称に配置されているＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換装置１は、２個の直流電源ＤＣ１、ＤＣ２間に設けられ、該直流電源ＤＣ１、ＤＣ２との間で電力を双方向に伝送する。
電力変換装置１は、図１に示すように、電力変換回路部１１と、複数のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆと、電力制御基板１３と、電源基板１４と、直流電力源１５と、交流変換部１６と、伝送線１７と、制御信号生成部１８と、を備えている。電力制御基板１３は、電力変換回路部１１と６個のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆとを搭載している。電源基板１４は、交流変換部１６を搭載している。電力制御基板１３と電源基板１４との間には、伝送線１７が設けられている。なお、図１において、制御信号生成部１８の接続端ｔ−１〜ｔ−８はそれぞれ、ゲート駆動部１２ａ〜１２ｆにおけるフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３の発光素子ｌｅｄの接続端ｔ−１〜ｔ−８と繋がっている。また、第１実施形態において、ゲート駆動部１２ａ〜１２ｆはそれぞれ本発明の「駆動部」の一例である。
電力変換回路部１１は、２個の直流電源ＤＣ１、ＤＣ２に接続され、直流電源ＤＣ１、ＤＣ２間で電力変換を行う。たとえば、電力変換回路部１１は、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆから出力されるゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８に基づいて直流電力の電圧を変換する。より具体的には、電力変換回路部１１は、直流電源ＤＣ１から出力される直流電力の電圧を変換し、直流電源ＤＣ２に出力する。或いは、電力変換回路部１１は、直流電源ＤＣ２から出力される直流電力の電圧を変換し、直流電源ＤＣ１に出力する。
電力変換回路部１１は、２個のフルブリッジ回路ＦＢ１、ＦＢ２と、絶縁トランスＴｃと、２個のインダクタＬ１、Ｌ２と、を有している。また、電力変換回路部１１は、図１に示すように、８個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を含んでいる。
フルブリッジ回路ＦＢ１の一方端は直流電源ＤＣ１に接続され、他方端は絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ１に接続されている。フルブリッジ回路ＦＢ２の一方端は絶縁トランスＴｃの他方側巻線Ｔｃ２に接続され、他方端は直流電源ＤＣ２に接続されている。
また、フルブリッジ回路ＦＢ１は、還流ダイオードがそれぞれ接続された４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、コンデンサＣｓ１と、で構成されている。半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のうち、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３はそれぞれ別々のゲート駆動部１２ａ、１２ｂにより駆動され、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４は同じゲート駆動部１２ｃにより駆動される。但し、図１の例示に限定されず、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４は、異なるゲート駆動部により駆動されてもよい。２個の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は直列接続され、２個の半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は直列接続されている。また、直列接続された２個の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、及び、直列接続された２個の半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、直流電源ＤＣ１とコンデンサＣｓ１と絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ１とに並列接続されている。より具体的には、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３間は、直流電源ＤＣ１の一方端とコンデンサＣｓ１の高電位側端子とに接続されている。半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４間は、直流電源ＤＣ１の他方端とコンデンサＣｓ１の低電位側端子とに接続されている。また、半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４間は、インダクタＬ１を介して、絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ１の一方端に接続されている。半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２間は、絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ１の他方端に接続されている。
フルブリッジ回路ＦＢ２は、還流ダイオードがそれぞれ接続された４個の半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８と、コンデンサＣｓ２と、で構成されている。半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８のうち、半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７はそれぞれ別々のゲート駆動部１２ｄ、１２ｅにより駆動され、半導体スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８は同じゲート駆動部１２ｆにより駆動される。但し、図１の例示に限定されず、半導体スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８は、異なるゲート駆動部により駆動されてもよい。２個の半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は直列接続され、２個の半導体スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８は直列接続されている。また、直列接続された２個の半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６、及び、直列接続された２個の半導体スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８は、直流電源ＤＣ２とコンデンサＣｓ２と絶縁トランスＴｃの他方側巻線Ｔｃ２とに並列接続されている。より具体的には、半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７間は、直流電源ＤＣ２の一方端とコンデンサＣｓ２の高電位側端子とに接続されている。半導体スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８間は、直流電源ＤＣ２の他方端とコンデンサＣｓ２の低電位側端子とに接続されている。また、半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６間は、インダクタＬ２を介して、絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ２２の一方端に接続されている。半導体スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８間は、絶縁トランスＴｃの他方側巻線Ｔｃ２の他方端に接続されている。
半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８はそれぞれ、並列に接続された還流ダイオードとともにスイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ８を構成する。各々の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。各々のスイッチ部ＳＷ１〜ＳＷ８において、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のドレインには還流ダイオードのアノードが接続され、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のソースには還流ダイオードのカソードが接続されている。
また、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のゲートには、ゲート駆動部１２ａ〜１２ｆがそれぞれ接続され、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆからゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８がそれぞれ出力される。半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のＯＮ／ＯＦＦ（つまり開閉動作）は、ゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８に基づいて制御される。たとえば、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８はそれぞれ、ゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８の電圧がＨｉｇｈレベルであればＯＮ（つまり開動作）となり、ゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８の電圧がＬｏｗレベル（たとえば０［Ｖ］）であればＯＦＦ（つまり閉動作）となる。
次に、ゲート駆動部１２ａ〜１２ｆはそれぞれ、ゲート駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ８により半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を駆動する。ゲート駆動部１２ａ、１２ｂ、１２ｄ、１２ｅはそれぞれ、ゲート電源回路部１２１ａと、ゲートドライバ１２２ａと、を有する。ゲート駆動部１２ｃ、１２ｆはそれぞれ、ゲート電源回路部１２１ｂと、２個のゲートドライバ１２２ｂ、１２２ｃと、を有する。なお、第１実施形態において、ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂはそれぞれ本発明の「電源部」の一例であり、ゲートドライバ１２２ａ、１２２ｂはそれぞれ本発明の「駆動信号生成部」の一例である。
ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂは、ゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８を生成するための直流電源電力Ｗｄｃをゲートドライバ１２２ａ〜１２２ｃに供給する絶縁電源である。ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂには、電力変換基板１３の外部から交流電源電力Ｗａｃが入力される。ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂは、交流電源電力Ｗａｃを直流電源電力Ｗｄｃに変換する。そして、ゲート電源回路部１２１ａは直流電源電力Ｗｄｃをゲートドライバ１２２ａに出力し、ゲート電源回路部１２１ｂは直流電源電力Ｗｄｃをゲートドライバ１２２ｂ、１２２ｃに出力する。
こうすれば、ゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８を生成するための交流電源電力Ｗａｃが、電力制御基板１３の外部から各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆのゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂに入力され、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の近傍において直流電源電力Ｗｄｃに変換される。従って、電力制御基板１３の基板面積の増大を抑制しつつ、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆにおけるゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂ間において、ガルバニック絶縁のような良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる。なお、ガルバニック絶縁とは、一方端と他方端との間が電流が流れない状態で電気的に絶縁された状態を指す。また、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆにおけるゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂ間の離間距離を短くできるので、電力変換装置１の小型化が可能になる。
また、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆが電力変換回路部１１と同じ電力制御基板１３に搭載されるため、たとえば、接続線が近接して束ねられたハーネスなどを用いて、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号線を電力変換回路部１１に接続する必要が無い。従って、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号線間に十分な離間距離を確保することも容易にできる。従って、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号が互いに干渉することを抑制又は防止できる。
ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂはそれぞれ、絶縁トランスＴ１、Ｔ２と、整流素子Ｄ１、Ｄ２と、コンデンサＣ１、Ｃ２と、を有している。絶縁トランスＴ１、Ｔ２の一次側端子には、交流電源電力Ｗａｃが入力される。絶縁トランスＴ１、Ｔ２の二次側端子には、交流電源電力Ｗａｃに基づく二次側電力Ｗｓが発生する。ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂはそれぞれ、整流素子Ｄ１、Ｄ２及びコンデンサＣ１、Ｃ２により、絶縁トランスＴ１、Ｔ２の二次側端子から出力される二次側電力Ｗｓを直流の直流電源電力Ｗｄｃに変換する。こうすれば、ゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂが絶縁トランスＴ１、Ｔ２を有することにより、各々のゲート駆動部１２ａ〜１２ｆにおいてゲート電源回路部１２１ａ、１２１ｂの入力端と出力端との間を絶縁することができる。
ゲートドライバ１２２ａ〜１２２ｃはそれぞれ、フォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３と、トランジスタ素子ｔｒ１及びｔｒ２、ｔｒ３及びｔｒ４、ｔｒ５及びｔｒ６と、を有している。ゲートドライバ１２２ａ〜１２２ｃはそれぞれ、制御信号生成部１８から出力される後述の制御信号ｓｇ１〜ｓｇ８に基づいて、直流電源電力Ｗｄｃからゲート駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８を生成する。
ゲート駆動部１２ａ、１２ｂ、１２ｄ、１２ｅは、それぞれ同じ構成である。ゲート駆動部１２ａ、１２ｂ、１２ｄ、１２ｅのゲート電源回路部１２１ａにおいて、絶縁トランスＴ１の一次側端子は伝送線１７に接続されている。絶縁トランスＴ１の二次側端子の一方端は、ダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１の高電位側端子と、トランジスタ素子ｔｒ１のコレクタとに接続されている。絶縁トランスＴ１の二次側端子の他方端は、コンデンサＣ１の低電位側端子と、トランジスタ素子ｔｒ２のエミッタとに接続され、さらに、電力変換回路部１１に接続されている。なお、上記の他方端は、より具体的には、ゲート駆動部１２ａにおいては半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２間に接続され、ゲート駆動部１２ｂにおいては半導体スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４間に接続され、ゲート駆動部１２ｄにおいては半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６間に接続され、ゲート駆動部１２ｅにおいては半導体スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８間に接続されている。また、各々のトランジスタ素子ｔｒ１、ｔｒ２のベースには、発光素子ｌｅｄ及び受光素子ＰｔからなるフォトカプラＰＣ１が接続されている。また、トランジスタ素子ｔｒ１のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒ２のコレクタと、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７のゲートに接続されている。ゲート駆動部１２ａ、１２ｂ、１２ｄ、１２ｅのゲートドライバ１２２ａにおいて、フォトカプラＰＣ１の発光素子ｌｅｄには、制御信号生成部１８から接続端ｔ−１、ｔ−３、ｔ−５、ｔ−７を介して制御信号ｓｇ１、ｓｇ３、ｓｇ５、ｓｇ７が入力される。発光素子ｌｅｄは、制御信号ｓｇ１、ｓｇ３、ｓｇ５、ｓｇ７に基づいて、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７をＯＮにする期間には発光駆動され、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７をＯＦＦにする期間には発光停止される。これにより、交流の二次側電力Ｗｓから直流のゲート駆動信号ｓｄ１、ｓｄ３、ｓｄ５、ｓｄ７が生成され、該ゲート駆動信号ｓｄ１、ｓｄ３、ｓｄ５、ｓｄ７が各々の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ７のゲートに出力される。
また、ゲート駆動部１２ｃ、１２ｆは、それぞれ同じ構成である。ゲート駆動部１２ｃ、１２ｆにおいて、絶縁トランスＴ２の一次側端子は伝送線１７に接続されている。絶縁トランスＴ２の二次側端子の一方端は、ダイオードＤ２のアノードに接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ２の高電位側端子と、各々のトランジスタ素子ｔｒ３、ｔｒ５のコレクタとに接続されている。絶縁トランスＴ２の二次側端子の他方端は、コンデンサＣ２の低電位側端子と、各々のトランジスタ素子ｔｒ４、ｔｒ６のエミッタとに接続され、さらに、電力変換回路部１１に接続されている。なお、上記の他方端は、より具体的には、ゲート駆動部１２ｃにおいては半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４間に接続され、ゲート駆動部１２ｆにおいては半導体スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８間に接続されている。また、各々のトランジスタ素子ｔｒ３、ｔｒ４のベースにはフォトカプラＰＣ２が接続され、各々のトランジスタ素子ｔｒ５、ｔｒ６のベースにはフォトカプラＰＣ３が接続されている。また、トランジスタ素子ｔｒ３のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒ４のコレクタと、各々の半導体スイッチング素子Ｑ４のゲートに接続されている。トランジスタ素子ｔｒ５のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒ６のコレクタと、各々の半導体スイッチング素子Ｑ２のゲートに接続されている。ゲート駆動部１２ｃ、１２ｆのゲートドライバ１２２ｂにおいて、フォトカプラＰＣ２の発光素子ｌｅｄには、制御信号生成部１８から接続端ｔ−４を経由して制御信号ｓｇ４が入力される。フォトカプラＰＣ２において、発光素子ｌｅｄは、制御信号ｓｇ４に基づいて、半導体スイッチング素子Ｑ４をＯＮにする期間には発光駆動され、半導体スイッチング素子Ｑ４をＯＦＦにする期間には発光停止される。これにより、交流の二次側電力Ｗｓから直流のゲート駆動信号ｓｄ４が生成され、該ゲート駆動信号ｓｄ４が半導体スイッチング素子Ｑ４のゲートに出力される。同様に、ゲート駆動部１２ｃ、１２ｆのゲートドライバ１２２ｃにおいて、フォトカプラＰＣ３の発光素子ｌｅｄは、制御信号生成部１８から接続端ｔ−２を介して入力される制御信号ｓｇ２に基づいて、半導体スイッチング素子Ｑ２をＯＮにする期間には発光駆動され、半導体スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦにする期間には発光停止される。これにより、交流の二次側電力Ｗｓから生成される直流のゲート駆動信号ｓｄ２が、半導体スイッチング素子Ｑ２のゲートに出力される。
直流電力源１５は、直流の出力電力Ｗｏを出力する。直流電力源１５は、電力制御基板１３の外部に配置されている。また、直流電力源１５は、図１では電力変換装置１に備えられているが、この例示に限定されず、電力変換装置１の外部に設けられていてもよい。
交流変換部１６は、直流の出力電力Ｗｏを交流電源電力Ｗａｃに変換し、該交流電源電力Ｗａｃを伝送線１７に出力する。
伝送線１７は、交流電源電力Ｗａｃを電源基板１４から電力制御基板１３に伝送する。第１基板１３と第２基板１４との間に設けられる伝送線１７の数は、図１では２本である。こうすれば、仮に伝送線１７が直流電力を伝送する場合と比較して、電力制御基板１３と電源基板１４との間に設けられる伝送線１７の数を低減することができる。また、電力変換回路部１１の構成などに応じてゲート駆動部１２ａ〜１２ｆの数を増減することも容易になる。
制御信号生成部１８は、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のＯＮ／ＯＦＦを制御するための制御信号ｓｇ１〜ｓｇ８を生成する。制御信号生成部１８は、これらの接続端ｔ−１〜ｔ−８を介して、各々の制御信号ｓｇ１〜ｓｇ８をゲート駆動部１２ａ〜１２ｆにおけるゲートドライバ１２２ａ〜１２２ｃのフォトカプラＰＣ１〜ＰＣ３にそれぞれ出力する。なお、制御信号生成部１８は、図１では電力変換装置１に備えられているが、この例示に限定されず、電力変換装置１の外部に設けられていてもよい。
次に、電力変換回路部１１の動作例を説明する。図２は、第１実施形態における半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の開閉タイミングチャートである。なお、図２は、直流電源ＤＣ１の出力電力の電圧Ｖｄｃ１を電圧Ｖｄｃ２に変換して、電圧変換した電力を直流電源ＤＣ２に出力する場合の動作を説明している。また、図２では、各時点ｔ１〜ｔ６におけるデッドタイムを省略している。
まず、時点ｔ０〜時点ｔ１において、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７がＯＮとされて、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ８がＯＦＦとされる。この際、フルブリッジ回路ＦＢ１では、直流電源ＤＣ１の一方端からスイッチ部ＳＷ１、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、インダクタＬ１、スイッチ部ＳＷ４、及び直流電源ＤＣ１の他方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２では、一方側端子Ｔｃ１を流れる電流に応じた二次電流が発生する。この二次電流は、他方側端子Ｔｃ２の他方端から、スイッチ部ＳＷ７、直流電源ＤＣ２、スイッチ部ＳＷ６、及びインダクタＬ２を経由して、他方側端子Ｔｃ２の一方端に流れる。
時点ｔ１〜時点ｔ２において、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ８がＯＮとされて、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７がＯＦＦとされる。この際、フルブリッジ回路ＦＢ１では、直流電源ＤＣ１の一方端からスイッチ部ＳＷ１、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、インダクタＬ１、及びスイッチ部ＳＷ４を経由して、直流電源ＤＣ１の他方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２で発生する二次電流は、他方側端子Ｔｃ２の他方端から、スイッチ部ＳＷ８、直流電源ＤＣ２、スイッチ部ＳＷ５、及びインダクタＬ２を経由して、他方側端子Ｔｃ２の一方端に流れる。
時点ｔ２〜時点ｔ４において、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ８がＯＮとされて、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７がＯＦＦとされる。この際、時点ｔ２〜ｔ３では、インダクタＬ１の自己誘導作用によって、インダクタＬ１を流れる電流の方向は時点ｔ１〜時点ｔ２と同じ方向に維持される。そのため、フルブリッジ回路ＦＢ１では、直流電源ＤＣ１の他方端からスイッチ部ＳＷ２、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、インダクタＬ１、及びスイッチ部ＳＷ３を経由して、直流電源ＤＣ１の一方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２で発生する二次電流は、他方側端子Ｔｃ２の一方端から、インダクタＬ２、スイッチ部ＳＷ５、直流電源ＤＣ２、及びスイッチ部ＳＷ８を経由して、他方側端子Ｔｃ２の他方端に流れる。
なお、インダクタＬ１を流れる電流の方向は、インダクタＬ１に印加される負方向の電圧によって時点ｔ３にて逆転する。そのため、時点ｔ３〜時点ｔ４において、フルブリッジ回路ＦＢ１では、直流電源ＤＣ１の一方端からスイッチ部ＳＷ３、インダクタＬ１、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、及びスイッチ部ＳＷ２を経由して、直流電源ＤＣ１の他方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２で発生する二次電流は、他方側端子Ｔｃ２の他方端から、スイッチ部ＳＷ８、直流電源ＤＣ２、スイッチ部ＳＷ５、及びインダクタＬ２を経由して、他方側端子Ｔｃ２の一方端に流れる。
時点ｔ４〜時点ｔ５において、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ６、Ｑ７がＯＮとされて、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ８がＯＦＦとされる。この際、フルブリッジ回路ＦＢ１では、時点ｔ３〜時点ｔ４と同様に、直流電源ＤＣ１の一方端からスイッチ部ＳＷ３、インダクタＬ１、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、及びスイッチ部ＳＷ２を経由して、直流電源ＤＣ１の他方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２で発生する二次電流は、他方側端子Ｔｃ２の他方端から、スイッチ部ＳＷ７、直流電源ＤＣ２、スイッチ部ＳＷ６、及びインダクタＬ２を経由して、他方側端子Ｔｃ２の一方端に流れる。
時点ｔ５〜時点ｔ６において、半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６、Ｑ７がＯＮとされて、半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ５、Ｑ８がＯＦＦとされる。この際、フルブリッジ回路ＦＢ１では、直流電源ＤＣ１の他方端からスイッチ部ＳＷ４、インダクタＬ１、絶縁トランスＴｃの一方側端子Ｔｃ１、及びスイッチ部ＳＷ１を経由して、直流電源ＤＣ１の一方端に電流が流れる。絶縁トランスＴｃの他方側端子Ｔｃ２で発生する二次電流は、時点ｔ４〜時点ｔ５と同様に、他方側端子Ｔｃ２の他方端から、スイッチ部ＳＷ７、直流電源ＤＣ２、スイッチ部ＳＷ６、及びインダクタＬ２を経由して、他方側端子Ｔｃ２の一方端に流れる。
時点ｔ６以降では、時点ｔ０〜時点ｔ６でのスイッチング動作が繰り返される。
以上に説明した本実施形態によれば、電力変換装置１は、複数の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を含む電力変換回路部１１と、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御するための制御信号ｓｇ１〜ｓｇ８を生成する制御信号生成部１８と、半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を駆動する複数の駆動部１２ａ〜１２ｆと、電力変換回路部１１及び複数の駆動部１２ａ〜１２ｆを搭載する第１基板１３と、を備え、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆは、第１基板１３の外部から入力される交流電源電力Ｗａｃを直流電源電力Ｗｄｃに変換する電源部１２１ａ、１２１ｂと、制御信号ｓｇ１〜ｓｇ８に基づいて半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を駆動するための駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８を直流電源電力Ｗｄｃから生成する駆動信号生成部１２２ａ〜１２２ｃと、を有する構成とされる。
この構成によれば、駆動信号ｓｄ１〜ｓｄ８を生成するための交流電源電力Ｗａｃが、第１基板１３の外部から各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの電源部１２１ａ、１２１ｂに入力され、各々の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８の近傍において直流電源電力Ｗｄｃに変換される。従って、第１基板１３の基板面積の増大を抑制しつつ、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの電源部１２１ａ、１２１ｂ間において、ガルバニック絶縁のような良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる。
また、仮に直流の電源電力が第１基板１３の外部から各々の駆動部１２ａ〜１２ｆに入力される場合と比較して、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの電源部１２１ａ、１２１ｂ間の離間距離を短くできるので、電力変換装置１の小型化が可能になる。
また、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆが電力変換回路部１１と同じ第１基板１３に搭載されるため、たとえば、接続線が近接して束ねられたハーネスなどを用いて、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号線を電力変換回路部１１に接続する必要が無い。従って、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号線間に十分な離間距離を確保することも容易にできる。従って、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆの出力信号が互いに干渉することを抑制又は防止できる。
また、本実施形態によれば、電力変換装置１は、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆにおいて、電源部１２１ａ、１２１ｂは、交流電源電力Ｗａｃが一次側端子に入力される第１絶縁トランスＴ１、Ｔ２を有し、第１絶縁トランスＴ１、Ｔ２の二次側端子から出力される二次側電力Ｗｓを直流の直流電源電力Ｗｄｃに変換する構成とされる。この構成によれば、各々の駆動部１２ａ〜１２ｆにおいて、第１絶縁トランスＴ１、Ｔ２により、電源部１２１ａ、１２１ｂの入力端と出力端との間を絶縁することができる。
また、本実施形態によれば、電力変換装置１は、直流電力源１５の出力電力Ｗｏを交流電源電力Ｗａｃに変換する交流変換部１６と、交流変換部１６を搭載する第２基板１４と、をさらに備える構成とされる。この構成によれば、直流電力源１５の出力電力Ｗｏが変換した交流電源電力Ｗａｃを各々の駆動部１２ａ〜１２ｆに入力することができる。
さらに、本実施形態によれば、電力変換装置１は、交流電源電力Ｗａｃを伝送する伝送線１７をさらに有し、第１基板１３と第２基板１４との間に設けられる伝送線１７の数は２本である構成とされる。この構成によれば、仮に伝送線１７が直流電力を伝送する場合と比較して、第１基板１３と第２基板１４との間に設けられる伝送線１７の数を低減することができる。また、電力変換回路部１１の構成に応じて駆動部１２ａ〜１２ｆの数を増減することが容易になる。
また、上述の本実施形態によれば、電力変換装置１は、第１直流電源ＤＣ１と第２直流電源ＤＣ２との間で電力を双方向に伝送する電力変換装置１であって、複数の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、複数の第１半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と複数の第２半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８とを含み、電力変換回路部１１は、複数の第１半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、及び第１コンデンサＣｓ１を含む第１フルブリッジ回路ＦＢ１と、複数の第２半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８、及び第２コンデンサＣｓ２を含む第２フルブリッジ回路ＦＢ２と、第２絶縁トランスＴｃと、を有し、第１フルブリッジ回路ＦＢ１の一方端は第１直流電源ＤＣ１に接続されて、第１フルブリッジ回路ＦＢ１の他方端は第２絶縁トランスＴｃの一方側巻線Ｔｃ１に接続され、第２フルブリッジ回路ＦＢ２の一方端は第２絶縁トランスＴｃの他方側巻線Ｔｃ２に接続されて、第２フルブリッジ回路ＦＢ２の他方端は第２直流電源ＤＣ２に接続される構成とされる。この構成によれば、フルブリッジ回路ＦＢ１、ＦＢ２がそれぞれ第２絶縁トランスＴｃに対して左右対称に接続された電力変換装置１をＤＡＢ（Dual Active Bridge）方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとして提供できる。
また、本実施形態によれば、電力変換装置１は、複数の第１半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、別々の駆動部１２ａ、１２ｂにより駆動される２個の半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と、同じ駆動部１２ｃにより駆動される２個の半導体スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４と、からなり、複数の第２半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８は、別々の駆動部１２ｄ、１２ｅにより駆動される２個の半導体スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７と、同じ駆動部１２ｆにより駆動される２個の半導体スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８と、からなる構成とされる。この構成によれば、ＤＡＢ方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８を６個の駆動部１２ａ〜１２ｆで駆動できる。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を説明する。図３は、第２実施形態に係る電力変換装置２の電力制御基板２３に搭載される回路を示す。なお、図３では、電力制御基板２３の外部に配置される構成要素の電気的な接続を破線で示されている。また、第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略することがある。
電力変換装置２は、直流電源ＤＣａとモーターＭとの間に設けられる交流電源装置であり、直流電源ＤＣａが出力する直流電力を三相交流電力Ｗｔに変換し、該三相交流電力ＷｔをモーターＭに出力する。なお、三相交流電力Ｗｔは、位相がそれぞれ１２０［degree］ずれている三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流成分Ｉ−ｕ、Ｉ−ｖ、Ｉ−ｗを有している。
電力変換装置２は、図３に示すように、電力変換回路部２１と、複数のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄと、電力制御基板２３と、電源基板２４と、直流電力源２５と、交流変換部２６と、伝送線２７と、制御信号生成部２８と、を備えている。電力制御基板２３は、電力変換回路部２１と複数のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄとを搭載している。電源基板２４は、交流変換部２６を搭載している。電力制御基板２３と電源基板２４との間には、２本の伝送線２７が設けられている。このため、モーターＭの配置数などに応じてゲート駆動部２２ａ〜２２ｄの数を増減することが容易となっている。なお、図３において、制御信号生成部２８の接続端ｔａ−１〜ｔａ−６はそれぞれ、ゲート駆動部２２ａ〜２２ｄのフォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ３の発光素子の接続端ｔａ−１〜ｔａ−６と繋がっている。また、第２実施形態において、ゲート駆動部２２ａ〜２２ｄはそれぞれ本発明の「駆動部」の一例である。また、第２実施形態の直流電力源２５、交流変換部２６、及び伝送線２７の各構成は第１実施形態の直流電力源１５、交流変換部１６、及び伝送線１７と同じであるため、これらの説明は省略する。
電力変換回路部２１は、直流電源ＤＣａ及びモーターＭに接続される。電力変換回路部２１は、図３に示すように、６個の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を含んでいる。図４は、第２実施形態における半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動のＯＮ／ＯＦＦと、三相交流電力Ｗｔの各々の交流電流成分Ｉ−ｕ、Ｉ−ｖ、Ｉ−ｗとのタイミングチャートである。なお、図４では、各時点ｔ１〜ｔ６におけるデッドタイムを省略している。
電力変換回路部２１は、図４に示すように、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄから入力される後述のゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６に基づいて半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６をＰＷＭ駆動することにより、直流電源ＤＣａの電力を三相交流電力Ｗｔに変換する。そして、電力変換回路部２１は、三相交流電力ＷｔをモーターＭに出力する。
電力変換回路部２１は、３個のハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３を有している。ハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３はそれぞれ、三相のうちの互いに異なる一相の交流電流成分を生成する。より具体的には、第１ハーフブリッジ回路ＨＢ１は、たとえばＵ相の交流電流成分Ｉ−ｕを直流電源ＤＣａの電力から生成する。第２ハーフブリッジ回路ＨＢ２は、Ｖ相の交流電流成分Ｉ−ｖを直流電源ＤＣａの電力から生成する。第３ハーフブリッジ回路ＨＢ３は、Ｗ相の交流電流成分Ｉ−ｗを直流電源ＤＣａの電力から生成する。
ハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３の一方端はそれぞれ直流電源ＤＣａに接続され、他方端はモーターＭに接続されている。より具体的には、ハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３はそれぞれ、一方の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５と、他方の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６と、で構成されている。なお、両者はそれぞれ直列接続されている。一方の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５はそれぞれ別々のゲート駆動部２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより駆動され、他方の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６は同じゲート駆動部２２ｄにより駆動される。従って、電力変換装置２の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６は４個のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄで駆動されている。
一方の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５の一方端は、互いに接続されているとともに、直流電源ＤＣａの一方端に接続されている。他方の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６の一方端は、互いに接続されているとともに、直流電源ＤＣａの他方端に接続されている。一方の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５の他方端と、他方の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６の他方端との間は、それぞれモーターＭのＵ相端子（不図示）、Ｖ相端子（不図示）、Ｗ相端子（不図示）に接続されている。
半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６はそれぞれ、並列に接続された還流ダイオードとともにスイッチ部ＳＷａ１〜ＳＷａ６を構成する。各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６は、たとえばＩＧＢＴである。各々のスイッチ部ＳＷａ１〜ＳＷａ８において、半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のドレインには還流ダイオードのアノードが接続され、半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のソースには還流ダイオードのカソードが接続されている。
また、半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のゲートには、ゲート駆動部２２ａ〜２２ｄがそれぞれ接続され、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄからゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６が入力される。半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のＯＮ／ＯＦＦ（つまり開閉動作）は、ゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６に基づいて制御される。
次に、ゲート駆動部２２ａ〜２２ｄはそれぞれ、ゲート駆動信号Ｓｄａ１〜Ｓｄａ６により半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を駆動する。
第２実施形態のゲート駆動部２２ａ〜２２ｃの構成はそれぞれ第１実施形態のゲート駆動部１２ａ〜１２ｃの構成と同じである。ゲート駆動部２２ａ〜２２ｃにおいて、トランジスタ素子ｔｒａ１のエミッタとトランジスタ素子ｔｒａ２のコレクタとの間は、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５のゲートに接続されている。ゲート駆動部２２ａ〜２２ｃは、制御信号生成部２８から接続端ｔａ−１、接続端ｔａ−３、接続端ｔａ−５を経由して入力される制御信号ｓｇａ１、ｓｇａ３、ｓｇａ５に基づいてゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ１、ｓｄａ３、ｓｄａ５を生成し、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５に出力している。
ゲート駆動部２２ｄは、ゲート電源回路部２２１と、３個のゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃと、を有する。なお、第２実施形態において、ゲート電源回路部２２１は本発明の「電源部」の一例であり、ゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃはそれぞれ本発明の「駆動信号生成部」の一例である。ゲート電源回路部２２１は、ゲート駆動信号ｓｄａ２、ｓｄａ４、ｓｄａ６を生成するための直流電源電力Ｗｄｃをゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃに供給する絶縁電源である。ゲート電源回路部２２１には、電力変換基板２３の外部から交流電源電力Ｗａｃが入力される。ゲート電源回路部２２１は、交流電源電力Ｗａｃを直流電源電力Ｗｄｃに変換する。そして、ゲート電源回路部２２１は直流電源電力Ｗｄｃをゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃに出力する。
こうすれば、ゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６を生成するための交流電源電力Ｗａｃが、電力制御基板２３の外部から各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄのゲート電源部２２１に入力され、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６の近傍において直流電源電力Ｗｄｃに変換される。従って、電力制御基板２３の基板面積の増大を抑制しつつ、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄのゲート電源部２２１間において、ガルバニック絶縁のような良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる。また、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄのゲート電源部２２１間の離間距離を短くできるので、電力変換装置２の小型化が可能になる。
また、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄが電力変換回路部２１と同じ電力制御基板２３に搭載されるため、たとえば、接続線が近接して束ねられたハーネスなどを用いて、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号線を電力変換回路部２１に接続する必要が無い。従って、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号線間に十分な離間距離を確保することも容易にできる。従って、各々のゲート駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号が互いに干渉することを抑制又は防止できる。
また、ゲート電源回路部２２１は、絶縁トランスＴａと、整流素子Ｄａと、コンデンサＣａと、を有している。絶縁トランスＴａの一次側端子には、交流電源電力Ｗａｃが入力される。絶縁トランスＴａの二次側端子には、交流電源電力Ｗａｃに基づく二次側電力Ｗｓが発生する。ゲート電源回路部２２１は、整流素子Ｄａ及びコンデンサＣａにより、絶縁トランスＴａの二次側端子から出力される二次側電力Ｗｓを直流の直流電源電力Ｗｄｃに変換する。こうすれば、ゲート電源回路部２２１が絶縁トランスＴａを有することにより、ゲート駆動部２２ｄにおいてゲート電源回路部２２１の入力端と出力端との間を絶縁することができる。
ゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃはそれぞれ、フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ３と、トランジスタ素子ｔｒａ３及びｔｒａ４、ｔｒ５及びｔｒ６、ｔｒ７及びｔｒ８と、を有している。ゲートドライバ２２２ａ〜２２２ｃはそれぞれ、制御信号生成部２８から接続端ｔａ−２、ｔａ−４、ｔａ−６を経由して出力される後述の制御信号ｓｇａ２、ｓｇａ４、ｓｇａ６に基づいて、直流電源電力Ｗｄｃからゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ２、ｓｄａ４、ｓｄａ６を生成する。
また、ゲート駆動部２２ｄにおいて、絶縁トランスＴａの一次側端子は伝送線２７に接続されている。絶縁トランスＴａの二次側端子の一方端は、ダイオードＤａのアノードに接続されている。ダイオードＤａのカソードは、コンデンサＣａの高電位側端子と、各々のトランジスタ素子ｔｒａ３、ｔｒａ５、ｔｒａ７のコレクタとに接続されている。絶縁トランスＴａの二次側端子の他方端は、コンデンサＣａの低電位側端子と、各々のトランジスタ素子ｔｒａ４、ｔｒａ６、ｔｒａ８のエミッタとに接続され、さらに、電力変換回路部２１に接続されている。なお、上記の他方端は、より具体的には、各々のハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６の一方端と、直流電源ＤＣａの他方端とに接続されている。また、各々のトランジスタ素子ｔｒａ３、ｔｒａ４のベースにはフォトカプラＰＣａ１が接続され、各々のトランジスタ素子ｔｒａ５、Ｔｒａ６のベースにはフォトカプラＰＣａ２が接続され、各々のトランジスタ素子ｔｒａ７、Ｔｒａ８のベースにはフォトカプラＰＣａ３が接続されている。また、トランジスタ素子ｔｒａ３のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒａ４のコレクタと、ハーフブリッジ回路ＨＢ１の半導体スイッチング素子Ｑａ２のゲートと、に接続されている。トランジスタ素子ｔｒａ５のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒａ６のコレクタと、ハーフブリッジ回路ＨＢ２の半導体スイッチング素子Ｑａ４のゲートと、に接続されている。トランジスタ素子ｔｒａ７のエミッタは、トランジスタ素子ｔｒａ８のコレクタと、ハーフブリッジ回路ＨＢ３の半導体スイッチング素子Ｑａ６のゲートと、に接続されている。各々のフォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ３の発光素子には、制御信号生成部２８から接続端ｔａ−２、ｔａ−４、ｔａ−６を経由して制御信号ｓｇａ２、ｓｇａ４、ｓｇａ６が入力される。フォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ３の発光素子はそれぞれ、制御信号ｓｇａ２、ｓｇａ４、ｓｇａ６に基づいて、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６をＯＮにする期間には発光駆動され、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６をＯＦＦにする期間には発光停止される。これにより、交流の二次側電力Ｗｓからゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ２、ｓｄａ４、ｓｄａ６が生成され、該ゲート駆動ＰＷＭ信号ｓｄａ２、ｓｄａ４、ｓｄａ６が各々の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６のゲートに出力される。
制御信号生成部２８は、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６のＯＮ／ＯＦＦを制御するための制御信号ｓｇａ１〜ｓｇａ６を生成する。制御信号生成部２８は、接続端ｔａ−１、ｔａ−３、ｔａ−５を介して各々の制御信号ｓｇａ１、ｓｇａ３、ｓｇａ５をゲート駆動部２２ａ〜２２ｃにおける電源部のフォトカプラにそれぞれ出力し、接続端ｔａ−２、ｔａ−４、ｔａ−６を介して各々の制御信号ｓｇａ２、ｓｇａ４、ｓｇａ６をゲート駆動部２２ｄにおける電源部２２２ａ〜２２２ｃのフォトカプラＰＣａ１〜ＰＣａ３にそれぞれ出力する。なお、制御信号生成部２８は、図３では電力変換装置２に備えられているが、この例示に限定されず、電力変換装置２の外部に設けられていてもよい。
以上に説明した本実施形態によれば、電力変換装置２は、複数の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を含む電力変換回路部２１と、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６の開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御するための制御信号ｓｇａ１〜ｓｇａ６を生成する制御信号生成部２８と、半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を駆動する複数の駆動部２２ａ〜２２ｄと、電力変換回路部２１及び複数の駆動部２２ａ〜２２ｄを搭載する第１基板２３と、を備え、各々の駆動部２２ａ〜２２ｄは、第１基板２３の外部から入力される交流電源電力Ｗａｃを直流電源電力Ｗｄｃに変換する駆動部２２ａ〜２２ｃの電源部及び駆動部２２ｄの電源部２２１と、制御信号ｓｇａ１〜ｓｇａ６に基づいて半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を駆動するための駆動信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６を直流電源電力Ｗｄｃから生成する駆動部２２ａ〜２２ｃの駆動信号生成部及び駆動部２２ｄの駆動信号生成部２２２ａ〜２２２ｃと、を有する構成とされる。
この構成によれば、駆動信号ｓｄａ１〜ｓｄａ６を生成するための交流電源電力Ｗａｃが、第１基板２３の外部から各々の駆動部２２ａ〜２２ｃの電源部及び駆動部２２ｄの電源部２２１に入力され、各々の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６の近傍において直流電源電力Ｗｄｃに変換される。従って、第１基板２３の基板面積の増大を抑制しつつ、各々の電源部（つまり駆動部２２ａ〜２２ｃの電源部、駆動部２２ｄの電源部２２１）間において、ガルバニック絶縁のような良好な電気的絶縁を実現するための十分な離間距離を容易に確保することができる。また、電力変換装置２の小型化が可能になる。
また、各々の駆動部２２ａ〜２２ｄが電力変換回路部２１と同じ第１基板２３に搭載されるため、たとえば、接続線が近接して束ねられたハーネスなどを用いて、各々の駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号線を電力変換回路部２１に接続する必要が無い。従って、各々の駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号線間に十分な離間距離を確保することも容易にできる。従って、各々の駆動部２２ａ〜２２ｄの出力信号が互いに干渉することを抑制又は防止できる。
また、上述の本実施形態によれば、電力変換装置２は、第３直流電源ＤＣａの電力を三相交流電力Ｗｔに変換する電力変換装置２であって、電力変換回路部２１は、三相のうちのＵ相（第１相）の交流電流成分Ｉ−ｕを第３直流電源ＤＣａの電力から生成する第１ハーフブリッジ回路ＨＢ１と、三相のうちのＶ相（第１相とは異なる第２相）の交流電流成分Ｉ−ｖを第３直流電源ＤＣａの電力から生成する第２ハーフブリッジ回路ＨＢ２と、三相のうちのＷ相（第１相及び第２相とは異なる第３相）の交流電流成分Ｉ−ｗを第３直流電源ＤＣａの電力から生成する第３ハーフブリッジ回路ＨＢ３と、を有し、第１ハーフブリッジ回路ＨＢ１、第２ハーフブリッジ回路ＨＢ２、及び第３ハーフブリッジ回路ＨＢ３はそれぞれ、２個の半導体スイッチング素子Ｑａ１及びＱａ２、Ｑａ３及びＱａ４、Ｑａ５及びＱａ６を有する構成とされる。この構成によれば、第１〜第３ハーフブリッジ回路ＨＢ１〜ＨＢ３により生成される三相交流電力Ｗｔを生成する電力変換装置２を交流電源装置として提供できる。
また、本実施形態によれば、交流電源装置２は、第１ハーフブリッジ回路ＨＢ１、第２ハーフブリッジ回路ＨＢ２、及び第３ハーフブリッジ回路ＨＢ３において、一方の半導体スイッチング素子Ｑａ１、Ｑａ３、Ｑａ５は、別々の駆動部２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより駆動され、他方の半導体スイッチング素子Ｑａ２、Ｑａ４、Ｑａ６は、同じ駆動部２２ｄにより駆動される構成とされる。この構成によれば、交流電源装置として機能する電力変換装置２の半導体スイッチング素子Ｑａ１〜Ｑａ６を４個の駆動部２２ａ〜２２ｄで駆動できる。
以上、本発明の実施形態を説明した。なお、上述の実施形態は例示であり、その各構成要素及び各処理の組み合わせに色々な変形が可能であり、本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
また、本発明は、第１実施形態ではＤＣ−ＤＣコンバータに適用され、第２実施形態では交流電源装置に適用されているが、これらの例示に限定されない。本発明は、電力変換装置１、２を搭載する装置に有用である。
１、２ 電力変換装置
１１、２１ 電力変換回路部
１２ａ〜１２ｆ、２２ａ〜２２ｄ ゲート駆動部
１２１ａ、１２１ｂ、２２１ ゲート電源回路部
１２２ａ〜１２２ｃ、２２２ａ〜２２２ｃ ゲートドライバ
１３、２３ 電力制御基板
１４、２４ 電源基板
１５、２５ 直流電力源
１６、２６ 交流変換部
１７、２７ 伝送線
１８、２８ 制御信号生成部
Ｔｃ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔａ 絶縁トランス
Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
ＦＢ１、ＦＢ２ フルブリッジ回路
ＨＢ１〜ＨＢ３ ハーフブリッジ回路
ＳＷ１〜ＳＷ８、ＳＷａ１〜ＳＷａ６ スイッチ部
Ｑ１〜Ｑ８、Ｑａ１〜Ｑａ６ 半導体スイッチング素子
Ｃｓ１、Ｃｓ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｃａ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄａ ダイオード
ＰＣ１〜ＰＣ３、ＰＣａ１〜ＰＣａ３ フォトカプラ
ｌｅｄ 発光素子
ｐｔ フォトトランジスタ
ｔｒ１〜ｔｒ６、ｔｒａ１〜ｔｒａ８ トランジスタ素子
ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣａ 直流電源
Ｍ モーター
Ｗｏ 出力電力
Ｗａｃ 交流電源電力
Ｗｓ 二次側電力
Ｗｄｃ 直流電源電力
Ｗｔ 三相交流電力
ｓｇ１〜ｓｇ８、ｓｇａ１〜ｓｇａ６ 制御信号
ｓｄ１〜ｓｄ８、ｓｄａ１〜ｓｄａ６ ゲート駆動信号

Claims (8)

  1. 複数の半導体スイッチング素子を含む電力変換回路部と、
    各々の前記半導体スイッチング素子の開閉を制御するための制御信号を生成する制御信号生成部と、
    前記半導体スイッチング素子を駆動する複数の駆動部と、
    前記電力変換回路部及び複数の前記駆動部を搭載する第１基板と、を備え、
    各々の前記駆動部は、
    前記第１基板の外部から入力される交流電源電力を直流電源電力に変換する電源部と、
    前記制御信号に基づいて前記半導体スイッチング素子を駆動するための駆動信号を前記直流電源電力から生成する駆動信号生成部と、
    を有する電力変換装置。
  2. 各々の前記駆動部において、前記電源部は、前記交流電源電力が一次側端子に入力される第１絶縁トランスを有し、前記第１絶縁トランスの二次側端子から出力される二次側電力を直流の前記直流電源電力に変換する請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 直流電力源の出力電力を前記交流電源電力に変換する交流変換部と、
    前記交流変換部を搭載する第２基板と、
    をさらに備える請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記交流電源電力を伝送する伝送線をさらに有し、
    前記第１基板と前記第２基板との間に設けられる前記伝送線の数は２本である請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 第１直流電源と第２直流電源との間で電力を双方向に伝送する電力変換装置であって、
    複数の前記半導体スイッチング素子は、複数の第１半導体スイッチング素子と複数の第２半導体スイッチング素子とを含み、
    前記電力変換回路部は、
    複数の前記第１半導体スイッチング素子、及び第１コンデンサを含む第１フルブリッジ回路と、
    複数の前記第２半導体スイッチング素子、及び第２コンデンサを含む第２フルブリッジ回路と、
    第２絶縁トランスと、
    を有し、
    前記第１フルブリッジ回路の一方端は前記第１直流電源に接続されて、前記第１フルブリッジ回路の他方端は前記第２絶縁トランスの一方側巻線に接続され、
    前記第２フルブリッジ回路の一方端は前記第２絶縁トランスの他方側巻線に接続されて、前記第２フルブリッジ回路の他方端は前記第２直流電源に接続される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
  6. 複数の前記第１半導体スイッチング素子は、
    別々の前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、
    同じ前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、からなり、
    複数の前記第２半導体スイッチング素子は、
    別々の前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、
    同じ前記駆動部により駆動される２個の前記半導体スイッチング素子と、からなる請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 第３直流電源の電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
    前記電力変換回路部は、
    前記三相のうちの第１相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第１ハーフブリッジ回路と、
    前記三相のうちの前記第１相とは異なる第２相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第２ハーフブリッジ回路と、
    前記三相のうちの前記第１相及び前記第２相とは異なる第３相の交流電流成分を前記第３直流電源の電力から生成する第３ハーフブリッジ回路と、を有し、
    前記第１ハーフブリッジ回路、前記第２ハーフブリッジ回路、及び前記第３ハーフブリッジ回路はそれぞれ、２個の前記半導体スイッチング素子を有する請求項１〜請求項４のいずれかに記載の電力変換装置。
  8. 前記第１ハーフブリッジ回路、前記第２ハーフブリッジ回路、及び前記第３ハーフブリッジ回路において、
    一方の前記半導体スイッチング素子は、別々の前記駆動部により駆動され、
    他方の前記半導体スイッチング素子は、同じ前記駆動部により駆動される請求項７に記載の電力変換装置。
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