JP2020156216A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でリカバリ損失の低減を実現できるトーテムポール型力率改善回路を備えた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、トーテムポール型力率改善回路１２と、第１の電流検出器Ｒ１と第２の電流検出器Ｒ２との直列接続と、制御回路１６と、を備える。トーテムポール型力率改善回路は、コイルＬ１と、第１の半波スイッチＳ１と、第２の半波スイッチＳ２と、第１のダイオードＤ１と、第２のダイオードＤ２と、第１のダイオードのカソードと、第２のダイオードのアノードとの間に接続された平滑キャパシタＣ１と、を備える。第１の電流検出器と第２の電流検出器との直列接続は、コイルと交流電源の第１の端子との間に接続される。制御回路は、第１の電流検出器による電流の検出結果または第２の電流検出器による電流の検出結果に基づいて、第１の半波スイッチ及び第２の半波スイッチをオンオフするパルス幅制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、交流電源から得られる交流電圧を直流電圧に変換して負荷へ電力を供給する。交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する場合、交流電源に流れる交流電流を交流電圧と同位相の正弦波状に変換することが最も力率が良く高調波ノイズ発生も少ない。例えば、電力変換装置は、入力電流を正弦波状にするトーテムポール型力率改善回路を備える。

上記のようなトーテムポール型力率改善回路を制御するために、入力される交流電圧によって流れる交流電流を検出する必要がある。例えば、電流を検出するカレントトランスを備える電力変換装置が実用化されている。しかしながら、このような構成では、交流電流の検出結果が正負の信号として出力される。この為、トーテムポール型力率改善回路を制御するための制御ＩＣに、電流検出の結果を直接用いることができない。この為、電流の検出結果を任意のＧＮＤを基準とした信号に変換する、即ち絶縁する必要があり、回路が複雑になるという課題がある。また、カレントトランスが高価である為、コストが増加するという課題がある。

特開２０１６−２１８８５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成で高効率電力変換が可能なトーテムポール型力率改善回路を備えた電力変換装置を提供することである。

一実施形態に係る電力変換装置は、トーテムポール型力率改善回路と、第１の電流検出器と第２の電流検出器との直列接続と、制御回路とを備える。トーテムポール型力率改善回路は、交流電源の第１の端子に接続されたコイルと、コイルにソース端子が接続された第１の半波スイッチと、第１の半波スイッチのソース端子にドレイン端子が接続された第２の半波スイッチと、第１の半波スイッチのドレイン端子にカソードが接続され、交流電源の第２の端子にアノードが接続された第１のダイオードと、第２の半波スイッチのソース端子にアノードが接続され、交流電源の第２の端子にカソードが接続された第２のダイオードと、第１のダイオードのカソードと、第２のダイオードのアノードとの間に接続された平滑キャパシタと、を備える。第１の電流検出器と第２の電流検出器との直列接続は、コイルと交流電源の第１の端子との間に接続される。制御回路は、第１の電流検出器による電流の検出結果または第２の電流検出器による電流の検出結果に基づいて、第１の半波スイッチ及び第２の半波スイッチをオンオフするパルス幅制御を行う。

図１は、一実施形態に係る電力変換装置の構成の例について説明する為の図である。 図２は、一実施形態に係るトーテムポールＰＦＣの動作の例について説明する為の図である。 図３は、一実施形態に係る制御回路の構成の例について説明する為の図である。 図４は、一実施形態に係る基準電圧変換回路の構成の例について説明する為の図である。 図５は、一実施形態に係るＰＦＣ制御回路の構成の例について説明する為の図である。 図６は、一実施形態に係る第１の絶縁ドライバ及び第２の絶縁ドライバの構成の例について説明する為の図である。 図７は、一実施形態に係るトーテムポールＰＦＣの制御について説明する為の図である。 図８は、一実施形態に係る極性検知回路の他の構成例について説明する為の図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す図である。電力変換装置１は、トーテムポール型力率改善回路を備える。トーテムポール型力率改善回路を備える電力変換装置１は、入力電源としての交流電源ＡＣに接続される。電力変換装置１は、交流電源ＡＣの交流電圧を高周波でスイッチングして直流電力を負荷回路２に出力することにより、負荷回路２が動作する。

まず電力変換装置１の構成について説明する。電力変換装置１は、フィルタ回路１１、トーテムポール型力率改善回路（トーテムポールＰＦＣ）１２、ＬＬＣ共振回路１３、絶縁ＡＣＤＣ回路１４、交流電圧検出回路１５、及び制御回路１６を備える。

フィルタ回路１１は、電力変換装置１から交流電源ＡＣへ漏洩するノイズを除去する回路である。フィルタ回路１１は、例えばＥＭＣフィルタである。フィルタ回路１１は、入力端子から商用周波数５０Ｈｚ成分の交流電圧を入力し、出力端子から出力する。フィルタ回路１１により、出力端子に伝達する電力変換装置１で発生した高周波ノイズが遮断され、入力端子には伝達しない。なお、フィルタ回路１１は、第１の端子ＡＣ１及び第２の端子ＡＣ２を出力端子として備える。即ち、第１の端子ＡＣ１及び第２の端子ＡＣ２から交流電力が出力される。

トーテムポールＰＦＣ１２は、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣから得られる交流電圧を直流電圧に変換し、ＬＬＣ共振回路１３に供給する。トーテムポールＰＦＣ１２は、第１のコイルＬ１、第１の半波スイッチＳ１、第２の半波スイッチＳ２、第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第１の平滑キャパシタＣ１、第１の抵抗Ｒ１、及び第２の抵抗Ｒ２を備える。

第１のコイルＬ１は、フィルタ回路１１を介して、交流電源ＡＣの第１の端子に接続される。例えば、第１のコイルＬ１は、第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２を介してフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１に接続されている。

第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２は、制御回路１６の制御によりオンオフされるスイッチ素子である。第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２は、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、酸化ガリウム、またはダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体により構成される。このような半導体で構成された素子は、シリコンにより構成されたＭＯＳＦＥＴに比べてスイッチングスピードが速く、また、ドレインソース間の浮遊容量が少ないため、スイッチングロスが少ない。

第１の半波スイッチＳ１は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ１によりオンオフされる。第２の半波スイッチＳ２は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ２によりオンオフされる。

第１の半波スイッチＳ１は、第１のコイルＬ１にソース端子が接続される。第２の半波スイッチＳ２は、第１の半波スイッチＳ１のソース端子にドレイン端子が接続される。

第１のダイオードＤ１は、第１の半波スイッチＳ１のドレイン端子にカソードが接続され、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣの第２の端子にアノードが接続される。第２のダイオードＤ２は、第２の半波スイッチのソース端子にアノードが接続され、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣの第２の端子にカソードが接続される。即ち、第１のダイオードＤ１のアノード及び第２のダイオードＤ２のカソードは、フィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２に接続されている。

第１の平滑キャパシタＣ１は、第１のダイオードＤ１のカソードと、第２のダイオードＤ２のアノードとの間に接続される。第１の平滑キャパシタＣ１の正極端子及び第１の平滑キャパシタＣ１の負極端子は、トーテムポールＰＦＣ１２の高圧直流出力の出力端子を構成する。また、第１の平滑キャパシタＣ１の正極端子及び負極端子は、それぞれ制御回路１６に接続されている。これにより、第１の平滑キャパシタＣ１の正極端子の電位に応じた信号ＤＣ１が制御回路１６に供給される。また、第１の平滑キャパシタＣ１の負極端子の電位に応じた信号ＤＣ２が制御回路１６に供給される。

第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２は、第１のコイルＬ１とフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１との間に直列に接続される。第１の抵抗Ｒ１は、第２の抵抗Ｒ２と第１のコイルＬ１との間に接続される。第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２の抵抗値は、例えば０．０１Ω程度の極小値である。即ち、第１のコイルＬ１、第１の抵抗Ｒ１、第２の抵抗Ｒ２、フィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１の順に接続されている。なお、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点を接続点Ｍと称する。

第１の抵抗Ｒ１と第１のコイルＬ１との接続点は、制御回路１６に接続されている。これにより、第１の抵抗Ｒ１を流れる電流に応じた信号ＩＳ１が制御回路１６に供給される。信号ＩＳ１は、電流が第１のコイルＬ１から接続点Ｍの向きで第１の抵抗Ｒ１を流れる時に、接続点Ｍの電位を基準とした正電圧になり、電流が接続点Ｍから第１のコイルＬ１の向きで第１の抵抗Ｒ１を流れる時に、接続点Ｍの電位（ＧＮＤ）を基準とした負電圧になる。

また、第２の抵抗Ｒ２とフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１との接続点は、制御回路１６に接続されている。これにより、第２の抵抗Ｒ２を流れる電流に応じた信号ＩＳ２が制御回路１６に供給される。信号ＩＳ２は、電流が第１の端子ＡＣ１から接続点Ｍの向きで第２の抵抗Ｒ２を流れる時に、接続点Ｍの電位を基準とした正電圧になり、電流が接続点Ｍから第１の端子ＡＣ１の向きで第２の抵抗Ｒ２を流れる時に、接続点Ｍの電位を基準とした負電圧になる。

上記した構成によると、信号ＩＳ１と信号ＩＳ２とのいずれかが正の信号になり、他方が負の信号になる。このような構成によると、第１の抵抗Ｒ１及び第２の抵抗Ｒ２は、第１のコイルＬ１に流れる電流の値を示す正電圧の信号を制御信号１６に供給する電流検出回路１７を構成する。第１の抵抗Ｒ１は、第１の電流検出器として機能する。また、第２の抵抗Ｒ２は、第２の電流検出器として機能する。

ＬＬＣ共振回路１３は、トーテムポールＰＦＣ１２から供給される高圧の直流電圧から負荷回路２に必要な直流電圧を供給するＤＣＤＣ変換回路である。ＬＬＣ共振回路１３は、スイッチング素子Ｓ３、スイッチング素子Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５、スイッチング素子Ｓ６、第２のコイルＬ２、第１の巻線Ｌ３、第２の巻線Ｌ４、第３の巻線Ｌ５、第２の平滑キャパシタＣ２、及び第３の平滑キャパシタＣ３を備える。

スイッチング素子Ｓ３、スイッチング素子Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５、及びスイッチング素子Ｓ６は、制御回路１６の制御によりオンオフされるスイッチ素子である。スイッチング素子Ｓ３、スイッチング素子Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５、及びスイッチング素子Ｓ６は、例えばシリコン製ＭＯＳＦＥＴである。ＬＬＣ共振回路１３では、共振現象を利用しているため、回路動作上、高速なスイッチングの必要がない。この為、トーテムポールＰＦＣ１２とは異なり、シリコン製ＭＯＳＦＥＴを用いることができる。

スイッチング素子Ｓ３は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ３によりオンオフされる。スイッチング素子Ｓ４は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ４によりオンオフされる。スイッチング素子Ｓ５は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ５によりオンオフされる。スイッチング素子Ｓ６は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ６によりオンオフされる。

スイッチング素子Ｓ３のドレイン端子は、トーテムポールＰＦＣ１２の一方の出力端子（第１の平滑キャパシタＣ１の正極端子）に接続されている。スイッチング素子Ｓ４のソース端子は、トーテムポールＰＦＣ１２の他方の出力端子（第１の平滑キャパシタＣ１の負極端子）に接続され、ドレイン端子は、スイッチング素子Ｓ３のソース端子に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４との接続点と、スイッチング素子Ｓ４のソース端子との間には、第２のコイルＬ２、第２の平滑キャパシタＣ２、及び第１の巻線Ｌ３の直列が接続されている。

第１の巻線Ｌ３、第２の巻線Ｌ４、及び第３の巻線Ｌ５は、絶縁トランスＴ１を構成する。第２の巻線Ｌ４及び第３の巻線Ｌ５は、第１の巻線Ｌ３と絶縁され、且つ第１の巻線Ｌ３に生じた磁界により励磁される。第２の巻線Ｌ４と第３の巻線Ｌ５とは、互いに接続されている。絶縁トランスＴ１は、第１の巻線Ｌ３と第２の巻線Ｌ４との巻き数（Ｔ：巻き数ターン）の比（巻き数比）と、第１の巻線Ｌ３と第３の巻線Ｌ５との巻き数比とが等しくなるように構成される。さらに、絶縁トランスＴ１は、ＬＬＣ共振回路１３が昇圧を行う回路か降圧を行う回路かによって、第１の巻線Ｌ３と第２の巻線Ｌ４との巻き数比（Ｌ３：Ｌ４）及び第１の巻線Ｌ３と第３の巻線Ｌ５との巻き数比（Ｌ３：Ｌ５）が決定される。例えば、ＬＬＣ共振回路１３が降圧を行う回路として構成される場合、巻き数比（Ｌ３：Ｌ４）及び巻き数比（Ｌ３：Ｌ５）が、２０Ｔ：５Ｔのように、１次側の第１の巻線Ｌ３に対して、２次側の第２の巻線Ｌ４及び第３の巻線Ｌ５の巻き数が少なくなるように巻き数比が決定される。

上記のような構成によると、スイッチング素子Ｓ３及びスイッチング素子Ｓ４がオンオフされることにより、第２のコイルＬ２に交番電流が流れる。また、第１の巻線Ｌ３に、第２のコイルＬ２と同等の交番電流が流れる。これにより、絶縁トランスＴ１に交番電流に応じて変化する磁界が発生する。第２の巻線Ｌ４及び第３の巻線Ｌ５には、絶縁トランスＴ１内に発生した磁界の変化（磁束の変化）によって、誘起電圧が発生する。誘起電圧によって、第２の巻線Ｌ４及び第３の巻線Ｌ５に交番電流が流れる。具体的には交番電流のうち正の半波部分が第２の巻線Ｌ４に流れ、交番電流のうち負の半波部分が第３の巻線Ｌ５に流れる。すなわち第２の巻線Ｌ４と第３の巻線Ｌ５には、それぞれ半波ずつ逆位相の電流が流れることになる。これらは同期整流用のスイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６によって、正の電流に転換され、ともに正の電流として第３のキャパシタＣ３にチャージされる。

スイッチング素子Ｓ５のソース端子は、第２の巻線Ｌ４と接続され、ドレイン端子は、第３のキャパシタＣ３の正極端子に接続されている。スイッチング素子Ｓ６のソース端子は、第３の巻線Ｌ５と接続され、ドレイン端子は、第３のキャパシタＣ３の正極端子に接続されている。第３のキャパシタＣ３の負極端子は、第２の巻線Ｌ４と第３の巻線Ｌ５との接続点に接続されている。また、第３のキャパシタＣ３には、負荷回路２が並列に接続されている。

上記の構成によると、スイッチング素子Ｓ５は、第２の巻線Ｌ４から第３のキャパシタＣ３の正極端子に電流を流すボディダイオードとして機能する。また、スイッチング素子Ｓ６は、第３の巻線Ｌ５から第３のキャパシタＣ３の正極端子に電流を流すボディダイオードとして機能する。

上記のような構成によると、第１の巻線Ｌ３に交番電流が流れるタイミングに応じて、スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６がオンオフされることにより、第２の巻線Ｌ４及び第３の巻線Ｌ５に生じる電圧によって電流が流れ、第３のキャパシタＣ３に充電される。これにより、第３のキャパシタＣ３に接続された負荷回路２に直流電力が供給される。

具体的には、スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６は、制御回路１６から供給されるゲート信号Ｇ５及びＧ６によって、ダイオードが導通するタイミングでオンされる。これにより、ボディダイオードの接合電圧１［Ｖ］がかからなくなり、代わりに導通抵抗０．０１［Ω］などがかかるようになる。例えば、スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６に流れる電流が１０［Ａ］であるとする。スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６がオンされずボディダイオードとして機能する場合の損失は、１［Ｖ］×１０［Ａ］＝１０［Ｗ］である。これに対して、スイッチング素子Ｓ５及びスイッチング素子Ｓ６がオンされた場合の損失は、０．０１［Ω］×１０［Ａ］の２乗＝１［Ｗ］となり、損失を減らすことができる。

以下、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点Ｍの電位がＧＮＤであると想定して説明する。絶縁ＡＣＤＣ回路１４は、上記した第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点Ｍの電位であるＧＮＤを基準とした任意の電圧の直流電圧ＶＣＣを生成し、制御回路１６に供給する。絶縁ＡＣＤＣ回路１４は、交流電源ＡＣの交流電圧に基づいて、交流電源ＡＣと絶縁した直流電圧ＶＣＣを生成する。絶縁ＡＣＤＣ回路１４は、フィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１及び第２の端子ＶＣ２に接続されている。絶縁ＡＣＤＣ回路１４は、フィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１及び第２の端子ＶＣ２から供給される交流電圧の一部を受け取り、制御回路１６の動作に必要な電圧を直流電圧ＶＣＣの生成に用いる。制御回路１６は、このＧＮＤを起点として各種信号処理及び信号出力を行う。
交流電圧検出回路１５は、交流電源ＡＣの交流電圧を検出し、検出結果を制御回路１６に供給する。交流電圧検出回路１５は、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２との接続点Ｍと、フィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２とに接続されている。なお、第２の抵抗Ｒ２の抵抗値が極小値である為、接続点Ｍの電位とフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１の電位とがほぼ等しいとみなすことができる。即ち、交流電圧検出回路１５は、フィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１の電位とフィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２の電位とに基づいて、交流電源ＡＣの電圧を示す信号ＡＣＶ（Alternating Current Voltage）を検出し、制御回路１６に供給する。交流電圧検出回路１５は、アナログ値として信号ＡＣＶを制御回路１６に供給する構成であってもよいし、ディジタル値の信号ＡＣＶを制御回路１６に供給する構成であってもよい。なお、以下フィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１の電位を単にＡＣ１と称し、フィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２の電位を単にＡＣ２と称する。

制御回路１６は、トーテムポールＰＦＣ１２及びＬＬＣ共振回路１３のスイッチング素子を制御する。制御回路１６は、絶縁ＡＣＤＣ回路１４から、動作用の直流電圧ＶＣＣを受け取る。また、制御回路１６は、交流電圧検出回路１５から信号ＡＣＶを受け取る。また、制御回路１６は、電流検出回路１７から信号ＩＳ１及び信号ＩＳ２を受け取る。上記したように、信号ＩＳ１及び信号ＩＳ２は、接続点Ｍの電位であるＧＮＤ基準の信号である。また、制御回路１６は、トーテムポールＰＦＣ１２の出力端子から信号ＤＣ１及び信号ＤＣ２を受け取る。

制御回路１６は、信号ＡＣＶ、信号ＩＳ１、信号ＩＳ２、信号ＤＣ１、及び信号ＤＣ２に基づいて、第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２をオンオフする為のゲート信号Ｇ１及びゲート信号Ｇ２を生成し、トーテムポールＰＦＣ１２に入力する。これにより、制御回路１６は、第１のコイルＬ１に流れる電流が、入力された交流電圧の位相と同相の正弦波になるように、ゲート信号Ｇ１及びゲート信号Ｇ２のパルス幅を制御する。

また、制御回路１６は、ＬＬＣ共振回路１３の出力電圧に基づいて、スイッチング素子Ｓ３、スイッチング素子Ｓ４、スイッチング素子Ｓ５、及びスイッチング素子Ｓ６をオンオフする為のゲート信号Ｇ３乃至Ｇ６を生成し、ＬＬＣ共振回路１３に入力する。

次に、トーテムポールＰＦＣ１２の動作について説明する。
トーテムポールＰＦＣ１２は、上記したように、制御回路１６からのゲート信号Ｇ１及びゲート信号Ｇ２に基づいて動作する。例えば、トーテムポールＰＦＣ１２は、図２に示される４つの状態を切り替えながら動作する。

第１の状態は、ＡＣ１＞ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が正）であり、ゲート信号Ｇ１により第１の半波スイッチＳ１がオフ（ゲート信号Ｇ１がオフ）され、ゲート信号Ｇ２により第２の半波スイッチＳ２がオン（ゲート信号Ｇ２がオン）されている状態である。この場合、図２に示されるように、第２の抵抗Ｒ２、第１の抵抗Ｒ１、第１のコイルＬ１、第２の半波スイッチＳ２、第２のダイオードＤ２の順に電流が流れる。このとき、接続点Ｍを起点（ＧＮＤ）として第２の抵抗Ｒ２に正の電圧（信号）が発生している。また、第１の抵抗Ｒ１には、制御に用いられない負の電圧（信号）が発生している。

第２の状態は、ＡＣ１＞ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が正）であり、ゲート信号Ｇ１により第１の半波スイッチＳ１がオフ（ゲート信号Ｇ１がオフ）され、ゲート信号Ｇ２により第２の半波スイッチＳ２がオフ（ゲート信号Ｇ２がオフ）されている状態である。この場合、第１の半波スイッチＳ１がソース端子からドレイン端子に向かってボディダイオードとして機能する。この為、図２に示されるように、第２の抵抗Ｒ２、第１の抵抗Ｒ１、第１のコイルＬ１、第１の半波スイッチＳ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第２のダイオードＤ２の順に電流が流れる。この場合も、接続点Ｍを起点（ＧＮＤ）として第２の抵抗Ｒ２に正の電圧（信号）が発生している。また、第１の抵抗Ｒ１には、制御に用いられない負の電圧（信号）が発生している。

第３の状態は、ＡＣ１＜ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が負）であり、ゲート信号Ｇ１により第１の半波スイッチＳ１がオン（ゲート信号Ｇ１がオン）され、ゲート信号Ｇ２により第２の半波スイッチＳ２がオフ（ゲート信号Ｇ２がオフ）されている状態である。この場合、図２に示されるように、第１のダイオードＤ１、第１の半波スイッチＳ１、第１のコイルＬ１、第１の抵抗Ｒ１、第２の抵抗Ｒ２の順に電流が流れる。このとき、接続点Ｍを起点（ＧＮＤ）として第１の抵抗Ｒ１に正の電圧（信号）が発生している。また、第２の抵抗Ｒ２には、制御に用いられない負の電圧（信号）が発生している。

第４の状態は、ＡＣ１＜ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が負）であり、ゲート信号Ｇ１により第１の半波スイッチＳ１がオフ（ゲート信号Ｇ１がオフ）され、ゲート信号Ｇ２により第２の半波スイッチＳ２がオフ（ゲート信号Ｇ２がオフ）されている状態である。この場合、第２の半波スイッチＳ２がソース端子からドレイン端子に向かってボディダイオードとして機能する。この為、図２に示されるように、第１のダイオードＤ１、第１の平滑キャパシタＣ１、第２の半波スイッチＳ２、第１のコイルＬ１、第１の抵抗Ｒ１、第２の抵抗Ｒ２の順に電流が流れる。この場合も、接続点Ｍを起点（ＧＮＤ）として第１の抵抗Ｒ１に正の電圧（信号）が発生している。また、第２の抵抗Ｒ２には、制御に用いられない負の電圧（信号）が発生している。

制御回路１６は、ＡＣ１＞ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が正）である場合、第２の半波スイッチＳ２をオンオフする。これにより、制御回路１６は、ＡＣ２に対してＡＣ１が正である間、第１のコイルＬ１に流れる電流が、交流電源ＡＣの交流電圧ＡＶＣと同位相の正弦波電流になるように制御する。また、制御回路１６は、ＡＣ１＜ＡＣ２（ＡＣ２に対してＡＣ１が負）である場合、第１の半波スイッチＳ１をオンオフする。これにより、制御回路１６は、ＡＣ２に対してＡＣ１が負である間、第１のコイルＬ１に流れる電流が、交流電源ＡＣの交流電圧ＡＶＣと同位相の正弦波電流になるように制御する。これにより、電流高調波ノイズの発生を抑えることができる。

次に、制御回路１６の詳細な構成の例について説明する。
図３は、制御回路１６の構成の例について説明する為の説明図である。
制御回路１６は、基準電圧変換回路２１、ＰＦＣ制御回路２２、第１の絶縁ドライバ２３、及び第２の絶縁ドライバ２４を備える。

基準電圧変換回路２１は、トーテムポールＰＦＣ１２の出力電圧を、ＧＮＤ基準の電圧を示す信号ＶＦＢを出力する。トーテムポールＰＦＣ１２では、ＡＣ１＞ＡＣ２である間、ＡＣ２とＤＣ２とが同電位になる。また、トーテムポールＰＦＣ１２では、ＡＣ１＜ＡＣ２である間、ＡＣ１とＤＣ１とが同電位になる。このように、トーテムポールＰＦＣ１２の出力は、基準電圧が変動する。そこで、基準電圧変換回路２１は、トーテムポールＰＦＣ１２の出力端子から受け取った信号ＤＣ１及び信号ＤＣ２を、ＧＮＤ基準の電圧を示す信号ＶＦＢに変換する。

図４は、基準電圧変換回路２１の構成の例について説明する為の説明図である。基準電圧変換回路２１は、複数の抵抗と、オペアンプとを備える。基準電圧変換回路２１は、信号ＤＣ１及び信号ＤＣ２のそれぞれの電位をＧＮＤ基準でそれぞれ抵抗分圧し、分圧した信号ＤＣＤ１及び信号ＤＣＤ２をオペアンプの２端子に入力する。なお、この場合、分圧された電圧値が、直流電圧ＶＣＣを超えないように抵抗の抵抗値が決定される。即ち、信号ＤＣＤ１及び信号ＤＣＤ２は、ＧＮＤ以上ＶＣＣ以下の電位として現れる。オペアンプは、信号ＤＣＤ１と信号ＤＣＤ２との差分を、信号ＶＦＢとして出力する。

基準電圧変換回路２１は、他の方法により信号ＶＦＢを出力する構成であってもよい。例えば、基準電圧変換回路２１は、信号ＤＣ１及び信号ＤＣ２び電位差をパルス幅に変換し、このパルスをフォトカプラ等に入力する。これにより、ＧＮＤ基準のパルス導通電流が生じる。このパルス幅に応じた電圧をＧＮＤ基準で再生成する。これにより、電位の異なる箇所の電位差をＧＮＤ基準の信号に変換することができる。

図５は、ＰＦＣ制御回路２２の構成の例について説明する為の説明図である。ＰＦＣ制御回路２２は、信号ＶＦＢ、信号ＡＣＶ、信号ＩＳ１、及び信号ＩＳ２に基づいて、トーテムポールＰＦＣ１２の第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２の制御に用いられる信号Ｇ１Ｇ及び信号Ｇ２Ｇを出力する。

ＰＦＣ制御回路２２は、ローパスフィルタ３１、第１の比較器３２、極性検知回路３３、電圧検出回路３４、絶対値変換回路３５、乗算器３６、第１のセレクタ３７、第２の比較器３８、ＰＷＭ変換器３９、及び第２のセレクタ４０を備える。

ローパスフィルタ３１には、信号ＶＦＢが入力される。ローパスフィルタ３１は、入力された信号ＶＦＢの高周波数成分をカットし、第１の比較器３２に入力する。ローパスフィルタ３１は、例えば、交流電源の周波数５０Ｈｚに対してより低い周波数が設定される。例えば、ローパスフィルタ３１は、２０Ｈｚより低い周波数成分を透過するように設定される。即ち、ローパスフィルタ３１は、２０Ｈｚより高い周波数成分をカットするように構成される。この構成によると、ローパスフィルタ３１は、第１の平滑キャパシタに発生する１００Ｈｚ（５０Ｈｚの全波）成分をキャンセルし、第１の平滑キャパシタの電圧の平均値を出力することができる。

第１の比較器３２には、ローパスフィルタ３１の出力と、基準電圧とが入力される。第１の比較器３２は、ローパスフィルタ３１の出力と、基準電圧との比較結果を乗算器３６に出力する。即ち、第１の比較器３２は、信号ＶＦＢの低周波数成分と、基準電圧との比較結果である信号ＶＤＩＦを出力する。具体的には、第１の比較器３２は、信号ＶＦＢの低周波数成分から基準電圧を減算し、結果を信号ＶＤＩＦとして出力する。即ち、信号ＶＤＩＦは、信号ＶＦＢの基準電圧に対する変位分を示す。

基準電圧は、任意の値が設定される。基準電圧は、例えば、４００Ｖに設定される。基準電圧が４００Ｖに設定されることにより、世界のＡＣ電圧に対応することが可能になる。世界で最も高いＡＣ電圧が２６４Ｖである為、そのピーク値は、２６４Ｖの１．４１倍である３７２Ｖである。これより高い電圧を基準電圧として設定することにより、世界共通で使える電力変換になる。

極性検知回路３３は、信号ＡＣＶに基づいて、交流電源ＡＣから供給される交流電圧の極性を検知し、検知結果を信号ＡＣＰとして出力する。極性検知回路３３は、信号ＡＣＰを第１のセレクタ３７及び第２のセレクタ４０に出力する。極性検知回路３３は、信号ＡＣＶの値が正であるか負であるかに基づいて、「０」と「１」とのいずれかの論理値を信号ＡＣＰとして出力する。例えば、信号ＡＣＶが、フィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２に対する第１の端子ＡＣ１の電位を示す構成であるとする。この場合、極性検知回路３３は、信号ＡＣＶが正であるときに「１」の信号ＡＣＰを出力し、信号ＡＣＶが負であるときに「０」の信号ＡＣＰを出力する。即ち、極性検知回路３３は、第１の端子ＡＣ１の電位＞第２の端子ＡＣ２の電位であるときに「１」の信号ＡＣＰを出力し、第１の端子ＡＣ１の電位＜第２の端子ＡＣ２の電位であるときに「０」の信号ＡＣＰを出力する。

電圧検出回路３４は、信号ＡＣＶを任意の幅の電圧の信号に変換して、絶対値変換回路３５に出力する。電圧検出回路３４に入力される信号ＡＣＶは、交流電源ＡＣが実効値１００Ｖの交流電源である場合、−１４１〜１４１Ｖの瞬時値である。電圧検出回路３４は、信号ＡＣＶが示す交流電源ＡＣの交流電圧の瞬時値を、予め設定された範囲内の値に変換する。即ち、電圧検出回路３４は、信号ＡＣＶが示す交流電源ＡＣの交流電圧の瞬時値を正規化する。具体的には、電圧検出回路３４は、信号ＡＣＶが示す交流電源ＡＣの交流電圧の瞬時値を、−１〜１の範囲の瞬時値に変換する。電圧検出回路３４により変換された信号ＡＣＶに基づいて、正弦波状の波形における位相を判断することが可能になる。即ち、電圧検出回路３４により正規化された信号ＡＣＶは、正弦波における位相を示す正弦波位相情報と言い換えることができる。

絶対値変換回路３５は、電圧検出回路３４から出力された信号ＡＣＶを絶対値の信号である信号ＡＢＳに変換し、信号ＡＢＳを乗算器３６に出力する。絶対値変換回路３５は、電圧検出回路３４から出力された信号ＡＣＶを絶対値に変換することにより、０〜１の値の信号（全波整流状の信号）に変換する。

乗算器３６は、第１の比較器３２から供給された信号ＶＤＩＦと、絶対値変換回路３５から供給された信号ＡＢＳとを乗算する。乗算器３６は、信号ＶＤＩＦと信号ＡＢＳとを乗算した結果を信号ＡＩＭとして、第２の比較器３８に出力する。信号ＡＩＭは、目標とする電流値を示す。

第１のセレクタ３７には、信号ＡＣＰ、信号ＩＳ１、及び信号ＩＳ２が入力される。第１のセレクタ３７は、信号ＡＣＰに基づいて、信号ＩＳ１と信号ＩＳ２とのいずれかを信号ＩＳとして第２の比較器３８に出力する。第１のセレクタ３７は、信号ＡＣＰが「１」である場合、信号ＩＳ２を信号ＩＳとして第２の比較器３８に出力する。また、第１のセレクタ３７は、信号ＡＣＰが「０」である場合、信号ＩＳ１を信号ＩＳとして第２の比較器３８に出力する。即ち、第１のセレクタ３７は、第１の端子ＡＣ１の電位＞第２の端子ＡＣ２の電位であるときに信号ＩＳ２を信号ＩＳとして第２の比較器３８に出力し、第１の端子ＡＣ１の電位＜第２の端子ＡＣ２の電位であるときに信号ＩＳ１を信号ＩＳとして第２の比較器３８に出力する。

第２の比較器３８には、信号ＡＩＭと信号ＩＳとが入力される。第２の比較器３８は、信号ＡＩＭと信号ＩＳとの比較結果である信号ＩＤＩＦをＰＷＭ変換器３９に出力する。信号ＩＤＩＦは、目標とする電流値である信号ＡＩＭと、実際に流れている電流を示す信号ＩＳとの差分を示す。

ＰＷＭ変換器３９は、信号ＩＤＩＦの値に基づいて、パルス幅変調信号である信号ＰＷＭを生成し、信号ＰＷＭを第２のセレクタ４０に出力する。例えば、ＰＷＭ変換器３９は、目標とする電流値に対して実際に流れている電流が少ない場合、パルス幅を広げ、目標とする電流値に対して実際に流れている電流が多い場合、パルス幅を狭める変調を行う。

第２のセレクタ４０には、信号ＡＣＰ及び信号ＰＷＭが入力される。第２のセレクタ４０は、信号ＡＣＰに基づいて、信号ＰＷＭを第１の絶縁ドライバ２３に信号Ｇ１Ｇとして出力するか、信号ＰＷＭを第２の絶縁ドライバ２４に信号Ｇ２Ｇとして出力するか出力するかを切り替える。具体的には、第２のセレクタ４０は、信号ＡＣＰが「１」である場合、信号ＰＷＭを第２の絶縁ドライバ２４に信号Ｇ２Ｇとして出力する。また、第２のセレクタ４０は、信号ＡＣＰが「０」である場合、信号ＰＷＭを第１の絶縁ドライバ２３に信号Ｇ１Ｇとして出力する。なお、信号ＰＷＭ、即ち信号Ｇ１Ｇ及び信号Ｇ２Ｇは、ＧＮＤ基準の信号である。第１の絶縁ドライバ２３と第２の絶縁ドライバ２４とのうち、信号ＰＷＭが出力されない方に供給される信号は「０（停止信号）」になる。

第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、１次側に入力された信号を絶縁させて２次側から出力する。

図６は、第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４の構成の例について説明する為の説明図である。第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、例えばパルストランス４１をそれぞれ備える。パルストランス４１は、１次側の巻線と、２次側の巻線と、磁性コアとを備える。

図６に示されるように、第１の絶縁ドライバ２３のパルストランス４１の１次側の巻線には、ＧＮＤ基準のＧ１ＧとＧＮＤとが接続され、パルストランス４１の２次側の巻線には、Ｇ１ＧＮＤ基準のＧ１が接続される。具体的には、パルストランス４１の１次側の巻線にはトーテムポールＰＦＣ１２の第２のセレクタ４０とＧＮＤとが接続される。また、パルストランス４１の２次側の巻線には、第１の半波スイッチＳ１のゲート端子と、第１の半波スイッチＳ１のソース端子とが接続されている。

上記の構成によると、第１の絶縁ドライバ２３のパルストランス４１の１次側の巻線には、トーテムポールＰＦＣ１２から出力されたＧＮＤ基準のパルス状信号である信号Ｇ１Ｇが入力される。パルストランス４１の１次側の巻線にＧＮＤ基準の信号Ｇ１Ｇが入力されると、パルストランス４１の２次側の巻線に誘起電圧が生じる。この誘起電圧によって、パルストランス４１の２次側の巻線から第１の半波スイッチＳ１のソース端子の電位Ｇ１ＧＮＤを基準とし、且つ信号Ｇ１Ｇに応じたパルス状信号である信号Ｇ１が、第１の半波スイッチＳ１のゲート端子に入力される。これにより、第１の半波スイッチＳ１が信号Ｇ１に基づいてオンオフされる。

図６に示されるように、第２の絶縁ドライバ２４のパルストランス４１の１次側の巻線には、ＧＮＤ基準のＧ２ＧとＧＮＤとが接続され、パルストランス４１の２次側の巻線には、Ｇ２ＧＮＤ基準のＧ２が接続される。具体的には、パルストランス４１の１次側の巻線にはトーテムポールＰＦＣ１２の第２のセレクタ４０とＧＮＤとが接続される。また、パルストランス４１の２次側の巻線には、第２の半波スイッチＳ２のゲート端子と、第２の半波スイッチＳ２のソース端子とが接続されている。

上記の構成によると、第２の絶縁ドライバ２４のパルストランス４１の１次側の巻線には、トーテムポールＰＦＣ１２から出力されたＧＮＤ基準のパルス状信号である信号Ｇ２Ｇが入力される。パルストランス４１の１次側の巻線にＧＮＤ基準の信号Ｇ２Ｇが入力されると、パルストランス４１の２次側の巻線に誘起電圧が生じる。この誘起電圧によって、パルストランス４１の２次側の巻線から第２の半波スイッチＳ２のソース端子の電位Ｇ２ＧＮＤを基準とし、且つ信号Ｇ２Ｇに応じたパルス状信号である信号Ｇ２が、第２の半波スイッチＳ２のゲート端子に入力される。

なお、第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、パルストランス４１の１次側の巻線に直列に接続され、直流成分をカットするフィルタコンデンサをさらに備えていてもよい。

また、信号Ｇ１及び信号Ｇ２は、それぞれＧ１ＧＮＤ及びＧ２ＧＮＤを中心とした正負の信号となる。この為、信号Ｇ１及び信号Ｇ２の値が２倍になるように（１次側と同じ電圧となるように）、パルストランス４１のコイルの巻き数比が調整されてもよい。

また、第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、パルストランス４１の２次側のコイルに直列に接続され、直流成分をカットするフィルタコンデンサをさらに備えていてもよい。

また、第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、フォトカプラによって信号Ｇ１Ｇ及びＧ２ＧをＧ１ＧＮＤ及びＧ２ＧＮＤ基準の信号Ｇ１及び信号Ｇ２に変換する構成であってもよい。なお、フォトカプラから出力される信号が微弱な為、バッファ回路がさらに設けられてもよい。

また、第１の絶縁ドライバ２３及び第２の絶縁ドライバ２４は、ブートストラップ手法によって、フォトカプラから出力される信号を、昇圧用の直流電源により昇圧し、第２の半波スイッチＳ２のゲート端子に入力してもよい。例えば、信号Ｇ２がオンであるとき、Ｇ１ＧＮＤの電位は、Ｇ２ＧＮＤの電位と等しくなる。Ｇ２ＧＮＤ側に、昇圧用の直流電源が接続されている場合、第２の半波スイッチＳ２のボディダイオードを介してＧ１ＧＮＤにも昇圧用の直流電源の電位が供給される。その後信号Ｇ２がオフになるよ、Ｇ１ＧＮＤの電位は、Ｇ２ＧＮＤの電位と異なるものの、Ｇ１ＧＮＤ基準の電位が保存される。この電位を用いて、フォトカプラから出力される信号を増幅し、第１の半波スイッチＳ１のゲート端子に入力してもよい。

図７は、トーテムポールＰＦＣ１２を流れる電流と、交流電源ＡＣの電圧との関係について説明する為の説明図である。図７では、交流電源ＡＣの電圧を示す信号ＡＣＶ、極性検知の結果を示す信号ＡＣＰ、第１の半波スイッチＳ１のゲート端子に入力される信号Ｇ１、第２の半波スイッチＳ２のゲート端子に入力される信号Ｇ２、第１の抵抗Ｒ１に流れる電流を示す信号ＩＳ１、及び第２の抵抗Ｒ２に流れる電流を示す信号ＩＳ２の例を示す。図７の例では、タイミングｔ０乃至タイミングｔ１の間、極性が正（ＡＣ１＞ＡＣ２）であり、タイミングｔ１乃至タイミングｔ２の間、極性が負（ＡＣ１＜ＡＣ２）であり、タイミングｔ２以降再び極性が正（ＡＣ１＞ＡＣ２）となっている。

上記したように、極性検知回路３３は、ＡＣ１＞ＡＣ２である間、論理値「１」の信号ＡＣＰを出力し、ＡＣ１＜ＡＣ２である間、論理値「０」の信号ＡＣＰを出力する。

また、トーテムポールＰＦＣ１２の制御回路１６は、トーテムポールＰＦＣ１２の出力電圧を示す信号ＶＦＢと、交流電圧を示すＡＣＶとに基づいて、目標とする電流を示す信号ＡＩＭを逐次算出する。

制御回路１６は、ＡＣ１＞ＡＣ２である間、信号ＡＩＭと信号ＩＳ２との比較結果である信号ＩＤＩＦに基づいて、信号ＰＷＭを生成する。即ち、制御回路１６は、信号ＡＩＭと信号ＩＳ２との差が小さくなるように信号ＰＷＭを生成し、信号ＰＷＭを信号Ｇ２として第２の半波スイッチＳ２のゲート端子に入力する。これにより、トーテムポールＰＦＣ１２は、ＡＣ１＞ＡＣ２である間、信号Ｇ２により第２の半波スイッチＳ２をオンオフする。これにより、トーテムポールＰＦＣ１２は、図２に示される第１の状態と第２の状態とが信号Ｇ２に応じて切り替わる。第１の状態では信号ＩＳ２が増加（直線的に増加）し、第２の状態では信号ＩＳ２が減少（直線的に減少）する。トーテムポールＰＦＣ１２は、パルス幅制御を行うことにより、第１の状態及び第２の状態の長さを制御する。具体的には、トーテムポールＰＦＣ１２は、周波数固定で、１周期内の第１の状態の長さに相当する信号Ｇ２のＯＮデューティを制御する。これにより、同時に１周期内の長さから第１の状態の長さを減算した第２の状態の長さも決定される。このように、トーテムポールＰＦＣ１２は、第１の状態と第２の状態とを複数回切り替えつつ、信号ＩＳ２の目標波形である信号ＡＩＭと信号ＩＳ２とを近づけることができる。

また、制御回路１６は、ＡＣ１＜ＡＣ２である間、信号ＡＩＭと信号ＩＳ１との比較結果である信号ＩＤＩＦに基づいて、信号ＰＷＭを生成する。即ち、制御回路１６は、信号ＡＩＭと信号ＩＳ１との差が小さくなるように信号ＰＷＭを生成し、信号ＰＷＭを信号Ｇ１として第１の半波スイッチＳ１のゲート端子に入力する。これにより、トーテムポールＰＦＣ１２は、ＡＣ１＜ＡＣ２である間、信号Ｇ１により第１の半波スイッチＳ１をオンオフする。これにより、トーテムポールＰＦＣ１２は、図２に示される第３の状態と第４の状態とが信号Ｇ１に応じて切り替わる。第３の状態では信号ＩＳ１が減少（直線的に減少）し、第４の状態では信号ＩＳ１が増加（直線的に増加）する。トーテムポールＰＦＣ１２は、パルス幅制御を行うことにより、第３の状態及び第４の状態の長さを制御する。具体的には、トーテムポールＰＦＣ１２は、周波数固定で、１周期内の第３の状態の長さに相当する信号Ｇ１のＯＮデューティを制御する。これにより、同時に１周期内の長さから第３の状態の長さを減算した第４の状態の長さも決定される。

この結果、図７に示されるように、第２の抵抗Ｒ２から接続点Ｍに向かう電流が、信号ＩＳ２で示されるように、信号ＡＣＶと同位相の正弦波状になる。

上記したように、電力変換装置１は、トーテムポール型力率改善回路（トーテムポールＰＦＣ）１２と、電流検出回路１７と、制御回路１６とを備える。

トーテムポールＰＦＣ１２は、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣの第１の端子に接続された第１のコイルＬ１と、第１のコイルＬ１にソース端子が接続された第１の半波スイッチＳ１と、第１の半波スイッチＳ１のソース端子にドレイン端子が接続された第２の半波スイッチＳ２と、第１の半波スイッチＳ１のドレイン端子にカソードが接続され、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣの第２の端子にアノードが接続された第１のダイオードＤ１と、第２の半波スイッチＳ２のソース端子にアノードが接続され、フィルタ回路１１を介して交流電源ＡＣの第２の端子にカソードが接続された第２のダイオードＤ２と、第１のダイオードＤ１のカソードと、第２のダイオードＤ２のアノードとの間に接続された第１の平滑キャパシタＣ１と、を備える。

電流検出回路１７は、第１のコイルＬ１と交流電源ＡＣの第１の端子との間に接続された第１の電流検出器（第１の抵抗Ｒ１）と第２の電流検出器（第２の抵抗Ｒ２）との直列接続を備える。第１の電流検出器による電流の検出結果である信号ＩＳ１は、第１の抵抗から第２の抵抗との接続点に向かう電流を示す。第２の電流検出器による電流の検出結果である信号ＩＳ２は、第２の抵抗から第１の抵抗との接続点に向かう電流を示す。

制御回路１６は、信号ＩＳ１または信号ＩＳ２に基づいて、第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２をオンオフするパルス幅制御を行う。

このような構成によると、信号ＩＳ１と信号ＩＳ２とのいずれかが正の値として検出される。この為、電流検出回路１７は、信号ＩＳ１及び信号ＩＳ２をＧＮＤ基準の信号に変換することなく、制御回路１６に直接入力することができる。この結果、簡易な構成で高効率電力変換が可能になる。

また、制御回路１６は、第１の電流検出器と第２の電流検出器との接続点の電圧であるＧＮＤ電圧を基準に、交流電源ＡＣから供給される交流電圧の極性を検出する極性検知回路３３を備える。制御回路１６は、極性検知回路３３の検出結果に基づいて、パルス幅制御を行うスイッチを第１の半波スイッチＳ１と第２の半波スイッチＳ２とで切り替える。

また、制御回路１６は、極性検知回路３３の検出結果に基づいて、パルス幅制御に用いる電流の検出結果を、第１の電流検出器による電流の検出結果と第２の電流検出器による電流の検出結果とで切り替える。

また、制御回路１６は、交流電源ＡＣの第１の端子が正電位である場合、第２の電流検出器による電流の検出結果である信号ＩＳ２に基づいて、第２の半波スイッチＳ２をオンオフし、交流電源ＡＣの第２の端子が正電位である場合、第１の電流検出器による電流の検出結果である信号ＩＳ１に基づいて、第１の半波スイッチＳ１をオンオフする。

また、制御回路１６は、第１の平滑キャパシタＣ１の両端電圧を、第１の電流検出器と第２の電流検出器との接続点の電圧であるＧＮＤ電圧を基準とした電圧に変換し、変換された電圧に基づいて、パルス幅制御を行う。

このように、電力変換装置１は、交流電源ＡＣの電圧の極性に応じて、パルス幅制御を行うスイッチを第１の半波スイッチＳ１と第２の半波スイッチＳ２とで切り替えることにより、第１のコイルＬ１に流れる電流を交流電源ＡＣの電圧の位相と同位相の正弦波状に制御することができる。この結果、電力変換装置１は、簡易な構成でリカバリ損失の低減を実現することができる。

なお、上記の実施形態では、ＡＣ１＞ＡＣ２である間、第２の半波スイッチＳ２をオンオフし、ＡＣ１＜ＡＣ２である間、第１の半波スイッチＳ２をオンオフすると説明したが、この構成に限定されない。制御回路１６は、ＡＣ１＞ＡＣ２であり且つ第２の半波スイッチＳ２をオフしている間、第１の半波スイッチＳ１をオンし、ＡＣ１＜ＡＣ２であり且つ第１の半波スイッチＳ１をオフしている間、第２の半波スイッチＳ２をオンする構成であってもよい。

ＡＣ１＞ＡＣ２であり且つ第２の半波スイッチＳ２をオフしている間、第１の半波スイッチＳ１は、ソース端子からドレイン端子に向かってボディダイオードとして機能する。また、ＡＣ１＜ＡＣ２であり且つ第１の半波スイッチＳ１をオフしている間、第２の半波スイッチＳ２は、ソース端子からドレイン端子に向かってボディダイオードとして機能する。

しかし、第１の半波スイッチＳ１のオン時の損失は、第１の半波スイッチＳ１のボディダイオードの損失よりも小さい。また、第２の半波スイッチＳ２のオン時の損失は、第２の半波スイッチＳ２のボディダイオードの損失よりも小さい。この為、上記のように、ＡＣ１＞ＡＣ２であり且つ第２の半波スイッチＳ２をオフしている間、第１の半波スイッチＳ１をオンし、ＡＣ１＜ＡＣ２であり且つ第１の半波スイッチＳ１をオフしている間、第２の半波スイッチＳ２をオンすることにより、トーテムポールＰＦＣ１２の回路の損失を減らすことができる。

また、同様に、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２をそれぞれＭＯＳＦＥＴに置き換えてもよい。具体的には、第１のダイオードＤ１は、ＡＣ１＞ＡＣ２である間オンされ、ＡＣ１＜ＡＣ２である間オフされるＦＥＴのボディダイオードとして構成されてもよい。また、具体的には、第２のダイオードＤ２は、ＡＣ１＞ＡＣ２である間オフされ、ＡＣ１＜ＡＣ２である間オンされるＦＥＴのボディダイオードとして構成されてもよい。このような構成によっても、トーテムポールＰＦＣ１２の回路の損失を減らすことができる。

なお、上記の実施形態における第１の半波スイッチＳ１及び第２の半波スイッチＳ２は、高速のスイッチングのために、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている必要があった。しかし、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２に流れる電流が交流電源ＡＣの周波数である５０Ｈｚ成分である為、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２の代わりに同期整流ＦＥＴを用いる場合、比較的反応の遅いシリコン半導体で構成されたＦＥＴを用いることができる。

第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２の代わりに同期整流ＦＥＴが用いられる場合、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２のカソード側がＦＥＴのドレイン端子、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２のアノード側がＦＥＴのソース端子になるように置き換えられる。

なお、上記の実施形態では、極性検知回路３３は、信号ＡＣＶに基づいて、交流電源ＡＣから供給される交流電圧の極性を検知し、検知結果を信号ＡＣＰとして出力する構成であると説明した。極性検知回路３３は、プロセッサとプログラムを記憶したメモリとの組み合わせによって実現されてもよいし、アナログ回路により実現されてもよい。

極性検知回路３３がアナログ回路として構成される場合、例えば図８に示されるような構成になる。図８の例では、極性検知回路３３は、制御回路１６の外部に設けられ、制御回路１６の第１のセレクタ３７及び第２のセレクタ４０に信号ＡＣＰを出力する。極性検知回路３３は、例えば第３のダイオードＤ３、第４のダイオードＤ４、第１のフォトカプラＰＣ１、第２のフォトカプラＰＣ２、及び論理回路５１を備える。

第３のダイオードＤ３は、カソードがフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１に接続され、アノードが第１のフォトカプラＰＣ１のカソードに接続されている。第１のフォトカプラＰＣ１のアノードは、抵抗を介してフィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２に接続され、コレクタはＧＮＤに接続され、エミッタは論理回路５１に接続されている。

第４のダイオードＤ４は、アノードがフィルタ回路１１の第１の端子ＡＣ１に接続され、カソードが第２のフォトカプラＰＣ２のアノードに接続されている。第２のフォトカプラＰＣ２のカソードは、抵抗を介してフィルタ回路１１の第２の端子ＡＣ２に接続され、コレクタはＧＮＤに接続され、エミッタは論理回路５１に接続されている。

上記の構成によると、第１のフォトカプラＰＣ１は、ＡＣ１＜ＡＣ２である場合にアノードからカソードに電流が流れ、論理回路５１に信号Ｐ１を出力する。第２のフォトカプラＰＣ２は、ＡＣ１＞ＡＣ２である場合、アノードからカソードに電流が流れ、論理回路５１に信号Ｐ２を出力する。

論理回路５１は、第２のフォトカプラＰＣ２から信号Ｐ２が供給されている間、「１」を示す信号ＡＣＰを出力し、第１のフォトカプラＰＣ１から信号Ｐ１が供給されている間、「０」を示す信号ＡＣＰを出力する回路である。例えば、論理回路５１は、１つのＮＡＮＤと２つのＡＮＤとを備える。ＮＡＮＤには、信号Ｐ１と信号Ｐ２とが入力される。第１のＡＮＤには、ＮＡＮＤの出力と信号Ｐ２とが入力される。第２のＡＮＤには、ＮＡＮＤの出力と信号Ｐ１とが入力される。

この構成によると、第１のＡＮＤは、信号Ｐ２が入力され、信号Ｐ１が入力されない場合に「１」を出力する。第１のＡＮＤは、信号Ｐ２が入力されず、信号Ｐ１が入力される場合、「０」を出力する。即ち、第１のＡＮＤの出力は、信号ＡＣＰとして制御回路１６の第１のセレクタ３７及び第２のセレクタ４０に供給される。また、第２のＡＮＤは、信号Ｐ２が入力されず、信号Ｐ１が入力される場合に「１」を出力する。第１のＡＮＤは、信号Ｐ２が入力され、信号Ｐ１が入力されない場合、「０」を出力する。即ち、第１のＡＮＤの出力は、信号ＡＣＰの反転となる。

また、制御回路１６の他の回路についても、アナログ回路ではなく、論理回路、またはプロセッサとプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。

例えば、第１の比較器３２及び第２の比較器３８は、入力される２つの信号をそれぞれＡＤ変換などを用いてディジタル信号に変換し、ディジタル値で差分を算出する構成であってもよい。第１の比較器３２及び第２の比較器３８は、例えば以下のようなコードにより実現される。
Sout = f(Sin1, Sin2)
｛
Sout = Sin1 - Sin2;
｝
また、乗算器３６は、入力される２つの信号をそれぞれＡＤ変換などを用いてディジタル信号に変換し、ディジタル値で乗算を行う構成であってもよい。乗算器３６は、例えば以下のようなコードにより実現される。
MUL = f(Sin1, Sin2)
{
MUL = Sin1 * Sin2;
}
上記したように、プロセッサとプログラムとの組み合わせによって実現する場合は、入力される信号をＡＤ変換などを用いてディジタル信号に変換し、ディジタル値に基づいて演算を行う。さらに、後段の回路がアナログ回路である場合、ＤＡ変換などを用いてディジタル信号をアナログ信号に変換して出力してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電力変換装置、２…負荷回路、１１…フィルタ回路、１２…トーテムポール型力率改善回路、１３…ＬＬＣ共振回路、１４…交流電圧検出回路、１５…絶縁ＡＣＤＣ回路、１６…制御回路、１７…電流検出回路、２１…基準電圧変換回路、２２…ＰＦＣ制御回路、２３…第１の絶縁ドライバ、２４…第２の絶縁ドライバ、３１…ローパスフィルタ、３２…第１の比較器、３３…極性検知回路、３４…電圧検出回路、３５…絶対値変換回路、３６…乗算器、３７…第１のセレクタ、３８…第２の比較器、３９…ＰＷＭ変換器、４０…第２のセレクタ、４１…パルストランス、５１…論理回路、Ｃ１…第１の平滑キャパシタ、Ｃ２…第２の平滑キャパシタ、Ｃ３…第３の平滑キャパシタ、Ｄ１…第１のダイオード、Ｄ２…第２のダイオード、Ｄ３…第３のダイオード、Ｄ４…第４のダイオード、Ｌ１…第１のコイル、Ｌ２…第２のコイル、Ｌ３…第３のコイル、Ｌ４…第４のコイル、Ｌ５…第５のコイル、Ｒ１…第１の抵抗、Ｒ２…第２の抵抗、Ｓ１…第１の半波スイッチ、Ｓ２…第２の半波スイッチ、Ｓ３…スイッチング素子、Ｓ４…スイッチング素子、Ｓ５…スイッチング素子、Ｓ６…スイッチング素子。

Claims (7)

1. 交流電源の第１の端子に接続されたコイルと、前記コイルにソース端子が接続された第１の半波スイッチと、前記第１の半波スイッチのソース端子にドレイン端子が接続された第２の半波スイッチと、前記第１の半波スイッチのドレイン端子にカソードが接続され、前記交流電源の第２の端子にアノードが接続された第１のダイオードと、前記第２の半波スイッチのソース端子にアノードが接続され、前記交流電源の第２の端子にカソードが接続された第２のダイオードと、前記第１のダイオードのカソードと、前記第２のダイオードのアノードとの間に接続された平滑キャパシタと、を備えるトーテムポール型力率改善回路と、
   前記コイルと前記交流電源の第１の端子との間に接続された第１の電流検出器と第２の電流検出器との直列接続と、
   前記第１の電流検出器による電流の検出結果または第２の電流検出器による電流の検出結果に基づいて、前記第１の半波スイッチ及び前記第２の半波スイッチをオンオフするパルス幅制御を行う制御回路と、
   を具備する電力変換装置。
2. 前記制御回路は、
   第１の電流検出器と第２の電流検出器との接続点の電圧であるＧＮＤ電圧を基準に、前記交流電源から供給される交流電圧の極性を検出する極性検出回路を具備し、
   前記極性検出回路の検出結果に基づいて、前記パルス幅制御を行うスイッチを前記第１の半波スイッチと前記第２の半波スイッチとで切り替える請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御回路は、前記極性検出回路の検出結果に基づいて、前記パルス幅制御に用いる電流の検出結果を、第１の電流検出器による電流の検出結果と第２の電流検出器による電流の検出結果とで切り替える請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御回路は、
   前記交流電源の第１の端子が正電位である場合、第１の電流検出器による電流の検出結果に基づいて、前記第２の半波スイッチをオンオフし、
   前記交流電源の第２の端子が正電位である場合、第２の電流検出器による電流の検出結果に基づいて、前記第１の半波スイッチをオンオフする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御回路は、
   前記平滑キャパシタの両端電圧を、第１の電流検出器と第２の電流検出器との接続点の電圧であるＧＮＤ電圧を基準とした電圧に変換し、
   変換された電圧に基づいて、前記パルス幅制御を行う請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記制御回路は、
   前記交流電源の第１の端子が正電位であり且つ前記第２の半波スイッチをオフしている間、前記第１の半波スイッチをオンし、
   前記交流電源の第２の端子が正電位であり且つ前記第１の半波スイッチをオフしている間、前記第２の半波スイッチをオンする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記第１のダイオードは、前記交流電源の第１の端子が正電位である間オンされ、前記交流電源の第２の端子が正電位である間オフされるＦＥＴのボディダイオードとして構成され、
   前記第２のダイオードは、前記交流電源の第１の端子が正電位である間オフされ、前記交流電源の第２の端子が正電位である間オンされるＦＥＴのボディダイオードとして構成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置。