JP3981886B2

JP3981886B2 - 整流回路

Info

Publication number: JP3981886B2
Application number: JP2003142439A
Authority: JP
Inventors: 剛山下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: US20040179380A1; JP2004336976A; US7019991B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整流回路に関し、たとえば電圧が異なる二つのバッテリ間で電力を輸送するＤＣ−ＤＣコンバータの出力整流部に用いられる整流回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオード式整流回路に用いられる整流用接合ダイオードのオフ時には、入力される逆電圧と、自己が逆回復する際に発生する逆回復電圧との合計が整流用接合ダイオードに印加されるため、整流用接合ダイオードの耐圧をそれ以上に設計する必要がある。しかし、整流用接合ダイオードの低不純物濃度の耐圧層の厚さを増大して整流用接合ダイオードの耐圧を向上させることは、整流用接合ダイオードのその順方向損失および逆回復時の放射ノイズを増加させるために、整流用接合ダイオードの耐圧は許容可能な範囲でなるべく低下させることが望ましい。
【０００３】
整流用接合ダイオードの低耐圧化のために、コンデンサと抵抗とを直列接続してなるスナバ回路を整流用接合ダイオードと並列接続することが特許文献１などにより提案されている。
【０００４】
また、入力される交流電圧と出力側の直流電圧とを比較して交流側から電流可能な場合にオンするトランジスタを用いて整流を行う同期整流回路も知られている。この同期整流回路において、トランジスタとしてＭＯＳトランジスタを用いる場合、ＭＯＳトランジスタは寄生ダイオードをもち、この寄生ダイオードは通常、ＭＯＳトランジスタのオフ期間において作動して整流に寄与する場合があることが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−４６８０号公報
【０００６】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、上記したCRスナバ回路の追加は、装置構成の大型化、コストアップといった問題がある。また、接合ダイオードと並列に通常ツェナーダイオードと呼ばれる定電圧ダイオードを接続し、接合ダイオードに印加される逆電圧が接合ダイオードの耐圧に達する前にこのツェナーダイオードを導通させて、整流用接合ダイオードの耐圧破壊を防止するダイオードスナバ回路も提案されているが、上記した車載補機バッテリの逆接続に備え、このダイオードスナバ回路の電流定格を大きくせねばならず、実用化が難しかった。このような問題はＭＯＳトランジスタを用いる同期整流回路においても同様の問題が生じた。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素で小型化が可能な構成により整流素子を良好に低耐圧化することが可能な整流回路を提供することをその目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第一発明の整流回路は、交流電圧系から入力される交流電圧を整流して直流電圧系へ直流電圧として出力する整流用接合ダイオードと、前記接合ダイオードの耐圧よりも低い逆方向導通電圧を有して前記整流用接合ダイオードと並列に接続される保護用ダイオード回路とを有し、前記保護用ダイオード回路は、前記逆方向導通電圧を超える逆電圧が前記整流用接合ダイオードに印加される場合に導通して前記整流用接合ダイオードを破壊から保護するＤＣ−ＤＣコンバータ回路の電圧変換用トランスの二次コイル電圧整流用の整流回路であって、
前記保護用ダイオード回路は、それぞれの逆方向導通電圧の合計が前記整流用接合ダイオードの耐圧よりも低く、それぞれの順方向しきい値電圧の合計が前記整流用接合ダイオードの順方向しきい値電圧（シリコンの場合約０．７V）よりも大きい複数の定電圧ダイオードを直列接続して構成されることを特徴としている。定電圧ダイオードとしては、ツェナーダイオードなどが採用されるが、定電圧降下特性をもつダイオードであればよい。
【０００９】
本発明によれば、保護用ダイオード回路の耐圧（逆方向導通電圧）が整流用接合ダイオードの耐圧よりも小さく設定されているので、この整流用接合ダイオードの逆回復時等において短期間生じるサージ電圧をこの保護用ダイオード回路により吸収することができ、整流用接合ダイオードの低耐圧化を図ることができ、その順方向電圧降下の低減によりその発熱、損失を低減することができる。また、コンデンサや抵抗器およびその接続を必要としないので、保護用ダイオード回路の装置体格を縮小することができる。
【００１０】
更に、保護用ダイオード回路の順方向しきい値電圧は、整流用接合ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きく設定されているので、たとえば車載補機用バッテリの逆接続などによりこのダイオード式整流回路の出力側の電圧が逆になったとしても、それによりダイオード式整流回路に長期にわたって流れる順方向電流は大電流容量の整流用接合ダイオードに流れるため、保護用ダイオード回路の電流定格を大きくする必要がない。更に言えば、この保護用ダイオード回路は、通常においては電流が流れないので発熱せず、低温状態であるために、それへの通電が必要となって通電される場合において十分にサージ電流を吸収できるわけである。
【００１４】
第二発明の整流回路は、交流電圧系から入力される交流電圧を同期整流して直流電圧系へ直流電圧として出力する同期整流用ＭＯＳトランジスタと、前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの耐圧よりも低い逆方向導通電圧を有して前記同期整流用ＭＯＳトランジスタと並列接続される保護用ダイオード回路とを有し、前記保護用ダイオード回路は、前記逆方向導通電圧を超える逆電圧が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタに印加される場合に導通して前記同期整流用ＭＯＳトランジスタを破壊から保護するＤＣ−ＤＣコンバータ回路の電圧変換用トランスの二次コイル電圧整流用の整流回路であって、
前記保護用ダイオード回路は、それぞれの逆方向導通電圧の合計が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの耐圧よりも低く、それぞれの順方向しきい値電圧の合計が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きい複数の定電圧ダイオードを直列接続して構成されることを特徴としている。
本発明によれば、保護用ダイオード回路の耐圧（逆方向導通電圧）が同期整流用ＭＯＳトランジスタの耐圧よりも小さく設定されているので、この同期整流用ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの逆回復時等において短期間生じるサージ電圧をこの保護用ダイオード回路により吸収することができ、同期整流用ＭＯＳトランジスタの低耐圧化を図ることができ、そのオン抵抗の低減によりその発熱、損失を低減することができる。また、コンデンサや抵抗器およびその接続を必要としないので、保護用ダイオード回路の装置体格を縮小することができる。
【００１５】
更に、保護用ダイオード回路の順方向しきい値電圧は、同期整流用ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きく設定されているので、たとえば車載補機用バッテリの逆接続などによりこの整流回路の出力側の電圧が逆になったとしても、それにより整流回路に長期にわたって流れる順方向電流は大電流容量の同期整流用ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードに流れるため、保護用ダイオード回路の電流定格を大きくする必要がない。更に言えば、この保護用ダイオード回路は、通常においては電流が流れないので発熱せず、低温状態であるために、それへの通電が必要となって通電される場合において十分にサージ電流を吸収できるわけである。
【００１９】
好適な態様において、前記保護用ダイオード回路の前記ダイオードは前記整流用接合ダイオードと一体にチップ集積またはモジュール化されているので、通常は一時的に短時間しか流れない保護用ダイオード回路のヒートシンク板を整流用接合ダイオードのそれにより代用することができる。
【００２０】
好適な態様において、前記保護用ダイオード回路の前記ダイオードは、前記同期整流用ＭＯＳトランジスタと一体にチップ集積またはモジュール化されているいるので、通常は一時的に短時間しか流れない保護用ダイオード回路のヒートシンク板を整流用接合ダイオードのそれにより代用することができる。
【００２２】
好適な態様において、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、高圧の車載主機バッテリから給電されて低圧の車載補機用バッテリに給電することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
上記説明した本発明のダイオード式整流回路を用いたＤＣ−ＤＣコンバータを、車両用二電源装置に適用した好適な実施態様を図１を参照して説明する。
【００２４】
（全体構成）
１は高圧バッテリ、２はＤＣ−ＤＣコンバータ、３は低圧バッテリである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、入力側平滑コンデンサ４、インバータ回路５、降圧トランス６、整流回路７、チョークコイル８、１１、１２、出力側平滑コンデンサ１３を有している。
【００２５】
インバータ回路５は一対の上アーム側ＭＯＳトランジスタ９と一対の下アーム側ＭＯＳトランジスタ１０とを有する通常のブリッジ型単相インバータ回路であり、高圧バッテリ１の直流電圧を単相の交流電圧（略矩形波交流電圧）に変換し、トランス６がこの交流電圧を降圧する。降圧トランス６の一対の二次コイルはチョークコイル１１、１２を通じて整流用接合ダイオード７１、７２のアノード電極端子に接続され、それらのカソード電極はチョークコイル８を通じてバッテリ３の正極端子に接続されている。降圧トランス６の一対の二次コイルから個別に出力される互いに１８０度位相が異なる交流電圧は、単相全波整流回路７を構成する一対の整流用接合ダイオード７１、７２により半波期間ごとに個別に整流され、チョークコイル８で平滑されて低圧バッテリ３に給電される。図示しないコントローラは、バッテリ３の電圧に基づいてＭＯＳトランジスタ９、１０をＰＷＭ制御するフィードバック制御を行い、バッテリ３の電圧を一定化する。この回路形式のＤＣ−ＤＣコンバータ自体は既によく知られているので、これ以上の説明は省略する。ただし、後述する本発明のダイオード式整流回路は、図１の回路形式のＤＣ−ＤＣコンバータ以外のＤＣ−ＤＣコンバータ、更にはその他の電子回路に採用されることができるのはもちろんである。
【００２６】
（保護用ダイオード回路の説明）
整流用接合ダイオード７１、７２に保護用ダイオード回路１４、１５が個別に並列接続されている。保護用ダイオード回路１４は三つのツェナーダイオードZD１、ZD２、ZD３を直列接続して構成され、保護用ダイオード回路１５は三つのツェナーダイオードZD４、ZD５、ZD６を直列接続して構成されている。１６、１７は整流用接合ダイオード７１、７２と並列接続されたサージ吸収用のコンデンサである。当然、ツェナーダイオードZD１、ZD２、ZD３のアノード電極端子は降圧トランス６の二次コイル側に、カソード端子はバッテリ３側に配置されている。同じく、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６のアノード電極端子は降圧トランス６の二次コイル側に、カソード端子はバッテリ３側に配置されている。
【００２７】
ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３の耐圧（逆方向導通電圧）の合計は、整流用接合ダイオード７１の耐圧よりも低く設定され、同様に、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６の耐圧（逆方向導通電圧）の合計は、整流用接合ダイオードの耐圧よりも低く設定されている。
【００２８】
これにより、たとえば整流用接合ダイオード７１、７２が遮断されて整流用接合ダイオード７１、７２が逆回復する場合など種々の理由により、整流用接合ダイオード７１に高い逆方向電圧が印加されると、それが整流用接合ダイオード７１、７２の耐圧の超える前に、保護用ダイオード回路１４、１５が逆方向導通するので、整流用接合ダイオード７１、７２の耐圧破壊を防止することができる。これにより、整流用接合ダイオード７１、７２の低耐圧化を図ることができ、その順方向電圧降下の低減によりその発熱、損失を低減することができる。
【００２９】
また、ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３の順方向しきい値電圧の合計は整流用接合ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きく設定され、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６の順方向しきい値電圧の合計は整流用接合ダイオード７２の順方向しきい値電圧よりも大きく設定されているので、通常の整流動作において、ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６に電流が流れてそれらが加熱されることはない。また、バッテリ３を交換する場合に誤ってバッテリ３を逆に接続してしまっても、ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６に比較的長い時間にわたって流れる大きな順方向電流が流れることがないため、電流定格を小さくすることができる。なお、直列接続される複数のツェナーダイオードの耐圧は等しくなくてもよい。
【００３０】
また、複数以上のダイオードを直列接続することで、みかけ上の接合容量を小さくできるため、無効電力も低減できる。また、何らかの異常で高圧バッテリ１の電圧が過大になった場合は、図示しない入力電圧監視回路により、インバータ回路５の動作を停止させることにより、降圧トランス６の２次巻線電圧の定常値をツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３の耐圧（逆方向導通電圧）の合計以下になるような設定にすることで、ツェナーダイオードの定常的な導通を阻止でき、ツェナーダイオードの電力定格を抑制できる。
【００３１】
特に、この実施例にて重要な点は、これらツェナーダイオードには通常電圧時において通電が行われないためその温度上昇がないので、過大電圧が生じてツェナーダイオードに通電が生じた場合において、ツェナーダイオードの許容温度上昇量は大きく（その熱容量が大きいことを意味する）、その結果、過大電圧の発生期間が短期間であればツェナーダイオードの温度が過大となることを防止することができる点にある。
【００３２】
（変形態様１）
変形態様１を図２を参照して説明する。
【００３３】
この変形態様１では、図１に示す保護用ダイオード回路１４、１５を構成するツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２を接合ダイオードＤ１０に、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５を接合ダイオードＤ１１に置換したものである。ただし、接合ダイオードＤ１０、Ｄ１１は、ツェナーダイオードＺＤ１、ＺＤ２、ツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、整流用接合ダイオード７１、７２と逆向きに接続されている。なお、接合ダイオードＤ１０を直列接続された複数の接合ダイオードにより構成してもよく、接合ダイオードＤ１１を直列接続された複数の接合ダイオードにより構成してもよい。
【００３４】
このようにすれば、実施例１と同様の作用、効果を奏することができるとともに、バッテリ３を逆接続したとしても、保護用ダイオード回路１４、１５の順方向電流はこれら接合ダイオードＤ１０、Ｄ１１により遮断できる。
【００３５】
（変形態様２）
変形態様２を図３を参照して説明する。
【００３６】
この変形態様２では、図１に示す整流用接合ダイオード７１、７２を同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０に置換したものである。同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０はたとえば電圧V２が電圧V１よりも正方向に大きい期間にオンされ、同期整流用ＭＯＳトランジスタ７２０はたとえば電圧V４が電圧V３よりも正方向に大きい期間にオンされて、同期整流が行われる。これら同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０がオフした場合においてチョークコイル８などの磁気エネルギーなどにより、同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０の寄生ダイオードを通じて整流電流が流れる。この変形態様によれば、実施例１と同様の作用、効果を奏することができる。
【００３７】
（変形態様３）
変形態様３を図４を参照して説明する。
【００３８】
この変形態様３では、図２に示す整流用接合ダイオード７１、７２を同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０に置換したものである。同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０はたとえば電圧V２が電圧V１よりも正方向に大きい期間にオンされ、同期整流用ＭＯＳトランジスタ７２０はたとえば電圧V４が電圧V３よりも正方向に大きい期間にオンされて、同期整流が行われる。これら同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０がオフした場合においてチョークコイル８などの磁気エネルギーなどにより、同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０の寄生ダイオードを通じて整流電流が流れる。この変形態様によれば、変形態様１と同様の作用、効果を奏することができる。
【００３９】
（変形態様４）
上記各図において、ツェナーダイオード、接合ダイオード、ＭＯＳトランジスタと並列にコンデンサを接続してもよい。
【００４０】
（変形態様５）
好適な態様において、上記した整流用接合ダイオード７１又は同期整流用ＭＯＳトランジスタ７１０、７２０とツェナーダイオードＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６とは、同一チップに集積されるか、又は、同一モジュールに一体に搭載され、共通のヒートシンク板に搭載される。これにより、一時的に短時間しか流れない保護用ダイオード回路のヒートシンク板を整流用接合ダイオードのそれにより代用することができる。
【００４１】
（変形態様６）
上記説明した実施例１および各変形態様では、図１〜図４に示すように本発明の保護用ダイオード回路を二次コイルを二つ有するトランスの出力電圧を単相全波整流する回路に応用した例を説明したが、本発明は当然それに限られるものではなく、たとえば発電中の三相回転電機などから出力される交流発電電圧を整流するインバータ回路や整流回路を構成する同期整流用ＭＯＳトランジスタや整流ダイオードに、上記保護用ダイオード回路１４、１５を並列接続してもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイオード式整流回路を装備するＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
【図２】図１の変形態様１を示すダイオード式整流回路を装備するＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図３】図１の変形態様２を示す同期整流回路を装備するＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図４】図２の変形態様３を示す同期整流回路を装備するＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【符号の説明】
１高圧バッテリ、
２ＤＣ−ＤＣコンバータ、
３低圧バッテリ、
５インバータ回路、
６降圧トランス、
７整流回路、
８チョークコイル、
１４保護用ダイオード回路、
１５保護用ダイオード回路、
７１、７２整流用接合ダイオード、
７１０、７２０同期整流用ＭＯＳトランジスタ
ＺＤ１、ＺＤ２、ＺＤ３、ＺＤ４、ＺＤ５、ＺＤ６ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）

Claims

交流電圧系から入力される交流電圧を整流して直流電圧系へ直流電圧として出力する整流用接合ダイオードと、
前記接合ダイオードの耐圧よりも低い逆方向導通電圧を有して前記整流用接合ダイオードと並列に接続される保護用ダイオード回路と、
を有し、
前記保護用ダイオード回路は、前記逆方向導通電圧を超える逆電圧が前記整流用接合ダイオードに印加される場合に導通して前記整流用接合ダイオードを破壊から保護するＤＣ−ＤＣコンバータ回路の電圧変換用トランスの二次コイル電圧整流用の整流回路であって、
前記保護用ダイオード回路は、
それぞれの逆方向導通電圧の合計が前記整流用接合ダイオードの耐圧よりも低く、それぞれの順方向しきい値電圧の合計が前記整流用接合ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きい複数の定電圧ダイオードを直列接続して構成されることを特徴とする整流回路。
交流電圧系から入力される交流電圧を同期整流して直流電圧系へ直流電圧として出力する同期整流用ＭＯＳトランジスタと、
前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの耐圧よりも低い逆方向導通電圧を有して前記同期整流用ＭＯＳトランジスタと並列接続される保護用ダイオード回路と、
を有し、
前記保護用ダイオード回路は、前記逆方向導通電圧を超える逆電圧が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタに印加される場合に導通して前記同期整流用ＭＯＳトランジスタを破壊から保護するＤＣ−ＤＣコンバータ回路の電圧変換用トランスの二次コイル電圧整流用の整流回路であって、
前記保護用ダイオード回路は、
それぞれの逆方向導通電圧の合計が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの耐圧よりも低く、それぞれの順方向しきい値電圧の合計が前記同期整流用ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードの順方向しきい値電圧よりも大きい複数の定電圧ダイオードを直列接続して構成されることを特徴とする整流回路。
前記保護用ダイオード回路の前記ダイオードは、前記整流用接合ダイオードと一体にチップ集積またはモジュール化されていることを特徴とする請求項１記載の整流回路。
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、高圧の車載主機バッテリから給電されて低圧の車載補機用バッテリに給電することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の整流回路。