JP4798291B2 - 双方向スイッチ回路及びそれを備えた電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1に本発明の実施形態1に係る電力変換装置(1)の回路の一例を示す。この電力変換装置(1)は、コンバータ回路(11)と、倍電圧回路(12)と、平滑コンデンサ(13)と、インバータ回路(14)と、力率改善回路(15)とを備えていて、交流電源(2)から供給された交流の電圧を所定の周波数の電圧に変換して、三相交流モータなどの負荷(3)に供給するように構成されている。
上述のような構成を有するスイッチング素子(SW1,SW2)を駆動制御するための駆動回路(33,34)の構成について図3に基づいて以下で説明する。なお、この図3に示すように、駆動回路(33,34)は、同じ構成を有しているため、一方の駆動回路(33)の構成についてのみ以下で説明し、他方の駆動回路(34)において該一方の駆動回路(33)と同じ構成には同一の符号を付すものとする。
以上のような構成を有する双方向スイッチ回路(30)の動作について、図1から図5に基づいて以下で説明する。
以上より、この実施形態によれば、双方向スイッチ(31)のスイッチング素子(SW1,SW2)として、ソース(S1)側にドレイン(D)側よりも高い電圧が印加された状態(逆方向に電圧が印加された状態)において、ゲート端子(G1,G2)にオン駆動信号が入力されていない場合でも、ソース側(S1)からドレイン(D)側へ電流が流れるようなスイッチング素子を用いることで、ドレイン(D)側にソース(S2)側よりも高い電圧が印加されるスイッチング素子のみを駆動制御すれば、双方向スイッチ(31)の通電の制御を行うことができる。したがって、上記双方向スイッチ(31)のスイッチング素子(SW1,SW2)の駆動制御が容易になる。
この変形例1は、図6に示すように、電力変換装置(1')の力率改善制御部(35')から一つの制御信号Sg1のみが出力され、双方向スイッチ(31)のスイッチング素子(SW1,SW2)に同じ駆動信号(Vg1=Vg2)が入力される点が上記実施形態1と異なるだけでなので、該実施形態1と同じ部分には同一の符号を付して以下で異なる部分についてのみ説明する。
この変形例2は、図8に示すように、双方向スイッチ(31')の2つのスイッチング素子(SW1',SW2')において、ゲート(G1,G2)−ドレイン(D)間に寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)が形成されているとともに、上記スイッチング素子(SW1',SW2')が該寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)側に電流を流さないような構成を有している点で上記実施形態1と異なるだけなので、該実施形態1と同じ部分には同一の符号を付して以下で異なる部分についてのみ説明する。
この変形例3は、図9に示すように、上記変形例2と同様、双方向スイッチ(31')のスイッチング素子(SW1',SW2')のゲート(G1,G2)−ドレイン(D)間に寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)が形成されている点、駆動回路(51,52)の駆動電源(53)が電圧を可変に構成されている点で上記実施形態1と異なるだけなので、該実施形態1と同じ部分には同一の符号を付して以下で異なる部分についてのみ説明する。
この関連技術は、図10に示すように、双方向スイッチ(55)のスイッチング素子(56,57)のソース(S1,S2)−ドレイン(D)間に寄生ダイオード(Dsd1,Dsd2)が形成されている点で上記実施形態1と異なるだけなので、該実施形態1と同じ部分には同一の符号を付して以下で異なる部分についてのみ説明する。
−全体構成−
図11に本発明の実施形態2に係る電力変換装置(60)の概略構成を示す。この電力変換装置(60)は、一定周波数の交流電源(61)から得られる交流電力を別の周波数の交流電力に直接、電力変換を行う、いわゆるマトリックスコンバータである。
上記双方向スイッチ(Sur,Sus,Sut,Svr,Svs,Svt)の具体的な構成について以下で説明する。なお、各双方向スイッチ(Sur,Sus,Sut,Svr,Svs,Svt)は、すべて同様の構成を有しているため、以下ではR相及びS相の双方向スイッチ(Sur,Sus)についてのみ説明する。
以上より、この実施形態によれば、マトリックスコンバータ(60)の双方向スイッチ(Sur,Sus)を構成するスイッチング素子(Sur1,Sur2,Sus1,Sus2)として、ソース側にドレイン側よりも高い逆方向の電圧が印加された状態において、ゲート端子にオン駆動信号が入力されていない場合でも、ソース側からドレイン側へ電流が導通可能に構成されたデバイスを用いるようにしたため、逆阻止ダイオードを省略して部品点数を削減することができ、その分、小型化及びコスト低減を図れるとともに、導通損失の低減を図れる。
上記各実施形態については、以下のような構成としてもよい。
15 力率改善回路
30 双方向スイッチ回路
31、31’、55、Sur、Sus 双方向スイッチ(スイッチング部)
32 ゼロクロス検出部
33 駆動回路(ゲート駆動回路)
34 駆動回路
35、35’ 力率改善制御部(制御部)
41 駆動電源
42、43 ゲート駆動用スイッチング素子
44 抵抗(抵抗体)
45 抵抗
46、47 駆動制御部
51、52 駆動回路
53 駆動電源
54 ゲート電圧調整部
56、57 スイッチング素子
60 電力変換装置(マトリックスコンバータ)
Dgd1、Dgd2 寄生ダイオード
L リアクトル
SW1,SW2、SW1’、SW2’ スイッチング素子
S1、S2 ソース
D ドレイン
G1、G2 ゲート端子
Claims (11)
- 双方向に導通可能に接続された2つのスイッチング素子(SW1,SW2)を備えた双方向スイッチ回路であって、
上記2つのスイッチング素子(SW1,SW2)は、互いに直列に接続されていて、
それぞれのスイッチング素子(SW1,SW2)は、ノーマリオフ型で、且つゲート・ソース間の構造とゲート・ドレイン間の構造が同じであり、
上記2つのスイッチング素子(SW1,SW2)は、それぞれにゲート駆動回路(33,34)が接続されて、接続されたゲート駆動回路(33,34)で駆動され、
それぞれのゲート駆動回路(33,34)は、接続されたスイッチング素子(SW1,SW2)のソース(S1,S2)とゲート端子(G1,G2)との間に該スイッチング素子(SW1,SW2)に対して並列に接続された抵抗体(44)を備え、
それぞれの抵抗体(44)は、上記2つのスイッチング素子よりも小さな抵抗値を有し、
上記2つのスイッチング素子(SW1,SW2)は、ソース(S1,S2)-ドレイン(D)間に、ソース(S1,S2)側からドレイン(D)側へ導通可能な、寄生ダイオード及び外付けダイオードを有していないことを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1に記載の双方向スイッチ回路において、
それぞれのスイッチング素子(SW1',SW2')は、ゲート端子(G1,G2)とドレイン(D)との間に、該ゲート端子(G1,G2)側からドレイン(D)側への電流の流れのみを許容するゲート−ドレイン間寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)を有していて、
上記スイッチング素子(SW1',SW2')は、該スイッチング素子(SW1',SW2')がオン状態となる閾値電圧Vtが上記ゲート−ドレイン間寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)の順方向電圧Vfよりも小さくなるように構成されていることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1に記載の双方向スイッチ回路において、
それぞれのスイッチング素子(SW1',SW2')は、
ゲート端子(G1)とドレイン(D)との間に、該ゲート端子(G1,G2)側からドレイン(D)側への電流の流れのみを許容するゲート−ドレイン間寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)を有していて、
上記ゲート駆動回路(51,52)は、ゲート端子(G1,G2)とドレイン(D)との間のゲート−ドレイン間電圧Vgdが上記ゲート−ドレイン間寄生ダイオード(Dgd1,Dgd2)の順方向電圧Vfよりも小さくなるように、該ゲート−ドレイン間電圧Vgdを調整するゲート電圧調整部(54)を備えていることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の双方向スイッチ回路において、
それぞれのゲート駆動回路(33,34)は、接続されたスイッチング素子(SW1,SW2)に対し、ゲート端子(G1,G2)に同じ駆動信号を入力するように構成されていることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の双方向スイッチ回路において、
上記スイッチング素子(SW1)のうち逆方向の電圧が印加されるものに対してオフ制御信号を出力するように構成された制御回路(30)を備えていることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1から5のいずれか一つに記載の双方向スイッチ回路において、
上記2つのスイッチング素子(SW1,SW2)は、2つのゲート電極を有する一つのデバイスに設けられていることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項6に記載の双方向スイッチ回路において、
前記2つのゲート電極の距離は、互いに対応したゲート電極とソース電極との間の距離よりも大きいことを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の双方向スイッチ回路をスイッチング部として備えたマトリックスコンバータ(60)であることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項8に記載の電力変換装置において、
上記マトリックスコンバータ(60)のスイッチング部を構成する2つのスイッチング素子(Sur1,Sur2)は、2つのゲート電極を有する一つのデバイスに設けられていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項9に記載の電力変換装置において、
前記2つのゲート電極の距離は、互いに対応したゲート電極とソース電極の間の距離よりも大きいことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から7のいずれか一つに記載の双方向スイッチ回路をスイッチング部(31)として備えていることを特徴とする電力変換装置。
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