JP6008330B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＡＣ／ＤＣ電源等の電力変換装置に関するものである。
電子機器の消費電力を低減するために、電力変換装置である電源の高効率化が求められている。例えば、交流電源を直流電源へ変換するいわゆるＡＣ／ＤＣ電源では、交流をダイオード整流器で直流電力にし、ＤＣ／ＤＣコンバータで所望の電圧になるよう電力変換する構成となっている。ところが、ダイオード整流器及びＤＣ／ＤＣコンバータで電力変換損失が発生しているため、電源の高効率化のためには、ダイオード整流器やＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換損失を低減することが重要となる。
ダイオード整流器で発生する損失を低減する回路として、双方向スイッチを用いたダイオード整流器不要の電源が提案されている（特許文献１参照）。ダイオード整流器で発生する損失は全くなくなり、ＡＣ／ＤＣ電源の高効率化が可能となる。ただし、ゲート電圧０Ｖ時に電流を通電してしまうノーマリーオン型の双方向スイッチが用いられているため、ゲート回路の異常時には電流を遮断できなく、電源回路を破壊させてしまう恐れがある。
一方、ゲート電圧０Ｖ時に電流を遮断する能力を持つノーマリーオフ型の双方向スイッチが知られている（特許文献２、３参照）。
特開２００７−２８８９４号公報 国際公開第２００８／０６２８００号 特開２００９−１４８１０６号公報
特許文献１に示される電力変換装置は、ノーマリーオン型の双方向スイッチを駆動するための構成であり、同電力変換装置にノーマリーオフ型の双方向スイッチを適用しても、駆動することができない。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、ノーマリーオフ型の双方向スイッチを用いて、より安全で高効率の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、本発明に係る電力変換装置は、トランスと、２つのゲートを有し前記トランスに接続したノーマリーオフ型の第１の双方向スイッチと、前記第１の双方向スイッチを制御する第１の制御部と、交流電源から前記第１の双方向スイッチのゲートに供給する電力を生成するゲート電源回路とを備えたことを特徴とする。
より具体的に説明すると、前記トランスは、第１の巻線と第２の巻線とを有し、前記ゲート電源回路は、前記第１の巻線で発生する電力で前記第１の双方向スイッチの一方のゲートを駆動する電力を供給する第１のゲートバイアス電源と、前記第２の巻線で発生する電力で前記第１の双方向スイッチのもう一方のゲートを駆動する電力を供給する第２のゲートバイアス電源とを有する。
本発明によれば、ノーマリーオフ型の双方向スイッチを用いて、より安全で高効率の電力変換装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 （ａ）は図１中の双方向スイッチのゲートバイアス方法を、（ｂ）は当該双方向スイッチの４つの動作モードをそれぞれ示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 図３中の１つの補助電源回路の第１の例を示す回路図である。 図３中の１つの補助電源回路の第２の例を示す回路図である。 図３中の１つの補助電源回路の第３の例を示す回路図である。 図６中のラムダダイオードの電流電圧特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 図８中の１つの制御部の例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態の第１の変形例を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態の第２の変形例を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
《第１の実施形態》
図１は、双方向スイッチを用いた電力変換装置の第１の実施形態を示す回路図である。図１における電力変換装置は、トランス１０と、第１のダイオード１３と、第２のダイオード１４と、コンデンサ１５と、双方向スイッチ２０と、第１のゲート回路２１と、第２のゲート回路２２と、第１のゲートバイアス電源２３と、第２のゲートバイアス電源２４と、第１の抵抗２５と、第２の抵抗２６とで構成され、第１の制御信号源２７及び第２の制御信号源２８から信号を第１のゲート回路２１及び第２のゲート回路２２へそれぞれ入力し、双方向スイッチ２０をスイッチングして、電力変換を行う。
ここで示す双方向スイッチ２０は、少なくとも正負の印加電圧に対して耐圧を有し、双方向の電流をスイッチングできるスイッチである。本実施形態では、特許文献２に示されるノーマリーオフ動作が可能な２つのゲートを有する双方向スイッチ２０を使用した例について説明する。なお、双方向スイッチ２０は、第１のソース電極となるＳ１端子と、第２のソース電極となるＳ２端子と、第１のゲート電極となるＧ１端子と、第２のゲート電極となるＧ２端子とを有している。
トランス１０は、一次側巻線１１と、二次側巻線１２とを有し、一次側巻線１１の一方の端子が交流電源１７に接続され、もう一方の端子が双方向スイッチ２０のＳ２端子に接続されている。また、二次側巻線１２は３つの端子を有し、それらのうち１つの端子は第１のダイオード１３のアノードに接続され、もう一つの端子が第２のダイオード１４のアノードに接続され、二次側巻線１２の中間に接続されている端子は、コンデンサ１５の一方の端子と負荷１６とに接続されている。コンデンサ１５のもう一方の端子は、第１のダイオード１３のカソードと第２のダイオード１４のカソードと負荷１６とに接続されている。
双方向スイッチ２０のＳ１端子は、交流電源１７に接続されており、Ｇ１端子は、第１のゲート回路２１のＶｏ端子に接続され、Ｇ２端子は第２のゲート回路２２のＶｏ端子に接続されている。
第１のゲート回路２１のＶＤＤ端子は、第１のゲートバイアス電源２３の正極に接続され、第１のゲート回路２１のＧＮＤ端子は、双方向スイッチ２０のＳ１端子と、第１のゲートバイアス電源２３の負極とに接続されている。
第２のゲート回路２２のＶＤＤ端子は、第２のゲートバイアス電源２４の正極に接続され、第２のゲート回路２２のＧＮＤ端子は、双方向スイッチ２０のＳ２端子と、第２のゲートバイアス電源２４の負極とに接続されている。
第１の抵抗２５は、双方向スイッチ２０のＳ１端子とＧ１端子との間に接続され、仮に第１のゲート回路２１が動作しなかった場合でも、Ｇ１端子とＳ１端子との間の制御電圧を０Ｖに維持し、Ｓ２端子からＳ１端子へ流れる電流を遮断し、本電力変換装置の破壊を防止することができる。
第２の抵抗２６は、双方向スイッチ２０のＳ２端子とＧ２端子との間に接続され、仮に第２のゲート回路２２が動作しなかった場合でも、Ｇ２端子とＳ２端子との間の制御電圧を０Ｖに維持し、Ｓ１端子からＳ２端子へ流れる電流を遮断し、本電力変換装置の破壊を防止することができる。
第１のゲート回路２１及び第２のゲート回路２２は、Ｖｉｎ端子に例えばＬｏｗを示す例えば０Ｖの信号が入力された場合、Ｖｏ端子とＧＮＤ端子との間を電気的に接続し、かつＶｏ端子とＶＤＤ端子との間を電気的に切り離す動作をし、Ｖｉｎ端子にＨｉｇｈを示す例えば５Ｖの信号が入力された場合、Ｖｏ端子とＶＤＤ端子との間を電気的に接続し、かつＶｏ端子とＧＮＤ端子との間を電気的に切り離す動作をする。
図２（ａ）は、本実施形態で使用する双方向スイッチ２０のゲートバイアス方法を示す図である。本双方向スイッチ２０は、Ｓ１端子とＧ１端子との間に接続された電源Ｖｇ１と、Ｓ２端子とＧ２端子との間に接続された電源Ｖｇ２とで、図２（ｂ）に示す４つの駆動条件で、４つの動作モードを実現することができる。Ｖｇ１とＶｇ２とがそれぞれ双方向スイッチ２０のゲート閾値電圧より高い電圧である、例えば５Ｖの電圧を出力する場合、Ｓ１端子とＳ２端子との間を双方向に電流を通電する動作モード１の状態となる。このとき、その電流電圧特性には、オフセットのない特性が現れるので、より低いオン抵抗で電流を通電することができる。Ｖｇ１とＶｇ２とがそれぞれ双方向スイッチ２０のゲート閾値電圧より低い電圧である、例えば０Ｖの電圧を出力する場合、Ｓ１端子とＳ２端子との間を双方向の電流を遮断する動作モード２の状態となる。また、Ｖｇ１がゲート閾値電圧より高い例えば５Ｖを出力し、Ｖｇ２がゲート閾値電圧より低い例えば０Ｖを出力した場合、Ｓ２端子からＳ１端子へ通電し、Ｓ１端子からＳ２端子への電流を遮断するダイオードのような動作をする動作モード３の状態となる。また、Ｖｇ２がゲート閾値電圧より高い例えば５Ｖを出力し、Ｖｇ１がゲート閾値電圧より低い例えば０Ｖを出力した場合、Ｓ１端子からＳ２端子へ通電し、Ｓ２端子からＳ１端子への電流を遮断するダイオードのような動作をする動作モード４の状態となる。
以上のような構成の電力変換装置を、以下のように動作させることで、交流電力を直流電力へ変換することができる。
トランス１０に接続されている交流電源１７の端子の電位が、もう一方の交流電源１７の端子の電位よりも高い場合、第１のゲート回路２１のＶｉｎ端子にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を入力することで、トランス１０を経て双方向スイッチ２０のＳ２端子からＳ１端子へ流れる電流をスイッチングし、電力をトランス１０を介して二次側巻線１２へ伝達する。このとき、双方向スイッチ２０がより低オン抵抗で電流を通電するように、第２のゲート回路２２のＶｉｎ端子にはＨｉｇｈ信号を入力し、双方向スイッチ２０のＧ２端子には例えば５Ｖを印加することが望ましい。なお、第２のゲート回路２２のＶｉｎ端子にＬｏｗ信号を入力しても動作する。
トランス１０に接続されている交流電源１７の端子の電位が、もう一方の交流電源１７の端子の電位よりも低い場合、第２のゲート回路２２のＶｉｎ端子にＰＷＭ信号を入力することで、双方向スイッチ２０のＳ１端子からＳ２端子を経てトランス１０へ流れる電流をスイッチングし、電力をトランス１０を介して二次側巻線１２へ伝達する。このとき、双方向スイッチ２０がより低オン抵抗で電流を通電するように、第１のゲート回路２１のＶｉｎ端子にはＨｉｇｈ信号を入力し、双方向スイッチ２０のＧ１端子には例えば５Ｖを印加することが望ましい。なお、第１のゲート回路２１のＶｉｎ端子にＬｏｗ信号を入力しても動作する。
二次側巻線１２に発生した電力は第１のダイオード１３と第２のダイオード１４とにより直流に整流され、コンデンサ１５で平滑され、安定した直流電力へ変換することができる。
なお、トランス１０の二次側巻線１２に発生した交流電力を交流のまま使用する場合、第１のダイオード１３、第２のダイオード１４、コンデンサ１５を用いなくてもよい。
また、第１のゲートバイアス電源２３と第２のゲートバイアス電源２４とは外部から供給してもよいが、以下で交流電源１７より電力を生成する回路について説明する。
《第２の実施形態》
図３は、第２の実施形態の電力変換装置の回路図である。第２の実施形態は、第１の実施形態の第１のゲートバイアス電源２３と第２のゲートバイアス電源２４との電力を交流電源１７から得る構成となっている。
第１のゲートバイアス電源２３は、トランス１０が有する第１の巻線１８と、第３のダイオード３３と、第２のコンデンサ３５と、第１の補助電源回路３７とで構成され、第１の巻線１８の一方の端子が双方向スイッチ２０のＳ１端子に接続され、もう一方の端子は第３のダイオード３３のアノードに接続されている。第３のダイオード３３のカソードは、第１の補助電源回路３７のＶｏ端子と、第１のゲート回路２１のＶＤＤ端子とに接続されている。第２のコンデンサ３５の一方の端子は、第１のゲート回路２１のＶＤＤ端子に接続され、もう一方の端子は第１のゲート回路２１のＧＮＤ端子に接続されている。第１の補助電源回路３７のＧＮＤ端子は、双方向スイッチ２０のＳ１端子に接続され、Ｖｉ端子はトランス１０と交流電源１７が接続されている配線に接続されている。
第２のゲートバイアス電源２４は、トランス１０が有する第２の巻線１９と、第４のダイオード３４と、第３のコンデンサ３６と、第２の補助電源回路３８とで構成され、第２の巻線１９の一方の端子が双方向スイッチ２０のＳ２端子に接続され、もう一方の端子は第４のダイオード３４のアノードに接続されている。第４のダイオード３４のカソードは、第２の補助電源回路３８のＶｏ端子と、第２のゲート回路２２のＶＤＤ端子とに接続されている。第３のコンデンサ３６の一方の端子は、第２のゲート回路２２のＶＤＤ端子に接続され、もう一方の端子は第２のゲート回路２２のＧＮＤ端子に接続されている。第２の補助電源回路３８のＧＮＤ端子は、双方向スイッチ２０のＳ２端子に接続され、Ｖｉ端子は双方向スイッチ２０と交流電源１７が接続されている配線に接続されている。
このような構成とすることで、双方向スイッチ２０がスイッチング動作中では、一次側巻線１１から二次側巻線１２だけでなく、第１の巻線１８、第２の巻線１９にも電力が伝達される。例えば、第１の巻線１８で発生した電力は第３のダイオード３３で直流電力に変換され、第２のコンデンサ３５で平滑され、第１のゲート回路２１を駆動する電力として供給される。また、第２のゲートバイアス電源２４の電力も同様に生成される。
また、双方向スイッチ２０がスイッチング動作をしていない場合、第１のゲートバイアス電源２３では、第１の補助電源回路３７が電力を常に供給する。同様に、第２のゲートバイアス電源２４では、第２の補助電源回路３８が電力を常に供給する。
以上のような構成で、交流電源１７から直接、第１及び第２のゲートバイアス電源２３，２４の電力を確保する。
図４に、本実施形態で述べた補助電源回路３７の第１の例を示す。第１の例の補助電源回路３７は、第１のダイオード４１と、第２のダイオード４２と、三端子レギュレータ４３と、第１の設定用抵抗４４と、第２の設定用抵抗４５と、コンデンサ４６と、ツェナーダイオード４７とで構成され、Ｖｉ端子と、Ｖｏ端子と、ＧＮＤ端子とを有する。Ｖｉ端子は、第１のダイオード４１のアノードに接続され、第１のダイオード４１のカソードは三端子レギュレータ４３のＶｉｎ端子に接続され、三端子レギュレータ４３のＶｏｕｔ端子は、ツェナーダイオード４７のカソードと、Ｖｏ端子とに接続され、三端子レギュレータ４３のＡＤＪ端子は第１の設定用抵抗４４を介して、ツェナーダイオード４７のアノードとＧＮＤ端子とに接続されている。コンデンサ４６の一方の端子は、Ｖｏ端子に接続され、もう一方の端子はＧＮＤ端子に接続されている。第２の設定用抵抗４５は、三端子レギュレータ４３のＶｏｕｔ端子とＡＤＪ端子との間に接続されている。第２のダイオード４２のカソードは三端子レギュレータ４３のＶｉｎ端子に接続され、アノードは三端子レギュレータ４３のＶｏｕｔ端子に接続されている。
Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より高いとき、交流電源１７からＶｉ端子と第１のダイオード４１とを介して、三端子レギュレータ４３に電圧が印加される。三端子レギュレータ４３により所望のゲートバイアス電圧へ降圧し、例えばここでは５Ｖへ降圧する。ゲートバイアス電圧の安定化のため、ここではコンデンサ４６とツェナーダイオード４７とを挿入している。
また、Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より低いとき、第１のダイオード４１によりＶｉ端子とＧＮＤ端子との間の電圧を支え、第２のダイオード４２とツェナーダイオード４７とにより三端子レギュレータ４３とコンデンサ４６とに大きな逆方向電圧が印加しないようにしている。
このような構成とすることで、交流電源１７からゲートバイアス電源２３の電力を供給できる。なお、所望の出力電圧が得られている限り、ツェナーダイオード４７でなくてもよく、コンデンサ４６に逆方向電圧が印加しないようにダイオードでもよい。
なお、三端子レギュレータ４３が所望の出力電力を設定できる限り、第１の設定用抵抗４４及び第２の設定用抵抗４５はなくてもよい。
なお、三端子レギュレータ４３のＶｏｕｔ端子とＶｉｎ端子との間に、Ｖｉｎ端子の電位の方が高い電圧が印加されても、当該三端子レギュレータ４３が破壊せずに正常に動作をするならば、第１のダイオード４１及び第２のダイオード４２はなくてもよい。
図５は、補助電源回路３７の第２の例を示した回路図である。第２の例の補助電源回路３７は、ダイオード５１と、ノーマリーオン型ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）５２と、コンデンサ５３と、ツェナーダイオード５４とで構成され、Ｖｉ端子と、Ｖｏ端子と、ＧＮＤ端子とを有する。Ｖｉ端子は、ダイオード５１を介してノーマリーオン型ＦＥＴ５２のドレインに接続され、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２のソースはＶｏ端子に接続されており、ゲートがＧＮＤ端子に接続されている。コンデンサ５３はＶｏ端子とＧＮＤ端子との間に接続され、ツェナーダイオード５４のカソードがＶｏ端子に接続され、アノードがＧＮＤ端子に接続されている。なお、ここではノーマリーオン型ＦＥＴ５２のゲート閾値電圧は例えば−５Ｖとする。
Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より高いとき、交流電源１７からＶｉ端子とダイオード５１とを介して、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２に電圧が印加される。コンデンサ５３に５Ｖの電圧が充電されているとき、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２のゲート電圧はソースに対して−５Ｖであるから、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２はオフ状態となる。Ｖｏ端子とＧＮＤ端子との間から電力を供給し、例えばコンデンサ５３の電圧が４Ｖとなったとき、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２のゲート電圧はソースに対して−４Ｖとなり、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２がオン状態となり、交流電源１７からダイオード５１を介してコンデンサ５３に充電される。充電され、コンデンサ５３の電圧が５Ｖになると、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２は再びオフ状態となる。
また、Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より低いとき、ダイオード５１によりＶｉ端子とＧＮＤ端子との間の電圧を支え、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２とコンデンサ５３とに大きな逆方向電圧が印加しないようにしている。
このような構成とすることで、交流電源１７からゲートバイアス電源２３の電力を供給できる。なお、所望の出力電圧が得られている限り、ツェナーダイオード５４でなくてもよく、コンデンサ５３に逆方向電圧が印加しないようにダイオードでもよい。
なお、補助電源回路３７の出力電圧を調整するため、ノーマリーオン型ＦＥＴ５２のゲートとＧＮＤ端子との間にツェナーダイオードを挿入してもよい。
図６は、補助電源回路３７の第３の例を示した回路図である。第３の例の補助電源回路３７は、第１のダイオード６１と、第２のダイオード６２と、ラムダダイオード６３と、コンデンサ６４と、ツェナーダイオード６５とで構成され、Ｖｉ端子と、Ｖｏ端子と、ＧＮＤ端子とを有する。第１のダイオード６１のアノードはＶｉ端子に接続され、カソードはラムダダイオード６３のアノードに接続されている。ラムダダイオード６３のカソードはＶｏ端子に接続されている。コンデンサ６４の一方の端子はＶｏ端子に接続され、もう一方の端子はＧＮＤ端子に接続されている。ツェナーダイオード６５のカソードはＶｏ端子に接続され、アノードはＧＮＤ端子に接続されている。第２のダイオード６２のカソードはラムダダイオード６３のアノードに接続され、アノードはラムダダイオード６３のカソードに接続されている。
図７は、ラムダダイオード６３の電流電圧特性を示している。ラムダダイオード６３は低い印加電圧では電流を通電し、高い電圧が印加されると電流を遮断する特性を有している。
以上のような構成とすることで、Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より高いとき、交流電源１７からＶｉ端子と第１のダイオード６１とを介して、ラムダダイオード６３に電圧が印加される。ラムダダイオード６３に印加されている電圧が例えば１〜２Ｖ程度の場合、ラムダダイオード６３はオン状態なので、交流電源１７の電力でコンデンサ６４に充電することができる。交流電源１７の電圧が高くなり、ラムダダイオード６３に印加される電圧が例えば１０Ｖ程度になると、ラムダダイオード６３は遮断状態となり、電流を通電しない。ラムダダイオード６３がオン状態となる電圧が交流電源１７の１周期に２回あるので、そのタイミングで交流電源１７からコンデンサ６４に充電することができる。
また、Ｖｉ端子の電位が、ＧＮＤ端子の電位より低いとき、第１のダイオード６１によりＶｉ端子とＧＮＤ端子との間の電圧を支え、第２のダイオード６２がラムダダイオード６３と逆並列に接続されているため、ラムダダイオード６３に大きな逆方向電圧が印加しないようにし、破壊を防止している。なお、ラムダダイオード６３が破壊しない範囲の電圧であれば、第２のダイオード６２を用いる必要はない。
なお、図３に示した実施形態において、第１の巻線１８、第２の巻線１９、第３のダイオード３３、第４のダイオード３４、第２のコンデンサ３５、及び第３のコンデンサ３６を廃し、第１の補助電源回路３７及び第２の補助電源回路３８で第１及び第２のゲートバイアス電源２３，２４の電力を生成してもよい。
以上のような構成により、ノーマリーオフ型双方向スイッチ２０を用いて電力変換装置を構成することが可能であり、電力変換装置の安全性をより高めることが可能となる。
《第３の実施形態》
図８は、第３の実施形態を示す電力変換装置の回路図である。図８における電力変換装置は、各々第１及び第２の実施形態で述べた２つのゲートを有する第１の双方向スイッチ７１と、第２の双方向スイッチ７２と、第３の双方向スイッチ７３と、第４の双方向スイッチ７４とを有し、トランス１０と、第１のダイオード１３と、第２のダイオード１４と、コンデンサ１５と、第１の双方向スイッチ７１に接続した第１の制御部８１と、第２の双方向スイッチ７２に接続した第２の制御部８２と、第３の双方向スイッチ７３に接続した第３の制御部８３と、第４の双方向スイッチ７４に接続した第４の制御部８４とで構成される。
本実施形態の電力変換装置は、第１の双方向スイッチ７１と第２の双方向スイッチ７２とが直列に接続された回路と、第３の双方向スイッチ７３と第４の双方向スイッチ７４とが直列に接続された回路とが並列接続されており、交流電源１７は、第１のＡＣバスライン７５を介して、第１の双方向スイッチ７１及び第３の双方向スイッチ７３に接続され、更に、第２のＡＣバスライン７６を介して、第２の双方向スイッチ７２及び第４の双方向スイッチ７４に接続されている。トランス１０の一次側巻線１１の一方の端子は、第１の双方向スイッチ７１と第２の双方向スイッチ７２との接続点に接続され、もう一方の端子は、第３の双方向スイッチ７３と第４の双方向スイッチ７４との接続点に接続されている。
また、トランス１０の二次側巻線１２は３つの端子を有し、それらのうち１つの端子は第１のダイオード１３のアノードに接続され、もう一つの端子が第２のダイオード１４のアノードに接続され、二次側巻線１２の中間に接続されている端子は、コンデンサ１５の一方の端子と負荷１６とに接続されている。コンデンサ１５のもう一方の端子は、第１のダイオード１３のカソードと第２のダイオード１４のカソードと負荷１６とに接続されている。
第１の制御部８１のＶｄｄ１端子と、第２の制御部８２のＶｄｄ１端子と、第３の制御部８３のＶｄｄ１端子と、第４の制御部８４のＶｄｄ１端子とは、第２のＡＣバスライン７６に接続されている。また、第１の制御部８１のＶｄｄ２端子と、第２の制御部８２のＶｄｄ２端子と、第３の制御部８３のＶｄｄ２端子と、第４の制御部８４のＶｄｄ２端子とは、第１のＡＣバスライン７５に接続されている。
図９に、本実施形態で用いる制御部８１〜８４の構成例を示す。制御部８１は、Ｓ１端子と、Ｓ２端子と、Ｇ１端子と、Ｇ２端子と、Ｖｉｎ１端子と、Ｖｉｎ２端子と、Ｖｄｄ１端子と、Ｖｄｄ２端子とを有し、第１のゲート回路２１と、第２のゲート回路２２と、第１の抵抗２５と、第２の抵抗２６と、第１のコンデンサ９１と、第２のコンデンサ９２と、第１の補助電源回路３７と、第２の補助電源回路３８とを備えている。第１及び第２のゲート回路２１，２２と第１及び第２の補助電源回路３７，３８とは、第１及び第２の実施形態で前述したものと同じでよい。
図９の制御部８１では、第１のゲート回路２１のＶｏ端子とＧ１端子とが接続され、第１のゲート回路２１のＧＮＤ端子とＳ１端子とが接続され、第１のゲート回路２１のＶｉｎ端子は、Ｖｉｎ１端子に接続され、第１のゲート回路２１のＶＤＤ端子は第１の補助電源回路３７のＶｏ端子に接続されている。第１の抵抗２５の一方の端子はＧ１端子に接続され、もう一方の端子はＳ１端子に接続されている。第１のコンデンサ９１の一方の端子は、第１のゲート回路２１のＶＤＤ端子に接続され、もう一方は第１のゲート回路２１のＧＮＤ端子に接続されている。第１の補助電源回路３７のＧＮＤ端子はＳ１端子に接続され、第１の補助電源回路３７のＶｉ端子はＶｄｄ１端子に接続されている。
第２のゲート回路２２のＶｏ端子とＧ２端子とが接続され、第２のゲート回路２２のＧＮＤ端子とＳ２端子とが接続され、第２のゲート回路２２のＶｉｎ端子は、Ｖｉｎ２端子に接続され、第２のゲート回路２２のＶＤＤ端子は第２の補助電源回路３８のＶｏ端子に接続されている。第２の抵抗２６の一方の端子はＧ２端子に接続され、もう一方の端子はＳ２端子に接続されている。第２のコンデンサ９２の一方の端子は、第２のゲート回路２２のＶＤＤ端子に接続され、もう一方は第２のゲート回路２２のＧＮＤ端子に接続されている。第２の補助電源回路３８のＧＮＤ端子はＳ２端子に接続され、第２の補助電源回路３８のＶｉ端子はＶｄｄ２端子に接続されている。
以上のような構成とすることで、交流電源１７からゲートバイアス電源の電力を生成し、外部からの制御信号、すなわちＶｉｎ１端子及びＶｉｎ２端子への信号により第１〜第４の双方向スイッチ７１〜７４を制御し、トランス１０を介して交流電力を直流電力へ変換することができる。
本実施形態において、制御信号は、第１〜第４の制御部８１〜８４の各々のＶｉｎ１端子とＶｉｎ２端子とに入力する。Ｖｉｎ１端子にＨｉｇｈ信号を入力することで双方向スイッチのＧ１端子にゲート閾値電圧以上の電圧が印加され、Ｌｏｗ信号を入力することで双方向スイッチのＧ１端子にゲート閾値電圧未満の電圧が印加される。同様に、Ｖｉｎ２端子にＨｉｇｈ信号を入力することで双方向スイッチのＧ２端子にゲート閾値電圧以上の電圧が印加され、Ｌｏｗ信号を入力することで双方向スイッチのＧ２端子にゲート閾値電圧未満の電圧が印加される。また、Ｖｉｎ１端子及びＶｉｎ２端子に入力する制御信号は、制御信号を生成する回路との基準電位が異なる場合、フォトカプラ等の一次側と二次側を絶縁する絶縁カプラを介して入力する。以上のようにして、第１〜第４の制御部８１〜８４の各々のＶｉｎ１端子及びＶｉｎ２端子に制御信号を入力すれば、交流電力を直流電力へ変換することができる。
以上のような構成により、ノーマリーオフ型双方向スイッチ７１〜７４を用いて電力変換装置を構成することが可能であり、電力変換装置の安全性をより高めることが可能となる。
なお、どのような動作シーケンスで第１〜第４の双方向スイッチ７１〜７４のゲートを制御するかについては、特許文献３に記載されるタイミングで行ってもよい。
図１０は、第３の実施形態の第１の変形例を示す図である。図８と比較して、第１の制御部８１のＶｄｄ１端子及びＶｄｄ２端子と、第３の制御部８３のＶｄｄ１端子及びＶｄｄ２端子とが、第２のＡＣバスライン７６に接続されている点が異なる。また、第２の制御部８２のＶｄｄ１端子及びＶｄｄ２端子と、第４の制御部８４のＶｄｄ１端子及びＶｄｄ２端子とが、第１のＡＣバスライン７５に接続されている点が異なる。
このような構成でも、交流電源１７からゲートバイアス電源の電力を生成し、外部からの信号により第１〜第４の双方向スイッチ７１〜７４を制御し、トランス１０を介して交流電力を直流電力へ変換することができる。
図１１は、第３の実施形態の第２の変形例を示す図である。図８と比較して、第１の制御部８１のＶｄｄ１端子と第２の制御部８２のＶｄｄ２端子とが、第１の双方向スイッチ７１と第２の双方向スイッチ７２との接続点に接続され、第３の制御部８３のＶｄｄ１端子と第４の制御部８４のＶｄｄ２端子とが、第３の双方向スイッチ７３と第４の双方向スイッチ７４との接続点に接続され、第１の制御部８１のＶｄｄ２端子と第３の制御部８３のＶｄｄ２端子とが第１のＡＣバスライン７５に接続され、第２の制御部８２のＶｄｄ１端子と第４の制御部８４のＶｄｄ１端子とが第２のＡＣバスライン７６に接続されている点が異なる。
このような構成でも、交流電源１７からゲートバイアス電源の電力を生成し、外部からの信号により第１〜第４の双方向スイッチ７１〜７４を制御し、トランス１０を介して交流電力を直流電力へ変換することができる。
なお、前述の補助電源回路３７内のコンデンサ４６，５３，６４は、第３の実施形態において第１及び第２の補助電源回路３７，３８のＶｏ端子に接続された第１及び第２のコンデンサ９１，９２を兼用してもよい。
また、第１〜第３の実施形態において、双方向スイッチ２０，７１〜７４には、２つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と２つのダイオードとを用いた双方向スイッチや、逆方向電流を遮断する能力を有する２つのＩＧＢＴが逆並列に接続された双方向スイッチや、２つのＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を直列接続した双方向スイッチ等を用いてもよく、２つのゲートを有するデュアルゲート型ＭＯＳＦＥＴでもよい。
また、第１〜第３の実施形態において、トランス１０の二次側巻線１２に第１のダイオード１３、第２のダイオード１４及びコンデンサ１５を接続し、二次側巻線１２で発生した交流電力を直流電力へ変換している例を示しているが、交流電力をそのまま使う場合、電力変換された二次側巻線１２に出力される交流電力をそのまま用いてもよい。
なお、本発明の電力変換装置は、特許文献２に記載されるｐ型ゲートを有するダブルゲート型双方向スイッチと組合わせることで、さらなる電力変換装置の高効率化及び小型化が可能となる。特許文献２記載のｐ型ゲートを用いた双方向スイッチは、ゲートから正孔を注入することで、チャネル内で伝導度変調を起こし、駆動電流の増大、オン抵抗の低減が可能となる。そのため、この双方向スイッチで電力変換装置を構成することで、オン抵抗に起因する導通損失を低減でき、従来の絶縁ゲート型デバイスで構成される双方向スイッチで構成された電力変換装置よりも小型化、高効率化が可能となる。
ｐ型ゲートを有する双方向スイッチで伝導度変調を発生させるには、絶縁ゲート型デバイスに比べ、双方向スイッチのオン状態を維持するために大きなゲート電流が必要となる。従来知られているゲート電源回路は、電気エネルギーを例えば発光ダイオードを用いて光などの別のエネルギーに変換し、太陽電池を使い再び電気エネルギーに変換し、フローティングのゲート電力を生成する構成となっている。この場合、一度別な形態のエネルギーへ変換するため、変換効率が低く、μＷ程度の電力しか得られない。そのため、絶縁ゲート型デバイスを駆動するには十分であるが、ｐ型ゲートを有する双方向スイッチの駆動は不十分である。また、トランスを有する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる方法もあるが、トランスの小型化が困難であり、電力変換装置が大型化してしまう。
一方で、第１〜第３の実施形態において示すゲート電源回路は、光エネルギーに直接変換する方式ではなく、直接の電力変換によりゲート電力を生成させるので、小さいサイズのまま、ｐ型ゲートを有する双方向スイッチを駆動するのに必要なゲート電力を確保することがきる。また、主に抵抗と半導体素子とで構成されているので、ゲート電源回路の集積化も可能となる。本発明と、特許文献２記載のｐ型ゲートを有する双方向スイッチにより、さらなる電力変換回路の小型化が可能となる。
以上説明してきたとおり、本発明に係る電力変換装置は、ノーマリーオフ型の双方向スイッチを用いた、より安全で高効率の電力変換装置であって、ＡＣ／ＤＣ電源等として有用である。
１０ トランス
１１ 一次側巻線
１２ 二次側巻線
１３，１４ ダイオード
１５ コンデンサ
１６ 負荷
１７ 交流電源
１８ 第１の巻線
１９ 第２の巻線
２０ 双方向スイッチ
２１，２２ ゲート回路
２３，２４ ゲートバイアス電源
２５，２６ 抵抗
２７，２８ 制御信号源
３３，３４ ダイオード
３５，３６ コンデンサ
３７，３８ 補助電源回路
４１，４２ ダイオード
４３ 三端子レギュレータ
４４，４５ 設定用抵抗
４６ コンデンサ
４７ ツェナーダイオード
５１ ダイオード
５２ ノーマリーオン型ＦＥＴ
５３ コンデンサ
５４ ツェナーダイオード
６１，６２ ダイオード
６３ ラムダダイオード
６４ コンデンサ
６５ ツェナーダイオード
７１，７２，７３，７４ 双方向スイッチ
７５，７６ ＡＣバスライン
８１，８２，８３，８４ 制御部
９１，９２ コンデンサ

Claims (10)

  1. トランスと、
    ２つのゲートを有し、前記トランスに接続したノーマリーオフ型の第１の双方向スイッチと、
    前記第１の双方向スイッチを制御する第１の制御部と、
    交流電源から前記第１の双方向スイッチのゲートに供給する電力を生成するゲート電源回路とを備え、
    前記トランスは、第１の巻線と第２の巻線とを有し、
    前記ゲート電源回路は、
    前記第１の巻線で発生する電力で前記第１の双方向スイッチの一方のゲートを駆動する電力を供給する第１のゲートバイアス電源と、
    前記第２の巻線で発生する電力で前記第１の双方向スイッチのもう一方のゲートを駆動する電力を供給する第２のゲートバイアス電源とを有することを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記ゲート電源回路は、レギュレータを有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記ゲート電源回路は、ノーマリーオン型のトランジスタを有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  4. 前記ゲート電源回路は、ラムダダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  5. ノーマリーオフ型の第２の双方向スイッチと、
    前記第２の双方向スイッチを制御する第２の制御部と、
    ノーマリーオフ型の第３の双方向スイッチと、
    前記第３の双方向スイッチを制御する第３の制御部と、
    ノーマリーオフ型の第４の双方向スイッチと、
    前記第４の双方向スイッチを制御する第４の制御部とを更に備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  6. 前記第１の双方向スイッチがｐ型ゲートを有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  7. 前記第１の双方向スイッチの第１のソース電極と第１のゲート電極との間に第１の抵抗が接続され、前記第１の双方向スイッチの第２のソース電極と第２のゲート電極との間に第２の抵抗が接続されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  8. トランスと、
    ２つのゲートを有し、前記トランスに接続したノーマリーオフ型の第１の双方向スイッチと、
    前記第１の双方向スイッチを制御する第１の制御部と、
    交流電源から前記第１の双方向スイッチのゲートに供給する電力を生成するゲート電源回路とを備え、
    前記ゲート電源回路は、ノーマリーオン型のトランジスタを有し、
    前記ノーマリーオン型のトランジスタのゲート及びソースが、前記第１の制御部に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  9. トランスと、
    ２つのゲートを有し、前記トランスに接続したノーマリーオフ型の第１の双方向スイッチと、
    前記第１の双方向スイッチを制御する第１の制御部と、
    交流電源から前記第１の双方向スイッチのゲートに供給する電力を生成するゲート電源回路とを備え、
    前記ゲート電源回路は、ラムダダイオードを有し、
    前記ラムダダイオードのカソードが、前記第１の制御部に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  10. トランスと、
    ２つのゲートを有し、前記トランスに接続したノーマリーオフ型の第１の双方向スイッチと、
    前記第１の双方向スイッチを制御する第１の制御部と、
    交流電源から前記第１の双方向スイッチのゲートに供給する電力を生成するゲート電源回路とを備え、
    前記第１の双方向スイッチの第１のソース電極と第１のゲート電極との間に第１の抵抗が接続され、前記第１の双方向スイッチの第２のソース電極と第２のゲート電極との間に第２の抵抗が接続されていることを特徴とする電力変換装置。
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