JP6962946B2 - 整流回路および電源装置 - Google Patents

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Description

以下の開示は、整流回路に関する。
電源回路に用いられる整流素子には、過渡電流が発生することが知られている。この過渡電流は、整流素子の電流を阻止する逆方向電圧を印加することで発生する。この過渡電流が電源回路の損失を発生させるため、様々な対策方法が研究されている。
特許文献1および2には、過渡電流を低減することを一目的とした回路が開示されている。例えば、特許文献1に開示された回路では、過渡電流を低減するために、整流素子に並列接続されたダイオードとトランス(変圧器)とが設けられている。特許文献2にも、特許文献1と同様の回路が開示されている。
特開2011−36075号公報 特開2013−198298号公報
但し、後述するように、整流回路における過渡電流を低減するための工夫については、なお改善の余地がある。本開示の一態様の目的は、整流回路における過渡電流を効果的に低減することにある。
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る整流回路は、第2端子から第1端子に向けて整流電流を流す整流回路であって、上記第1端子と上記第2端子との間に配置された第3端子と、上記第1端子と上記第2端子とに接続された第1整流素子と、上記第1端子と上記第3端子に接続された第2整流素子と、上記第3端子と第2端子に接続されたコイルと、上記第3端子にドレインまたはコレクタが接続されたトランジスタと、正極が上記第2端子に、負極が上記トランジスタのソースまたはエミッタに接続された電源と、を備えている。
本開示の一態様に係る整流回路によれば、過渡電流を効果的に低減できる。
実施形態1の電源回路の回路構成を示す図である。 各電圧・電流の波形を示す図である。 図2の各グラフを拡大表示した図である。 (a)〜(d)はそれぞれ、第1〜第4工程における各電流の経路について説明するための図である。 比較例の電源回路における、各電圧・電流の波形を示す図である。 実施形態2の電源装置を示す図である。
〔実施形態1〕
実施形態1の整流回路1および電源回路10について、以下に説明する。説明の便宜上、実施形態1にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、以降の各実施形態では、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
(整流回路1の目的)
上述の通り、整流素子には、過渡電流が発生する。過渡電流は、主に、PN接合を有する整流素子において発生することが知られている。
一方で、PN接合を有しない半導体素子の例としては、SiC−SBD(Schottky Barrier Diode)またはGaN−HEMT(High Electron Mobility Transistor)等が挙げられる。これらの半導体では、PN接合に由来する過渡電流は発生しない。しかしながら、逆方向電圧の印加による寄生容量の充電電流が、過渡電流として流れる。整流回路1は、これらの過渡電流を低減させることを目的として創作された。
(用語の定義)
整流回路1の説明に先立ち、本明細書では、以下の通り各用語を定義する。
「順方向電圧」:整流素子に順方向電流を流すための電圧を意味する。
1つ目の例として、整流素子がダイオードである場合を考える。この場合、順方向電圧とは、ダイオードに順方向電流を流すために印加される電圧を意味する。
2つ目の例として、整流素子がトランジスタである場合を考える。この場合、順方向電圧とは、「ゲートOFF時に、ドレインを基準としてソースに正の電圧を印加した場合に、整流電流が導通する電圧」を意味する。
上記の2つの例は、整流回路1の第1端子FT1(後述)を基準として第2端子ST1(後述)に正の電圧を印加することと同じである。順方向電圧の大きさは、素子の種類に依存するが、例えば0.1V〜5Vである。順方向電圧の印加に伴って生じる順方向電流の大きさは、コイル等の誘導性素子の電流に依存するが、例えば0.1A〜100Aである。
「整流電流」:整流素子または整流回路に流れる順方向電流を意味する。
「逆方向電圧」:順方向電流が流れないように、整流素子または整流回路に印加される電圧を意味する。
1つ目の例として、整流素子がダイオードである場合を考える。この場合、当該ダイオードに順方向電流が流れないように印加される電圧が逆方向電圧である。
2つ目の例として、整流素子がトランジスタである場合を考える。この場合、逆方向電圧とは、「ゲートがOFF時に、ソースを基準としてドレインに印加される正の電圧」を意味する。
上記の2つの例は、整流回路1のST1を基準としてFT1に正の電圧を印加することと同じである。逆方向電圧の大きさは、回路仕様に依存するが、例えば1V〜1200Vである。
「過渡電流」:逆回復電流、および、整流素子の寄生容量の充電電流、を総称的に意味する。つまり、過渡電流とは、整流素子に逆方向電圧を印加した場合に発生する、過渡的な電流を意味する。図1の例では、FS1およびSS1の位置において過渡電流を測定できる。
「整流機能」:一方向のみに電流を流す機能を意味する。
1つ目の例として、整流素子がダイオードである場合を考える。この場合、整流機能とは、順方向電流を導通させ、かつ、逆方向電流を遮断するダイオードの機能を示す。
2つ目の例として、整流素子がトランジスタである場合を考える。この場合、整流機能とは、ゲートOFF時において、ソースからドレインへと電流を導通させ、かつ、ドレインからソースに向かう電流を遮断する機能を示す。
「整流素子」:整流機能を有する素子を、総称的に示す。
「トランジスタ機能」:トランジスタのゲートON/OFFによって、ドレインからソースに向けて電流が流れるか否かを切り替える機能を意味する。当然ながら、電流を流すためには、ソースを基準としてドレインに正の電圧を印加することも必要である。
なお、素子がバイポーラトランジスタまたはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の場合には、(i)ドレインをコレクタに、(ii)ソースをエミッタに、それぞれ置き換えて考えることができる。
「トランジスタ素子」:トランジスタ機能を有する素子を総称的に示す。
(電源回路10の構成の概要)
図1は、実施形態1の電源回路10の回路構成を示す図である。電源回路10は、高電圧を低電圧に変換する降圧DCDCコンバータである。電源回路10では、公知の降圧DCDCコンバータの整流素子が、整流回路1に置き換えられている。なお、以下に述べる各数値は、単なる一例であることに留意されたい。
(電源回路10の高電圧部の構成)
高電圧部には、電源HV1とコンデンサHC1とが設けられている。なお、以下の説明では、記載の簡潔化のために、例えば、「電源HV1」を、単に「HV1」とも表記する。HV1の電圧は、400Vである。HC1の静電容量は、3.3mFである。電源記号の(+)側は正極側を示す。(−)側は負極側を示す。HV1の負極の電圧は、0Vである。
(電源回路10の低電圧部の構成)
低電圧部には、コイルCO1とコンデンサLC1と負荷LO1とが設けられている。CO1は、インダクタンスが500μHであり、平均電流が14Aである。また、LC1の電圧は、200Vである。電源回路10では、LC1の電圧は、HC1の電圧の1/2倍となるように設計されている。
(電源回路10の整流回路1の構成)
一般的な整流回路は、第1整流素子FR1を備える。これに対して、整流回路1では、第1整流素子FR1に加え、第2整流素子SR1とコイルAC1とトランジスタAT1と電源AV1とが、さらに設けられている。
「第1整流素子FR1」は、カスコード型のGaN−HEMTである。FR1は、ドレイン耐圧が650Vであり、オン抵抗が50mΩである。図1の例では、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor)と同じ回路記号を用いて、カスコードGaN−HEMTを表す。
「第2整流素子SR1」は、耐圧が650VのSiC−SBDである。導通開始時点におけるSR1の順方向電圧は、0.9Vである。順方向電流が流れている時のSR1の抵抗は、50mΩである。
「コイルAC1」は、インダクタンスが1μH、直流抵抗が50mΩのコイルである。
「トランジスタAT1」は、オン抵抗が40mΩのMOSFETである。
「電源AV1」は、電圧15Vの電源である。AV1の正極は、ST1に接続されている。実施形態1では、ST1の電圧が0Vであるため、AV1の負極の電圧は、−15Vに設定される。AV1の負極は、AT1のソースに接続されている。
「第1端子FT1」は、FR1とSR1との電気的接続点を示す。
「第2端子ST1」は、FR1とAC1とAV1との電気的接続点を示す。
「第3端子TT1」は、SR1とAC1とAT1との電気的接続点を示す。
「FS1およびSS1」は、整流回路1の電流が測定できる部分を示している。FS1とSS1とでは、どちらも同じ電流値が観測される。電流センサは、任意のものが使用可能である。電流センサとしては、例えば、ホール素子型電流センサ、CT(Current Transformer)センサ、ロゴスキーコイル、およびシャント抵抗方式等が使用可能である。
(電源回路10のトランジスタ機能部の構成)
トランジスタ機能部には、トランジスタSWT1が設けられている。
電源回路10における各素子のゲート端子は、後述する図6の制御回路9に接続されている。従って、ゲートON/OFFの切り替えは、制御回路9によって実行される。
(比較例の電源回路10rの構成)
最初に、比較例の降圧DCDCコンバータ(以下、電源回路10r)の動作と過渡電流との関係について詳細に述べる。電源回路10rは、上述した一般的な整流素子によって構成されている。
(比較例の動作1)
まず、SWT1のON期間では、スイッチノードの電圧が、約400Vとなる。このため、CO1には約200Vの電圧が印加され、コイル電流が増加する。当該コイル電流は、「HV1の正極→SWT1→CO1→LO1→HV1の負極」という経路を辿る。
(比較例の動作2)
続いて、SWT1をOFFに切り替える。その結果、CO1の起電圧によって、ST1の電圧が、FT1の電圧よりも約1V高くなる。この約1Vの電圧が順方向電圧としてFR1に印加され、FR1からCO1に整流電流が流れる。当該整流電流は、「LO1→FR1→CO1→LO1」という経路を辿る。
(比較例の動作3)
続いて、SWT1をONに切り替える。その結果、スイッチノードの電圧は約400Vになる。これによって、FR1に約400Vの逆方向電圧が印加される。この約400Vの逆方向電圧によって、過渡電流が流れる。
これらの動作1〜3は、周波数100kHzで繰り返し実行される。SWT1のデューティ比は、50%である。このため、FR1には、5μsec毎に順方向電圧と逆方向電圧とが交互に印加される。
(整流回路1の動作解説で用いる図2〜4の説明)
図2は、整流回路1における4つの電圧および電流のそれぞれの波形を示すグラフである。これらの波形は、共通の時間軸(横軸)のもとに示されている。当該4つの波形はそれぞれ、
・RFV(整流回路1の電圧):ST1を基準として、FT1に印加される電圧;
・RFI(整流回路1の電流):ST1からFT1へ流れる電流;
・AC1I(AC1の電流):ST1からTT1へ流れる電流;
・SR1I(SR1の電流):TT1からFT1へ流れる電流;
を示している。図2の横軸には、第1〜第4工程(後述)のタイミングが示されている。SR1Iは、第2整流素子電流とも称される。
図3は、図2の各グラフを拡大表示し、4つの波形を1つのグラフに示した図である。図3では、拡大表示の便宜上、RFVがグラフの上端からはみ出している。
図4は、第1〜第4工程における各電流の経路を説明するための図である。具体的には、図4の(a)〜(d)はそれぞれ、第1〜第4工程の電流経路に対応している。図示の便宜上、図4では、図1に付された各素子の符号を省略している。
(整流回路1の駆動方法:第1工程〜第4工程)
整流回路1の駆動方法では、以下の4つの工程が、この順に実行される。
・第1工程:整流回路1に順方向電圧を印加し、整流電流を流す工程;
・第2工程:AT1をONすることにより、AC1に電流を流す工程;
・第3工程:AT1をOFFすることにより、SR1に電流を流す工程;
・第4工程:整流回路1に逆方向電圧を印加し、整流電流を停止させる工程。
(第1工程:整流回路1に整流電流を流す)
第1工程の前には、SWT1からCO1に向けて電流が流れている。そこで、第1工程では、SWT1をOFFすることにより、CO1に起電圧を発生させる。当該起電圧によって、整流回路1に約1Vの順方向電圧を印加できる。その結果、FR1に整流電流を流すことができる。この整流電流は、図4の(a)に示された経路を流れる。
なお、第1工程では、SR1に流れる電流は、FR1に流れる電流より少ない。このため、図4の(a)では、図4の(c)〜(d)とは異なり、SR1Iが図示されていない。
(第2工程:AC1に電流を流す)
第1工程に続いて、AT1をONすることで、AC1Iを流す。AC1Iは、図4の(b)に示された経路を流れる。AC1Iは、時間の経過に伴ってほぼ線形的に増加する。この第2工程によって、コイルにエネルギーが蓄積される。
(第3工程:SR1に電流を流す)
第2工程に続いて、AT1をOFFすることで、SR1Iを流す。SR1Iは、図4の(c)に示される経路を流れる。つまり、コイルのエネルギーがSR1Iとなって流れる。
SR1Iの電流経路については、他の視点で説明することも可能である。特に、図4の(c)における、FR1に流れる電流について説明する。FR1には、RFI(FR1の位置において図面上で上向き)とSR1I(FR1の位置において図面上で下向き)とが、ともに図示されている。FR1に互いに逆方向の電流が流れることは、電流値の相殺が生じることを意味する。
(第4工程:整流回路1に逆方向電圧を印加)
第4工程では、SWT1のONにより、整流回路1に逆方向電圧を印加する。逆方向電圧の印加方法は、電源回路の種類に応じて、様々な方法を選択できる。
逆方向電圧の印加と同時に、FR1の寄生容量を充電する過渡電流(逆方向のRFI)が発生する。図4の(d)のRFIに示される経路で、過渡電流が流れる。また、図4の(d)では図示を省略しているが、第4工程の開始時点からは、「HV1の正極→SWT1→CO1→LO1→HV1の負極」の経路の電流が流れる。
(FR1Iによる過渡電流削減原理)
整流回路1では、SR1IがFR1の寄生容量を充電する経路で流れている時に、逆方向電圧を印加して過渡電流を流している。つまり、FR1の寄生容量を、SR1IとRFIとによって充電できる。このため、過渡電流は、SR1Iの分だけ差し引かれた値になる。すなわち、従来に比べて、過渡電流を効果的に低減できる。
(過渡電流の削減効果)
図3および図5を参照し、整流回路1における、過渡電流の低減効果について説明する。図5は、電源回路10rにおける、整流回路電圧(RFVc)および整流回路電流(RFIc)の波形を示すグラフである。図5のグラフにおける横軸および縦軸のスケールは、図3のグラフと同じに設定されている。
(比較例の過渡電流)
図5を参照し、電源回路10rの整流回路の過渡電流について述べる。比較例では、逆方向電圧(RFVc)が400V印加された時に、過渡電流(負のRFIc)が流れている。図5では、縦軸のスケールの都合上、30Vを越える電圧は図示されていない。しかし、RFVcは、400Vに達している。これにより、電源回路10rでは、約28Aの大きさの過渡電流が流れている。
(整流回路1の過渡電流)
図3を参照し、整流回路1における過渡電流について述べる。整流回路1においても、比較例と同様に、400Vの逆方向電圧(RFV)が印加されている。しかしながら、整流回路1では、過渡電流(負のRFI)の大きさは、約19Aである。このように、整流回路1によれば、比較例に比べ、過渡電流を低減できることが確認された。
(整流回路1を効率的に動作させるための改良点1〜4)
実施形態1には、複数の好ましい改良点が適用されている。以下、これらの好ましい改良点について説明する。
(改良点1:整流回路1に整流電流が流れているときにSR1Iを流す)
上述した通り、SR1Iは、過渡電流削減に用いられる。このため、過渡電流が流れるまでの期間に、SR1Iの減衰を抑制することも重要である。実施形態1では、整流回路1に整流電流が流れている時に、SR1Iを流している。整流回路1に電流が流れていれば、原理的に、ST1に対するFT1の電圧は、FR1の電圧降下量の分だけ低下する。一方で、SR1Iは、ST1からAC1とSR1とを経由して、FT1に向けて流れる。すなわち、電圧がより高いST1から電圧がより低いFT1に電流を流すことになる。従って、SR1Iの減衰を抑制できる。
(改良点2:FR1の電圧降下で磁気エネルギーを確保する)
上述した通り、SR1Iは、過渡電流削減に用いられる。このため、効率的にSR1Iを多くすることが、過渡電流のさらなる削減に繋がる。実施形態1では、より効率的に多くのSR1Iを流すために、改良を行っている。
具体的には、実施形態1では、ST1からFT1へ電流が流れることで発生するFR1の電圧降下量は、SR1の導通開始時点の電圧降下量よりも大きく設定されている。
このような構成にすることで、FR1に電流が流れている時に、SR1を介してAC1に電流を流すことが可能となる。この電流は、図2のAC1Iにて確認できる。図2の例では、時間「1.00E−5sec」において、約2Aの大きさのFR1Iが流れている。このため、第2工程では、AC1Iが、0Aからでなく、約2Aを初期値として、増加していることが分かる。
(改良点3:AV1の電圧は逆方向電圧よりも小さい)
AT1はスイッチング損失を発生させることから、AV1の電圧は低いことが好ましい。実施形態1では、逆方向電圧(400V)を用いるのでなく、より電圧が低い電圧源であるAV1を用いるように構成されている。これによって、AT1のスイッチング損失が低減できる。
AV1の電圧は、AT1の制御端子(ゲート端子)の定格電圧である20V以下に設定されている。これにより、AT1のゲート駆動用電源として、AV1を流用することも可能となる。AT1のゲート駆動用電源は、図6の制御回路9に内蔵されている。
一方で、AT1の導通損失低減のために、AV1の電圧は、トランジスタ(例:AT1)が飽和領域で動作可能な電圧(5V以上)であることが好ましい。
実施形態1では、AV1は、5V以上であり、かつ、逆方向電圧よりも小さい。さらに、AV1は、AT1の制御端子の定格電圧よりも低い。
〔変形例:素子の適用範囲〕
実施形態1では、FR1がカスコードGaN−HEMTであり、かつ、SR1がSiC−SBDである場合を例示した。これらの素子の種類は、上述の各素子の範疇に含まれる限り、特に限定されない。同様に、SWT1の種類も、トランジスタ機能を有する限り、特に限定されない。また、整流素子に関して、一般的に用いられる同期整流を適用することで、導通損失を低減できる。
〔実施形態2〕
本開示の一態様に係る整流回路は、整流回路を用いた電源回路に適用できる。電源回路の例としては、チョッパ回路、インバータ回路、およびPFC(Power Factor Correction)回路等を挙げることができる。
図6は、電源回路10を備えた電源装置100を示す図である。整流回路1によれば、電源回路10・電源装置100の損失を低減できる。さらに、電源回路10は、制御回路9を含む。制御回路9は、電源回路10に設けられる各素子のON/OFFの切り替えを制御する。特に、制御回路9には、AT1のON/OFFの切り替えのため、ゲート駆動用電源(電圧15V)が内蔵されている。当該ゲート駆動用電源は、AV1と接続されている。第1〜第4工程は、制御回路9が、電源回路10に設けられた各素子のON/OFFを制御することによって実行されてよい。
〔まとめ〕
本開示の態様1に係る整流回路は、第2端子から第1端子に向けて整流電流を流す整流回路であって、上記整流回路は、上記第1端子と上記第2端子との間に配置された第3端子と、上記第1端子と上記第2端子とに接続された第1整流素子と、上記第1端子と上記第3端子とに接続された第2整流素子と、上記第3端子と第2端子とに接続されたコイルと、上記第3端子にドレインまたはコレクタが接続されたトランジスタと、正極が上記第2端子に、負極が上記トランジスタのソースまたはエミッタに接続された電源と、を備える。
上述の通り、過渡電流は、回路で損失を発生させる。そこで、本願の発明者は、「コイルのエネルギーが、過渡電流の抑制に繋がる」という着想に基づき、上記の構成を見出した。
上記の構成によれば、トランジスタをONすることでコイルに電流を流し、エネルギーを蓄積する。そして、トランジスタをOFFすることで、そのエネルギーは、第2整流素子電流に変換され、過渡電流を削減することができる。
この第2整流素子電流は、過渡電流となる電流成分を、コイルと第2整流素子と第1整流素子とによって構成される経路に流すためである。
本開示の態様2に係る整流回路では、上記第2整流素子に整流電流が流れている期間において、上記整流回路に逆方向電圧が印加される。
上記の構成によれば、過渡電流となる電流成分を、その時に流れている第2整流素子電流によって削減できる。
本開示の態様3に係る整流回路では、上記第1整流素子に整流電流が流れている期間において、上記第2整流素子に整流電流の導通が開始される。
上記の構成によれば、整流電流によって第1整流素子に電圧降下が生じる。つまり、第2端子の電圧が第1端子の電圧よりも高くなる。このため、第2整流素子電流を、第2端子から第1端子に向けて流すことが容易になり、当該第2整流素子電流を持続的に流すことができる。
本開示の態様4に係る整流回路では、上記第1整流素子に整流電流が流れることで発生する上記第1整流素子の電圧降下量は、上記第2整流素子の導通開始時点の電圧降下量よりも大きい。
上記の構成によれば、第1整流素子に電流が流れている時に、第2整流素子を通じてコイルに電流を流すことが可能となる。このため、コイルにエネルギーを蓄積することが可能となる。
本開示の態様5に係る整流回路では、上記電源の電圧は、上記逆方向電圧よりも小さい。
上記の構成によれば、小さい電圧でトランジスタをスイッチングすることが可能になり、当該トランジスタのスイッチング損失が低減できる。
本開示の態様6に係る電源装置は、本開示の一態様に係る整流回路を備えている。
上記の構成によれば、過渡電流が削減された整流回路を用いることにより、損失が削減された電源装置を実現できる。
〔付記事項〕
本開示の一態様は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本開示の一態様の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成できる。
1 整流回路
9 制御回路
10 電源回路
100 電源装置
FR1 第1整流素子
SR1 第2整流素子
FT1 第1端子
ST1 第2端子
TT1 第3端子
AC1 コイル
AT1 トランジスタ
AV1 電源

Claims (6)

  1. 第2端子から第1端子に向けて整流電流を流す整流回路であって、
    上記第1端子と上記第2端子との間に配置された第3端子と、
    上記第1端子と上記第2端子とに接続された第1整流素子と、
    上記第1端子と上記第3端子とに接続された第2整流素子と、
    上記第3端子と上記第2端子とに接続されたコイルと、
    上記第3端子にドレインまたはコレクタが接続されたトランジスタと、
    正極が上記第2端子に接続されており、かつ、負極が上記トランジスタのソースまたはエミッタに接続された電源と、を備えている、整流回路。
  2. 上記第2整流素子に整流電流が流れている期間において、
    上記整流回路に逆方向電圧が印加される、請求項1に記載の整流回路。
  3. 上記第1整流素子に整流電流が流れている期間において、
    上記第2整流素子の整流電流の導通が開始される、請求項1または2に記載の整流回路。
  4. 上記第1整流素子に整流電流が流れることで発生する上記第1整流素子の電圧降下量は、上記第2整流素子の導通開始時点の電圧降下量よりも大きい、請求項1から3のいずれか1項に記載の整流回路。
  5. 上記電源の電圧は、上記逆方向電圧よりも小さい、請求項2に記載の整流回路。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の整流回路を備えた、電源装置。
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