(57)【要約】電力変換装置への電源遮断時などに、過大な電流が主回路のスイッチング素子に流れることを防ぎ、当該スイッチング素子が破壊されることを防ぐことのできる電力変換装置を提供する。複数のスイッチング素子が直列接続された第一のスイッチ部を含む電力変換装置において、前記複数のスイッチング素子は、ゲート電圧閾値が所定値以下であるスイッチング素子とゲート電圧閾値が所定値よりも高いスイッチング素子とがそれぞれ少なくとも１個以上含まれることを特徴とする。
2012120567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換装置は、前記スイッチ部に直列に接続されゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子を備え、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換装置は、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子との接続点が、負荷に接続されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記負荷は電動機、交流電源、またはリアクトルであることを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置は、負荷に接続される出力端子を有し、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された、昇圧チョッパ回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴とする請求項１から５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御することを特徴とする請求項１から６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、
前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、
前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、
前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続される電力変換装置。
【請求項９】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に接続されることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、
前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部とを備え、
前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続される電力変換装置。
【請求項１４】
前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続されていることを特徴とする、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続されていることを特徴とする、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項１３乃至１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項１３乃至１５に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項１３乃至１５に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記第二のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項８乃至１５に記載の電力変換装置。
【請求項２１】
前記第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項１６乃至１８に記載の電力変換装置
【請求項２２】
前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、ゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至２２に記載の電力変換装置。
【請求項２３】
前記第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至１５に記載の電力変換装置。
【請求項２４】
前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１乃至２２に記載の電力変換装置。
【請求項２５】
前記第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至１５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置における、特にスイッチング素子とその周辺回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置のスイッチング素子に、ＳｉＣやＧａＮ等を用いたワイドバンドギャップ半導体を使用し、これらの高速スイッチング特性を活かした昇圧チョッパ回路が、例えば特許文献１に開示されている。【０００３】
また、特許文献２には、スイッチング素子にＳｉＣ素子を用いた３相インバータの例が、また、特許文献３には、３相の３レベルコンバータのスイッチング素子にＳｉＣ素子を用いた例が開示されている。さらに、特許文献４には、交流電源から直流電圧を得るＰＷＭコンバータにＳｉＣやＧａＮなどを用いたワイドバンドギャップ半導体を用いた例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６７６９６号公報
【特許文献２】特開２０００−２２４８６７号公報
【特許文献３】特開２００１−１１２２６０号公報
【特許文献４】特開２００８−６１４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタは、スイッチング損失が小さく、高速スイッチングが可能という特長を有する。これにより、例えばＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを電力変換装置に使用した場合、該電力変換装置のフィルタや電流制限用のリアクトルを小型化することが可能となり、またモータ駆動用インバータとして使用した場合にはモータ損失を低減することができる。【０００６】
しかし、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタチップをゲート閾値電圧が低くなるように設計しないと、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのオン抵抗が増加するため、導通損失が増加してしまう、という欠点がある。上記欠点を解決するために、ゲート閾値電圧が零電圧付近となるように上記チップを設計したり、ゲート閾値電圧が零電圧以下となるように、すなわち、いわゆるノーマリーオンとして上記チップを設計することも多い。【０００７】
上記ゲート閾値電圧が零電圧以下となるように設計されたＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを電力変換装置のスイッチング素子として使用した場合、該ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタをオフ状態にするためには、ゲート電圧として負の電圧を印加し続ける必要がある。また、仮にゲート閾値電圧が正の電圧となるように設計されたＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを使用した場合でも、該ゲート閾値電圧が零電圧付近である場合には、外来ノイズ等の影響により誤動作してオンすることがある。従って、この誤動作によるオンを防ぐためにも、上記ゲート閾値電圧が零電圧以下に設計されたＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを使用した場合と同様に、ゲート電圧として負の電圧を印加し続ける必要がある。【０００８】
ここで、上記に例として挙げた従来の電力変換装置では、電力変換装置に接続されている電源ブレーカーが遮断されたり、停電等が原因でスイッチ主回路電圧が低下するよりも前にスイッチ主回路を制御する制御回路電圧が遮断された場合には、ゲート電圧として負の電圧を印加し続けることができず、ゲート電圧は零となる。この時、コンデンサ等に蓄積された主回路電圧がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間に印加されていると、本来オフ状態であるべきＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタがオン状態となり、コンデンサ放電電流を含む過大な電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを流れることとなり、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタが破壊される、という問題があった。【０００９】
さらに、電力変換装置への電源投入時においても、制御回路が動作可能となる値まで制御回路の電圧が上昇する以前に主回路電圧が上昇してＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのドレインーソース間に電圧が印加されると、ゲート電圧が零電圧であることから、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタがオン状態となるために、上述の場合と同様にコンデンサ放電電流を含む過大な電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを流れることとなり、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタが破壊される、という問題があった。【００１０】
また、上述の過大な電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを流れる問題以外にも、従来のＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを用いた電力変換装置では、地絡事故等が生じた場合には、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのゲート電圧が零の状態であるにもかかわらず、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタはオン状態になってしまうため、過大な地絡電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを経由して流れることにより、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタが破壊されるという問題もあった。【００１１】
この発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、スイッチング素子を制御する制御回路への電源が遮断されたときや、電源投入後の制御電源電圧が上昇する過程等の主回路電圧が印加された状態で制御回路電圧が低下している場合においても、過大な電流がスイッチング素子に流れることを防ぎ、スイッチング素子の破壊を防止できる電力変換装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る電力変換装置は、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続されることを特徴としたものである（請求項１）。【００１３】
また、前記電力変換装置は、前記スイッチ部に直列に接続されゲート電圧が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子を備え、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続されることを特徴としたものである（請求項２）。【００１４】
また、前記電力変換装置は、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子との接続点のうちの一が、負荷に接続されることを特徴としたものである（請求項３）。【００１５】
また、前記負荷は電動機、交流電源、またはリアクトルであることを特徴としたものである（請求項４）。【００１６】
さらに、前記前記電力変換装置は、負荷に接続される出力端子を有し、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された、昇圧チョッパ回路であることを特徴としたものである（請求項５）。【００１７】
さらに、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴としたものである（請求項６）。【００１８】
さらに前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御することを特徴としたものである（請求項７）。【００１９】
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、
前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続されるを特徴としたものである（請求項８）。【００２０】
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に接続されることを特徴としたものである（請求項９）。【００２１】
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする（請求項１０）。【００２２】
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする（請求項１１）。【００２３】
前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴としたものである（請求項１２）。【００２４】
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部とを備え、前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続されることを特徴としたものである（請求項１３）。【００２５】
また、前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続されていることを特徴としたものである（請求項１４）。【００２６】
また、前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続されていることを特徴としたものである（請求項１５）。【００２７】
さらに、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴としたものである（請求項１６）。【００２８】
さらに、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴としたものである（請求項１７）。【００２９】
さらに、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴としたものである（請求項１８）。【００３０】
さらに、  前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴としたものである（請求項１９）。【００３１】
さらに、前記第二のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴としたものである（請求項２０）。【００３２】
さらに、前記第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴としたものである（請求項２１）。【００３３】
さらに、前記第二のスイッチング素子および前記第三のスイッチング素子は、ゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項２２）。【００３４】
さらに、前記第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項２３）。【００３５】
さらに、前記第二のスイッチング素子および前記第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴としたものである（請求項２４）。【００３６】
さらに、前記第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項２５）。
【発明の効果】
【００３７】
以上のように、この発明に係る電力変換装置によれば、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続されるように構成したことにより、前記第一のスイッチング素子および第二のスイッチング素子を制御する回路への電源が遮断されたときに、前記スイッチング素子のうち、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子がオフ状態になることができなくても、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子がオフ状態となる。その結果、上記制御回路への電源が遮断されても、上記第一のスイッチング素子および第二のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぎ、スイッチング素子が破壊されることを防ぐことができる。【００３８】
また、前記電力変換装置を、前記スイッチ部に直列に接続されゲート電圧が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子を備え、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続されるように構成したことにより、前記スイッチ部内の各スイッチング素子および前記第三のスイッチング素子を制御する回路への電源が遮断されても、前記スイッチ部内の第二のスイッチング素子で確実に電流を遮断することができ、さらに、前記スイッチ部と、これと直列に接続されたゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子により、低損失に任意の電圧を負荷に印加することができる。【００３９】
また、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子との接続点のうちの一が、負荷に接続されるように構成したことにより、スイッチング素子の個数を増やさない状態で前記ゲート電圧閾値が所定値以下であるスイッチング素子により、低損失に任意の電圧を負荷に印加することができる。【００４０】
また、前記電力変換装置を、負荷に接続される出力端子を有し、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された昇圧チョッパ回路とすることにより、低損失や高キャリア動作可能な昇圧チョッパ回路を信頼性高く構成できる。【００４１】
また、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えるように構成したことにより、さらに低損失に電力変換装置を動作させることができる。【００４２】
また、前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御するようにしたことにより、例えば電力変換装置への電源投入時に、誤って前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子が両方同時にオンする状態になることにより、前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぎ、スイッチング素子が破壊されることを防ぐことができる。【００４３】
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続されるように構成したことにより、スイッチング素子を１個追加するだけで、制御電源電圧が低下した時上記制御回路への電源が遮断されても、上記複数のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぐことが可能な構成とすることができる。【００４４】
さらに、前記ゲート電圧閾値が第二の所定値である第二のスイッチング素子やゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことにより、スイッチング時のサージ電圧を防止することができ、また、電力変換装置の負荷がモータ等の場合には、負荷側のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを直流電源に回生することができ、前記第二のスイッチング素子や前記第三のスイッチング素子に過大な電圧が発生することを防ぐことができる。【００４５】
さらに、前記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子を用いることにより、電力変換装置を低損失または高キャリアにスイッチングすることができる。【００４６】
さらに、ゲート電圧閾値が第二の所定値である第二のスイッチング素子やゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを用いることで安価に構成できるという利点がある。【００４７】
さらに、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子を用いることにより、電力変換装置を低損失または高キャリアにスイッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の実施の形態１における電力変換装置で、昇圧チョッパ回路に適用した場合の構成例である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。
【図３】この発明の実施の形態２における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。
【図４】この発明の実施の形態３における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。
【図５】この発明の実施の形態４における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下に、本発明に係る電力変換装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００５０】
実施の形態１．
図２は、この発明の実施の形態１における、電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。図２において、交流電源２０から入力された三相交流電圧は、スイッチ２１を経由してダイオードブリッジ２２により整流され、直流電圧としてコンデンサ２３に供給される。また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａと２４ｂ、２５ａと２５ｂおよび２６ａと２６ｂがそれぞれ直列に接続されて、さらにゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０ａと上記２４ｂ、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４１ａと上記２５ｂおよびゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４２ａと２６ｂとが各々直列に接続されて第一のスイッチ部として１アームを構成している。そして、コンデンサ２３の両端に、コンデンサ２３の直流電圧を前記第一のスイッチ部へ入力する直流電源入力端子３３ａおよび３３ｂを具備し、該直流電源入力端子を介して、コンデンサ２３と並列に前記第一のスイッチ部が接続されて３アームを構成している。また、スイッチング素子２４ａと２４ｂの接続点、２５ａと２５ｂの接続点および２６ａと２６ｂの接続点はそれぞれ、三相モータ２８に接続されている。ここで、図２では、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂそれぞれの素子内に形成されているボディダイオードにより、前記それぞれのスイッチング素子の還流ダイオードとしての逆並列ダイオードを構成している。なお、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０a、４１ａ、４２ａには、それぞれ環流ダイオード４０ｂ、４１ｂ、４２ｂが逆並列に接続されている。
【００５１】
上記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子としては、電力変換装置のスイッチング損失や導通損失を低減させるために、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子を用いる。さらに、スイッチ２１を経由して交流電源２０に接続された制御電源２９は、第二の制御部３０ａ内の制御回路を動作させるための制御回路電圧を供給しており、この第二の制御部３０ａから、スイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂと４０a、４１a、４２ａをオン、オフするゲート駆動信号３１ａが出力される。
【００５２】
ここで、スイッチ２１がオンされている場合には、交流電源２０からコンデンサ２３に電圧が与えられるとともに、制御電源２９から第二の制御部３０ａに必要な電圧が出力される。第二の制御部３０ａでは、制御電源２９から出力された制御回路電圧が該第二の制御部３０ａの内部回路が正常に動作するに十分な所定値以上であれば、三相モータ２８に所望の電圧が与えられるように、第二の制御部３０ａに直列接続されたスイッチング素子２４ａと２４ｂ、２５ａと２５ｂおよび２６ａと２６ｂの組合せのうちの各々どちらか一方はオンし、もう一方はオフするようにゲート駆動信号３１ａを出力する。なお、スイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂはゲート電圧閾値が第一の所定値であり、この所定値は２Ｖ以下という低い電圧であるため、前記各スイッチング素子をオンさせるときには正極性の電圧を第二の制御部３０ａからゲート駆動信号３１ａとして出力し、逆に前記スイッチング素子をオフさせるときにはスイッチング素子が確実にオフ状態を保つように負極性となる電圧を、第二の制御部３０ａからゲート駆動信号３１ａとして出力する。
【００５３】
また、第二の制御部３０ａでは、制御電源２９から出力された制御回路電圧が所定値以上であれば、スイッチング素子４０ａ、４０ｂ、４０ｃがオン状態となるようにゲート駆動信号３１ａを出力する。逆に、三相交流電源２０の出力電圧が低下するか、またはスイッチ２１がオフされると、制御電源２９の出力電圧が低下していく。ここで、第二の制御部３０ａでは、制御電源２９から出力された制御回路電圧を監視しており、前記制御回路電圧が予め設定した値以下になるとスイッチング素子４０a、４１a、４２ａをオフするようにゲート駆動信号３１ａが出力される。
【００５４】
上述の従来技術では、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０a、４１ａおよび４２ａが無かったため、制御電源２９から出力される第二の制御部３０ａの制御回路電圧が零になったときにコンデンサ２３の両端に残留電圧があるという状況下で、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのうち、例えばスイッチング素子２４ａと２４ｂのように、互いに直列接続された２つのスイッチング素子がノイズ等により誤動作してオンすると、コンデンサ２３が短絡されて前記スイッチング素子に過大な電流が流れるため、前記第一のスイッチング素子が破壊されていた。
【００５５】
また、上述のように直列接続された２つのスイッチング素子ではなく、例えばスイッチング素子２４ａと２５ｂのように、異なるアームの上側のスイッチング素子と下側のスイッチング素子が同時にオンした場合にも、前記スイッチング素子が同時にオンしている期間が長い場合には、三相モータ２８を経由して前記スイッチング素子に流れる電流が増大し、これらのスイッチング素子が破壊されていた。特に、スイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのゲート電圧閾値が零電圧以下の場合には、制御電源２９の出力電圧が低下し、第二の制御部３０ａの制御回路電圧が零電圧になってゲート駆動信号３１ａが零電圧を出力している状態にもかかわらず、第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂはオン状態となり、ノイズ等の影響がなくても、コンデンサ２３が短絡されて前記スイッチング素子に過大な電流が流れるため、前記第一のスイッチング素子が容易に破壊されていた。
【００５６】
しかし、図２に示したこの発明の実施の形態１における３相インバータ回路では、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａで前記スイッチング素子に流れる過大な電流を遮断するため、上述のようなスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂの誤点弧によって生じるスイッチング素子の破壊を防止することができる。
【００５７】
この実施例では、第二の制御部３０ａで制御電源２９から出力された制御回路電圧を監視し、予め設定した値以下になると第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａをオフするようにゲート駆動信号３１ａを出力する例について示したが、制御回路電圧が低下しなくても、第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂがオフの場合には第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａをオフするように第二の制御部３０ａが制御しても良い。
【００５８】
また、図２では、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂの素子内に形成されるボディダイオードにより、還流ダイオードとしての逆並列ダイオードを構成しているが、別のダイオードを上記各スイッチング素子に逆並列に接続することにより、前記還流ダイオードと同じ機能を持たせても、上述と同様の効果を奏するのは言うまでもない。さらに、下アーム側にゲート電圧閾値が第一の所定値より第二の所定値である第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａを設けたが、該第二のスイッチング素子を上アーム側に設けてもよく、コンデンサ２３からの電流を遮断できる位置であれば同様の効果を奏することは言うまでもない。さらに、３アームのうち、あるアームはゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子を上アーム側に設け、別のアームはゲート閾値電圧が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子を下アーム側に設けるというような構成にしても、上記と同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００５９】
図１は、この発明の実施の形態１における上記とは別の実施例の電力変換装置であり、昇圧チョッパ回路に適用した場合の構成例である。図１において、交流電源１から入力した交流電圧は、スイッチ２を経由してダイオードブリッジ３により整流され、直流電圧としてコンデンサ４に供給される。また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６とゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子７が直列に接続されて第一のスイッチ部を構成している。そして、コンデンサ４の両端に、コンデンサ４の直流電圧を前記第一のスイッチ部へ入力する直流電源入力端子１７ａおよび１７ｂを具備し、また、コンデンサ９の両端に、該昇圧チョッパ回路からの電圧を負荷へ出力するための出力端子１８ａおよび１８ｂを具備している。
【００６０】
さらに、前記第一のスイッチング部とダイオード５とを直列に接続した回路のうちダイオード５のカソードとコンデンサ９の正極側とが接続され、前記第一のスイッチ部内の第二のスイッチング素子７の第一のスイッチング素子６と接続された反対側の端子は、コンデンサ８の負極側と接続されている。また、前記入力端子１７ａとコイル８の一端が接続され、コイル８の他端と前記ダイオード５のアノードとが接続されている。さらに、コンデンサ９の正極端子と出力端子１８ａとが接続され、コンデンサ９の負側端子と入力端子１７ｂ、第二のスイッチング素子７の第一のスイッチング素子６と接続された反対側の端子および出力端子１８ｂとが接続されている。
さらに、出力端子１８ａと１８ｂの間には、例えばインバータ回路、抵抗器、バッテリー等である負荷装置１０が接続されている。
【００６１】
また、スイッチ２を経由して交流電源１に接続された制御電源１１は第一の制御部１２内の制御回路を動作させるための制御回路電圧を供給している。第一の制御部１２は、直流電圧指令設定器１３からの出力と直流電圧検出器１４により検出されたコンデンサ９の電圧が入力され、第一のスイッチング素子６と第二のスイッチング素子７のゲート駆動信号１５および１６をそれぞれ出力している。
【００６２】
ここで、スイッチ２がオンされている場合には、交流電源１から制御電源１１によって交流から直流に変換され、第一の制御部１２に必要な直流電圧が出力される。そして、スイッチ２がオンして制御電源１１が、上記第一の制御部１２が必要とする直流電圧を出力しているとき、第一の制御部１２は、直流電圧指令設定器１３で設定されたコンデンサ９の直流電圧指令値に、コンデンサ９の両端の電圧が一致するようにパルス幅制御されたゲート駆動信号１５を出力し、ゲート駆動信号１６は常時オンを出力している。
【００６３】
なお、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６のゲート駆動信号１５は、第一のスイッチング素子６の出力をオンさせるときには正極性の電圧を出力し、逆にオフさせるときにはスイッチング素子６が確実にオフ状態を保つように負極性の電圧を出力する。また、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子７のゲート駆動信号１６は、スイッチング素子７の出力をオンさせるときには正極性の電圧を出力し、逆にオフさせるときには負極性の電圧または零電圧を出力する。
【００６４】
次に、スイッチ２がオフされると、制御電源１１の出力電圧が漸次低下する。第一の制御部１２では、制御電源１１から入力された制御回路電圧を監視しており、該制御回路電圧が予め設定した値以下になると、第一のスイッチング素子６および第二のスイッチング素子７の出力がオフするように、ゲート駆動信号１５および１６がそれぞれ出力される。つまり、ゲート駆動信号１５に対しては負極性の電圧を出力し、ゲート駆動信号１６に対しては負極性または零電圧が出力される。
【００６５】
さらに制御電源１１の出力電圧が低下し、第一の制御部１２の制御回路電圧が零電圧になると、負極性の電圧を出力していたゲート駆動信号１５も零電圧になる。この時、第一のスイッチング素子６はゲート電圧閾値が第一の所定値であり、この所定値は２Ｖ以下という低い電圧であるため、ノイズが重畳するなどしてゲート駆動信号１５の電圧が第一のスイッチング素子６のゲート電圧閾値を越えると、第一のスイッチング素子６の出力はオン状態となる。また、第一のスイッチング素子６のゲート電圧閾値が零電圧以下の場合には、ノイズが重畳しなくてもゲート駆動信号１５が零電圧に低下した時点でオフしていた第一のスイッチング素子６の出力が再びオン状態となる。
【００６６】
上述の従来技術では、コンデンサ４の両端に残留電圧があると、前記第一のスイッチング素子６の出力が再びオン状態になることにより、リアクトル８を経由してコンデンサ４を放電する過大な電流が第一のスイッチング素子６に流れるため、第一のスイッチング素子６が破壊されていた。しかし、図１に示したこの発明の実施の形態１における昇圧チョッパ回路では、第一のスイッチング素子６に直列に接続された第二のスイッチング素子７のゲート電圧閾値が、第一の所定値よりも高い第二の所定値であるため、ノイズが重畳してもゲート駆動信号１６の電圧が第二のスイッチング素子７のゲート電圧閾値を越えることは無く、第二のスイッチング素子７の出力はオンしないため、第一のスイッチング素子６の誤点弧で生じる破壊を防止することができる。なお、スイッチ２がない場合でも、停電等により交流電源１の電圧が低下したときには、上述と同様の問題が生じるが、その場合にも、この実施の形態１を適用することにより、スイッチング素子の破壊を防止することができる。
【００６７】
特に、第一のスイッチング素子６としてゲート電圧閾値が零電圧以下スイッチング素子を使用したときには、制御電源１１の出力電圧が低下し、第一の制御部１２の制御回路電圧が零電圧になった場合、ゲート駆動信号１５が零電圧を出力している状態にもかかわらず、第一のスイッチング素子６の出力はオン状態のままとなってしまう。一方、一般的にゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子であれば、外部からノイズ等が重畳しても、スイッチング素子がオフ状態を継続して誤動作を生じないことが経験的にわかっている。そのため、ゲート駆動信号１６が零電圧で確実にスイッチング素子の出力がオフするように、第二のスイッチング素子７としては、ゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子を用いるとより効果的である。
【００６８】
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６として、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子を用いると、バイポーラ素子であるＩＧＢＴ等を使用した場合に比してスイッチング損失を低減することができる。
【００６９】
このことにより、上記のように、制御電源１１が、第一の制御部１２を正常に動作させるために十分な大きさの電圧を出力しているとき、直流電圧指令設定器１３で設定されたコンデンサ９の直流電圧指令値に、直流電圧検出器１４により検出されたコンデンサ９の両端電圧が一致するように、第一の制御部１２によりゲート駆動信号１５のパルス幅を制御する。そして、該ゲート駆動信号１５をゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６に入力してスイッチングを行い、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子７は常時オン状態とすることにより、スイッチング損失の小さなゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６のみにスイッチング損失が生じるため、回路全体の損失を低減することができるという効果がある。また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子６の発熱を抑制するため、そのスイッチングの一部をゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子７に分担させ、第二のスイッチング素子７を第一のスイッチング素子６よりも低頻度にスイッチングさせるように制御しても良い。
【００７０】
なお、第一のスイッチング素子６と第二のスイッチング素子７の位置を入れ替えてもよく、また、これらに逆並列のダイオードをつけてもよい。さらに、ダイオード５の代わりにスイッチング素子を用いても良い。また、図１では交流電源１は単相交流電源の場合を示したが、もちろん三相交流電源でもよく、バッテリー等の直流電源でもよい。さらに、第一の制御部１２の内部構成もリアクトル８の電流まで検出して制御に用いる等の工夫もできるが、全てこの発明に含まれることは言うまでも無い。
【００７１】
さらに、この発明の実施の形態１では、第一の制御部１２で制御電源１１から入力された制御回路電圧を監視しており、予め設定した値以下になると第一のスイッチング素子６および第二のスイッチング素子７がオフするようにゲート駆動信号１５および１６が出力される例について示したが、上記第一の制御部１２とは別のスイッチを設けて、そのスイッチがオフした時にスイッチング素子６およびスイッチング素子７がオフするように回路を構成した場合でも、制御電源１１が低下したときには、上述と同じ動作でスイッチング素子６の誤点弧で生じる破壊を防止することができる。
【００７２】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。なお、図１と同一の構成には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。図３において、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａおよび２４ｂ並びに２５ａおよび２５ｂ並びに２６ａおよび２６ｂとが各々直列に接続されて第二のスイッチ部として１アームを構成している。そして、コンデンサ２３の両端に、コンデンサ２３の直流電圧を前記第二のスイッチ部へ入力する直流電源入力端子３３ａおよび３３ｂを具備し、該直流電源入力端子を介して、コンデンサ２３と並列に前記第二のスイッチ部が並列に接続されて３アームを構成している。これら３アームと直流電源入力端子３３ａとの間に、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子２７ａが接続される。
【００７３】
上記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子としては、スイッチング損失や導通損失が低減するように、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子を用いている。さらに、スイッチ２１を経由して交流電源２０に接続された制御電源２９は第三の制御部３０ｂを動かすための制御回路電圧を供給しており、この第三の制御部３０ｂからスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂをオンまたはオフするゲート駆動信号３１ｂとゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子２７ａをオンまたはオフするスイッチ制御信号３２を出力している。
【００７４】
前記第三の制御部３０ｂでは、制御電源２９から出力された制御回路電圧が所定値以上であれば、モータ２８に所望の電圧が与えられるように、直列接続された第一のスイッチング素子２４ａおよび２４ｂ並びに２５ａおよび２５ｂ並びに２６ａおよび２６ｂの各々どちらか片方はオンし、もう片方はオフするようにゲート駆動信号３１ｂを出力する。なお、スイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂはゲート電圧閾値が第一の所定値であり、この所定値は２Ｖ以下という低い電圧であるため、前記各スイッチング素子をオンさせる時には正極性の電圧を第三の制御部３０ｂからゲート駆動信号３１ｂとして出力し、前記各スイッチング素子をオフさせる時にはスイッチング素子が確実にオフ状態を保つように負極性となる電圧を、第三の制御部３０ｂからゲート駆動信号３１ｂとして出力する。
【００７５】
また、第三の制御部３０ｂでは、制御電源２９から出力された制御回路電圧が所定値以上であれば、第二のスイッチング素子２７ａがオン状態となるようにスイッチ制御信号３２を出力する。逆に、三相交流電源２０の電圧が低下するか、またはスイッチ２１がオフされると、制御電源２９の出力電圧が低下していく。第三の制御部３０ｂでは、制御電源２９から入力された制御回路電圧を監視しており、前記制御回路電圧が予め設定した値以下になると第二のスイッチング素子２７ａオフするようにスイッチ制御信号３２が出力される。この第二のスイッチング素子２７ａは、コンデンサ２３の正側端子からスイッチング素子２４ａ、２５ａおよび２６ａとの接続点に流れ込む方向の電流を遮断する極性で設けた、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子であり、さらに該スイッチング素子と逆並列にダイオード２７ｂを接続している。
【００７６】
上述の従来技術では前記スイッチング素子２７ａが無かったため、制御電源２９から出力される第三の制御部３０ｂの制御回路電圧が零になったときにコンデンサ２３の両端に残留電圧があるという状況下で、前記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのうち、例えばスイッチング素子２４ａと２４ｂのように前記１アームの直列接続された２つのスイッチング素子が、ノイズ等の影響により誤動作してオンすると、コンデンサ２３が短絡されて前記スイッチング素子に過大な電流が流れるため、前記スイッチング素子が破壊されていた。
【００７７】
また、上述のように直列接続された２つのスイッチング素子ではなく、例えばスイッチング素子２４ａと２５ｂのように、異なるアームの上側のスイッチング素子と下側のスイッチング素子が同時にオンした場合にも、前記スイッチング素子が同時にオンしている期間が長い場合には、モータ２８を経由して前記スイッチング素子に流れる電流が増大し、これらのスイッチング素子が破壊されていた。特に、第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂのゲート電圧閾値が零電圧以下の場合には、制御電源２９の出力電圧が低下し、第三の制御部３０ｂの制御回路電圧が零電圧になってゲート駆動信号３１ｂが零電圧を出力している状態にもかかわらず、第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂはオン状態となり、ノイズが重畳しなくてもコンデンサ２３が短絡されて前記スイッチング素子に過大な電流が流れるため、前記第一のスイッチング素子が容易に破壊されていた。
【００７８】
しかし、図３に示したこの発明の実施の形態２における３相インバータ回路では、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子２７ａと、該スイッチング素子２７ａと逆並列に接続されたダイオード２７ｂを設けることにより、制御電源２９の出力電圧が低下すると、前記第二のスイッチング素子２７ａがオフするため、前記第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂに流れる過大な電流を遮断できる。さらに前記第二のスイッチング素子２７ａに逆並列に接続されたダイオード２７ｂにより、モータ２８からの回生エネルギーや、第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂがスイッチングする時のサージ電圧が、コンデンサ２３に吸収される動作を妨げないため、前記第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂが過電圧になることを防止できる。なお、第二のスイッチング素子２７ａにＭＯＳＦＥＴを用いる場合等においては、ダイオード２７ｂは、第二のスイッチング素子２７ａのチップ内に形成されるボディダイオードとしてもよい。さらに、第二のスイッチング素子２７ａの代わりにリレー等のスイッチを使用してもよい。
【００７９】
図３に示した実施例では、第三の制御部３０ｂで制御電源２９から出力された制御回路電圧を監視し、予め設定した値以下になると第二のスイッチング素子２７ａをオフするようにスイッチ制御信号３２を出力する例について示したが、前記第三の制御部３０ｂは、別の判断手段でスイッチ制御信号３２を出力してもよく、制御回路電圧が低下しなくても、前記第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂがオフの場合には、前記第二のスイッチング素子２７ａをオフするように構成しても良い。また、図３では、電源入力端子３３ａとコンデンサ２３の正側端子との間に第二のスイッチング素子２７ａを設けた例を示したが、電源入力端子３３ｂとコンデンサ２３の負側端子との間に第二のスイッチング素子２７ａを設けてもよい。
【００８０】
さらに、上述の第二のスイッチ部が並列に接続された３アームと直流電源入力端子３３ａの間に加えて、上述の第二のスイッチ部が並列に接続された３アームと電源入力端子３３ｂとの間にも、前記第二のスイッチング素子２７ａとそれと逆並列に接続されたダイオード２７ｂを設けても良い。これにより、スイッチ２１を入れた直後等の電動機制御装置の起動時において、制御電源２９から出力される制御回路電圧が第三の制御部３０ｂが動作するのに十分な電圧まで上昇する前の状態において、モータ２８やその配線で地絡事故が発生していても、第一のスイッチング素子２４ａ、２５ａまたは２６ａを通って流れ出す地絡電流と第一のスイッチング素子２４ｂ、２５ｂまたは２６ｂを通って流れ出す地絡電流の両方を遮断することができ、前記第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂが破壊されるのを防止することができる。また、図３では、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａおよび２６ｂの各素子内に形成されるボディダイオードにより、還流ダイオードとしての逆並列ダイオードを構成しているが、ダイオードを前記各スイッチング素子に逆並列に接続して還流ダイオードとしても、同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００８１】
実施の形態３．  
図４は、この発明の実施の形態３における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。なお、図１および図３と同一の構成には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。図４において、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａのドレイン端子を直流電源入力端子３３ａに接続し、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０ａのソース端子を直流電源入力端子３３ｂに接続し、さらに、前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とを直列に接続して第三のスイッチ部として１アームを構成している。同様に、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２６ａのドレイン端子を直流電源入力端子３３ａに接続し、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４２ａのソース端子を直流電源入力端子３３ａに接続し、さらに前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とを直列に接続して第三のスイッチ部として１アームを構成している。
【００８２】
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４１ａのドレイン端子を直流電源入力端子３３ａに接続し、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２５ａのソース端子を直流電源入力端子３３ｂに接続し、さらに前記第二のスイッチング素子と第一のスイッチング素子とを直列に接続して第四のスイッチ部として１アームを構成している。そして、前記二組の第三のスイッチ部と一組の第四のスイッチ部を並列に接続して３アームを構成し、コンデンサ２３に並列に接続されている。また、スイッチング素子２４ａおよび４０ａ並びに４１ａおよび２５ａ並びに２６ａおよび４２ａの各々の接続点はモータ２８に接続されている。
【００８３】
ここで、図４においては、第一のスイッチング素子２４ａ、２５ａおよび２６ａは、各々逆並列の還流ダイオードとして前記各スイッチング素子と同一チップ上に構成されたボディダイオードを用い、第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａは、各々別チップとして構成されたダイオード４０ｂ、４１ｂおよび４２ｂを前記第二のスイッチング素子４０ａ、４１ａおよび４２ａに逆並列に接続した例を一例として示している。なお、前記還流ダイオードとしての逆並列ダイオードにスイッチング素子と同一チップ上に構成されたボディダイオードを用いるか、それとも別チップで構成されたダイオードを設けるかは、この発明の本質ではなくどちらでもよい。さらに、スイッチ２１を経由して交流電源２０に接続された制御電源２９は、第四の制御部３０ｃを動かすための制御回路電圧を供給しており、この第四の制御部３０ｃから前記各スイッチング素子２４ａ、２５ａ、２６ａ、４０ａ、４１ａおよび４２ａをオンまたはオフするゲート駆動信号３１ｃを出力している。
【００８４】
ここで、スイッチ２１がオンしている場合には、交流電源２０からコンデンサ２３に電圧が与えられるとともに、制御電源２９から第四の制御部３０ｃに第四の制御部３０ｃが正常に動作するために必要な電圧が供給される。第四の制御部３０ｃでは、前記制御電源２９からの制御回路電圧が所定値以上であれば、モータ２８に所望の電圧が与えられるように、前記第三のスイッチ部および前記第四のスイッチ部においてそれぞれ直列接続されたスイッチング素子２４ａと４０ａ、２５ａと４１ａおよび２６ａと４２ａの各々どちらか片方はオンし、もう片方はオフするようにゲート駆動信号３１ｃを出力する。
【００８５】
このように、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子を直列接続し、直流電源入力端子３３ａまたは３３ｂのどちらか一方に接続された複数のスイッチング素子をゲート電圧閾値が第一の所定値であるスイッチング素子で構成し、他の一方はゲート閾値が第一の所定値よりも高い第二のスイッチング素子で構成したことにより、制御電源２９の出力電圧が零となったときにコンデンサ２３に残留電圧がある状況下においても、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子が確実にオフするため、同じ相の上下アームスイッチング素子または異なるアームの上下スイッチング素子がモータ２８を経由してコンデンサ２３を短絡することがなく、上記いずれのスイッチング素子をも過電流により破壊されることを防止できる。
【００８６】
なお、図４では、二組の第三のスイッチ部と一組の第四のスイッチ部を並列に接続して３アームを構成し、コンデンサ２３に並列に接続されている実施例を示したが、一組の第三のスイッチ部と二組の第四のスイッチ部で３アームを構成し、コンデンサ２３に並列に接続しても、また、第三のスイッチ部や第四のスイッチ部のみを複数に組み合わせても上述と同様の効果を奏することはいうまでもない。
【００８７】
なお、図４では、３相インバータ回路に適用した場合について説明したが、単相インバータ回路に適用しても同様の効果を奏することは明らかである。また、インバータの負荷としてモータを使用した場合について説明したが、モータの代わりにリアクトルと電源が接続されたＰＷＭコンバータを使用した場合であっても同様の効果を奏することは言うまでもない。さらに、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子の方が、ゲート閾値が第一の所定値より高い第二の所定値である第二のスイッチング素子よりも導通時間比率が大きくなるようにゲート駆動信号を制御するとよい。これにより、ゲート閾値が所定値より高いスイッチング素子による導通損失を低減することができる。
【００８８】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。なお、図１、図３および図４と同一の構成には同一の符号を付し、それらの説明を省略する。図５において、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａを直流電源入力端子３３ａの正極側に接続し、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子４０ａを直流電源入力端子３３ｂの負極側に接続し、前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とを直列に接続して第三のスイッチ部として１アームを構成したものを３アーム並列に接続して三相インバータとし、第三のスイッチ部のそれぞれの上側アーム部と、直流電源入力端子３３ａとの間に上述のこの発明の実施の形態２において説明したスイッチング素子２７ａおよびと該スイッチング素子２７ａと逆並列に接続されたダイオード２７ｂを設けたものである。
【００８９】
このように、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子が接続された側にスイッチング素子２７ａを設け、制御電源２９の出力電圧が所定値以下に低下したときに、スイッチング素子２７ａをオフするように構成している。そのため、スイッチ２１をオンした直後等の、制御回路電圧が第五の制御部３０ｄが正常動作するのに十分な電圧まで上昇する前の状態において、何らかの要因でモータ２８や電動機制御装置からモータ２８への配線が地絡する等していても、前記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子２４ａ、２５ａおよび２６ａを通る地絡電流を遮断することができ、これらのスイッチング素子が破壊されることを防止することができる。また、前記スイッチング素子２７ａに逆並列に接続されたダイオード２７ｂにより、モータ２８からの回生エネルギーやスイッチング素子２４ａ、２５ａおよび２６ａ並びに４０ａ、４１２ａおよび４２ａのスイッチング時のサージ電圧が、コンデンサ２３に吸収される動作を妨げないため、前記スイッチング素子２４ａ、２５ａ、および２６ａ並びに４０ａ、４１ａおよび４２ａが過電圧になることを防止できる。
【００９０】
なお、上述した実施の形態を組合わせて使用してもよく、ここで挙げた昇圧チョッパやモータ駆動用インバータ以外の構成として、降圧チョッパ、ＰＷＭコンバータ回路、回生コンバータ回路、太陽光用パワーコンディショナー、ＵＰＳ等の電力変換装置に対しても、上述の実施の形態に基づく技術を適用することができる。
【００９１】
また、上述のこの発明の実施の形態１乃至４において説明したスイッチング素子に逆並列接続されたダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）であっても、従来のＳｉ素子でもよい。さらに、スイッチング素子としてユニポーラ素子を用いた場合には、ユニポーラ素子と同一チップ上に形成された寄生ダイオードを使用してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
２  スイッチ
４  コンデンサ
１１  制御電源
１２  第一の制御部
２１  スイッチ
２３  コンデンサ
２４ａ、２４ｂ  スイッチング素子
２５ａ、２５ｂ  スイッチング素子
２６ａ、２６ｂ  スイッチング素子
２９  制御電源
３０ａ  第二の制御部
３０ｂ  第三の制御部
３０ｃ  第四の制御部
３０ｄ  第五の制御部
３３ａ、３３ｂ  直流電源入力端子
４０ａ、４１ａ、４２ａ  スイッチング素子
４０ｂ、４１ｂ、４２ｂ  還流ダイオード
【図１】
2012120567.tif 000003
【図２】
2012120567.tif 000004
【図３】
2012120567.tif 000005
【図４】
2012120567.tif 000006
【図５】
2012120567.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月10日(2012.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子との接続点が負荷に接続され、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部と、前記スイッチ部に直列にゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子が接続され、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との直列回路が、該直列回路へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続され、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記負荷は電動機、交流電源、またはリアクトルであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された、昇圧チョッパ回路であり、前記リアクトルの一端と前記スイッチ部の一端が、前記昇圧チョッパ回路へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記昇圧チョッパ回路が負荷に接続される出力端子を有し、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御することを特徴とする請求項１から４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、
前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、
前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に接続されることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、
前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子をオン
又はオフに制御する制御部とを備え、
前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、
前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備え、
前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第三のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一及び第二のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、
前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部とを備え、
前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、
前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備え、
前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第三のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一及び第二のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記第二のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項６乃至１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項１０乃至１３に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、ゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至１４に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至１２に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１乃至１６に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至１２に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
なる値まで制御回路の電圧が上昇する以前に主回路電圧が上昇してＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのドレインーソース間に電圧が印加されると、ゲート電圧が零電圧であることから、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタがオン状態となるために、上述の場合と同様にコンデンサ放電電流を含む過大な電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを流れることとなり、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタが破壊される、という問題があった。
［００１０］
また、上述の過大な電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを流れる問題以外にも、従来のＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを用いた電力変換装置では、地絡事故等が生じた場合には、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタのゲート電圧が零の状態であるにもかかわらず、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタはオン状態になってしまうため、過大な地絡電流がＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタを経由して流れることにより、ＳｉＣ−ＭＯＳトランジスタが破壊されるという問題もあった。
［００１１］
この発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、スイッチング素子を制御する制御回路への電源が遮断されたときや、電源投入後の制御電源電圧が上昇する過程等の主回路電圧が印加された状態で制御回路電圧が低下している場合においても、過大な電流がスイッチング素子に流れることを防ぎ、スイッチング素子の破壊を防止できる電力変換装置を提供するものである。
課題を解決するための手段
［００１２］
この発明に係る電力変換装置は、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子との接続点が負荷に接続され、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴としたものである（請求項１）。
［００１３］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部と、前記スイッチ部に直列にゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子が接続され、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との直列回路が、該直列回路へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続され、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
第一の制御部を備えることを特徴としたものである（請求項２）。
［００１４］
［００１５］
また、前記負荷は電動機、交流電源、またはリアクトルであることを特徴としたものである（請求項３）。
［００１６］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された、昇圧チョッパ回路であり、前記リアクトルの一端と前記スイッチ部の一端が、前記昇圧チョッパ回路へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記昇圧チョッパ回路が負荷に接続される出力端子を有し、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えることを特徴としたものである（請求項４）。
［００１７］
［００１８］
さらに前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御することを特徴としたものである（請求項５）。
［００１９］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、
前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴としたものである（請求項６）。
［００２０］
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に接続されることを特徴としたものである（請求項７）。
［００２１］
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする（請求項８）。
［００２２］
また、前記第二のスイッチング素子は、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間および前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に接続されることを特徴とする（請求項９）。
［００２３］
［００２４］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部とを備え、前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備え、前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第三のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一及び第二のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴としたものである（請求項１０）。
［００２５］
また、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴としたものである（請求項１１）。
［００２６］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子とゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とが直列に接続されたスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子及び前記第二のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部とを備え、前記スイッチ部は、前記第一のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の負極側に接続され、前記第二のスイッチング素子が前記直流電源入力端子の正極側に接続され、前記スイッチ回路の負極側と前記直流電源入力端子の負極側との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備え、前記直列に接続された第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷に接続され、前記制御部は、前記第三のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一及び第二のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うことを特徴としたものである（請求項
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
１２）。
［００２７］
さらに、前記スイッチ回路の正極側と前記直流電源入力端子の正極側との問に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第三の所定値である第三のスイッチング素子を備えたことを特徴としたものである（請求項１３）。
［００２８］
［００２９］
［００３０］
［００３１］
さらに、前記第二のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴としたものである（請求項１４）。
［００３２］
さらに、前記第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことを特徴としたものである（請求項１５）。
［００３３］
さらに、前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、ゲート電圧閾値が２Ｖよりも高いスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項１６）。
［００３４］
さらに、前記第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項１７）。
［００３５］
さらに、前記第二のスイッチング素子及び前記第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴであることを特徴としたものである（請求項１８）。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
［００３６］
さらに、前記第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子であることを特徴としたものである（請求項１９）。
発明の効果
［００３７］
以上のように、この発明に係る電力変換装置によれば、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続されるように構成したことにより、前記第一のスイッチング素子および第二のスイッチング素子を制御する回路への電源が遮断されたときに、前記スイッチング素子のうち、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子がオフ状態になることができなくても、ゲート電圧閾値が第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子がオフ状態となる。その結果、上記制御回路への電源が遮断されても、上記第一のスイッチング素子および第二のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぎ、スイッチング素子が破壊されることを防ぐことができる。また、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えるように構成したことにより、低損失に電力変換装置を動作させることができる。
［００３８］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、前記スイッチ部に直列にゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子が接続され、前記スイッチ部と前記第三のスイッチング素子との接続点が負荷に接続されるように構成したことにより、前記スイッチ部内の各スイッチング素子および前記第三のスイッチング素子を制御する回路への電源が遮断されても、前記スイッチ部内の第二のスイッチング素子で確実に電流を遮断することができる。さらに、前記スイッチ部と、これと直列に接続されたゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子により、低損失に任意の電圧を負荷に印加することができる。さらに、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えるように構成したことにより、低損失に電力変換装置を動作させることができる。
［００３９］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子と、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とからなる一対のスイッチ部が、該スイッチ部へ直流電圧を入力する直流電源入力端子に接続され、負荷に接続される出力端子を有し、前記スイッチ部とダイオードとを直列に接続した回路と前記出力端子とが並列に接続され、前記ダイオードと前記スイッチ部との接続点にリアクトルが接続された、昇圧チョッパ回路とすることにより、低損失や高キャリア動作可能な昇圧チョッパ回路を信頼性高く構成できる。さらに、前記第一のスイッチング素子をスイッチングさせる回数が、前記第二のスイッチング素子をスイッチングさせる回数よりも多くなるようにスイッチング素子のゲート信号を制御する、第一の制御部を備えるように構成したことにより、低損失に電力変換装置を動作させることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
［００４０］
［００４１］
［００４２］
また、前記第一の制御部は、正常に動作するに十分な直流電圧が入力されたときに、前記第一のスイッチング素子への入力信号を常時オンとし、該第二のスイッチング素子のゲート端子への入力信号をパルス幅変調するように、前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子のゲート駆動信号を制御するようにしたことにより、例えば電力変換装置への電源投入時に、誤って前記第一のスイッチング素子および前記第二のスイッチング素子が両方同時にオンする状態になることにより、前記第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぎ、スイッチング素子が破壊されることを防ぐことができる。
［００４３］
また、ゲート電圧閾値が第一の所定値である直列に接続された複数の第一のスイッチング素子を有するスイッチ部が、当該スイッチ部に直流電圧を印加する直流電源入力端子に複数個並列に接続されたスイッチ回路と、前記第一のスイッチング素子をオン又はオフに制御する制御部と、前記スイッチ回路と前記直流電源入力端子との間に、ゲート電圧閾値が前記第一の所定値よりも高い第二の所定値である第二のスイッチング素子とを備え、前記直列に接続された複数の第一のスイッチング素子間のいずれか１つの接続点が負荷
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
に接続され、前記制御部は、前記第二のスイッチング素子をオンさせた後に、前記負荷に所望の電圧が与えられるように、第一のスイッチング素子をオン又はオフする制御を行うように構成したことにより、スイッチング素子を１個追加するだけで、制御電源電圧が低下した時上記制御回路への電源が遮断されても、上記複数のスイッチング素子に過大な電流が流れることを防ぐことが可能な構成とすることができる。
［００４４］
さらに、前記ゲート電圧閾値が第二の所定値である第二のスイッチング素子やゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子と逆並列にダイオードを接続したことにより、スイッチング時のサージ電圧を防止することができ、また、電力変換装置の負荷がモータ等の場合には、負荷側のインダクタンスに蓄えられたエネルギーを直流電源に回生することができ、前記第二のスイッチング素子や前記第三のスイッチング素子に過大な電圧が発生することを防ぐことができる。
［００４５］
さらに、前記ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子は、ゲート閾値電圧が２Ｖ以下のスイッチング素子を用いることにより、電力変換装置を低損失または高キャリアにスイッチングすることができる。
［００４６］
さらに、ゲート電圧閾値が第二の所定値である第二のスイッチング素子やゲート電圧閾値が前記第二の所定値よりも低い第三のスイッチング素子は、シリコンで作られたＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴを用いることで安価に構成できるという利点がある。
［００４７］
さらに、ゲート電圧閾値が第一の所定値である第一のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ（シリコンカーバイト）またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）のユニポーラスイッチング素子を用いることにより、電力変換装置を低損失または高キャリアにスイッチングすることができる。
［００４８］
図面の簡単な説明
［図１］この発明の実施の形態１における電力変換装置で、昇圧チョッパ回路に適用した場合の構成例である。
［図２］この発明の実施の形態１における電力変換装置で、３相インバータ回路に適用した場合の構成例である。
【国際調査報告】
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