(57)【要約】【課題】スイッチング回路や電力変換回路について、単アーム構造の場合でも導通制御端子電源の自給化を可能とする。【解決手段】スイッチ素子１７と制御端子電源用コンデンサ２１を備え、制御端子電源用コンデンサの放電によりスイッチ素子のゲート端子に電圧を印加するようにされているスイッチング回路について、制御端子電源用コンデンサの負側端子は、主電源５の基準電圧端子１８に接続するとともに、ハーフブリッジ回路２２を介してゲート端子に選択的に接続できるようにし、制御端子電源用コンデンサの正側端子は、ハーフブリッジ回路２４を介して主電源の正側端子１５とスイッチ素子のソース端子に対して選択的に接続できるようにする。そして制御端子電源用コンデンサは、正側端子が主電源に接続することで充電がなされる一方で、負側端子がゲート端子に接続し、正側端子がソース端子に接続することで放電する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノーマリオン特性を有するスイッチ素子を備えるとともに、前記主電源により充電される制御端子電源用コンデンサを備え、前記制御端子電源用コンデンサの放電により前記スイッチ素子の導通制御端子に電圧を印加するスイッチング回路において、
前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の切替えスイッチを介して前記導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、第２の切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記スイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの前記第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴とするスイッチング回路。
【請求項２】
前記導通制御端子への印加に適した電圧を前記主電源から生成する電圧生成回路を備え、前記電圧生成回路を介して前記制御端子電源用コンデンサの充電を行うことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング回路。
【請求項３】
前記第１、第２の各切替えスイッチは、それぞれハーフブリッジ回路で形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスイッチング回路。
【請求項４】
前記第１、第２の各切替えスイッチを形成する前記各ハーフブリッジ回路の駆動電源用として、前記主電源から充電されるハーフブリッジ電源用コンデンサを設けることを特徴とする請求項３に記載のスイッチング回路。
【請求項５】
前記主電源と前記スイッチ素子の間にリレースイッチを設けるとともに、前記リレースイッチの動作を制御するリレー制御回路を設け、前記リレー制御回路は、前記制御端子電源用コンデンサにおける電圧、または前記第１の切替えスイッチのハーフブリッジ電源用コンデンサ電圧が所定のしきい値を満たしていることを条件に、前記リレースイッチをオンにする制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のスイッチング回路。
【請求項６】
上アームと下アームを備えた電力変換回路において、
前記上アームと下アームは、それぞれ、ノーマリオン特性を有するスイッチ素子を備えるとともに、前記主電源により充電される制御端子電源用コンデンサを備え、そして前記制御端子電源用コンデンサの放電により前記導通制御端子に電圧を印加するスイッチング回路において、
前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の切替えスイッチを介して前記導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、第２の切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記スイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの前記第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を前記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴とするスイッチング回路。
【請求項７】
前記上アームと前記下アームそれぞれの前記制御端子電源用コンデンサが互いに充電し合うことを特徴とする請求項７に記載のスイッチング回路。
【請求項８】
上アームと下アームを備えた電力変換回路において、
前記上アームと下アームは、それぞれ、ノーマリオン特性を有するスイッチ素子を備えるとともに、前記主電源により充電される制御端子電源用コンデンサを備え、前記制御端子電源用コンデンサの放電により前記導通制御端子に電圧を印加するスイッチング回路において、
前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、上アーム切替えスイッチを介して前記上アームスイッチ素子の導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記上アームスイッチ素子の低電圧側端子に接続され、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子を前記導通制御端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行い、
前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の下アーム切替えスイッチを介して前記下アームスイッチ素子の導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、第２の下アーム切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記下アームスイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を前記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴とするスイッチング回路。
【請求項９】
前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、前記上アームスイッチ素子を介して記主電源の第２の端子へ接続することを特徴とする請求項９に記載のスイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータやコンバータあるいはチョッパなどの電力変換回路に用いられるスイッチング回路及びそれを用いた電力変換回路に関し、ノーマリオン特性のスイッチ素子が用いられる場合に好適なスイッチング回路と電力変換回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素や窒化ガリウムあるいはダイヤモンドのようなバンドギャップの広い材料を用いたワイドバンドギャップ半導体素子、例えば接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、静電誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）、金属−半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ)、ヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ)などは、スイッチ素子として優れた特性を有する。ただ、これらワイドバンドギャップ半導体素子によるスイッチ素子はノーマリオン特性を有する。つまりワイドバンドギャップ半導体素子によるスイッチ素子は、確実なオフ状態を得るために導通制御端子（ゲート又はベース）に所定の負電圧を印加する必要があるという特性を有する。
【０００３】
このためノーマリオン特性を有するスイッチ素子が用いられるスイッチング回路や電力変換回路では、そのスイッチ素子のオフ時に所定の負電圧を印加できるようにする必要がある。導通制御端子に負電圧を印加できるようにするには、主電源とは別に導通制御端子用の電源を設ける回路構造がまず考えられる。しかしそのような回路構造には、実装面積の増大による大型化やコスト上昇を避け難い。そこで、導通制御端子用の電源を主電源から自給できるようにして小型化と低コスト化を図れる回路構造とすることが望まれる。
【０００４】
ノーマリオン特性を有するスイッチ素子の導通制御端子用電源の自給化については、導通制御端子用電源をコンデンサで形成し、そのコンデンサを主電源から充電する方式が例えば特許文献１で知られている。またスイッチ素子の導通制御端子用電源の自給化については、特許文献２に開示の例なども知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８８９９２号公報
【特許文献２】特開平８−５１７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンデンサを制御端子電源用として用いる方式は、スイッチ素子の導通制御端子の電源を自給化してスイッチング回路や電力変換回路の小型化と低コスト化を図る上で有効である。しかし、特許文献１に開示されるような従来の電源自給方式は、適用可能な回路構造が制限され、汎用性に問題を残している。
【０００７】
すなわち特許文献１に開示の電源自給方式では、下アームスイッチ素子のゲート用電源コンデンサに負電圧を生成するために、下アームスイッチ素子のゲート用電源コンデンサを上アームスイッチ素子のゲート用電源コンデンサから充電する回路構造としている。このためインバータやコンバータのように上下各アームを有する回路構造の電力変換回路には適用できるものの、例えば昇圧チョッパなどのように上下各アームを有しない回路構造（本明細書ではこれを仮に「単アーム構造」と呼ぶ）の電力変換回路には適用できず、適用対象の回路構造に関して汎用性に欠ける。
【０００８】
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、その課題は、単アーム構造の場合でも導通制御端子電源の自給化を可能とするスイッチング回路及びそれを用いた電力変換回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、導通制御端子の電源を自給化するのに、主電源から充電されるコンデンサで導通制御端子用の電源を形成する。そしてその制御端子電源用のコンデンサを主電源から充電する際に、コンデンサを主回路のスイッチ素子から切り離し、これにより充電電流が主回路のスイッチ素子を流れず、制御端子電源用コンデンサによる導通制御端子への電圧印加時には、スイッチ素子の導通制御端子と低電圧側端子の間に電圧を印加する状態でコンデンサを主回路のスイッチ素子に接続する。このようにすることにより、制御端子電源用コンデンサの主電源からの充電に主回路のスイッチ素子を介在させる必要がなくなり、単アーム構造でも導通制御端子用の電源自給化が可能となり、また制御端子電源用コンデンサの充電電流を主回路のスイッチ素子に流すのを避けたい回路構造の場合でも導通制御端子用の電源自給化が可能となる。
ここで、本明細書では、便宜上、半導体スイッチ素子におけるゲート端子又はベース端子を導通制御端子と称し、エミッタ端子又はソース端子を低電圧側端子と称するものとしている。
【００１０】
本発明では、上記のような考え方に基づいて上記スイッチング回路に関する課題を解決する。具体的には、主電源により充電される制御端子電源用コンデンサを備え、前記制御端子電源用コンデンサの放電により前記導通制御端子に電圧を印加するスイッチング回路において、前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の切替えスイッチを介して前記導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、第２の切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記スイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を前記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴としている。
【００１１】
上記のようなスイッチング回路では、導通制御端子への印加に適した電圧を主電源から生成する必要のあるのが通常である。こうしたことから本発明では、上記のようなスイッチング回路について、前記導通制御端子への印加に適した電圧を前記主電源から生成する電圧生成回路を備え、前記電圧生成回路を介して前記制御端子電源用コンデンサの充電を行うようにするのを好ましい形態としている。
【００１２】
上記のようなスイッチング回路における切替えスイッチはハーフブリッジ回路で形成するのが回路構造の簡素化などの点で好ましい。こうしたことから本発明では、上記のようなスイッチング回路について、前記第１、第２の各切替えスイッチは、それぞれハーフブリッジ回路で形成するのを好ましい形態としている。
【００１３】
切替えスイッチをハーフブリッジ回路で形成する場合、その駆動用電源を必要とするが、これについてもコンデンサを用いて自給化するのが好ましい。こうしたことから本発明では、上記のようなスイッチング回路について、前記第１、第２の各切替えスイッチを形成する前記各ハーフブリッジ回路の駆動電源用として、前記主電源から充電されるハーフブリッジ電源用コンデンサを設けることを好ましい形態としている。
【００１４】
上記のようなスイッチング回路は、インバータなどのように上下各アームを有する電力変換回路に適用し、かつスイッチ素子がノーマリオン特性を有する場合、制御端子電源用コンデンサに必要な電圧が確立していない状態では上下各アームのスイッチ素子が短絡状態になり得る。そしてその短絡状態で上下各アームのスイッチ素子が主電源と接続した状態になると、スイッチ素子を損傷する可能性がある。そこで、制御端子電源用コンデンサに必要な電圧が確立していない場合には、スイッチ素子と主電源の接続を断つことができるようにするのが好ましい。こうしたことから本発明では、上記のようなスイッチング回路について、前記主電源と前記スイッチ素子の間にリレースイッチを設けるとともに、前記リレースイッチの動作を制御するリレー制御回路を設け、前記リレー制御回路は、前記制御端子電源用コンデンサにおける電圧が所定のしきい値を満たしていることを条件に前記リレースイッチをオンにする制御することを好ましい形態としている。
【００１５】
また本発明では、上記電力変換回路に関する課題の解決についても上記のような考え方に基づく。したがって本発明では、上アームと下アームを備えた電力変換回路において、前記上アームと下アームは、主電源により充電される制御端子電源用コンデンサを備え、前記制御端子電源用コンデンサの放電により前記導通制御端子に電圧を印加し、前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の切替えスイッチを介して前記導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第２の端子は第２の切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記スイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、前記制御端子電源用コンデンサの第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を前記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴としている。
【００１６】
この電力変換回路は、上下アーム構造における上下各アームに上記のようなスイッチング回路を適用した場合である。このように上下各アームに上記のようなスイッチング回路を適用する場合については、前記上アームと前記下アームそれぞれの前記制御端子電源用コンデンサが互いに充電し合うことができるようにするのが好ましい形態となる。このようにすることにより、上アームと下アームそれぞれの制御端子電源用コンデンサを互いに充電源としても働かせることができる。つまり一方の制御端子電源用コンデンサで他方の制御端子電源用コンデンサを充電することができ、これにより常時的な充電が可能となり、制御端子電源用コンデンサに放電時点での充電不足が発生するのを効果的に避けることができる。
【００１７】
上記のようなスイッチング回路を上下アーム構造の電力変換回路に適用するのに、上下各アームでスイッチング回路の構成を異ならせることで電力変換回路全体の回路構造を簡素化することも可能である。そのような場合の好ましい形態として、本発明では、上アームと下アームを備えた電力変換回路において、前記上アームは、主電源により充電される上アーム制御端子電源用コンデンサを備え、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの放電により前記上アームスイッチ素子の導通制御端子に電圧を印加し、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、上アーム切替えスイッチを介して前記上アームスイッチ素子の導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記上アームスイッチ素子の低電圧側端子に接続され、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子が前記導通制御端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うようにし、前記下アームは、主電源により充電される下アーム制御端子電源用コンデンサを備え、そして前記下アーム制御端子電源用コンデンサの放電により前記下アームスイッチ素子の導通制御端子に電圧を印加し、前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子は、前記主電源の第１の端子に接続されるとともに、第１の下アーム切替えスイッチを介して前記下アームスイッチ素子の導通制御端子に選択的に接続できるようにされ、前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子は、第２の下アーム切替えスイッチを介して前記主電源の第２の端子とダイオードを介して前記下アームスイッチ素子の低電圧側端子に対して選択的に接続できるようにされ、そして前記下アーム制御端子電源用コンデンサの第１の端子の前記導通制御端子への接続を断ち、前記第２の端子を前記主電源に接続することで充電し、前記第１の端子を前記導通制御端子に接続し、前記第２の端子を前記低電圧側端子に接続することで放電して前記導通制御端子への電圧印加を行うことを特徴としている。
【００１８】
上記のような電力変換回路については、前記上アーム制御端子電源用コンデンサの第２の端子が前記上アームスイッチ素子を介して記主電源の第２の端子へ接続する形態とすることもできる。このようにすることにより、全体的な回路構造をより簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のような本発明によれば、スイッチング回路やそれを用いた電力変換回路について、単アーム構造の場合でも導通制御端子電源の自給化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【図３】第３の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【図４】第４の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【図５】第５の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【図６】第６の実施形態による電力変換回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態による電力変換回路１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路１は、上下アーム構造で、分圧回路２を備えるとともに、上アーム３と下アーム４を備えている。
【００２２】
分圧回路２は、後述のスイッチ素子１７やスイッチ素子１９を駆動するための電圧を主電源５から生成する制御端子駆動用電圧生成回路であり、抵抗６、ツェナーダイオード７、及び電圧保持用コンデンサ８を有し、ツェナーダイオード７で主電源５の電圧を分圧して必要な制御端子駆動用電圧を生成し、また電圧保持用コンデンサ８により制御端子駆動用電圧を安定的に生成できるようにされている。
【００２３】
上アーム３は、主回路１１と制御端子駆動回路１２を備えたスイッチング回路で構成され、下アーム４は、主回路１３と制御端子駆動回路１４を備えたスイッチング回路で構成されている。
【００２４】
上アーム３の主回路１１は、コレクタ端子（高電圧側端子）が主電源５の正側端子（第２の端子）１５に接続されるとともに、ソース端子（低電圧側端子）が出力端子１６に接続されたスイッチ素子（上アームスイッチ素子）１７を有し、このスイッチ素子１７により主電源５に対するスイッチング動作を行い、下アームの主回路１３は、コレクタ端子が出力端子１６に接続されるとともに、ソース端子が主電源５の基準電圧端子（第１の端子）１８に接続されたスイッチ素子（下アームスイッチ素子）１９を有し、このスイッチ素子１９により主電源５に対するスイッチング動作を行う。
【００２５】
スイッチ素子１７とスイッチ素子１９の主電源５に対するスイッチング動作は、交互にオン・オフする状態でなされる。またスイッチ素子１７とスイッチ素子１９は、ノーマリオン特性を有しており、それぞれのゲート端子（導通制御端子）に所定の負電圧を印加することでオフとなり、負電圧が印加されない状態でオンとなる。
【００２６】
上アームの制御端子駆動回路１２は、上アーム３のスイッチ素子１７のゲート端子に印加する負電圧を主電源５から自給できるようにするための制御端子電源用コンデンサ２１、第１の切替えスイッチとして機能する第１のハーフブリッジ回路２２が設けられた制御端子駆動制御回路２３、第２の切替えスイッチとして機能する第２のハーフブリッジ回路２４、第１のハーフブリッジ電源用コンデンサ２５、及び第２のハーフブリッジ電源用コンデンサ２６を有している。
【００２７】
制御端子電源用コンデンサ２１の負側端子（第１の端子）は、逆止用のダイオード２７を介して主電源５の基準電圧端子１８に接続されるとともに、第１のハーフブリッジ回路２２を介してスイッチ素子１７のゲート端子に選択的に接続できるようにされ、ゲート端子との接続に逆止用のダイオード２８が介在するようにされている。一方、制御端子電源用コンデンサ２１の正側端子（第２の端子）は、第２のハーフブリッジ回路２４を介して分圧回路２の正側端子とスイッチ素子１７のソース端子に対して選択的に接続できるようにされ、ソース端子との接続に逆止用のダイオード２９が介在するようにされている。
【００２８】
このような制御端子電源用コンデンサ２１は、互いに連動する第１のハーフブリッジ回路２２と第２のハーフブリッジ回路２４それぞれの切替え動作により、スイッチ素子１７のゲート端子への負側端子の接続が断たれ、また正側端子が分圧回路２の正側端子に接続することで充電期間となって充電がなされる一方で、負側端子がスイッチ素子１７のゲート端子に接続し、また正側端子がスイッチ素子１７のソース端子に接続することで放電期間となって放電し、ゲート端子への電圧印加を行う。
【００２９】
第１のハーフブリッジ電源用コンデンサ２５は、主電源５で充電できるようにして設けられており、第１のハーフブリッジ回路２２を駆動するための電源を形成し、第２のハーフブリッジ電源用コンデンサ２６は、同じく主電源５で充電できるようにして設けられており、第２のハーフブリッジ回路２４を駆動するための電源を形成している。
【００３０】
下アーム４の制御端子駆動回路１４は、上アーム３の制御端子駆動回路１２と同様な構造とされており、下アーム４のスイッチ素子１９のゲート端子に印加する負電圧を主電源５から自給できるようにするための制御端子電源用コンデンサ３１、第１の切替えスイッチとして機能する第１のハーフブリッジ回路３２が設けられた制御端子駆動制御回路３３、第２の切替えスイッチとして機能する第２のハーフブリッジ回路３４、第１のハーフブリッジ電源用コンデンサ３５、及び第２のハーフブリッジ電源用コンデンサ３６を有している。
【００３１】
制御端子電源用コンデンサ３１の負側端子（第１の端子）は、逆止用のダイオード３７を介して主電源５の基準電圧端子１８に接続されるとともに、第１のハーフブリッジ回路３２を介してスイッチ素子１９のゲート端子に選択的に接続できるようにされ、ゲート端子との接続に逆止用のダイオード３８が介在するようにされている。一方、制御端子電源用コンデンサ３１の正側端子（第２の端子）は、第２のハーフブリッジ回路３４を介して分圧回路２の正側端子とスイッチ素子１９のソース端子に選択的に対して接続できるようにされ、ソース端子との接続に逆止用のダイオード３９が介在するようにされている。
【００３２】
このような制御端子電源用コンデンサ３１は、制御端子電源用コンデンサ２１と同様に動作する。すなわち、互いに連動する第１のハーフブリッジ回路３２と第２のハーフブリッジ回路３４それぞれの切替え動作により、スイッチ素子１９のゲート端子への負側端子の接続が第１のハーフブリッジ回路３２により断たれ、また正側端子が分圧回路２の正側端子に接続することで充電期間となって充電がなされる一方で、負側端子がスイッチ素子１９のゲート端子に接続し、また正側端子がスイッチ素子１９のソース端子に接続することで放電期間となって放電し、ゲート端子への電圧印加を行う。
【００３３】
第１のハーフブリッジ電源用コンデンサ３５は、主電源５で充電できるようにして設けられており、第１のハーフブリッジ回路３２を駆動するための電源を形成し、第２のハーフブリッジ電源用コンデンサ３６は、同じく主電源５で充電できるようにして設けられており、第２のハーフブリッジ回路３４を駆動するための電源を形成している。
【００３４】
ここで、ハーフブリッジ回路２２、２４、３２、３４は、一般的なＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなどを用いてハーフブリッジ構造に構成される回路である。制御端子駆動制御回路２３や制御端子駆動制御回路３３におけるハーフブリッジ回路２２、３２は、制御端子電源用コンデンサ２１の負側端子や制御端子電源用コンデンサ３１の負側端子のゲート端子に対する接続と分離を制御してスイッチ素子１７とスイッチ素子１９に交互的なオン・オフ動作を行わせる。スイッチ素子１７とスイッチ素子１９の交互的なオン・オフ動作、つまりハーフブリッジ回路２２とハーフブリッジ回路３２の交互的な切替え動作は、図示を省略のフォトカプラなどで与えられる制御信号に基づいてなされる。そしてその制御信号は、ハーフブリッジ回路２４とハーフブリッジ回路３４の交互的な切替え動作にも用いられる。ただし、ハーフブリッジ回路２２、３２とハーフブリッジ回路２４、３４は、連動して切替え動作を行うが、それぞれの切替え動作が逆向きとなる。
【００３５】
なお、ハーフブリッジ電源用コンデンサ２５、２６、３５、３６については、
ハーフブリッジ回路２２、２４、３２、３４のトランジスタに駆動電圧を印加する経路が設けられることになるが、それらの図示は省略してある。
【００３６】
以上のような電力変換回路１は以下のように動作する。スイッチ素子１７をオンにし、スイッチ素子１９をオフにする信号が入力したとする。このときハーフブリッジ回路２２、２４、３２、３４それぞれの切替え状態は図１の状態となる。その結果、制御端子電源用コンデンサ２１については、負側端子のスイッチ素子１７のゲート端子への接続が断たれると同時に、スイッチ素子１７のゲート端子とソース端子が短絡し、さらに正側端子が分圧回路２の正側端子に接続し、一方、制御端子電源用コンデンサ３１については、負側端子がスイッチ素子１７のゲート端子に接続し、正側端子がスイッチ素子１９のソース端子に接続すると同時に、正側端子の主電源５への接続が断たれる。そしてこれにより、スイッチ素子１７がゲート端子への負電圧の印加を断たれてオンとなると同時に、制御端子電源用コンデンサ２１は、充電期間となり、主回路１１や主回路１３を介することなく主電源５により充電され、一方、制御端子電源用コンデンサ３１は、放電期間となってスイッチ素子１９のゲート端子に負電圧を印加し、スイッチ素子１９がオフとなる。以上の動作は、スイッチ素子１７をオン、スイッチ素子１９をオフとする信号が入力した場合であるが、スイッチ素子１７をオフ、スイッチ素子１９をオンとする信号が入力した場合は、ハーフブリッジ回路２２、２４、３２、３４それぞれの切替え状態はすべて逆となり、それに応じた動作状態となる。
【００３７】
図２に、第２の実施形態による電力変換回路４１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路４１は、第２のハーフブリッジ回路２４の負側端子４２とダイオード２７のカソードが接続され、また第２のハーフブリッジ回路３４の負側端子４３とダイオード３７のカソードが接続されている。この他の構成は図１の電力変換回路１と同じである。したがって電力変換回路１と共通する構成要素には図１におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００３８】
図３に、第３の実施形態による電力変換回路５１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路５１は、制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１が並列に接続されて互いに充電し合うことができるようにされている。このような電力変換回路５１では、制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１を互いの充電源としても働かせることができ、これにより、上述のような充電期間における主電源５からの充電に加えて、制御端子電源用コンデンサ２１による制御端子電源用コンデンサ３１の充電、それに制御端子電源用コンデンサ３１による制御端子電源用コンデンサ２１の充電も行わせることができ、したがって制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１それぞれを常時的に充電することが可能となる。
【００３９】
上述のように、第１の実施形態による電力変換回路１や第２の実施形態による電力変換回路４１では、制御端子電源用コンデンサ２１や制御端子電源用コンデンサ３１の充電期間がスイッチ素子１７やスイッチ素子１９のオン期間に対応することから、オン期間が相対的に短い領域でスイッチ素子１７とスイッチ素子１９が動作し続けた場合、制御端子電源用コンデンサ２１や制御端子電源用コンデンサ３１に放電時での充電不足を生じることが起こり得る。これに対し、本実施形態の電力変換回路５１では、制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１それぞれを常時的に充電することが可能であり、制御端子電源用コンデンサ２１や制御端子電源用コンデンサ３１に放電時での充電不足が発生するのを効果的に避けることができる。
【００４０】
以上の他の構成は図１の電力変換回路１と同じである。したがって電力変換回路１と共通する構成要素には図１におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００４１】
図４に、第４の実施形態による電力変換回路６１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路６１は、それぞれのスイッチング回路の構成が異なる上アーム６２と下アーム６３を備え、これに伴って上アーム用分圧回路６４と下アーム用分圧回路６５を備えている。
【００４２】
上アーム６２は、上アーム主回路６６と上アーム制御端子駆動回路６７を備えたスイッチング回路で構成され、下アーム６３は、図１の下アーム４と同様で、下アーム主回路６８と下アーム制御端子駆動回路６９を備えたスイッチング回路で構成されている。
【００４３】
上アーム主回路６６は、図１の主回路１１と同様の構成であり、下アーム主回路６８は、図１の主回路１３と同様の構成である。したがって主回路１１や主回路１３と共通する構成要素には図１におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００４４】
上アーム制御端子駆動回路６７は、上アーム６２のスイッチ素子１７のゲート端子に印加する負電圧を主電源５から自給できるようにするための上アーム制御端子電源用コンデンサ７０、上アーム切替えスイッチとして機能する上アームハーフブリッジ回路７１が設けられた上アーム制御端子駆動制御回路７２、及び上アームハーフブリッジ電源用コンデンサ７３を有している。
【００４５】
上アーム制御端子電源用コンデンサ７０は、上アーム用分圧回路６４における電圧保持用コンデンサも兼ねている。すなわち、スイッチ素子１７を駆動するための電圧を主電源５から生成する制御端子駆動用電圧生成回路である上アーム用分圧回路６４は、抵抗７４、７５、ツェナーダイオード７６、及び電圧保持用コンデンサ７０を有し、ツェナーダイオード７６で主電源５の電圧を分圧して必要な制御端子駆動用電圧を生成し、また電圧保持用コンデンサ７０により制御端子駆動用電圧を安定的に生成できるようにされており、その電圧保持用コンデンサ７０が上アーム制御端子電源用コンデンサとしても機能するようにされている。
【００４６】
上アーム制御端子電源用コンデンサ７０の負側端子（第１の端子）は、主電源５の基準電圧端子１８に接続されるとともに、上アームハーフブリッジ回路７１を介してスイッチ素子１７のゲート端子に選択的に接続できるようにされ、ゲート端子との接続に逆止用のダイオード２８が介在するようにされている。一方、上アーム制御端子電源用コンデンサ７０の正側端子（第２の端子）は、上アーム用分圧回路６４の正側端子とスイッチ素子１７のソース端子に接続され、ソース端子との接続に逆止用のダイオード２９が介在するようにされている。
【００４７】
このような上アーム制御端子電源用コンデンサ７０は、主電源５に対して固定的に接続されていることから、常時的に充電がなされ、一方、上アームハーフブリッジ回路７１の切替え動作により負側端子がスイッチ素子１７のゲート端子に接続することで放電してゲート端子への電圧印加を行う。
【００４８】
上アームハーフブリッジ電源用コンデンサ７３は、主電源５で充電できるようにして設けられており、上アームハーフブリッジ回路７１を駆動するための電源を形成している。
【００４９】
下アーム制御端子駆動回路６９は、図１の制御端子駆動回路１４と同様で、スイッチ素子１９のゲート端子に印加する負電圧を主電源５から自給できるようにするための下アーム制御端子電源用コンデンサ７７、第１の下アーム切替えスイッチとして機能する第１の下アームハーフブリッジ回路７８が設けられた下アーム制御端子駆動制御回路７９、第２の下アーム切替えスイッチとして機能する第２の下アームハーフブリッジ回路８０、第１の下アームハーフブリッジ電源用コンデンサ８１、及び第２の下アームハーフブリッジ電源用コンデンサ８２を有している。
【００５０】
下アーム制御端子電源用コンデンサ７７の負側端子（第１の端子）は、逆止用のダイオード３７を介して主電源５の基準電圧端子１８に接続されるとともに、第１の下アームハーフブリッジ回路７８を介してスイッチ素子１９のゲート端子に選択的に接続できるようにされ、ゲート端子との接続に逆止用のダイオード３８が介在するようにされている。一方、下アーム制御端子電源用コンデンサ７７の正側端子（第２の端子）は、第２の下アームハーフブリッジ回路８０を介して下アーム用分圧回路６５の正側端子とスイッチ素子１９のソース端子に対して選択的に接続できるようにされ、ソース端子との接続に逆止用のダイオード３９が介在するようにされている。
【００５１】
このような下アーム制御端子電源用コンデンサ７７は、図１の制御端子電源用コンデンサ３１と同様に動作する。すなわち、互いに連動する第１の下アームハーフブリッジ回路７８と第２の下アームハーフブリッジ回路８０それぞれの切替え動作により、スイッチ素子１９のゲート端子への負側端子の接続が断たれ、また正側端子が下アーム用分圧回路６５の正側端子に接続することで充電期間となって充電がなされる一方で、負側端子がスイッチ素子１９のゲート端子に接続し、また正側端子がスイッチ素子１９のソース端子に接続することで放電期間となって放電し、ゲート端子への電圧印加を行う。
【００５２】
第１の下アームハーフブリッジ電源用コンデンサ８１は、主電源５で充電できるようにして設けられており、第１の下アームハーフブリッジ回路７８を駆動するための電源を形成し、第２の下アームハーフブリッジ電源用コンデンサ８２は、同じく主電源５で充電できるようにして設けられており、第２の下アームハーフブリッジ回路８０を駆動するための電源を形成している。
【００５３】
下アーム用分圧回路６５は、図１の分圧回路２と同様である。したがって分圧回路２と共通する構成要素には図１におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００５４】
以上のような電力変換回路６１は以下のように動作する。スイッチ素子１７をオンにし、スイッチ素子１９をオフにする信号が入力したとする。このときハーフブリッジ回路６９、７６、７８それぞれの切替え状態は図４の状態となる。その結果、上アーム制御端子電源用コンデンサ７０については、負側端子のスイッチ素子１７のゲート端子への接続が断たれると同時に、スイッチ素子１７のゲート端子とソース端子が短絡し、一方、下アーム制御端子電源用コンデンサ７７については、負側端子がスイッチ素子１７のゲート端子に接続し、正側端子がスイッチ素子１９のソース端子に接続すると同時に、正側端子の主電源５への接続が断たれる。そしてこれにより、スイッチ素子１７がゲート端子への負電圧の印加を断たれてオンとなり、下アーム制御端子電源用コンデンサ７７は、放電期間となってスイッチ素子１９のゲート端子に負電圧を印加し、スイッチ素子１９がオフとなる。以上の動作は、スイッチ素子１７をオン、スイッチ素子１９をオフとする信号が入力した場合であるが、スイッチ素子１７をオフ、スイッチ素子１９をオンとする信号が入力した場合は、ハーフブリッジ回路７１、７８、８０それぞれの切替え状態はすべて逆となり、それに応じた動作状態となる。
【００５５】
本実施形態の電力変換回路６１では、上アーム６２と下アーム６３でスイッチング回路の構成が異ならせているが、このことは例えば、逆止用のダイオード２９の耐圧性を図１の場合より低いもので済ませることができるといった利点をもたらす。
【００５６】
図５に、第５の実施形態による電力変換回路９１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路９１は、上アーム制御端子電源用コンデンサ７０の正側端子の主電源５への接続にスイッチ素子１７が介在するようにし、上アーム制御端子電源用コンデンサ７０への充電電流がスイッチ素子１７を流れるようにしている。したがって、電力変換回路９１では、スイッチ素子１７のオン期間が上アーム制御端子電源用コンデンサ７０の充電期間となる。このような電力変換回路９１は、図４の電力変換回路６１における抵抗７４を省略することができる。この他の構成は図４の電力変換回路６１と同じである。したがって電力変換回路６１と共通する構成要素には図４におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００５７】
図６に、第６の実施形態による電力変換回路１０１の構成を示す。本実施形態の電力変換回路１０１は、リレースイッチ１０２とリレー制御回路１０３を有する保護回路９４が設けられている。リレースイッチ１０２は、機械リレースイッチ又は半導体リレースイッチであり、主電源５とスイッチ素子１７、１９の間に設けられ、主電源５に対するスイッチ素子１７、１９の接続と分離を行う。リレー制御回路１０３は、制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１それぞれのコンデンサ電圧を検出し、その検出したコンデンサ電圧に基づいてリレースイッチ１０２のオン・オフを制御する。具体的には、制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１それぞれのコンデンサ電圧がいずれも所定のしきい値を満たしていることを条件にリレースイッチ１０２をオンにする制御を行う。つまり制御端子電源用コンデンサ２１と制御端子電源用コンデンサ３１それぞれのコンデンサ電圧のいずれかが所定のしきい値を満たしていない場合にはリレースイッチ１０２をオフ状態にするように制御する。
【００５８】
電力変換回路１０１では、始動時あるいは制御端子駆動回路１２や制御端子駆動回路１４に何らかの不具合を発生するなどした場合、制御端子電源用コンデンサ２１や制御端子電源用コンデンサ３１の放電時までに十分な充電がなされておらず必要なコンデンサ電圧を得られなくなる状態を生じる可能性がある。このことに関して、電力変換回路１０１では、スイッチ素子１７、１９がノーマリオン特性で、確実なオフ状態を得るのに一定の負電圧をゲート端子に印加する必要のあることから、制御端子電源用コンデンサ２１や制御端子電源用コンデンサ３１の充電が十分になされないためにゲート端子用の電源電圧が確立していない状態でスイッチ素子１７、１９が主電源５と接続する状態になると、スイッチ素子１７、１９が短絡状態になり、スイッチ素子１７、１９を損傷する可能性がある。
【００５９】
保護回路９４は、このような事態に対処してフェールセーフを実現するために設けられており、リレースイッチ１０２とリレー制御回路１０３により主電源５に対するスイッチ素子１７、１９の接続と分離を上記のように制御することで、スイッチ素子１７、１９が短絡状態となって損傷する事態を効果的に防ぐことができる。
以上の他の構成は図１の電力変換回路１と同じである。したがって電力変換回路１と共通する構成要素には図１におけるのと同一の符合を付し、それらについては上での説明を援用するものとする。
【００６０】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明はその趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば、上記各実施形態は上下アーム構造の電力変換回路に関するものであったが、これは便宜上、上下アーム構造の電力変換回路について説明したもので、例えば昇圧チョッパのような単アーム構造の電力変換回路などにも適用できることは勿論である。また上記各実施形態ではスイッチ素子としてノーマリオン特性のスイッチ素子を用いる場合であったが、充電電流を主回路のスイッチ素子に流す必要のないという本発明のスイッチング回路の特性を活かすことができる場合であれば、導通制御端子に正電圧を負荷することでオンとなる特性のスイッチ素子を用いるスイッチング回路や電力変換回路についても適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
２    分圧回路（電圧生成回路）
５    主電源
１７    スイッチ素子（上アームスイッチ素子）
１９    スイッチ素子（下アームスイッチ素子）
２１、３１    制御端子電源用コンデンサ
２２、３２    第１のハーフブリッジ回路（第１の切替えスイッチ）
２４、３４    第２のハーフブリッジ回路（第２の切替えスイッチ）
２５、２６、３５、３６    ハーフブリッジ電源用コンデンサ
６２    上アーム
６３    下アーム
７０    上アーム制御端子電源用コンデンサ
７１    上アームハーフブリッジ回路（上アーム切替えスイッチ）
７７    下アーム制御端子電源用コンデンサ
７８    第１の下アームハーフブリッジ回路（第１の下アーム切替えスイッチ）
８０    第２の下アームハーフブリッジ回路（第２の下アーム切替えスイッチ）
１０２    リレースイッチ
１０３    リレー制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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