(57)【要約】【課題】電力損失の少ない直流‐交流変換装置を提供する。【解決手段】直流‐交流変換装置1は、４個のスイッチング素子S1〜S4と、各素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD1〜D4とを備えるブリッジ回路10と、コイルＬとコンデンサＣとが直列に接続された出力フィルタ20と、を備える。直流‐交流変換装置1の入力端子A、Bに直流電圧源Ｅが接続され、ブリッジ回路10の出力端子に出力フィルタ20が接続されている。そして、ブリッジ回路10と出力フィルタ20との間に、ブリッジ回路10の出力端子間を短絡するスイッチング回路30を備える。スイッチング回路30は、２個のＦＥＴ  S5、S6が互いに逆方向に直列に接続された直列回路である。【選択図】図１
2011229215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子と、各素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードとを備えるブリッジ回路と、コイルを備える出力フィルタと、を備える直流‐交流変換装置であって、
前記ブリッジ回路の出力端子に前記出力フィルタが接続され、
前記ブリッジ回路と前記出力フィルタとの間に、前記ブリッジ回路の出力端子間を短絡するスイッチング回路を備えることを特徴とする直流‐交流変換装置。
【請求項２】
前記スイッチング回路は、少なくとも２個のＦＥＴが直列に接続された直列回路を備え、
前記直列回路の両端のＦＥＴが、互いに逆向きに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の直流‐交流変換装置。
【請求項３】
前記ブリッジ回路の全てのスイッチング素子がOFFとなる時間帯に、前記スイッチング回路がONになることを特徴とする請求項１又は２に記載の直流‐交流変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング回路のＦＥＴのうち少なくとも1個が、ＳｉＣ‐ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴであることを特徴とする請求項２に記載の直流‐交流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスイッチング素子と、各素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードとを備えるブリッジ回路と、コイルを備える出力フィルタと、を備える直流‐交流変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流‐交流変換装置（ＤＣ／ＡＣ変更装置、インバータ）は、例えば、太陽電池や蓄電池（バッテリー）などの直流電源から商用周波数（50Hzや60Hz）といった所望の周波数の交流電力を電気的に生成するのに利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２（A）は、従来の直流‐交流変換装置の回路構成を示す回路図である。ここでは、説明を簡単にするため、直流電圧を単相の交流電圧に変換する直流‐交流変換装置を例に用いて説明する。図２（A）に示す従来の直流‐交流変換装置100は、４個のスイッチング素子S1〜S4をフルブリッジ接続したブリッジ回路10と、コイルＬとコンデンサＣとを直列に接続した出力フィルタ20と、を備える。直流‐交流変換装置100の入力端子A、Bに直流電圧源Ｅが接続され、ブリッジ回路10の出力端子に出力フィルタ20が接続されている。
【０００４】
ブリッジ回路10は、直流電圧源Ｅの直流電圧を交流電圧に変換する基本回路である。ブリッジ回路10は、スイッチング素子S1及びS2の直列回路と、スイッチング素子S3及びS4の直列回路とが並列に接続され、各スイッチング素子S1〜S4と逆並列にフリーホイールダイオードD1〜D4が接続されている。スイッチング素子S1〜S4は、トランジスタなどの半導体素子である。
【０００５】
直流‐交流変換装置100によって直流電圧から交流電圧に変換する原理と、その動作を説明する。ブリッジ回路10のスイッチング素子S1とS4を一組、これと対向するスイッチング素子S2とS3を一組として、交互にON‐OFFする（図２（B）参照）。スイッチング素子S1／S4がON、スイッチング素子S2／S3がOFFのとき、図２（A）の細線矢印で示すように、スイッチング素子S1を通って、出力フィルタ20（コイルＬ及びコンデンサＣ）を通り、スイッチング素子S4を通る電流経路が形成される。このとき、直流‐交流変換装置100の出力端子C‐D間には、直流電圧源Ｅと同じ大きさの正の電圧が印加される。同様に、スイッチング素子S1／S4がOFF、スイッチング素子S2／S3がONのとき、スイッチング素子S3を通って、出力フィルタ20（コンデンサＣ及びコイルＬ）を通り、スイッチング素子S2を通る電流経路が形成される。このとき、直流‐交流変換装置100の出力端子C‐D間には、直流電圧源Ｅと同じ大きさの負の電圧が印加される。以下、スイッチング素子S1〜S4を交互にON‐OFFする動作を繰り返すことにより、出力端子C、Dから交流電圧が出力される。
【０００６】
なお、スイッチング素子S1／S4がOFFされてからスイッチング素子S2／S3がONされるまでの時間（同様に、スイッチング素子S2／S3がOFFされてからスイッチング素子S1／S4がONされるまでの時間）Tは、交流電圧の所望の周波数などに応じて適宜設定される（図２（B）参照）。例えば、交流周波数を商用周波数に設定する場合、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFされる時間Tは、1〜10msec程度である。
【０００７】
出力フィルタ20は、コイルＬとコンデンサＣの直列回路であり、ブリッジ回路10から出力された電流Ia（図２（A）参照）の高周波成分を除去し、正弦波を生成する機能を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８‐５４３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の直流‐交流変換装置100では、フリーホイールダイオードD1〜D4に電流が流れることによる電力損失が発生する。
【００１０】
いま、スイッチング素子S1／S4がONされ、出力フィルタ20に電流Iaが流れた後、スイッチング素子S1／S4がOFFされると、出力フィルタ20に挿入されたコイルＬに電流Iaが流れたことにより、コイルＬに逆起電力が発生する。これにより、図２（A）の破線矢印で示すように、フリーホイールダイオードD2を通って、コイルＬを通り、フリーホイールダイオードD3を通る誘導電流Ibが流れる。そのため、フリーホイールダイオードD2、D3に誘導電流Ibが流れることにより順方向電圧降下Vf（0.3〜2V程度）が生じるため、Vf×Ibの電力損失が発生する。同様に、スイッチング素子S2／S3がONされ、出力フィルタ20に電流Iaが流れた後、スイッチング素子S2／S3がOFFされた場合も、コイルＬに発生する逆起電力に起因して、フリーホイールダイオードD4を通って、コイルＬを通り、フリーホイールダイオードD1を通る誘導電流Ibが流れる。そのため、フリーホイールダイオードD1、D4に誘導電流Ibが流れることにより順方向電圧降下Vf（0.3〜2V程度）が生じるため、Vf×Ibの電力損失が発生する。つまり、スイッチング素子S1〜S4がONされた後、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFされる時間Tにおいて、コイルＬの逆起電力に起因する誘導電流IbがフリーホイールダイオードD1〜D4に流れることにより、電力損失が発生する。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、電力損失の少ない直流‐交流変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の直流‐交流変換装置は、複数のスイッチング素子と、各素子と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードとを備えるブリッジ回路と、コイルを備える出力フィルタと、を備える。そして、ブリッジ回路の出力端子に出力フィルタが接続されている。また、ブリッジ回路と出力フィルタとの間に、ブリッジ回路の出力端子間を短絡するスイッチング回路を備える。
【００１３】
スイッチング回路は、ON状態のときブリッジ回路の出力端子間を短絡し、OFF状態のときブリッジ回路の出力端子間を開放する。この構成によれば、スイッチング回路がONのとき、スイッチング回路と出力フィルタとで電気的なループ回路を形成することができる。そのため、出力フィルタに挿入されたコイルの逆起電力に起因する誘導電流の一部が、ブリッジ回路のフリーホイールダイオードに流れないようにすることができ、電力損失の少ない直流‐交流変換装置を実現できる。
【００１４】
本発明の直流‐交流変換装置の一形態としては、スイッチング回路は、少なくとも２個のＦＥＴが直列に接続された直列回路を備え、この直列回路の両端のＦＥＴが、互いに逆向きに接続されていることが挙げられる。
【００１５】
この構成によれば、簡易な構成で上記スイッチング回路を実現できる。ＦＥＴ（電界効果トランジスタ、Field  Effect  Transistor）としては、ＭＯＳＦＥＴ（メタル・オキサイド・セミコンダクタ電界効果トランジスタ、Metal‐Oxide‐Semiconductor  ＦＥＴ）、ＪＦＥＴ（接合形電界効果トランジスタ、Junction  ＦＥＴ）といったユニポーラトランジスタが挙げられる。本発明において、スイッチング回路に使用するスイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）などのバイポーラトランジスタを用いることもできる。しかし、バイポーラトランジスタに比較してＦＥＴの方が、電流が流れることによる順方向電圧降下を小さくすることができ、より電力損失の少ない直流‐交流変換装置を実現できる。
【００１６】
また、スイッチング回路を構成するＦＥＴの直列回路のうち、両端のＦＥＴが互いに逆向きに接続されていることで、スイッチング回路（直列回路）に両方向の電流を流すことができる。つまり、ＦＥＴがONのとき、直流電流だけでなく、交流電流も通電することができる。
【００１７】
本発明の直流‐交流変換装置の一形態としては、ブリッジ回路の全てのスイッチング素子がOFFとなる時間帯に、スイッチング回路がONになることが挙げられる。
【００１８】
この構成によれば、ブリッジ回路の全てのスイッチング素子がOFFとなる時間において、スイッチング回路（スイッチング回路を構成する直列回路のＦＥＴ）がONになることで、フリーホイールダイオードに誘導電流が流れることを防止できる。
【００１９】
上記したスイッチング回路のＦＥＴのうち少なくとも1個が、ＳｉＣ‐ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴであることが好ましい。
【００２０】
上述したようにＦＥＴには、順方向電圧降下が小さいＭＯＳＦＥＴやＪＦＥＴといったユニポーラトランジスタを使用することが好ましい。特に、ON抵抗が小さくスイッチング損失が少ないＳｉＣ‐ＭＯＳＦＥＴを使用することにより、さらに電力損失の少ない直流‐交流変換装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の直流‐交流変換装置は、ブリッジ回路と出力フィルタとの間に、ブリッジ回路の出力端子間を短絡するスイッチング回路を備えることで、電力損失が少ない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る直流‐交流変換装置の原理と、その動作を説明する図であり、（A）は、装置の回路構成を示す回路図、（B）は、スイッチング素子の動作を示す。
【図２】従来の直流‐交流変換装置の原理と、その動作を説明する図であり、（A）は、装置の回路構成を示す回路図、（B）は、スイッチング素子の動作を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２４】
（実施の形態１）
図１（A）に示す本発明の実施の形態１に係る直流‐交流変換装置1は、４個のスイッチング素子S1〜S4と、各素子S1〜S4と逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD1〜D4とを備えるブリッジ回路10と、コイルＬとコンデンサＣとが直列に接続された出力フィルタ20と、を備える。直流‐交流変換装置1の入力端子A、Bに直流電圧源Ｅが接続され、ブリッジ回路10の出力端子に出力フィルタ20が接続されている。そして、この直流‐交流変換装置1の最も特徴とするところは、ブリッジ回路10と出力フィルタ20との間に、ブリッジ回路10の出力端子間を短絡するスイッチング回路30を備えるところにある。なお、ブリッジ回路10と出力フィルタ20については、上述した“背景技術”のところで説明した従来の直流‐交流変換装置100と同じ構成であるので、説明を省略する。
【００２５】
スイッチング回路30は、２個のＦＥＴ  S5、S6が互いに逆方向に直列に接続された直列回路である。このＦＥＴ  S5、S6は、ＮチャネルのＪＦＥＴである。このＦＥＴ  S5、S6の順方向電圧降下は、ブリッジ回路10の各フリーホイールダイオードD1〜D4より小さい。また、スイッチング回路30は、ブリッジ回路10の全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFされる時間Tにおいて、ON状態、即ちＦＥＴ  S5／S6がONになり（図１（B）参照）、ブリッジ回路10の出力端子間を短絡する。
【００２６】
上述した“発明が解決しようとする課題”のところで説明したように、ブリッジ回路10の全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFとなる時間Tにおいて、出力フィルタ20に挿入されたコイルＬに逆起電力が発生する。このとき、図１に示す直流‐交流変換装置1では、ＦＥＴ  S5／S6がONになり、スイッチング回路30によりブリッジ回路10の出力端子間が短絡されることで、スイッチング回路30と出力フィルタ20とで電気的なループ回路が形成される。そのため、コイルＬの逆起電力に起因する誘導電流Ibは、図１（A）の破線で示すように、スイッチング回路30を通るループ回路を流れることになるため、この電流がブリッジ回路10のフリーホイールダイオードD1〜D4に流れないようにすることができる。したがって、ＦＥＴ  S5／S6がONされている間、電力損失を低減できる。なお、図１（A）の破線矢印は、スイッチング素子S1／S4がONからOFFされたときに、ループ回路に流れる誘導電流Ibの向きを示している。スイッチング素子S2／S3がONからOFFされたときは、ループ回路に流れる誘導電流Ibの向きは、図１（A）の破線矢印とは反対方向（この場合、反時計回り）になる。
【００２７】
また、従来の直流‐交流変換装置（図２参照）では、例えばスイッチング素子S1／S4がONからOFFされ、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFされる間、フリーホイールダイオードD2、D3に誘導電流Ibが流れることにより逆電圧が生じる（同様に、S2／S3がONからOFFされた場合、D1、D4に誘導電流Ibが流れる）。そのため、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFとなる時間帯では、スイッチング素子S1／S4（S2／S3）がONとなる時間帯（パルス幅）に応じて大きくなった電流値が下がる。したがって、特にＰＷＭ（パルス幅変調、Pulse  Width  Modulation）制御ありの場合、スイッチング素子S1〜S4のON‐OFF動作が頻繁に繰り返されることから、出力電流のリプルが増大する。このような問題は、スイッチング素子がOFFのときにフリーホイールダイオードに電流を環流させる代わりに、ONからOFFされたスイッチング素子と対向するスイッチング素子をONして電流を環流させる方式でも起こり得る。
【００２８】
これに対し、本発明に係る直流‐交流変換装置（図１参照）では、スイッチング回路30を備えることで、スイッチング回路30と出力フィルタ20とで電気的なループ回路を形成することができる。そのため、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFとなる時間帯に、スイッチング回路30（ＦＥＴ  S5／S6）をONしてこのループ回路に電流を還流させることができる。したがって、このループ回路に電流が還流されている時間帯では、電流値の低下がほとんど生じないため、出力電流のリプルを低減できる。
【００２９】
ここで、全てのスイッチング素子S1〜S4がOFFされてからＦＥＴ  S5／S6がONされるまでの時間t（図１（B）参照）は、ＦＥＴ  S5、S6のスイッチング性能に応じて、電力損失が少なくなるように適宜設定すればよい。この時間tは、500nsec以下が好ましく、100nsec以下がより好ましい。
【００３０】
図１に示す直流‐交流変換装置1では、スイッチング回路30のＦＥＴ  S5、S6のソース端子同士を接続しているが、これに限定されるものではなく、ドレイン端子同士を接続してもよい。
【００３１】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、スイッチング回路に使用するＦＥＴの個数や種類を適宜変更してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の直流‐交流変換装置は、例えば太陽電池用インバータに好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
1、100  直流‐交流変換装置（インバータ）
10  ブリッジ回路
S1〜S4  スイッチング素子
D1〜D4  フリーホイールダイオード
20  出力フィルタ
Ｌ  コイル    Ｃ  コンデンサ
30  スイッチング回路
S5、S6  ＦＥＴ（スイッチング素子）
Ｅ  直流電圧源（直流電源）
【図１】
2011229215.tif 000003
【図２】
2011229215.tif 000004