(57)【要約】【課題】主回路電源の電圧値によらず、抵抗器のジュール損失を抑えたスイッチング素子駆動用の電源回路および電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態に係るスイッチング素子駆動用の電源回路は、スイッチング素子に電圧を供給する主回路電源から前記スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源を生成する電源回路である。この電源回路は、前記主回路電源が出力する第１電圧と異なる電圧値である第２電圧を出力する第１電源部と、前記主回路電源から前記第１電源部に電力を供給する直列接続された複数の抵抗器と、前記複数の抵抗器のうちの少なくとも１つに並列に接続されたスイッチ素子と、前記第１電圧の値が第１所定値以上の場合には、前記スイッチ素子をオフさせ、前記第１電圧の値が前記第１所定値よりも低い場合には、前記スイッチ素子をオンさせる制御回路と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子に電圧を供給する主回路電源から前記スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源を生成するスイッチング素子駆動回路用の電源回路であって、
前記主回路電源が出力する第１電圧と異なる電圧値である第２電圧を出力する第１電源部と、
前記主回路電源から前記第１電源部に電力を供給する直列接続された複数の抵抗器と、
前記複数の抵抗器のうちの少なくとも１つに並列に接続されたスイッチ素子と、
前記第１電圧の値が第１所定値以上の場合には、前記スイッチ素子をオフさせ、前記第１電圧の値が前記第１所定値よりも低い場合には、前記スイッチ素子をオンさせる制御回路と、
を備えたスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項２】
前記スイッチ素子は、前記複数の抵抗器のうちの少なくとも２つにそれぞれ並列に接続され、
前記スイッチ素子の耐圧の合計は、前記第１電圧の最大値以上である請求項１記載の電源回路。
【請求項３】
前記制御回路は、
前記スイッチ素子の制御端子と一方の主端子との間に接続されたツェナーダイオードと、
前記主回路電源と前記制御端子との間に接続された抵抗器と、
を含む請求項２記載のスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項４】
前記制御回路は、
前記第１電圧が前記第１所定値以上の場合には、前記複数のスイッチ素子のうちの１つである第１スイッチ素子をオフさせ、
前記第１電圧が前記第１所定値よりも高い値を有する第２所定値以上の場合には、前記複数のスイッチ素子のうちの他の１つである第２スイッチ素子をオフさせる請求項２または３に記載のスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項５】
前記第２スイッチ素子は、前記第１スイッチ素子よりも高電位側に接続された請求項４記載のスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項６】
前記制御回路は、前記第２スイッチ素子の制御端子と前記第１スイッチ素子の一方の主端子との間の電位差にもとづいて前記第２スイッチ素子をオフさせる請求項５記載のスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項７】
直列接続された複数のスイッチング素子に電圧を供給する主回路電源から前記複数のスイッチング素子のそれぞれを駆動するための駆動電源を生成するスイッチング素子駆動回路用の電源回路であって、
前記主回路電源が出力する電圧を前記スイッチング素子の直列数で除した第３電圧よりも低い電圧値である第４電圧を出力する補助電源部と、
前記主回路電源から前記第２電源部に電力を供給する直列接続された複数の抵抗器と、
前記複数の抵抗器のうちの少なくとも１つに並列に接続されたスイッチ素子と、
前記第３電圧の値が第３所定値以上の場合には、
前記スイッチ素子をオフさせ、
前記第３電圧の値が前記第３所定値よりも低い場合には、
前記スイッチ素子をオンさせる制御回路と、
を備えたスイッチング素子駆動回路用の電源回路。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載された電源回路と、前記電源回路から駆動用の電源の供給を受けて動作可能となり、供給された制御信号にもとづいて、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、を含む主回路を備えた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スイッチング素子駆動回路用の電源回路および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧を取り扱う半導体電力変換装置は対地電圧が高く、絶縁性能を満たすためにコストが高くなり、体積が増大する。対地電圧が高いスイッチング素子にゲート駆動電力を供給するには、対地絶縁電圧が高い変圧器を用いるとともに、絶縁距離を確保する必要がある。そのため、主回路電圧が１００ｋＶ程度を超えるとゲート駆動電力の供給が困難になる。
【０００３】
スイッチング素子のゲート駆動回路用の電源を主回路から供給する場合には、スイッチング素子１個分の耐電圧レベルでスイッチング素子を駆動するための電源回路を容易に構成することができる。主回路から抵抗器を経由してゲート電力を供給する技術が知られている。（たとえば特許文献１）
【０００４】
しかし、このような構成の場合には、抵抗器のジュール損失は、主回路電源から供給される電圧の二乗に比例するため、大きな許容損失の抵抗器を用いる必要がある。そのため、抵抗器の体積が大きくなり、装置の小型化の要請に反し、高コスト化の要因ともなる。
【０００５】
また、抵抗器のジュール損失は、抵抗値に反比例するので、より大きな抵抗値とすることによって発熱を低減することができるが、抵抗値を大きくした場合には、主回路電源の電圧変動範囲によっては、電圧降下を生じてスイッチング素子の駆動回路に十分な電圧を供給することが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９３５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実施形態は、主回路電源の電圧値によらず、抵抗器のジュール損失を抑えたスイッチング素子駆動回路用の電源回路および電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係るスイッチング素子駆動回路用の電源回路は、スイッチング素子に電圧を供給する主回路電源から前記スイッチング素子を駆動する駆動回路の電源を生成する電源回路である。この電源回路は、前記主回路電源が出力する第１電圧と異なる電圧値である第２電圧を出力する第１電源部と、前記主回路電源から前記第１電源部に電力を供給する直列接続された複数の抵抗器と、前記複数の抵抗器のうちの少なくとも１つに並列に接続されたスイッチ素子と、前記第１電圧の値が第１所定値以上の場合には、前記スイッチ素子をオフさせ、前記第１電圧の値が前記第１所定値よりも低い場合には、前記スイッチ素子をオンさせる制御回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る電源回路を例示するブロック図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、第２の実施形態に係る電源回路を例示するブロック図である。
【図３】第３の実施形態に係る電源回路を例示するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電源回路を例示するブロック図である。
図１には、本実施形態の電源回路１０とともに、この電源回路１０によって動作する主回路２が示されている。図１に示すように、主回路２は、スイッチング素子４ａ，４ｂと、スイッチング素子駆動回路用の電源回路１０と、ゲート駆動回路４０ａ，４０ｂと、を含む。主回路２は、電源接続のための端子３ａ，３ｂを含む。主回路２は、端子３ａ，３ｂを介して主回路電源１に接続される。
【００１２】
主回路電源１は、直流電圧ＶＤＣを出力する直流電源である。直流電源ＶＤＣは、一定の直流電圧に限らず、脈流等を含む非安定な直流電圧であってもよい。主回路電源１の高電位側が端子３ａに接続され、低電位側が端子３ｂに接続される。なお、以下では、端子という場合には、端子台のように実体的な部材に限らず、対象の回路を外部の回路に接続するノードや引き出し線等も含むものとする。
【００１３】
スイッチング素子４ａ，４ｂは、たとえば自己消弧型の半導体素子である。スイッチング素子４ａ，４ｂは、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等である。この例では、２つのスイッチング素子４ａ，４ｂは、直列に接続されている。スイッチング素子４ａ，４ｂは、この例のように、自己消弧型の半導体素子に逆並列にダイオードが接続されてもよい。逆並列にダイオードが接続される場合には、ダイオードは、回生電流等を流すことができる。
【００１４】
スイッチング素子４ａ，４ｂの直列接続回路は、端子３ａ，３ｂの間に接続されている。主回路２の出力波形は、出力のための端子５を介して出力される。端子５は、この直列接続回路の接続ノードに接続されている。
【００１５】
電源回路１０は、端子３ａ，３ｂの間に接続されている。電源回路１０は、この例では、主回路電源１の直流電圧ＶＤＣから２つの出力電圧ＶＧＧ１，ＶＧＧ２を生成して、ゲート駆動回路４０ａ，４０ｂにそれぞれ供給する。この例では、これらの出力電圧ＶＧＧ１，ＶＧＧ２は、互いに絶縁されている。出力電圧ＶＧＧ１，ＶＧＧ２は、直流電圧ＶＤＣとも絶縁されている。このような電源回路の入出力の絶縁の有無は、駆動するスイッチング素子の構成に応じて、適切に設定され、上述の例に限らない。
【００１６】
ゲート駆動回路４０ａは、出力電圧ＶＧＧ１を入力する。ゲート駆動回路４０ａは、ゲート信号ｖｇ１を入力する。ゲート駆動回路４０ａの出力は、スイッチング素子４ａの制御端子（たとえばゲート）と低電位側の主端子（たとえばエミッタ）に接続されている。ゲート駆動回路４０ａは、ゲート信号ｖｇ１に応じて、オンオフするゲート駆動信号ＶＧ１を出力する。ゲート駆動信号ＶＧ１の振幅は、電源回路１０の出力電圧ＶＧＧ１にほぼ等しい。
【００１７】
ゲート駆動回路４０ｂは、出力電圧ＶＧＧ２を入力する。ゲート駆動回路４０ｂは、ゲート信号ｖｇ２を入力する。ゲート駆動回路４０ｂの出力は、スイッチング素子４ｂのゲートとエミッタに接続されている。ゲート駆動回路４０ｂは、ゲート信号ｖｇ２に応じて、オンオフするゲート駆動信号ＶＧ２を出力する。ゲート駆動信号ＶＧ２の振幅は、電源回路１０の出力電圧ＶＧＧ２ほぼ等しい。
【００１８】
電源回路１０から出力される出力電圧ＶＧＧ１，ＶＧＧ２は、互いに絶縁されているので、これらの電源で動作するゲート駆動回路４０ａ，４０ｂは、直列に接続されたスイッチング素子４ａ，４ｂをそれぞれ独立してスイッチングすることができる。
【００１９】
なお、電源回路１０およびゲート駆動回路４０ａ，４０ｂを含むブロックをスイッチング素子駆動回路５０と称する。つまり、電源回路１０は、スイッチング素子駆動回路５０を構成する回路ブロックであり、スイッチング素子駆動回路５０の構成要素である。
【００２０】
スイッチング素子駆動回路５０用の電源回路１０の構成について詳細に説明する。電源回路１０は、抵抗器１１ａ〜１１ｃと、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃと、制御回路２０と、補助電源回路（第１電源部）１２と、を備える。電源回路１０は、ＤＣＤＣコンバータ（第１電源部）３０をさらに備える。補助電源回路１２は、抵抗器１１ａ〜１１ｃ、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃ、および制御回路２０によって生成された電圧を安定化された電圧Ｖｃに変換して出力する。補助電源回路１２から出力された電圧Ｖｃは、ＤＣＤＣコンバータ３０に供給される。ＤＣＤＣコンバータ３０は、供給された電圧Ｖｃを出力電圧ＶＧＧ１，ＶＧＧ２に変換して出力する。
【００２１】
補助電源回路１２は、この例では、ツェナーダイオード１２ｚおよびコンデンサ１２ｃによる定電圧回路である。ダイオード１２ｄは、補助電源回路１２の入出力の電位差が逆転した場合に、補助電源回路１２の出力から入力に電流が流れることを防止するために設けられている。補助電源回路１２は、適切な他の回路構成のものを用いてもよい。
【００２２】
ＤＣＤＣコンバータ３０は、この例では、入出力が絶縁されており、各出力も絶縁されているものが好ましいが、スイッチング素子の駆動回路に応じて適切な回路構成のものを用いることができる。
【００２３】
抵抗器１１ａ〜１１ｃは、直列に接続されている。抵抗器１１ａ〜１１ｃは、端子３ａと補助電源回路１２の入力との間に接続されている。主回路電源１が出力する直流電圧ＶＤＣの低い方からこの順に直列に接続されている。
【００２４】
スイッチ素子１３ａ〜１３ｃは、抵抗器１４ａ〜１４ｃにそれぞれ直列に接続されている。これらの直列接続体は、抵抗器１１ａ〜１１ｃにそれぞれ並列に接続されている。スイッチ素子１３ａ〜１３ｃは、たとえばｎチャネルのＭＯＳＦＥＴである。制御電極によってオンオフすることができれば、ＮＰＮトランジスタ等の他のスイッチ素子であってもよい。
【００２５】
制御回路２０の入力Ｉ１，Ｉ２は、端子３ａ，３ｂにそれぞれ接続されている。制御回路２０の出力Ｏａ１〜Ｏｃ２は、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃの制御端子（たとえばゲート）と低電位側の主端子（たとえばソース）にそれぞれ接続されている。制御回路２０は、主回路電源１の直流電圧ＶＤＣの大きさに応じて、各出力間に異なるレベルの電圧を出力する。各出力間に出力する電圧のレベルは、ハイレベルおよびローレベルの電圧である。
【００２６】
各出力のハイレベルの電圧は、各スイッチ素子１３ａ〜１３ｃのしきい値に対して十分高い値をとるので、各スイッチ素子１３ａ〜１３ｃは確実にオンすることができる。また、各出力のローレベルの電圧は、各スイッチ素子１３ａ〜１３ｃのしきい値に対して十分低い値をとるので、各スイッチ素子１３ａ〜１３ｃは、確実にオフすることができる。
【００２７】
より具体的には、直流電圧ＶＤＣが所定の電圧値よりも低い場合には、制御回路２０は、すべてのスイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせるための電圧を出力する。制御回路２０は、直流電圧ＶＤＣが高くなるにしたがい、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃを順次オフさせるためにハイレベルの電圧を出力する。
【００２８】
たとえば、直流電圧ＶＤＣの値がＶＤＣ０，ＶＤＣ１，ＶＤＣ２，ＶＤＣ３の場合であって、ＶＤＣ０＜ＶＤＣ１＜ＶＤＣ２＜ＶＤＣ３の関係のときに、ＶＤＣ０が印加されたときには、すべてのスイッチ素子１３ａ〜１３ｃはオンする。ＶＤＣ１が印加されたときには、１つのスイッチ、たとえばスイッチ素子１３ａがオフする。ＶＤＣ２が印加されたときには、２つのスイッチ、たとえばスイッチ素子１３ａ，１３ｂがオフする。ＶＤＣ３が印加されたときには、すべてのスイッチ素子１３ａ〜１３ｃがオフする。
【００２９】
たとえばスイッチ素子１３ａがオンした場合には、抵抗器１１ａは抵抗器１４ａに並列に接続される。スイッチ素子１３ａがオフした場合には、抵抗器１４ａは、抵抗器１１ａの並列接続から切り離される。つまり、直流電圧ＶＤＣが低い場合に、スイッチをオンさせて、抵抗器を並列接続することによって、抵抗値を引き下げる。直流電圧ＶＤＣが高い場合には、スイッチをオフさせて、抵抗器の並列接続を切断して、より高い抵抗値を設定する。
【００３０】
このようにして、本実施形態の電源回路１０では、直流電圧ＶＤＣが低い場合から高い場合まで、補助電源回路１２等の負荷に供給する電流を確保するとともに、電源回路１０で消費する電力損失を低減することができる。
【００３１】
制御回路２０の構成について詳細に説明する。
制御回路２０は、ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃと、抵抗器２２ａ〜２２ｃと、を含む。ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃおよび抵抗器２２ａ〜２２ｃは、制御回路２０の各出力に接続されている。ツェナーダイオード２１ａのカソードは出力Ｏａ１を介して、スイッチ素子１３ａのゲートに接続されている。ツェナーダイオード２１ａのアノードは出力Ｏａ２を介して、スイッチ素子１３ａのソースに接続されている。
【００３２】
抵抗器２２ａは、ツェナーダイオード２１ａに直列に接続されている。抵抗器２２ａの一端は、ツェナーダイオード２１ａのカソードに接続されている。抵抗器２２ａの他端は、出力Ｏａ１に接続されている。
【００３３】
抵抗器２２ａは、出力Ｏａ１を介して、抵抗器１１ａに接続されている。また抵抗器２２ａは、高電位側のツェナーダイオード２１ｂに接続されている。そのため、直流電圧ＶＤＣが端子３ａ，３ｂ間に印加されると、抵抗器１１ｃ，１１ｂ，２２ａの経路を介してツェナーダイオード２１ａに電流が供給される。また、抵抗器２２ｃ，２２ｂおよびツェナーダイオード２１ｃ，２１ｂを介して、ツェナーダイオード２１ａに電流が供給される。ツェナーダイオード２１ａが降伏すると、ツェナーダイオード２１ａの両端の電圧がスイッチ素子１３ａのしきい値を超えて、スイッチ素子１３ａはオンする。
【００３４】
同様にして、ツェナーダイオード２１ｂのカソードおよびアノードは、出力Ｏｂ１および出力Ｏｂ２を介して、スイッチ素子１３ｂのゲートおよびソースにそれぞれ接続されている。抵抗器２２ｂの一端は、ツェナーダイオード２１ｂのカソードに接続されている。抵抗器２２ｂの他端は、出力Ｏｂ１に接続されている。
【００３５】
ツェナーダイオード２１ｃのカソードおよびアノードは、出力Ｏｃ１および出力Ｏｃ２を介して、スイッチ素子１３ｃのゲートおよびソースにそれぞれ接続されている。抵抗器２２ｃの一端は、ツェナーダイオード２１ｃのカソードに接続されている。抵抗器２２ｃの他端は、出力Ｏｃ１に接続されている。
【００３６】
ツェナーダイオード２１ｂ，２１ｃは、抵抗器２２ｂ，２２ｃを介して電流が供給される。ツェナーダイオード２１ｂ，２１ｃが降伏すると、ツェナーダイオード２１ｂ，２１ｃの両端の電圧がスイッチ素子１３ｂ，１３ｃのしきい値をそれぞれ超えるので、スイッチ素子１３ｂ，１３ｃはオンする。
【００３７】
抵抗器２２ａ〜２２ｃ等の抵抗値を適切に設定することによって、直流電圧ＶＤＣが所定の値のときに、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせることができる。
【００３８】
制御回路２０は、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオフさせるための回路も含む。制御回路２０は、トランジスタ２３ａ〜２３ｃと、電圧検出器２４ａ〜２４ｃと、を含む。トランジスタ２３ａ〜２３ｃは、この例ではＰＮＰトランジスタである。高電位側の主端子の電位に対して制御電極を低電位にすることによってオンさせることができれば他の素子であってもよく、たとえば低電位ｐチャネルのＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。
【００３９】
トランジスタ２３ａの高電位側の主端子（たとえばエミッタ）は、出力Ｏａ１に接続されている。トランジスタ２３ａの低電位側の主端子（たとえばコレクタ）は、出力Ｏａ２に接続されている。トランジスタ２３ａの制御端子（たとえばベース）は、電圧検出器２４ａの出力に接続されている。
【００４０】
電圧検出器２４ａは、高電位側の入力が出力Ｏａ１に接続されている。電圧検出器２４ａの低電位側の入力は、入力Ｉ２に接続されている。電圧検出器２４ａは、たとえば抵抗による分圧回路である。分圧回路は、直列に接続された抵抗器２４ａ１，２４ａ２を含む。分圧回路である電圧検出器２４ａの出力は、抵抗器２４ａ１，２４ａ２の接続ノードである。つまり、電圧検出器２４ａの低電位側の入力は、出力Ｏａ２（スイッチ素子１３ａのソース）よりも低電位となる箇所に接続されている。
【００４１】
同様にして、トランジスタ２３ｂのエミッタは出力Ｏｂ１に接続され、コレクタは出力Ｏｂ２に接続されている。電圧検出器２４ｂの高電位側の入力は出力Ｏｂ１に接続され、低電位側の入力は出力Ｏａ２を介してスイッチ素子１３ａのソースに接続されている。
【００４２】
トランジスタ２３ｃのエミッタは出力Ｏｃ１に接続され、コレクタは出力Ｏｃ２に接続されている。電圧検出器２４ｃの高電位側の入力は出力Ｏｃ１に接続され、低電位側の入力は出力Ｏｂ２を介してスイッチ素子１３ｂのソースに接続されている。電圧検出器２４ｂ，２４ｃも抵抗器による分圧回路である。
【００４３】
電圧検出器２４ａ〜２４ｃの分圧比を適切に設定することによって、直流電圧ＶＤＣの値に応じて、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオフさせることができる。スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオフさせる場合に、たとえばスイッチ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃの順にオフさせることができる。
【００４４】
直流電圧ＶＤＣが上昇する場合には、電圧検出器２４ａの入力の電圧Ｖ１が上昇する。この電圧Ｖ１によって出力される電圧が０．６Ｖ程度を超えると、トランジスタ２３ａがオンする。トランジスタ２３ａがオンすることによって、スイッチ素子１３ａのゲートソース間の電圧がしきい値よりも低くなるので、スイッチ素子１３ａはオフする。
【００４５】
さらに直流電圧ＶＤＣが上昇する場合には、電圧検出器２４ｂの入力の電圧Ｖ２が上昇し、電圧検出器２４ｂが出力する電圧が０．６Ｖ程度を超えると、トランジスタ２３ｂがオンする。トランジスタ２３ｂがオンすることによって、スイッチ素子１３ｂのゲートソース間の電圧がしきい値よりも低くなるので、スイッチ素子１３ｂはオフする。なお、電圧検出器２４ｂの低電位側の入力は、スイッチ素子１３ｂのソースの電位よりも低電位の出力Ｏａ２に接続されているので、すでにスイッチ素子１３ａがオフしていても、トランジスタ２３ｂを十分にオンさせることができる。
【００４６】
直流電圧ＶＤＣがさらに上昇する場合には、電圧検出器２４ｃの入力の電圧Ｖ３が上昇し、電圧検出器２４ｃが出力する電圧０．６Ｖ程度を超えると、トランジスタ２３ｃがオンする。トランジスタ２３ｃがオンすることによって、スイッチ素子１３ｃのゲートソース間の電圧がしきい値よりも低くなるので、スイッチ素子１３ｃはオフする。なお、電圧検出器２４ｂの場合と同様に、電圧検出器２４ｃの低電位側の入力は出力Ｏｂ２に接続されているので、スイッチ素子１３ａ，１３ｂがすでにオフしていても、トランジスタ２３ｃは十分オンすることができ、スイッチ素子１３ｃは確実にオフすることができる。
【００４７】
本実施形態の電源回路１０の動作についてより詳細に説明する。
主回路電源１が起動し、直流電圧ＶＤＣが上昇すると、直流電圧ＶＤＣは、制御回路２０の入力Ｉ１，Ｉ２間に印加される。印加された直流電圧ＶＤＣによって、主回路電源１、抵抗器２２ａ、ツェナーダイオード２１ａ、抵抗器２２ｂ、ツェナーダイオード２１ｂ、抵抗器２２ｃ、ツェナーダイオード２１ｃ、および補助電源回路１２のコンデンサ１２ｃの閉回路が形成され、電流が流れる。
【００４８】
各ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃが降伏することによって、各ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃの両端の電圧が各スイッチ素子１３ａ〜１３ｃのしきい値を超える。そのため、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃはオンする。スイッチ素子１３ａ〜１３ｃがオンするときの直流電圧ＶＤＣの電圧値ＶＤＣ０は、抵抗器２２ａ〜２２ｃの値によって、適切に設定することができる。
【００４９】
直流電圧ＶＤＣが電圧値ＶＤＣ０の場合には、電圧検出器２４ａ〜２４ｃが出力する電圧が低いので、トランジスタ２３ａ〜２３ｃは、すべてオフしている。
【００５０】
直流電圧ＶＤＣが上昇して、電圧値ＶＤＣ０よりも高い値を有する電圧値ＶＤＣ１となった場合には、もっとも低電位側に設けられた電圧検出器２４ａに入力される電圧が所定の電圧値Ｖ１に達する。そのため、電圧検出器２４ａは、トランジスタ２３ａをオンさせる電圧を出力する。トランジスタ２３ａがオンすることによって、制御回路２０の出力Ｏａ１，Ｏａ２間には、ローレベルの電圧が出力される。ローレベルの電圧値は、スイッチ素子１３ａのしきい値よりも低いので、スイッチ素子１３ａはオフする。
【００５１】
直列に接続された抵抗器１１ａ〜１１ｃのうち、抵抗器１１ｂ，１１ｃについては、抵抗器１４ｂ，１４ｃにそれぞれ並列に接続されている。抵抗器１１ａは、抵抗器１４ａとの並列接続が切断されている。したがって、スイッチ素子１３ａがオフすることによって、端子３ａと補助電源回路１２の入力との間の抵抗値は、電圧値ＶＤＣ０のときよりも高くなる。
【００５２】
直流電圧ＶＤＣがさらに上昇して、電圧値ＶＤＣ１よりも高い値を有する電圧ＶＤＣ２となった場合には、電圧検出器２４ｂに入力される電圧が所定の電圧値Ｖ２に達する。そのため、電圧検出器２４ｂは、トランジスタ２３ｂをオンさせる電圧を出力する。トランジスタ２３ｂがオンすることによって、制御回路２０の出力Ｏｂ１，Ｏｂ２間には、ローレベルの電圧が出力される。ローレベルの電圧値は、スイッチ素子１３ｂのしきい値よりも低いので、スイッチ素子１３ｂはオフする。
【００５３】
直列に接続された抵抗器１１ａ〜１１ｃのうち、抵抗器１１ｃについては、抵抗器１４ｃに並列に接続されている。抵抗器１１ａ，１１ｂは、抵抗器１４ａ，１４ｂとの並列接続がそれぞれ遮断されている。したがって、スイッチ素子１３ｂがオフすることによって、端子３ａと補助電源回路１２の入力との間の抵抗値は、電圧値ＶＤＣ１のときよりも高くなる。
【００５４】
直流電圧ＶＤＣがさらに上昇して、電圧値ＶＤＣ２よりも高い値を有する電圧ＶＤＣ３となった場合には、電圧検出器２４ｃに入力される電圧が所定の電圧値Ｖ３に達する。そのため、電圧検出器２４ｃは、トランジスタ２３ｃをオンさせる電圧を出力する。トランジスタ２３ｃがオンすることによって、制御回路２０の出力Ｏｃ１，Ｏｃ２間には、ローレベルの電圧が出力される。ローレベルの電圧値は、スイッチ素子１３ｃのしきい値よりも低いので、スイッチ素子１３ｃはオフする。
【００５５】
直列に接続されたすべての抵抗器１１ａ〜１１ｃについて、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃに並列に接続されていた抵抗器１４ａ〜１４ｃがすべて遮断される。したがって、スイッチ素子１３ｃがオフすることによって、端子３ａと補助電源回路１２の入力との間の抵抗値は、電圧値ＶＤＣ２のときよりも高くなる。
【００５６】
電圧検出器２４ａ〜２４ｃの所定の電圧Ｖ１〜Ｖ３は、電圧検出器２４ａ〜２４ｃ内の抵抗の分圧比によって、適切に設定することができる。電圧検出器２４ａ〜２４ｃの出力を適切に設定することによって、低電位側のスイッチから順次オフさせることができる。
【００５７】
上述では、主回路電源１が起動し、直流電圧ＶＤＣが次第に上昇する場合の動作について説明したが、主回路電源１の起動後に、直流電圧ＶＤＣが変動する場合についても同様に説明することができる。すなわち、本実施形態の電源回路１０では、主回路電源１が出力する直流電圧ＶＤＣの値に応じて、オンまたはオフするスイッチ素子１３ａ〜１３ｃの数を設定する。スイッチ素子１３ａ〜１３ｃのオンまたはオフによって、電源回路１０は、電源回路１０で消費する電力を低減しつつ、ＤＣＤＣコンバータ３０に所望の電力を供給する。
【００５８】
上述では一例として、３つのスイッチによって抵抗値を切り替える場合について説明したが、１つまたは２つ、あるいは４つ以上の抵抗器を直列に接続し、それぞれスイッチを並列に接続する場合に容易に拡張することができる。
【００５９】
また、上述では、直列接続された抵抗器のそれぞれにスイッチを並列に接続する例について説明したが、すべての抵抗器にスイッチを接続する場合に限らない。直列に接続された抵抗器のいくつかにスイッチを並列に接続し、並列接続されたスイッチが存在しない抵抗器を設けるようにしてもよい。
【００６０】
本実施形態の電源回路１０の効果について説明する。
本実施形態の電源回路１０では、直列に接続された抵抗器１１ａ〜１１ｃと、それぞれの抵抗器１１ａ〜１１ｃに接続されたスイッチ素子１３ａ〜１３ｃと、を備えている。そして、電源回路１０は、主回路電源１が出力する直流電圧ＶＤＣの大きさに応じて、ハイレベルまたはローレベルを出力する制御回路２０を備えている。制御回路２０は、直流電圧ＶＤＣが低い場合にスイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせる。そのため、電源回路１０は、負荷（ＤＣＤＣコンバータ３０）に動作するための十分な電力を供給することができる。
【００６１】
電源回路１０では、制御回路２０は、直流電圧ＶＤＣが高いほど、オフさせるスイッチの数を増加させる。そのため、主回路電源１が出力する直流電圧ＶＤＣが高い場合に、直流抵抗値を大きくすることができ、抵抗器による損失を増大させることなく、負荷に所望の電力を供給することができる。
【００６２】
制御回路２０は、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせる回路として、ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃおよび抵抗器２２ａ〜２２ｃを有する。ツェナーダイオード２１ａ〜２１ｃおよび抵抗器２２ａ〜２２ｃは、それぞれ直列に接続され、抵抗器１１ａ〜１１ｃにそれぞれ並列に接続される。そのため、簡素な回路でスイッチ素子１３ａ〜１３ｃを確実にオンさせることができ、直流電圧ＶＤＣに応じた電力を負荷に供給することができる。
【００６３】
制御回路２０は、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオフさせる回路として、トランジスタ２３ａ〜２３ｃおよび電圧検出器２４ａ〜２４ｃを有する。電圧検出器２４ａ〜２４ｃは、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃそれぞれの低電位側の主端子よりも低電位のノードからスイッチ素子１３ａ〜１３ｃの制御端子の間の電圧を検出するように接続されている。
【００６４】
電圧検出器２４ａは、制御回路２０の出力Ｏａ１と端子３ｂとの間の電圧を検出するように接続されている。スイッチ素子１３ａの低電位側の主端子（ソース）は、出力Ｏａ２に接続されている。端子３ｂは、出力Ｏａ２よりも低電位である。電圧検出器２４ａは、端子３ｂに接続された一方の入力によって、出力Ｏａ２以下の電位を出力することもでき、安定して、スイッチ素子１３ａをオフさせることができる。
【００６５】
電圧検出器２４ｂは、制御回路２０の出力Ｏｂ１と出力Ｏａ２との間の電圧を検出するように接続されている。スイッチ素子１３ｂの低電位側のソースは、出力Ｏｂ２に接続されている。出力Ｏａ１は、出力Ｏｂ２よりも低電位である。電圧検出器２４ｂは、出力Ｏａ２に接続された一方の入力によって、出力Ｏｂ２以下の電位を出力することもでき、安定して、スイッチ素子１３ｂをオフさせることができる。
【００６６】
同様に、電圧検出器２４ｃは、制御回路２０の出力Ｏｃ１と出力Ｏｂ２との間の電圧を検出するように接続されている。スイッチ素子１３ｃの低電位側のソースは、出力Ｏｃ２に接続されている。出力Ｏｂ１は、出力Ｏｃ２よりも低電位である。電圧検出器２４ｃは、出力Ｏｂ１に接続された一方の入力によって、出力Ｏｃ２以下の電位を出力することもでき、安定して、スイッチ素子１３ｃをオフさせることができる。
【００６７】
このように、オフしたスイッチの高電位側に接続されたスイッチを容易にオフさせるための電圧を確保することができるので、確実にスイッチをオフさせることができる。また、電圧検出器２４ａ〜２４ｃは、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオフさせる場合の出力を、任意に設定することができ、より低電位側のスイッチからオフさせるように設定することによって、安定かつ低損失で負荷に電力を供給することができる。
【００６８】
（第２の実施形態）
高電圧を取り扱う電力変換装置等の場合には、取り扱う電圧に対して、スイッチング素子の耐圧が十分でない場合がある。そのような場合には、スイッチング素子を直列に接続し、同一のゲート駆動信号を供給して、１つのスイッチング素子のように動作させる。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、本実施形態のスイッチング素子駆動回路用の電源回路を例示するブロック図である。
本実施形態では、直列に接続されるスイッチング素子ごとに、スイッチング素子駆動回路用の電源回路１１０が設けられる。電源回路１１０も端子３ａ，３ｂによって他の電源回路１１０と直列に接続される。
【００６９】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、スイッチング素子駆動回路１５０は、電源回路１１０と、ゲート駆動回路４０と、を含む。電源回路１１０は、ＤＣＤＣコンバータ１３０の構成が異なる以外は、上述の他の実施形態の場合と同じ構成である。ゲート駆動回路４０は、上述の他の実施形態の場合にゲート駆動回路４０ａ，４０ｂと同一の構成を有する。上述の他の実施形態の場合と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００７０】
スイッチング素子駆動回路１５０は、他の回路との接続のための端子３ａ，３ｂを含む。スイッチング素子駆動回路１５０は、スイッチング素子４と接続するための端子１５１ａ，１５１ｂを含む。スイッチング素子駆動回路１５０は、端子３ａ，３ｂを介して、他のスイッチング素子駆動回路１５０と直列に接続されている。具体的には、高電位側のスイッチング素子駆動回路１５０の端子３ｂと低電位側のスイッチング素子駆動回路１５０の端子３ａとが接続されている。もっとも高電位側のスイッチング素子駆動回路１５０の端子３ａは、主回路電源１０１の高電位側の出力に接続される。もっとも低電位側のスイッチング素子駆動回路１５０の端子３ｂは、主回路電源１０１の低電位側の出力に接続される。
【００７１】
スイッチング素子駆動回路１５０は、端子１５１ａ，１５１ｂを介して、スイッチング素子４に接続されている。具体的には、端子１５１ａはスイッチング素子４のゲートに接続され、端子１５１ｂは、スイッチング素子のエミッタに接続されている。２つのスイッチング素子４は、直列に接続されている。
【００７２】
スイッチング素子駆動回路１５０は、ゲート信号ｖｇを入力するための端子１５２を含む。スイッチング素子駆動回路１５０は、入力されたゲート信号ｖｇに応じて、ゲート駆動信号ＶＧを出力する。直列に接続されたスイッチング素子駆動回路１５０の端子１５２には、同位相のゲート信号ｖｇが供給される。
【００７３】
電源回路１１０は、ＤＣＤＣコンバータ１３０を含んでおり、１つのゲート駆動回路４０のための出力を有する。上述の他の実施形態のおけるＤＣＤＣコンバータ３０が２つのゲート駆動回路４０ａ，４０ｂのために２つの絶縁された出力を有している点で異なっている。ＤＣＤＣコンバータ１３０の入力は、補助電源回路１２を介して直列接続された抵抗器１１ａ〜１１ｃに接続されている。ただし、ＤＣＤＣコンバータについては、上述の他の実施形態の場合に説明したのと同様に、スイッチング素子やゲート駆動回路の回路構成に応じて適切に設定される。
【００７４】
本実施形態の電源回路１１０の動作について説明する。
本実施形態の電源回路１１０では、主回路電源１０１が起動し、直流電圧ＶＤＣ０が出力されると、スイッチング素子駆動回路１５０がｎ個直列に接続されている場合には、電源回路１１０には、端子３ａ，３ｂを介して、ＶＤＣ０／ｎの直流電圧が印加される。直流電圧ＶＤＣ０／ｎが印加された電源回路１１０は、上述した他の実施形態の場合と同様に動作する。すなわち、制御回路２０は、ＶＤＣ０／ｎに応じて、スイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせ、あるいはオフさせる。ＶＤＣ０／ｎが低い場合には、すべてのスイッチ素子１３ａ〜１３ｃをオンさせ、ＶＤＣ／ｎが高くなるにしたがい、低電位側のスイッチからオフする。
【００７５】
このように、スイッチング素子４を直列に接続し、それぞれのスイッチング素子４を駆動するスイッチング素子駆動回路１５０を設けて直列に接続することによって、スイッチング素子４よりも高い主回路電源の直流電圧を取り扱うことが可能になる。
【００７６】
（第３の実施形態）
本実施形態では、電力変換装置は、上述した他の実施形態の場合の電源回路を備える。
図３は、本実施形態の電力変換装置を例示するブロック図である。
図３に示すように、電力変換装置２００は、主回路２０２と、制御装置２０６と、を備える。電力変換装置２００は、端子２０３ａ，２０３ｂを含んでおり、端子２０３ａ，２０３ｂを介して、主回路電源２０１に接続される。電力変換装置２００は、制御装置２０６を備えており、主回路２０２は、制御装置２０６が生成するゲート信号ｖｇｉによって動作する。ここで、ｉ＝１〜６である。
【００７７】
主回路２０２は、スイッチング素子駆動回路５０と、スイッチング素子４ａ，４ｂと、を含む。スイッチング素子駆動回路５０およびスイッチング素子４ａ，４ｂは、上述した他の実施形態の場合と同一である。主回路２０２は、スイッチング素子駆動回路５０およびスイッチング素子４ａ，４ｂの組を３つ含む。電力変換装置２００は、この例では、三相交流を出力するインバータ装置である。
【００７８】
上述のスイッチング素子４ａ，４ｂを直列接続し、対応するスイッチング素子駆動回路５０も直列接続することによって、より高電圧を出力する主回路電源に適用することもできる。
【００７９】
以上説明した実施形態によれば、主回路電源の電圧値によらず、抵抗器のジュール損失を抑えたスイッチング素子駆動用の電源回路を実現することができる。
【００８０】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１  主回路電源、２  主回路、３ａ，３ｂ  端子、４，４ａ，４ｂ  スイッチング素子、１０  電源回路、１１ａ〜１１ｃ，１４ａ〜１４ｃ  抵抗器、１２  補助電源回路、１３ａ〜１３ｃ  スイッチ素子、２０  制御回路、２１ａ〜２１ｃ  ツェナーダイオード、２２ａ〜２２ｃ  抵抗器、２３ａ〜２３ｃ  トランジスタ、２４ａ〜２４ｃ  電圧検出器、３０  ＤＣＤＣコンバータ、４０，４０ａ，４０ｂ  ゲート駆動回路、５０  スイッチング素子駆動回路、１０１  主回路電源、１１０  電源回路、１３０  ＤＣＤＣコンバータ、１５０  スイッチング素子駆動回路、２００  電力変換装置、２０１  主回路電源、２０２  主回路、２０６  制御装置
【図１】
2019050679.tif 000003
【図２】
2019050679.tif 000004
【図３】
2019050679.tif 000005