(57)【要約】【課題】ダイオードは無制御で整流できる代わりに、順方向電圧降下による電力損失が大きく、電力変換器の効率低下を招いていた。【解決手段】トランスと、前記トランスの２次側に位置し、反転して駆動される少なくとも１対の自己消弧素子を有するフルブリッジ整流回路と、前記トランスの１次側の負極側接続線と前記トランスの２次側の負極側接続線線とを接続する接続手段と、前記トランスの１次側及び２次側の回路を駆動するために共通に利用される制御回路とを備え、前記自己消弧素子が、前記制御回路により駆動される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスと、
前記トランスの２次側に位置し、反転して駆動される少なくとも１対の自己消弧素子を有するフルブリッジ整流回路と、
前記トランスの１次側の負極側接続線と前記トランスの２次側の負極側接続線線とを接続する接続手段と、
前記トランスの１次側及び２次側の回路を駆動するために共通に利用される制御回路とを備え、
前記自己消弧素子が、前記制御回路により駆動されることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記制御回路は、前記トランスの１次側の回路から電源供給を受けることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記フルブリッジ整流回路において、他の１対の素子が非自己消弧素子で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記フルブリッジ整流回路において、反転して駆動される他の１対の素子が自己消弧素子で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。
【請求項５】
前記トランスは、入力段にフルブリッジのインバータ回路を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換器。
【請求項６】
トランスと、
前記トランスの２次側に位置し、第１の自己消弧素子と、第２の自己消弧素子と、
第３の自己消弧素子と、第４の自己消弧素子とを有するフルブリッジ整流回路と、
前記トランスの１次側の負極側接続線と前記トランスの２次側の負極側接続線線とを接続する接続手段と、
前記トランスの１次側及び２次側の回路を駆動するために共通に利用される制御回路とを備え、
前記第第１及び第４の自己消弧素子が、前記制御回路からの第１の駆動信号に基づいて駆動され、
前記第第２及び第３の自己消弧素子が、前記制御回路からの第２の駆動信号に基づいて駆動される
ことを特徴とする電力変換器。
【請求項７】
前記制御回路は、前記トランスの１次側の回路から電源供給を受けることを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
【請求項８】
前記第１の駆動信号にバイアスを印加する第１のバイアス回路を更に備え、
前記第１の自己消弧素子は、前記第１のバイアス回路により前記バイアスが印加された前記第１の駆動信号により駆動されることを特徴とする請求項６又は７に記載の電力変換器。
【請求項９】
前記第２の駆動信号にバイアスを印加する第２のバイアス回路を更に備え、
前記第２の自己消弧素子は、前記第２のバイアス回路により前記バイアスが印加された前記第２の駆動信号により駆動されることを特徴とする請求項８に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
図５は、従来の電力変換器６の概念図である。直流電源１は公知公用の直流電圧源である。電力変換器６は主として、コンデンサ２１、主変換回路２２、トランス２３、整流回路６５、コンデンサ２６、制御回路２７より構成される公知公用のプッシュプル回路である。
【０００２】
コンデンサ２１およびコンデンサ２６は、電力変換器６の入力および出力の直流電圧を平滑化するためのコンデンサであり、入力および出力の端子間に接続する。主変換回路２２は、ＭＯＳＦＥＴ２２３およびＭＯＳＦＥＴ２２４で構成される電力変換器６の１次側主変換回路であり、直流電源１の直流電力を入力して矩形波状の交流をトランス２３へ出力する。なお、これらＭＯＳＦＥＴのソース電極はローサイドラインと接続する。
【０００３】
トランス２３は、公知公用のプッシュプル回路に適用する入出力が絶縁型のプッシュプルトランスであり、前記主変換回路２２が出力する矩形波状の交流電力を入力して、整流回路６５へ矩形波状の交流電力を出力する。なお、トランス２３のコイルは１次コイルおよび２次コイルより構成される。さらに詳細には、１次コイルは直列化された１組の同一コイルであるコイル２３１およびコイル２３２より構成され、これらコイルの直列接続点が１次コイルのセンタタップ（以下ＣＴ）として取り出される。そして、直流電源１のプラス電極と接続する。また、コイル２３１およびコイル２３２のＣＴと他端の端子は、ＭＯＳＦＥＴ２２３およびＭＯＳＦＥＴ２２４のドレイン電極と接続する。さらに、２次コイル２３３は整流回路６５と接続する。
【０００４】
整流回路６５はフルブリッジ整流回路であり、トランス２３が出力する交流電力を整流して電力変換器６の出力として出力する。なお、整流回路６５は、ダイオード２５１、ダイオード２５２、ダイオード６５３、ダイオード６５４より構成される。制御回路２７は電力変換器６の制御回路であり、制御電源部２７１やパルス発生部２７２およびゲート駆動部２７３より構成される。
【０００５】
制御電源部２７１は、電力変換器６の１次側の直流電力（すなわち直流電源１の直流電力）を入力して、パルス発生部２７２およびゲート駆動部２７３へ電力供給する。またパルス発生部２７２は、パルス信号Ｓ１をゲート駆動部２７３へ出力する。そして、ゲート駆動部２７３はパルス信号Ｓ１を入力して、ゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３をＭＯＳＦＥＴ２２３およびＭＯＳＦＥＴ２２４のゲートへ出力する。
【０００６】
このような従来技術の電力変換器６においては、図５に示すようにトランスの出力電力はダイオードにより整流していた（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１１７０６６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイオードは無制御で整流できる代わりに、順方向電圧降下による電力損失が大きく、電力変換器の効率低下を招いていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明は、トランスと、前記トランスの２次側に位置し、反転して駆動される少なくとも１対の自己消弧素子を有するフルブリッジ整流回路と、前記トランスの１次側の負極側接続線と前記トランスの２次側の負極側接続線線とを接続する接続手段と、前記トランスの１次側及び２次側の回路を駆動するために共通に利用される制御回路とを備え、前記自己消弧素子が、前記制御回路により駆動されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１および図５を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の電力変換器２の構成の一例を示した概念図である。本実施形態の電力変換器２は主として、図５の電力変換器６に対して整流回路が異なる。詳細には、整流回路６５の代わりに整流回路２５を用いている点が異なる。また、電力変換器２の１次側と２次側の負極側接続線（以下、ローサイドライン或いは、マイナスライン）が接続されている点が異なる。そこで、これら相違点を中心として以下で本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
整流回路２５は、トランス２３が出力する矩形波状の交流電力を整流するフルブリッジの整流回路であり、上側アームが非自己消弧素子であるダイオード２５１およびダイオード２５２より構成される。そして同下側アームは、自己消弧素子であるＳＷ２５３およびＳＷ２５４より構成され、それぞれゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３により駆動される。このゲート駆動信号Ｓ２及びＳ３は互いに位相が反転した信号である。
【００１３】
以上のように、本実施の形態の電力変換器２は、整流回路２５の下側アームに同期整流を導入する。従って、ダイオードと比較すると順方向電圧降下が小さい自己消弧素子を同期整流に用いれば、図５の従来技術と比べて変換効率が高い電力変換器を提供できる。
【００１４】
しかし、ＳＷ２５３、２５４を独立に制御するための制御回路を追加した場合には、制御回路の規模が大きくなってしまい、装置自体の縮小化の妨げとなる。そこで、本実施の形態の電力変換器２は、主回路（トランス）の１次側と２次側のローサイドラインを接続したことにより、制御電源部２７１を共通の電源として整流回路２５の下側アームの自己消弧素子が駆動可能となる。従って、こうした同期整流を実施するために新たに電源を設ける必要が無く、制御系回路が非常にシンプルになるという大きなメリットを生む。
【００１５】
なお、本実施の形態は上記の構成に限定されない。要はトランス、前記トランスの２次側にフルブリッジ回路を形成してなる電力変換器において、前記トランスの１次側のローサイドラインと前記トランスの２次側のローサイドラインが接続され、前記フルブリッジ回路の下側アームのＳＷ素子が少なくとも自己消弧素子で形成されており、前記自己消弧素子を前記トランスの１次側に設けた制御電源にて駆動する構成であればよい。なお、整流回路の自己消弧素子を駆動するゲート駆動信号は、１次側のゲート駆動信号と完全に同期している必要は無い。本実施の形態においては、１次側を入力として２次側を出力として記載した。しかしながら、本実施の形態における２次側を入力として、１次側を出力とする応用も可能である。また、本実施の形態においては、制御電源を１次側へ配置したが、これを２次側へ配置することも可能である。
【００１６】
【第１の実施形態】
本発明に関わる一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
【００１７】
図２は、本発明の実施形態に係る電力変換器３の概念図である。なお、本実施形態の電力変換器３は整流回路２５の代わりに整流回路３５を用いている点が異なる。
【００１８】
詳細には、整流回路３５はダイオード２５１、ダイオード２５２、ＭＯＳＦＥＴ３５３、ＭＯＳＦＥＴ３５４で構成されるフルブリッジ整流回路であり、下側アームは同期整流素子としてＭＯＳＦＥＴを適用している。
【００１９】
なお、ＭＯＳＦＥＴ３５３およびＭＯＳＦＥＴ３５４は、ゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３により互いに反転して駆動される１対の自己消弧素子とみなすことができる。また、ダイオード２５１、ダイオード２５２は、フルブリッジ整流回路における他の１対の非自己消弧素子とみなすことができる。
【００２０】
以上の構成により、主変換回路２２の各ＭＯＳＦＥＴが直流電源１の直流電力を矩形波状の交流電力に変換して、これをトランス２３へ出力する。また整流回路３５の各ＭＯＳＦＥＴは、トランス２３が出力する交流電力と同期して動作することで、この交流電力を全波整流して電力変換器３の出力として出力する。
【００２１】
以上のように、本実施の形態の電力変換器３は、整流回路３５の同期整流素子として主変換回路２２のＳＷ素子と同一種類の自己消弧素子を適用する。従って、前記のゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３をそのまま同期整流素子の駆動信号として使用可能となる。
【００２２】
また、本実施形態における電力変換器は、少なくとも整流回路の下側アームに同期整流を導入する。従って、一般的にダイオードと比較すると順方向電圧降下が小さい、自己消弧素子の一種であるＭＯＳＦＥＴを同期整流に用いれば、図５の従来技術と比べて変換効率が高い電力変換器を提供することができる。
【００２３】
さらに、本発明の電力変換器は、主回路（トランス）の１次側と２次側のローサイドラインを接続したことにより、１次側の制御電源を共通の電源として、２次側の整流回路の下側アームのＭＯＳＦＥＴが駆動可能となる。よって、同期整流を実施するために新たに電源を設ける必要が無く、制御系回路を非常にシンプルに構成できるという大きな利点がある。
【００２４】
【第２の実施形態】
以下、図面を参照して本発明の異なる実施形態について、図２および図３を用いて説明する。
【００２５】
図３は、本発明の他の実施形態に係る電力変換器４の概念図である。なお電力変換器４は主として、前記図２の電力変換器３に対して、整流回路３５の代わりに整流回路４５を用いている点が異なる。
【００２６】
詳細には、整流回路４５の上側アームにＭＯＳＦＥＴ４５１およびＭＯＳＦＥＴ４５２を適用している。
【００２７】
ゲート駆動部２７３は、ソース電極がローサイドラインに接続されたＭＯＳＦＥＴ２２３、ＭＯＳＦＥＴ３５３、さらにハイサイドドライバ３９へゲート駆動信号Ｓ２を出力する。同様に、ＭＯＳＦＥＴ２２４およびＭＯＳＦＥＴ３５４、さらにハイサイドドライバ３８へゲート駆動信号Ｓ３を出力する。
【００２８】
ハイサイドドライバ３８およびハイサイドドライバ３９は、ゲート駆動の基準電位（ソース電位）が下側アームの同基準電位と異なる上側アームのゲートを駆動するための回路である。詳細には、ハイサイドドライバ３８およびハイサイドドライバ３９は、ＭＯＳＦＥＴ４５１およびＭＯＳＦＥＴ４５２のソース電極の電位に対してゲート駆動信号のゼロ電位を一致させるように、入力するゲート駆動信号Ｓ３およびゲート駆動信号Ｓ２に直流バイアスを印加する。なお、ハイサイドドライバ３８およびハイサイドドライバ３９の電源は、制御電源２７１から供給可能である。そして、これらゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３に同期したゲート駆動信号Ｓ４およびゲート駆動信号Ｓ５を出力する。
【００２９】
以上のように、本実施形態に対応する電力変換器３は、主回路（トランス）の１次側と２次側のローサイドラインを接続しているため、第１の実施形態と同様に制御電源部２７１を共通の電源として、整流回路４５の下側アームのＭＯＳＦＥＴが駆動可能となる。また、整流回路３５の全てに同期整流を導入しているため、変換効率が非常に高い電力変換器を提供できる。
【００３０】
【第３の実施形態】
以下、図面を参照して本発明のさらに異なる実施形態について、図２および図４を参照して説明する。
【００３１】
図４は、本発明の更に他の実施形態に係る電力変換器５の概念図である。なお電力変換器５は主として、前記図２の電力変換器３に対して、主変換回路とトランスの構成が異なる。詳細には、主変換回路２２およびトランス２３の代わりに、主変換回路５２およびトランス５３を用いている点が異なる。
【００３２】
主回路５２は、トランスの入力段に設置され、直流電源１の電力を入力してトランス２３へ矩形波状の交流電力を出力するフルブリッジのインバータ回路であり、ＭＯＳＦＥＴ５２１、ＭＯＳＦＥＴ５２２、ＭＯＳＦＥＴ５２３、ＭＯＳＦＥＴ５２４より構成される。また、ハイサイドドライバ４８およびハイサイドドライバ４９は、前記のハイサイドドライバ３８やハイサイドドライバ３９と同様の機能を有するゲート駆動回路であり、ＭＯＳＦＥＴ５２１およびＭＯＳＦＥＴ５２２のソース電極の所望の電位に対してゲート駆動信号のゼロ電位を一致させるように、入力するゲート駆動信号Ｓ２およびゲート駆動信号Ｓ３に直流バイアスを印加して、前記ＭＯＳＦＥＴ５２１およびＭＯＳＦＥＴ５２２のゲートへ、ゲート駆動信号Ｓ６およびゲート駆動信号Ｓ７を出力する。なお、ハイサイドドライバ５８およびハイサイドドライバ５９の電源は、制御電源２７１から供給可能である。
【００３３】
このように本発明の電力変換器は、主回路方式によらずに適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の電力変換器によれば、順方向電圧降下を低減して、変換効率が高い電力変換器を提供できる。
【００３５】
また、本発明の電力変換器によれば、１次側の制御電源を共通の電源として２次側の整流回路を駆動できるので、同期整流を実施するために新たに電源を設ける必要が無く、制御系回路の構成を簡単化して装置の規模を大幅に縮小できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換器２の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る電力変換器３の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る電力変換器４の構成の一例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る電力変換器５の構成の一例を示す図である。
【図５】従来技術に係る電力変換器６の概念図である。
【符号の説明】
１：  直流電源、２電力変換器、２１：コンデンサ、２２：主変換回路、２２３：ＭＯＳＦＥＴ、２２４：ＭＯＳＦＥＴ、２３：トランス、コイル：２３１、コイル：２３２、コイル：２３３、２５：整流回路、２５１：ダイオード、２５２：ダイオード、２５３：自己消弧素子、２５４：自己消弧素子、２６：コンデンサ、２７制御回路、２７１：制御電源部、２７２：パルス発生部、２７３：ゲート駆動部、３：電力変換器、３５：整流回路、３５３：ＭＯＳＦＥＴ、３５４：ＭＯＳＦＥＴ、４：電力変換器、４５：整流回路、４５１：ＭＯＳＦＥＴ、４５２：ＭＯＳＦＥＴ、３８：ハイサイドドライバ、３９：ハイサイドドライバ、４５１：ＭＯＳＦＥＴ、４５２：ＭＯＳＦＥＴ、４８：ハイサイドドライバ、４９：ハイサイドドライバ、５：電力変換器、５２：主変換回路、５２１：ＭＯＳＦＥＴ、５２２：ＭＯＳＦＥＴ、５２３：ＭＯＳＦＥＴ、５２４：ＭＯＳＦＥＴ、５３：トランス、５３１：コイル、５３２：コイル、５８：ハイサイドドライバ、５９：ハイサイドドライバ、６：電力変換器、６５：整流回路、６５３：ダイオード、６５４：ダイオード
【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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