(57)【要約】【課題】主回路部を構成するブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチＱ１〜Ｑ６がブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部１０と、電力変換部１０と負荷又は直流電源Ｅｉとを結合するトランスＴと、電力変換部１０内のスイッチＱ１〜Ｑ６をターンオン及びターンオフする直前に、電力変換部１０に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路２０とを有し、トランスＴは、電力変換部１０と負荷又は直流電源Ｅｉとの間に接続された第１巻線５ａと該第１巻線５ａに直列に接続された第２巻線５ｂとを有し、ソフトスイッチング制御回路２０は、第２巻線５ｂの他端からダイオードＤ３、Ｄ４を介して接続されたスイッチＱ８、Ｑ９をオン／オフして電源電圧Ｖｃｃを零電圧又は零電圧近傍に制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、
前記電力変換部と負荷又は電源とを結合するリアクトルと、
前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、
前記リアクトルは、
前記電力変換部と負荷又は電源との間に接続された第１巻線と該第１巻線に直列に接続された第２巻線とを有するトランスからなり、
前記ソフトスイッチング制御回路は、
前記第２巻線の他端からダイオードを介して接続されたスイッチをオン／オフすることにより、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ソフトスイッチング制御回路に有する前記スイッチは、前記電源電圧を上げるためのスイッチと前記電源電圧を下げるためのスイッチとからなることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ソフトスイッチング制御回路は、
前記電力変換部の第１入力端子と第２入力端子との間に接続され、第１スイッチとコンデンサとからなる直列回路と、
前記第１入力端子に一端が接続された前記第２巻線の他端に、一端が第１ダイオードを介して接続され且つ他端が前記第１スイッチと前記コンデンサとの接続点に接続された第２スイッチと、
前記第１入力端子に一端が接続された前記第２巻線の他端に、一端が第２ダイオードを介して接続され且つ他端が前記第２入力端子に接続された第３スイッチとを有し、
前記第２スイッチをオフさせると共に前記第３スイッチをオンさせた後、前記第１スイッチをオフさせることにより前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項４】
複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、
前記電力変換部と負荷又は電源とを結合する第１リアクトルと、
前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、
前記ソフトスイッチング制御回路は、
前記電力変換部の入力端子の間に接続され、ブリッジ接続された複数のダイオードと、
前記ブリッジ接続された複数のダイオードの少なくとも２個に並列に接続されたスイッチと、
前記ブリッジ接続された複数のダイオードの直流出力端子の間に接続された第２リアクトルとを有し、
前記ブリッジ接続された複数のダイオードの少なくとも２個に並列に接続されたスイッチをオンすることにより、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、
前記電力変換部と負荷又は電源とを結合する第１リアクトルと、
前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、
前記ソフトスイッチング制御回路は、
前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第１スイッチとコンデンサとからなる第１直列回路と、
前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第２スイッチに並列に接続された第１ダイオードと第２ダイオードとからなる第２直列回路と、
前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第３スイッチに並列に接続された第３ダイオードと第４ダイオードとからなる第３直列回路と、
前記第２スイッチと前記第２ダイオードとの接続点と、前記第４ダイオードと前記第３スイッチとの接続点との間に接続された第２リアクトルとを有し、
前記第２スイッチ及び前記第３スイッチをオンさせた後に、前記第１スイッチをオフさせることにより前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記電力変換部に有する前記複数のスイッチは、ノーマリーオンタイプのスイッチからなり、
前記電力変換部に有する前記複数のスイッチをオフさせた後、前記電力変換部に有する前記複数のスイッチをオン／オフさせる電力変換動作を開始させる制御回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流から直流又は直流から交流に電力を変換する電力変換装置に関し、特にその主回路部におけるソフトスイッチング技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、交流電力を直流電力に変換するコンバータや直流電力を交流電力に変換するインバータを有する電力変換装置が知られている。図８は従来の電力変換装置で採用されている、直流電力を３相の交流電力に変換する主回路部の構成を示す回路図である。主回路部は、直流電源Ｅｉ、電力変換部１００、リアクトルＬ２〜Ｌ４から構成されている。
【０００３】
電力変換部１００は、３相ブリッジ接続された絶縁ゲート型のＦＥＴからなるスイッチＱ１〜Ｑ６と、これらに並列に接続された帰還用のダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６とから構成されている。
【０００４】
電力変換部１００において、スイッチＱ１とスイッチＱ２とからなる第１直列回路と、スイッチＱ３とスイッチＱ４とからなる第２直列回路と、スイッチＱ５とスイッチＱ６とからなる第３直列回路との各々の一端は、直流電源Ｅｉの正極端に接続され、他端は直流電源Ｅｉの負極端に接続されている。
【０００５】
また、スイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点は、リアクトルＬ２を介して第１出力端子Ｏ１に接続され、スイッチＱ３とスイッチＱ４との接続点は、リアクトルＬ３を介して第２出力端子Ｏ２に接続され、スイッチＱ５とスイッチＱ６との接続点は、リアクトルＬ４を介して第３出力端子Ｏ３に接続されている。
【０００６】
電力変換装置は、図示しない制御回路からの制御信号により、電力変換部１００を構成するスイッチＱ１〜Ｑ６を所定のタイミングでオン／オフさせることにより、出力端子（Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３）から負荷に３相の交流電力を供給する。
【０００７】
このように構成された従来の電力変換装置は、直流電源Ｅｉから電力変換部１００に電圧が印加された状態で、電力変換部１００内のスイッチＱ１〜Ｑ６がオン／        オフされる、所謂ハードスイッチングが行われる。その結果、スイッチング損失が生じ、電力変換効率を向上させることができなかった。また、ハードスイッチングでは、電流及び電圧変化に伴う高調波やＥＭＩノイズも発生する。
【０００８】
そこで、近年、電圧又は電流が零になった状態でスイッチＱ１〜Ｑ６をオン／オフさせるソフトスイッチング技術を採用した電力変換装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
この電力変換装置では、電力変換部からなるコンバータがリアクトルを介して交流電源に接続されると共に、コンバータの出力直流ライン間にコンデンサが接続されている。ソフトスイッチング制御回路の制御により、コンデンサを短絡する期間を設け、コンデンサの電圧がほぼ零になった時にコンバータのスイッチをターンオン制御する。これにより、コンバータ及びインバータ内のスイッチのオン／オフに伴うスイッチング損失を低減することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１１６１３７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、インバータやコンバータを用いた電力変換装置が多岐にわたる分野で使用されていることから、更なるスイッチング損失の改善及びスイッチングノイズの低減が望まれている。
【００１２】
本発明は、主回路部を構成するブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、前記電力変換部と負荷又は電源とを結合するリアクトルと、前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、前記リアクトルは、前記電力変換部と負荷又は電源との間に接続された第１巻線と該第１巻線に直列に接続された第２巻線とを有するトランスからなり、前記ソフトスイッチング制御回路は、前記第２巻線の他端からダイオードを介して接続されたスイッチをオン／オフすることにより、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によれば、リアクトルの第２巻線の他端からダイオードを介して接続されたスイッチをオン／オフすることにより、電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御し、この状態で電力変換部内の複数のスイッチがターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部において零電圧スイッチング動作が行われるので、ブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明において、前記ソフトスイッチング制御回路に有する前記スイッチは、前記電源電圧を上げるためのスイッチと前記電源電圧を下げるためのスイッチとからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１記載の発明において、前記ソフトスイッチング制御回路は、前記電力変換部の第１入力端子と第２入力端子との間に接続され、第１スイッチとコンデンサとからなる直列回路と、前記第１入力端子に一端が接続された前記第２巻線の他端に、一端が第１ダイオードを介して接続され且つ他端が前記第１スイッチと前記コンデンサとの接続点に接続された第２スイッチと、前記第１入力端子に一端が接続された前記第２巻線の他端に、一端が第２ダイオードを介して接続され且つ他端が前記第２入力端子に接続された第３スイッチとを有し、前記第２スイッチをオフさせると共に前記第３スイッチをオンさせた後、前記第１スイッチをオフさせることにより前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、前記電力変換部と負荷又は電源とを結合する第１リアクトルと、前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、前記ソフトスイッチング制御回路は、前記電力変換部の入力端子の間に接続され、ブリッジ接続された複数のダイオードと、前記ブリッジ接続された複数のダイオードの少なくとも２個に並列に接続されたスイッチと、前記ブリッジ接続された複数のダイオードの直流出力端子の間に接続された第２リアクトルとを有し、前記ブリッジ接続された複数のダイオードの少なくとも２個に並列に接続されたスイッチをオンすることにより、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明によれば、ブリッジ接続された複数のダイオードの少なくとも２個に並列に接続されたスイッチをオンすることにより、電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御し、この状態で電力変換部内の複数のスイッチがターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部において零電圧スイッチング動作が行われるので、ブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる。
【００１９】
請求項５の発明は、複数のスイッチがブリッジ接続され、直流を交流又は交流を直流に変換する電力変換部と、前記電力変換部と負荷又は電源とを結合する第１リアクトルと、前記電力変換部内の複数のスイッチをターンオン及びターンオフする直前に、前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御するソフトスイッチング制御回路とを有し、前記ソフトスイッチング制御回路は、前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第１スイッチとコンデンサとからなる第１直列回路と、前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第２スイッチに並列に接続された第１ダイオードと第２ダイオードとからなる第２直列回路と、前記電力変換部の入力端子の間に接続され、第３スイッチに並列に接続された第３ダイオードと第４ダイオードとからなる第３直列回路と、前記第２スイッチと前記第２ダイオードとの接続点と、前記第４ダイオードと前記第３スイッチとの接続点との間に接続された第２リアクトルとを有し、前記第２スイッチ及び前記第３スイッチをオンさせた後に、前記第１スイッチをオフさせることにより前記電力変換部に供給される電源電圧を零電圧又は零電圧近傍に制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の発明において、前記電力変換部に有する前記複数のスイッチは、ノーマリーオンタイプのスイッチからなり、前記電力変換部に有する前記複数のスイッチをオフさせた後、前記電力変換部に有する前記複数のスイッチをオン／オフさせる電力変換動作を開始させる制御回路を有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ｅｉ、トランスＴ、電力変換部１０、リアクトルＬ２〜Ｌ４、及びソフトスイッチング制御回路２０から構成されている。
【００２３】
トランスＴは、本発明のリアクトルに対応する。トランスＴは、第１巻線５ａ（巻数ｎ１）と第２巻線５ｂ（巻数ｎ２）とがコアに巻回され、且つ、第１巻線５ａに第２巻線５ｂが直列に接続されている。
【００２４】
直流電源Ｅｉの正極端は、トランスＴの第１巻線５ａの一端に接続され、直流電源Ｅｉの負極端は接地されている。トランスＴの第１巻線５ａの他端は電力変換部１０の第１入力端子Ｊ１及びトランスＴの第２巻線５ｂの一端に接続されている。
【００２５】
この例では、電力変換部１０は、直流を交流に変換するインバータである。電力変換部１０は、３相ブリッジ接続された絶縁ゲート型のＦＥＴからなるスイッチＱ１〜Ｑ６と、これらスイッチＱ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６と、スイッチＱ１〜Ｑ６にそれぞれ並列に接続されたコンデンサＣｑ１〜Ｃｑ６とから構成されている。
【００２６】
スイッチＱ１とダイオードＤｑ１とコンデンサＣｑ１とからなる並列回路とスイッチＱ２とダイオードＤｑ２とコンデンサＣｑ２とからなる並列回路とは直列に接続されて第１直列回路を構成する。スイッチＱ３とダイオードＤｑ３とコンデンサＣｑ３とからなる並列回路とスイッチＱ４とダイオードＤｑ４とコンデンサＣｑ４とからなる並列回路とは直列に接続されて第２直列回路を構成する。スイッチＱ５とダイオードＤｑ５とコンデンサＣｑ５とからなる並列回路とスイッチＱ６とダイオードＤｑ６とコンデンサＣｑ６とからなる並列回路とは直列に接続されて第３直列回路を構成する。第１乃至第３直列回路の各々の一端は、第１入力端子Ｊ１に接続され、第１乃至第３直列回路の各々の他端は第２入力端子Ｊ２に接続（接地）されている。
【００２７】
また、スイッチＱ１とスイッチＱ２との接続点は、リアクトルＬ２を介して第１出力端子Ｏ１に接続され、スイッチＱ３とスイッチＱ４との接続点は、リアクトルＬ３を介して第２出力端子Ｏ２に接続され、スイッチＱ５とスイッチＱ６との接続点は、リアクトルＬ４を介して第３出力端子Ｏ３に接続されている。第１乃至第３出力端子Ｏ１〜Ｏ３には、例えば負荷（図示しない）が接続される。また、電力変換部１０の第１入力端子Ｊ１と第２入力端子Ｊ２（接地）との間に印加される電圧を電源電圧Ｖｃｃとする。
【００２８】
制御回路１１は、ゲート電圧Ｑ１ｇ〜Ｑ６ｇを電力変換部１０に有するスイッチＱ１〜Ｑ６に出力してスイッチＱ１〜Ｑ６をオン／オフ制御する。
【００２９】
電力変換部１０の電力変換動作の１周期は、期間ＴＭ１〜期間ＴＭ６からなり、期間ＴＭ１では、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６がオフする。期間ＴＭ２では、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ６がオンし、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ５がオフする。期間ＴＭ３では、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ６がオンし、スイッチＱ２，Ｑ４，Ｑ５がオフする。期間ＴＭ４では、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ６がオンし、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ５がオフする。期間ＴＭ５では、スイッチＱ２，Ｑ３，Ｑ５がオンし、スイッチＱ１，Ｑ４，Ｑ６がオフする。期間ＴＭ６では、スイッチＱ２，Ｑ４，Ｑ５がオンし、スイッチＱ１，Ｑ３，Ｑ６がオフする。
【００３０】
ソフトスイッチング制御回路２０は、スイッチＱ１〜Ｑ６をターンオン及びターンオフする直前に、電力変換部１０に対し、零電圧又は零電圧近傍の電源電圧Ｖｃｃを供給する制御を行う。ソフトスイッチング制御回路２０は、ソフトスイッチング制御部２１と、スイッチ制御回路２３とからなる。ソフトスイッチング制御部２１は、絶縁ゲート型のＦＥＴからなるスイッチＱ７〜Ｑ９と、これらスイッチＱ７〜Ｑ９にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードＤｑ７〜Ｄｑ９と、ダイオードＤ３，Ｄ４と、コンデンサＣ２とを有している。
【００３１】
スイッチＱ７の一端は、トランスＴの第２巻線５ｂの一端に接続され、スイッチＱ７の他端は、コンデンサＣ２の一端に接続され、コンデンサＣ２の他端は接地されている。
【００３２】
スイッチＱ８の一端は、ダイオードＤ３のアノードに接続され、ダイオードＤ３のカソードはトランスＴの第２巻線５ｂの他端に接続されている。また、スイッチＱ８の他端はコンデンサＣ２の一端に接続されている。
【００３３】
スイッチＱ９の一端は接地され、他端はダイオードＤ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ４のアノードはトランスＴの第２巻線５ｂの他端に接続されている。スイッチＱ８は、電力変換部１０の電圧を上げるためのスイッチであり、スイッチＱ９は、電力変換部１０の電圧を下げるためのスイッチである。
【００３４】
スイッチ制御回路２３は、ゲート電圧Ｑ７ｇ〜Ｑ９ｇをソフトスイッチング制御部２１に有するスイッチＱ７〜Ｑ９に出力してスイッチＱ７〜Ｑ９をオン／オフ制御する。
【００３５】
次に、このように構成された第１の実施の形態に係る電力変換装置の動作を、図２及び図３に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図３は図２の期間Ｔ１〜Ｔ６を拡大して示したものである。
【００３６】
ここでは、電力変換部１０の電力変換動作の期間ＴＭ１〜期間ＴＭ６の内の例えば１つの期間ＴＭ１の動作を説明するものとし、この期間ＴＭ１は、期間Ｔ１〜Ｔ１４を１周期とする。図２では、１周期における各部の信号の変化を示す。図２及び図３において、Ｑ１ｇ〜Ｑ９ｇは、スイッチＱ１〜Ｑ９のゲートに印加されるゲート電圧を示す。また、Ｖｑ２、Ｖｑ４、Ｖｑ６、Ｖｑ７、Ｖｑ８及びＶｑ９は、スイッチＱ２、スイッチＱ４、スイッチＱ６、スイッチＱ７、スイッチＱ８及びスイッチＱ９のドレイン−ソース間電圧をそれぞれ示す。また、Ｖｃｃは電力変換部１０の第１入力端子Ｊ１と第２入力端子Ｊ２（接地）との間に供給される電源電圧を示し、Ｉｎ２はトランスＴの第２巻線５ｂに流れる電流を示す。
【００３７】
まず、期間Ｔ１において、図２に示すように、スイッチＱ７がオンであり、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＨレベルになり、スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＬレベルになる。その結果、スイッチＱ９がオンし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ９は零になる。同時に、スイッチＱ８がオフし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ８は上昇する。これにより、コンデンサＣ２からスイッチＱ７、トランスＴの第２巻線５ｂ、ダイオードＤ４及びスイッチＱ９を介してグランドに電流が流れて、電流は徐々に増加する。このため、トランスＴの第２巻線５ｂに流れる電流Ｉｎ２は、零から徐々に増加する。
【００３８】
次に、期間Ｔ２において、図２に示すように、スイッチＱ７のゲート電圧Ｑ７ｇがＬレベルになり、スイッチＱ７がオフする。このため、スイッチＱ７のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ７が上昇し始める。また、トランスＴの第１巻線５ａで電圧が発生し始め、電力変換部１０に供給されている電源電圧Ｖｃｃが下がり始める。
【００３９】
電源電圧Ｖｃｃが下降して零になると、期間Ｔ３になる。期間Ｔ３から期間Ｔ５までの間は、電源電圧Ｖｃｃが零になっている期間であり、この期間内で、スイッチＱ１〜Ｑ６のうちの必要なスイッチがオンされる。図２及び図３に示した例では、ゲート電圧Ｑ１ｇ，Ｑ４ｇ，Ｑ５ｇが期間Ｔ４でＨレベルになり、スイッチＱ１、スイッチＱ４及びスイッチＱ５がターンオンされる。これらスイッチＱ１、スイッチＱ４及びスイッチＱ５は、電源電圧Ｖｃｃが印加されていない状態（零電圧状態）でオンされるので、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が行われることになる。
【００４０】
また、期間Ｔ３では、トランスＴの第２巻線５ｂに流れる電流Ｉｎ２は、減衰する。そして、電流Ｉｎ２が零になると、期間Ｔ４になり、所定時間だけ継続される。
【００４１】
次に、期間Ｔ４において、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＬレベルになると共に、スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＨレベルになり、期間Ｔ５に移る。期間Ｔ５では、スイッチＱ９がオフし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ９が上昇すると共に、スイッチＱ８がオンし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ８が零になる。
【００４２】
そして、トランスＴの第２巻線５ｂに流れる電流Ｉｎ２がある程度大きくなった時、即ち、期間Ｔ５の最後で、スイッチＱ１〜スイッチＱ６のうちの必要なスイッチがオフされる。図２及び図３に示した例では、ゲート電圧Ｑ２ｇ，Ｑ３ｇ，Ｑ６ｇが期間Ｔ５でＬレベルになり、スイッチＱ２、スイッチＱ３及びスイッチＱ６がターンオフされる。これらスイッチＱ２、スイッチＱ３及びスイッチＱ６は、電源電圧Ｖｃｃが印加されていない状態（零電圧状態）でオフされるので、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が行われることになる。その後、期間Ｔ６に移行する。
【００４３】
期間Ｔ６では、電力変換部１０に供給される電源電圧Ｖｃｃが徐々に上昇する。そして、スイッチＱ７のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ７が零になると、期間Ｔ７に移行する。
【００４４】
期間Ｔ７では、スイッチＱ７のゲート電圧Ｑ７ｇがＨレベルになり、スイッチＱ７がオンする。期間Ｔ７では、トランスＴの第２巻線５ｂに流れる電流Ｉｎ２が徐々に減少し、その電流Ｉｎ２が零になると、期間Ｔ８に移行する。
【００４５】
期間Ｔ７以降の期間で、スイッチＱ１〜Ｑ６のうちの必要なスイッチがオフされる。このスイッチがオフされるときには、スイッチには順方向に電流が流れているので、スイッチに並列に接続されているソフトスイッチング用のコンデンサＣｑ１〜Ｃｑ６によりソフトスイッチングが行われる。
【００４６】
図２に示した例では、期間Ｔ８の最後で、スイッチＱ１のゲート電圧Ｑ１ｇがＬレベルになり、スイッチＱ１がオフすると、期間Ｔ９に移る。期間Ｔ９では、スイッチＱ１のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ１（図示しない）がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ２は、図２に示すように、緩やかに下降する。スイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ２が下降して零になると、期間Ｔ１０に移行する。
【００４７】
期間Ｔ１０では、スイッチＱ２のゲート電圧Ｑ２ｇがＨレベルになり、スイッチＱ２がオンする。期間Ｔ１０の最後で、スイッチＱ５のゲート電圧Ｑ５ｇがＬレベルになり、スイッチＱ５がオフして期間Ｔ１１に移行する。
【００４８】
期間Ｔ１１では、スイッチＱ５のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ５（図示しない）がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ６のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ６が、緩やかに下降する。スイッチＱ６のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ６が下降して零になると、期間Ｔ１２に移行する。
【００４９】
期間１２では、スイッチＱ６のゲート電圧Ｑ６ｇがＨレベルになり、スイッチＱ６がオンする。期間１２の最後で、スイッチＱ４のゲート電圧Ｑ４ｇがＬレベルになり、スイッチＱ４がオフすると、期間Ｔ１３に移る。
【００５０】
期間１３では、スイッチＱ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ４がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ３のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ３が緩やかに下降する（図示しない）。スイッチＱ３のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ３が下降して零になると、期間１４に移行する。
【００５１】
期間１４では、スイッチＱ３のゲート電圧Ｑ３ｇがＨレベルになり、スイッチＱ３がオンする。その後、所定時間後に、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＨレベルになり、スイッチＱ９がオンすると共に、第８スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＬレベルになり、スイッチＱ８がオフして、期間Ｔ１に戻る。
【００５２】
このように、第１の実施の形態に係る電力変換装置によれば、リアクトル（トランスＴ）とソフトスイッチング制御回路２０とを用いて、電力変換部内１０のスイッチＱ１〜Ｑ６をターンオン及びターンオフする直前に、スイッチＱ８をオフさせると共にスイッチＱ９をオンさせた後、スイッチＱ７をオフさせることにより、電力変換部１０に供給される電源電圧Ｖｃｃを零電圧又は零近傍に制御し、この状態で電力変換部１０内のスイッチＱ１〜Ｑ６がターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部１０において零電圧スイッチング動作が行われるので、電力変換に伴うスイッチング損失及びスイッチングノイズが低減される。
【００５３】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置は、ブリッジ接続されたダイオードの直流出力端子にリアクトルを接続したことを特徴とするものである。
【００５４】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ｅｉ、電力変換部１０、リアクトルＬ１〜Ｌ５、及びソフトスイッチング制御回路３０から構成されている。
【００５５】
直流電源Ｅｉの正極端は、リアクトルＬ１の一端に接続され、負極端は接地されている。リアクトルＬ１の他端は電力変換部１０の第１入力端子Ｊ１及びソフトスイッチング制御回路３０の入力端子Ｊ３に接続されている。ソフトスイッチング制御回路３０の入力端子Ｊ４は接地されている。
【００５６】
電力変換部１０、制御回路１１及び電力変換部１０からリアクトルＬ２〜Ｌ４を介して第１〜第３出力端子Ｏ１〜Ｏ３に接続される構成は、第１の実施の形態のそれらと同一である。第１〜第３出力端子Ｏ１〜Ｏ３には、例えば負荷（図示しない）が接続される。また、電力変換部１０の第１入力端子Ｊ１と第２入力端子Ｊ２（接地）との間に印加される電圧を電源電圧Ｖｃｃとする。
【００５７】
ソフトスイッチング制御回路３０は、スイッチＱ１〜Ｑ６をターンオン及びターンオフする直前に、電力変換部１０に対し、零電圧又は零電圧近傍の電源電圧Ｖｃｃを供給する制御を行う。ソフトスイッチング制御回路３０は、ソフトスイッチング制御部３１と、スイッチ制御回路３３とからなる。
【００５８】
ソフトスイッチング制御部３１は、絶縁ゲート型のＦＥＴからなるスイッチＱ７〜Ｑ９と、これらスイッチＱ７〜Ｑ９にそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードＤｑ７〜Ｄｑ９と、リアクトルＬ５と、ダイオードＤ３，Ｄ４と、コンデンサＣ２とを有している。
【００５９】
スイッチＱ７の一端は入力端子Ｊ３及びリアクトルＬ１の他端に接続され、他端はコンデンサＣ２の一端に接続されている。コンデンサＣ２の他端は接地されている。
【００６０】
スイッチＱ８の一端はリアクトルＬ５の一端及びダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ３のアノードは接地されている。また、スイッチＱ８の他端は入力端子Ｊ３及びリアクトルＬ１の他端に接続されている。
【００６１】
スイッチＱ９の一端は接地され、他端はリアクトルＬ５の他端及びダイオードＤ４のアノードに接続されている。ダイオードＤ４のカソードは入力端子Ｊ３及びリアクトルＬ１の他端に接続されている。
【００６２】
スイッチ制御回路３３は、ゲート電圧Ｑ７ｇ〜Ｑ９ｇをソフトスイッチング制御部３１に有するスイッチＱ７〜Ｑ９に出力してスイッチＱ７〜Ｑ９をオン／オフ制御する。
【００６３】
次に、このように構成された本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の動作を、図５及び図６に示したタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図６は図５のタイミングチャートの期間Ｔ１〜Ｔ６のスケールを拡大して示したものである。
【００６４】
ここでは、電力変換部１０の電力変換動作の期間ＴＭ１〜期間ＴＭ６の内の例えば１つの期間ＴＭ１の動作を説明するものとし、この期間ＴＭ１は、期間Ｔ１〜Ｔ１２を１周期とする。図５は１周期における各部の信号の変化を示している。図５及び図６において、図２及び図３に示す符号と同一符号についての説明は省略する。また、ＩＬ５はリアクトルＬ５に流れる電流を示す。
【００６５】
まず、期間Ｔ１において、図５に示すように、スイッチＱ７がオンであり、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＨレベルになると共に、スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＨレベルになる。その結果、スイッチＱ９がオンし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ９は零になる。また、スイッチＱ８がオンし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ８は零になる。これにより、コンデンサＣ２からスイッチＱ７、スイッチＱ８、リアクトルＬ５及びスイッチＱ９を介してグランドに電流が流れ初め、その後、この電流は徐々に増加する。従って、リアクトルＬ５に流れる電流ＩＬ５は、零から徐々に増加する。
【００６６】
次に、期間Ｔ２では、スイッチＱ７のゲート電圧Ｑ７ｇがＬレベルになり、スイッチＱ７がオフする。このため、スイッチＱ７のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ７が上昇し始める。また、リアクトルＬ１で電圧が発生し始め、図５に示すように、電力変換部１０に供給されている電源電圧Ｖｃｃが下がり始める。
【００６７】
電源電圧Ｖｃｃが下降して零になると期間Ｔ３が開始される。この期間Ｔ３は、電源電圧Ｖｃｃが零になっている期間であり、期間Ｔ３の先頭で、スイッチＱ１〜Ｑ６のうちの必要なスイッチがオンされる。図５及び図６に示した例では、ゲート電圧Ｑ１ｇ，Ｑ４ｇ，Ｑ５ｇが期間Ｔ３でＨレベルになり、スイッチＱ１、スイッチＱ４及びスイッチＱ５がターンオンされる。これらスイッチＱ１、スイッチＱ４及びスイッチＱ５は、電源電圧Ｖｃｃが印加されていない状態（零電圧状態）でオンされるので、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が行われることになる。
【００６８】
期間Ｔ３では、リアクトルＬ５に流れる電流ＩＬ５は略一定になる。そして、期間Ｔ３の最後（期間Ｔ４の先頭に対応）で、スイッチＱ１〜Ｑ６のうちの必要なスイッチがオフされる。図５及び図６に示した例では、ゲート電圧Ｑ２ｇ，Ｑ３ｇ，Ｑ６ｇが期間Ｔ３の最後でＬレベルになり、スイッチＱ２、スイッチＱ３及びスイッチＱ６がターンオフされる。これらスイッチＱ２、スイッチＱ３及びスイッチＱ６は、電源電圧Ｖｃｃが印加されていない状態（零電圧状態）でオフされるので、零電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が行われることになる。そして、期間Ｔ４に移行し、電流ＩＬ５は減衰を開始する。
【００６９】
期間Ｔ４の先頭において、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＬレベルになり、スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＬレベルになり、スイッチＱ７のゲート電圧Ｑ７ｇがＨレベルになる。このため、スイッチＱ９がオフし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ９が上昇し、スイッチＱ８がオフし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ８が上昇し、スイッチＱ７がオンし、ドレイン−ソース間電圧Ｖｑ７が減少する。期間Ｔ４では、電力変換部１０に供給される電源電圧Ｖｃｃが上昇する。そして、スイッチＱ７のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ７が零になると、期間Ｔ５に移行する。
【００７０】
期間Ｔ５では、リアクトルＬ５に流れる電流が徐々に減少し、零になると期間Ｔ６に移行する。期間Ｔ５以降の期間で、スイッチＱ１〜Ｑ６のうちの必要なスイッチがオフされる。このスイッチがオフされるときには、スイッチには順方向に電流が流れているので、スイッチに並列に接続されているソフトスイッチング用のコンデンサＣｑ１〜Ｃｑ６によりソフトスイッチングが行われる。
【００７１】
図５に示した例では、期間Ｔ６の最後で、スイッチＱ１のゲート電圧Ｑ１ｇがＬレベルになり、スイッチＱ１がオフし、期間Ｔ７に移る。期間Ｔ７では、スイッチＱ１のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ１（図示しない）がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ２は、緩やかに下降する。スイッチＱ２のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ２が下降して零になると期間Ｔ８に移行する。
【００７２】
期間Ｔ８では、スイッチＱ２のゲート電圧Ｑ２ｇがＨレベルとなり、スイッチＱ２がオンする。期間Ｔ８の最後で、スイッチＱ５のゲート電圧Ｑ５ｇがＬレベルになり、スイッチＱ５がオフし、期間Ｔ９に移行する。
【００７３】
期間Ｔ９では、スイッチＱ５のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ５（図示しない）がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ６のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ６が、緩やかに下降する。スイッチＱ６のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ６が下降して零になると期間Ｔ１０に移行する。
【００７４】
期間１０では、スイッチＱ６のゲート電圧Ｑ６ｇがＨレベルになり、スイッチＱ６がオンする。この期間１０の最後で、スイッチＱ４のゲート電圧Ｑ４ｇがＬレベルになり、スイッチＱ４がオフし、期間Ｔ１１に移る。
【００７５】
期間１１では、スイッチＱ４のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ４がソフトスイッチングで緩やかに上昇し、スイッチＱ３のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ３が緩やかに下降する（図示しない）。スイッチＱ３のドレイン−ソース間電圧Ｖｑ３が下降して零になると期間１２に移行する。
【００７６】
期間１２では、スイッチＱ３のゲート電圧Ｑ３ｇがＨレベルになり、スイッチＱ３がオンする。その後、スイッチＱ９のゲート電圧Ｑ９ｇがＨレベルになり、スイッチＱ９がオンすると共に、第８スイッチＱ８のゲート電圧Ｑ８ｇがＨレベルになり、スイッチＱ８がオンし、期間Ｔ１に戻る。
【００７７】
このように第２の実施の形態に係る電力変換装置によれば、リアクトルＬ１，Ｌ５とソフトスイッチング制御回路３０とを用いて、電力変換部内１０のスイッチＱ１〜Ｑ６をターンオン及びターンオフする直前に、スイッチＱ８及びスイッチＱ９をオンさせた後、スイッチＱ７をオフさせることにより、電力変換部１０に供給される電源電圧Ｖｃｃを零電圧又は零近傍に制御し、この状態で電力変換部１０内のスイッチＱ１〜Ｑ６がターンオン及びターンオフされる。従って、電力変換部１０において零電圧スイッチング動作が行われるので、電力変換に伴うスイッチング損失及びスイッチングノイズが低減される。
【００７８】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置は、電力変換部を構成するスイッチＱ１〜Ｑ９をノーマリオンタイプのＦＥＴで構成したことを特徴とするものである。
【００７９】
ＳＩＴ（ｓｔａｔｉｃ  ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、静電誘導トランジスタ）等のノーマリオンタイプのスイッチは、電源がオフ時にオン状態となるスイッチである。このノーマリオンタイプのスイッチは、スイッチングスピードが速く、オン抵抗も低くスイッチング電源等の電力変換装置に使用した場合、理想的な素子であり、スイッチング損失を減少させ高効率が期待できる。
【００８０】
しかし、ノーマリオンタイプのスイッチング素子にあっては、電源をオンすると、スイッチがオン状態であるため、スイッチが短絡する。このため、ノーマリオンタイプのスイッチを起動できず、特殊な用途以外には使用できない。
【００８１】
そこで、スイッチＱ１〜Ｑ６にノーマリオンタイプのスイッチを使用するために、ノーマリオンタイプのスイッチに逆バイアス電圧を印加し、電源オン時の問題をなくす構成を追加したことを特徴とする。
【００８２】
図７は本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。電力変換装置は、直流電源Ｅｉ、主スイッチＳＷ１、補助スイッチＳＷ２、電力変換部４０、ソフトスイッチング制御回路２０、補助電源５０及び制御回路１２から構成されている。なお、ソフトスイッチング制御回路２０の代わりに、ソフトスイッチング制御回路３０を設けても良い。
【００８３】
直流電源Ｅｉの正極端は、主スイッチＳＷ１とトランスＴの第１巻線５ａを介して電力変換部４０の第１入力端子Ｊ１に接続されると共に、補助スイッチＳＷ２を介して補助電源５０の一方の入力端子に接続されている。直流電源Ｅｉの負極端、電力変換部４０の第２入力端子Ｊ２及び補助電源５０の他方の入力端子は接地されている。
【００８４】
電力変換部４０は、３相ブリッジ接続されたノーマリーオンタイプのスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎと、これらスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎにそれぞれ並列に接続された帰還用のダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６と、スイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎにそれぞれ並列に接続されたコンデンサＣｑ１〜Ｃｑ６とから構成されている。
【００８５】
主スイッチＳＷ１は、メカニカルスイッチ又はノーマリーオフのＦＥＴから構成されている。補助電源５０は、補助スイッチＳＷ２がオンしたときに直流電源Ｅｉの正電圧を入力し、この正電圧に基づき逆電圧（負電圧）を生成し、この逆電圧を制御回路１２に出力する。
【００８６】
制御回路１２は、補助電源５０からの逆電圧をゲート電圧としてスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎのゲートに出力し、スイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎをオフさせる。
【００８７】
次にこのように構成された第３の実施の形態に係る電力変換装置によれば、まず、主スイッチＳＷ１をオフし、補助スイッチＳＷ２をオンすると、補助電源５０から制御回路１２に逆電圧が出力される。制御回路１２は補助電源５０からの逆電圧を電力変換部４０に供給する。このため、電力変換部４０内のスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎのゲートに逆電圧が印加され、全てのスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎがオフする。
【００８８】
次に、主スイッチＳＷ１がオンすると、電力変換部１０の電力変換動作が開始される。この電力変換の動作は、第１及び第２の実施の形態に係る電力変換装置における動作と同じであるので、その説明は省略する。
【００８９】
このように、第３の実施の形態に係る電力変換装置においても、第１及び第２の実施の形態に係る電力変換装置と同様の動作及び効果が得られると共に、制御回路１２からの逆電圧によりスイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎをオフさせた後に、スイッチＳＷ１をオンして、スイッチＱ１ｎ〜Ｑ６ｎをオン／オフさせるスイッチング動作を開始させるので、電源オン時における問題もなくなる。従って、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、損失の少ない、即ち、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【００９０】
なお、第１乃至第３の実施の形態では、直流電源Ｅｉと電力変換部１０との間にトランスＴの第１巻線５ａ（又はリアクトルＬ１）を設け、トランスＴの第１巻線５ａ（又はリアクトルＬ１）にソフトスイッチング制御回路２０（又はソフトスイッチング制御回路３０）を接続するように構成したが、例えば、図示しない負荷（第１乃至第３出力端子Ｏ１〜Ｏ３側）と電力変換部１０との間にトランスＴの第１巻線５ａ（又はリアクトルＬ１）を設け、トランスＴの第１巻線５ａ（又はリアクトルＬ１）にソフトスイッチング制御回路２０（又はソフトスイッチング制御回路３０）を接続するように構成しても良い。
【００９１】
また、第１乃至第３の実施の形態では、直流を交流に変換するインバータとして機能する電力変換装置について説明したが、交流電源を電力源として交流を直流に変換するコンバータとして機能する電力変換装置も上述した第１乃至第３の実施の形態と同様に構成することができる。また、コンバータとインバータとを組み合わせることにより、交流電力から交流電力に変換する電力変換装置を構成することもできる。
【００９２】
また、第１乃至第３の実施の形態では、直流電力を３相の交流電力に変換する場合について説明したが、本発明では、交流電力は３相に限らず、単相、２相、４相以上の交流電力についても適用することができる。
【００９３】
また、第１乃至第３の実施の形態では、スイッチＱ１〜Ｑ９としてＦＥＴを用いたが、スイッチＱ１〜Ｑ９は、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴであってもよい。  また、ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ９は、スイッチＱ１〜Ｑ９の寄生ダイオードであっても良い。また、コンデンサＣｑ１〜Ｃｑ６は、スイッチＱ１〜Ｑ６の寄生コンデンサであっても良い。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、主回路部を構成するブリッジ構成のスイッチのスイッチング損失及びスイッチングノイズを低減することができる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図２に示したタイミングチャートの期間Ｔ１〜Ｔ６を拡大して示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】図５に示したタイミングチャートの期間Ｔ１〜Ｔ５を拡大して示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【図８】従来の電力変換装置の主回路部の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０，４０，１００  電力変換部
１１，１２  制御回路
２０，３０  ソフトスイッチング制御回路
２１，３１  ソフトスイッチング制御部
２３，３３  スイッチ制御回路
５０  補助電源
Ｔ  トランス
Ｑ１〜Ｑ９  スイッチ
Ｄｑ１〜Ｄｑ９，Ｄ３，Ｄ４  ダイオード
Ｃｑ１〜Ｃｑ６，Ｃ２  コンデンサ
Ｌ１〜Ｌ５  リアクトル
【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】
2005012897.tif 000007
【図６】
2005012897.tif 000008
【図７】
2005012897.tif 000009
【図８】
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