(57)【要約】【課題】電力効率の良い変換器を提供すること。【解決手段】ノーマリオン型スイッチング素子を含み、直流または交流を直流または交流に変換する変換部と、前記ノーマリオン型スイッチング素子と直列接続されるスイッチング素子を含み、該スイッチング素子をオン状態またはオフ状態にすることにより前記変換部の変換動作を開始または終了させるスイッチ部とを具備することを特徴とする。さらに、前記スイッチング素子が、ノーマリオフ型スイッチング素子からなるものであることを特徴とする。【選択図】        図１
2007159364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノーマリオン型スイッチング素子を含み、直流または交流を直流または交流に変換する変換部と、
前記ノーマリオン型スイッチング素子と直列接続されるスイッチング素子を含み、該スイッチング素子をオン状態またはオフ状態にすることにより前記変換部の変換動作を開始または終了させるスイッチ部と、
を具備することを特徴とする変換器。
【請求項２】
前記スイッチング素子は、ノーマリオフ型スイッチング素子からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
前記スイッチング素子は、前記ノーマリオン型スイッチング素子のソース端子に直列接続されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。
【請求項４】
前記ノーマリオン型スイッチング素子は、直列接続されたノーマリオン型スイッチング素子を含むものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の変換器。
【請求項５】
前記ノーマリオン型スイッチング素子は、並列接続されたノーマリオン型スイッチング素子を含むものであり、前記スイッチング素子は、前記並列接続されたノーマリオン型スイッチング素子の共通のソース端子に直列接続されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の変換器。
【請求項６】
前記スイッチング素子は、前記ノーマリオン型スイッチング素子のゲートに逆バイアスをかけたあとに、オン状態にするものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の変換器。
【請求項７】
前記ノーマリオン型スイッチング素子および前記スイッチング素子は、ＦＥＴまたはＩＧＢＴからなるものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流または交流を直流または交流に変換する変換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流から交流への変換器の回路構成としては、例えば、図１２に示すようなものが一般的である（特許文献１参照）。
【０００３】
この単相電力変換装置１００は、直流バッテリ２００に接続され、スイッチング素子１０１、１０２を直列接続した第１のアームと、スイッチング素子１０３、１０４を直列接続した第２のアームとが並列に接続された、単相ブリッジ回路を有し、スイッチング素子にはＩＧＢＴやＦＥＴが使われている。また、スイッチング素子１０１〜１０４には、それぞれダイオード１０１ａ〜１０４ａが並列に接続され、逆方向に導通機能を持った、インバータを構成している。さらに、商用交流電源３００の一方の端子は、第１のアームを構成するスイッチング素子１０１、１０２の接続点に、リアクトル１０５を介して接続され、この商用交流電源３００と並列に、コンデンサ１０６が接続されている。コンデンサ１０６が並列に接続された商用交流電源３００の他の端子は、単相ブリッジの第２のアームのスイッチング素子１０３、１０４の接続点に接続される。そして、各スイッチング素子にゲート信号を与えることによって、商用交流電源３００に並列に接続される負荷４００に交流を通電することができる。また、交流周波数は、ゲート信号を制御することによって変えることが可能である。
【０００４】
このような回路では、スイッチング素子１０１〜１０４には、ノーマリオフ型のスイッチング素子が使用される。ノーマリオフ型スイッチング素子は、ゲート信号がゼロでゲートに電圧が印可されていない時に、素子に電流が流れずオフ状態となるスイッチング素子である。
【０００５】
一方、ノーマリオン型スイッチング素子は、ゲート信号がゼロでゲートに電圧が印加されていない時にも、素子に電流が流れてオン状態となるスイッチング素子である。ノーマリオン型スイッチング素子は、素子をオン状態にしたときの内部抵抗、すなわちオン抵抗が、ノーマリオフ型スイッチング素子より小さいことが知られている。オン抵抗が小さいほど、素子内部で発生する電力損失が少なく、パワー半導体素子としての特性が優れており、これを使ってインバータやコンバータを作製すると電力効率がよくなることが知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３０５８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ノーマリオン型スイッチング素子は、ゲート信号がゼロの時にオン状態になり、使用し難いことが知られている。例えば、これを用いた回路では、制御がなされていない状態でスイッチング素子に電流が流れたり、それにより変換出力側に電圧が生じたりする等の問題がある。また、回路のスイッチをオンした際に過電流が流れる等の問題がある。
【０００８】
従来の変換器にはノーマリオフ型スイッチング素子が用いられていたが、オン抵抗が大きく電力損失も大きかった。また、電源電圧の高電化に伴い、素子の恩抵抗は一層高いものとなっていた。なお、ノーマリオン型スイッチング素子はオン抵抗が低いので電力効率がよいが、上記した問題があるために、従来は変換器には使用し難かった。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力効率の良い変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る変換器は、ノーマリオン型スイッチング素子を含み、直流または交流を直流または交流に変換する変換部と、前記ノーマリオン型スイッチング素子と直列接続されるスイッチング素子を含み、該スイッチング素子をオン状態またはオフ状態にすることにより前記変換部の変換動作を開始または終了させるスイッチ部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に係る変換器は、上記の発明において、前記スイッチング素子が、ノーマリオフ型スイッチング素子からなるものであることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に係る変換器は、上記の発明において、前記スイッチング素子が、前記ノーマリオン型スイッチング素子のソース端子に直列接続されたものであることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に係る変換器は、上記の発明において、前記ノーマリオン型スイッチング素子が、直列接続されたノーマリオン型スイッチング素子を含むものであることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る変換器は、上記の発明において、前記ノーマリオン型スイッチング素子が、並列接続されたノーマリオン型スイッチング素子を含むものであり、前記スイッチング素子が、前記並列接続されたノーマリオン型スイッチング素子の共通のソース端子に直列接続されたものであることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に係る変換器は、上記の発明において、前記スイッチング素子が、前記ノーマリオン型スイッチング素子のゲートに逆バイアスをかけたあとに、オン状態にするものであることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に係る変換器は、上記の発明において、前記ノーマリオン型スイッチング素子および前記スイッチング素子が、ＦＥＴまたはＩＧＢＴからなるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ノーマリオン型スイッチング素子を変換部に用い、これと直列接続されたスイッチング素子をオン状態またはオフ状態にすることにより、変換部が、直流または交流を直流または交流に変換する変換動作を開始または終了するようにしているので、ノーマリオン型スイッチング素子を変換部に用いても、不要な電流の発生等が防止され、さらに低耐圧で低オン抵抗のノーマリオン型スイッチング素子を変換部に用いているので、素子内での電力損失が小さくでき、電力効率のよい変換器を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して本発明に係る変換器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器１０は、単相のインバータであり、入力直流電源Ｅｉと、入力直流電源Ｅｉに直列接続された、変換器１０をオン・オフするためのスイッチＳ１と、入力直流電源Ｅｉから供給される直流を交流に変換する変換部１１と、変換部１１の変換動作を開始または終了させるためのスイッチ部１２と、変換部１１およびスイッチ部１２の動作を制御する制御部１３と、出力端子Ｅｏｕｔとを備える。
【００２０】
変換部１１は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ４と、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４と、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４と、コンバータＣｏｎｖとを含む。スイッチ部１２は、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７を含む。
【００２１】
ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、直列接続されて第一アームを形成し、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、直列接続されて第二アームを形成している。第一アームと第二アームとは並列接続されている。ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点とは、出力端子Ｅｏｕｔに接続されている。ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ４は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に流れる逆電流をバイパスさせるように、それぞれノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のソースおよびドレインに接続されている。パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４は、パルス信号を発生してノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をＰＷＭ制御でドライブするために、端子の一方はノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートにバイアス電源Ｃ１〜Ｃ４を介して接続され、端子の他方はノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のソースに接続されている。
【００２２】
バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４からパルス信号が与えられないときに、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートに絶縁された逆バイアス電圧をかけてオフ状態とできるように、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４と、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のソースとに接続されている。コンバータＣｏｎｖは、入力直流電源Ｅｉの入力電圧を所定の電圧に変換してバイアス電源Ｃ１〜Ｃ４を充電するために、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４に接続されている。ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４の各ソース端子に直列接続されている。また、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４、コンバータＣｏｎｖ、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７のゲートは、制御部１３に接続されている。
【００２３】
次に変換器１０の動作を、スイッチＳ１、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７のオンまたはオフの状態、および出力端子Ｅｏｕｔからの出力電流を示す図２のタイムチャートに従って説明する。まずスイッチＳ１がスイッチオンされると（時刻ｔ１）、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のソース−ドレイン間に電圧がかかるが、これらと直列に接続されたノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７がオフ状態であれば、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４は、ゲートに逆電圧がかかってオフ状態となる。従ってノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４には過電流等の電流は流れない。
【００２４】
たとえば入力直流電源Ｅｉの電圧が４００Ｖで、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン状態とオフ状態とのスレッシュホールド電圧を−５Ｖとすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のソースにかかる電圧が５Ｖ以上になると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４がオフ状態となる。このためノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７に５Ｖの電圧がかかると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４はオフ状態となる。
【００２５】
また、スイッチＳ１をスイッチオンした後すぐにはコンバータＣｏｎｖの電源が立ち上がらないので、コンバータＣｏｎｖはすぐには動作しない。コンバータＣｏｎｖが動作していない状態では、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３は、ゲートが逆バイアスになっていないのでオン状態となっている。しかし、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３と直列に接続されているノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４がオフ状態となっているので、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４と同じく、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３にも電流は流れない。
【００２６】
次にコンバータＣｏｎｖが動作を始め、逆バイアス用のバイアス電源Ｃ１〜Ｃ４が充電された後は、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４によってノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートに逆バイアス電圧が掛かる。その結果、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４からパルス信号が与えられないときでも、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を、不要な電流が流れずにオフ状態とすることができる。その後、制御部１３からの信号によりノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると（時刻ｔ２）、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４から発生されるパルス信号に従って、オン状態とオフ状態を繰り返す。
【００２７】
このとき、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４から発生されるパルス信号のタイミングを調整して、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をオン状態にし、これと同時にノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をオフ状態にする（状態Ａ）と、方向Ｃの向きに電流が流れる。次に、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をオフ状態にし、これと同時にノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をオン状態にする（状態Ｂ）と、方向Ｃとは逆向きに電流が流れる。そして、ＰＷＭ制御によって、状態Ａと状態Ｂを交互に繰り返す際の状態Ａと状態Ｂとの時間幅の比を調整することにより、出力端子Ｅｏｕｔからの出力電流の方向と大きさとを調整することができる。例えば、状態Ｂの時間幅に対して、状態Ａの時間幅を大きくしていくと、方向Ｃの向きに流れる出力電流を大きくできる。
【００２８】
そして、状態Ａと状態Ｂとの時間幅の比を連続的かつ周期的に変化させることにより、変換器１０はインバータとして動作し、図２に示すように、出力端子Ｅｏｕｔから所望の正弦波状の交流電流が出力される。なお、図２においては、方向Ｃの向きに電流が流れる場合を電流の正の向きとしている。
【００２９】
このような変換器１０であれば、ノーマリオン型スイッチング素子を変換部に用いても、不要な電流の発生が防止され、またノーマリオン型スイッチング素子を用いるので、素子内での電力損失が小さくでき、電力効率のよい変換器を実現できる。
【００３０】
（実施の形態２）
図３は、本発明の別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器２０は、いわゆるハーフブリッジ構成のコンバータであり、入力直流電源Ｅｉと、入力直流電源Ｅｉに直列接続された、変換器１０をオン・オフするためのスイッチＳ１と、入力直流電源Ｅｉから供給される直流を直流に変換する変換部２１と、変換部の変換動作を開始または終了させるためのスイッチ部２２と、変換部２１およびスイッチ部２２の動作を制御する制御部２３と、出力端子Ｅｏｕｔとを備える。
【００３１】
また、変換部２１は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、ダイオードＤｑ１、Ｄｑ２と、パルス発生器Ｐ１、Ｐ２と、バイアス電源Ｃ１、Ｃ２と、コンバータＣｏｎｖと、コンデンサＣｐ１、Ｃｐ２と、トランス２１ａと、ダイオードＤｏ１、Ｄｏ２と、コイルＬとコンデンサＣ０からなる平滑回路２１ｂとを含む。スイッチ部２２は、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７を含む。
【００３２】
ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、直列接続されて第一アームを形成し、コンデンサＣｐ１、Ｃｐ２は、直列接続されて第二アームを形成している。第一アームと第二アームとは並列接続されている。ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、コンデンサＣｐ１、Ｃｐ２の接続点とは、トランス２１ａの入力側の端子に接続されている。トランス２１ａの出力端子は、ダイオードＤｏ１、Ｄｏ２を介して、平滑回路２１ｂに接続され、さらに出力端子Ｅｏｕｔに接続されている。ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ２のソース端子に直列接続されている。なお、ダイオードＤｑ１、Ｄｑ２、パルス発生器Ｐ１、Ｐ２、バイアス電源Ｃ１、Ｃ２、コンバータＣｏｎｖ、制御部２３は、実施の形態１の変換器１０と同様に接続されている。
【００３３】
変換器２０は、変換器１０と同様に、スイッチＳ１をオンした後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオフ状態に保ち、その後、バイアス電源Ｃ１、Ｃ２が充電されてから、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、パルス発生器Ｐ１、Ｐ２から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、交流を発生する。こうして発生した交流が、トランス２１ａで電圧変換され、ダイオードＤｏ１、Ｄｏ２で整流され、平滑回路２１ｂで平滑化されることによって、変換部２１がハーフブリッジ構成のコンバータとして変換動作を開始する。この結果、出力端子Ｅｏｕｔから所望の直流が出力される。
【００３４】
（実施の形態３）
図４は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器３０は、３相のインバータであり、入力直流電源Ｅｉと、入力直流電源Ｅｉに直列接続された、変換器３０をオン・オフするためのスイッチＳ１と、入力直流電源Ｅｉから供給される直流を交流に変換する変換部３１と、変換部３１の変換動作を開始または終了させるためのスイッチ部３２と、変換部３１およびスイッチ部３２の動作を制御する制御部３３と、出力端子Ｅｏｕｔとを備える。
【００３５】
変換部３１は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６と、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６と、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６と、コンバータＣｏｎｖとを含む。スイッチ部３２は、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７を含む。
【００３６】
ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、直列接続されて第一アームを形成し、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、直列接続されて第二アームを形成し、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６は、直列接続されて第三アームを形成している。第一アーム、第二アーム、第三アームは並列接続されている。ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点と、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点とは、出力端子Ｅｏｕｔに接続されている。なお、ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６、コンバータＣｏｎｖ、制御部３３は、実施の形態１の変換器１０と同様に接続されている。
【００３７】
また、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６のソース端子が共通に接続され、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７のドレイン端子に接続されている。ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７は１個とは限らず、数個並列に接続したものをノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６の共通のソース端子に直列接続して、更にオン抵抗を下げることも可能である。
【００３８】
変換器３０は、変換器１０と同様に、スイッチＳ１をオンした後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオフ状態に保ち、その後、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６が充電されてから、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、位相が１２０度づつずれた交流を発生する。その結果、変換部３１が三相のインバータとして変換動作を開始し、出力端子Ｅｏｕｔから所望の三相の交流が出力される。
【００３９】
（実施の形態４）
図５は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器４０は、３相のインバータであり、変換器３０とほぼ同様の回路構成であるが、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ４、Ｑ６のソース端子のそれぞれが、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７〜Ｑ９のドレイン端子に接続されている点が、変換器３０とは異なる。
【００４０】
変換器４０は、変換器３０と同様に、スイッチＳ１をオンした後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７〜Ｑ９をオフ状態に保ち、その後、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６が充電されてから、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７〜Ｑ９をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、位相が１２０度ずつずれた交流を発生する。その結果、変換部４１が三相のインバータとして変換動作を開始し、出力端子Ｅｏｕｔから所望の三相の交流が出力される。
【００４１】
（実施の形態５）
図６は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器５０は、フォワードコンバータであり、入力直流電源Ｅｉと、入力直流電源Ｅｉに直列接続された、変換器１０をオン・オフするためのスイッチＳ１と、入力直流電源Ｅｉから供給される直流を直流に変換する変換部５１と、変換部１１の変換動作を開始または終了させるためのスイッチ部５２と、変換部５１およびスイッチ部５２の動作を制御する制御部５３と、出力端子Ｅｏｕｔとを備える。
【００４２】
変換部５１は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１と、ダイオードＤｇ１と、パルス発生器Ｐ１と、バイアス電源Ｃ１と、トランス５１ａと、ダイオードＤｏ１、Ｄｏ２と、コイルＬとコンデンサＣ０からなる平滑回路５１ｂとを含む。スイッチ部５２は、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７を含む。
【００４３】
この変換器５０は、まずスイッチＳ１がスイッチオンすると、パルス発生器Ｐ１が動作を始め、パルスを発生する。そして発生したパルスがダイオードＤｇ１により整流されてバイアス電源Ｃ１を充電する。充電される極性は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１のゲート側がマイナス、パルス発生器Ｐ１側がプラスである。バイアス電源Ｃ１が充電された後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑは、パルス発生器Ｐ１から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、交流を発生する。こうして発生した交流が、トランス５１ａで電圧変換され、ダイオードＤｏ１、Ｄｏ２で整流され、平滑回路５１ｂで平滑化されることによって、変換部５１がフォワードコンバータとして変換動作を開始する。この結果、出力端子Ｅｏｕｔから所望の直流が出力される。
【００４４】
（実施の形態６）
図７は、本発明のさらに別の実施の形態であって、図６に示した変換器５０において、バイアス電源Ｃ１をノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１のソース側に接続した場合の回路図の一部である。このような回路構成としても、実施の形態５の場合と同様に、フォワードコンバータとして動作する変換器を構成できる。
【００４５】
（実施の形態７）
図８は、本発明のさらに別の実施の形態であって、図１に示す変換器１０において、直列接続されたノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御を、汎用ドライブＩＣ素子Ｐを１個用いて行う場合の回路図の一部である。このようにすれば、汎用ドライブＩＣを用いるので、簡単な回路構成で、変換器１０と同様にインバータとして動作する変換器を構成できる。汎用ドライブとしては、ＩＲ社製の汎用ドライブＩＣであるＩＲ２１１０を用いることができる。
【００４６】
（実施の形態８）
図９は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器６０は、三相のインバータであり、入力直流電源Ｅｉと、入力直流電源Ｅｉに直列接続された、変換器６０をオン・オフするためのスイッチＳ１と、入力直流電源Ｅｉから供給される直流を交流に変換する変換部６１と、変換部６１の変換動作を開始または終了させるためのスイッチ部６２と、変換部６１およびスイッチ部６２の動作を制御する制御部６３と、出力端子Ｅｏｕｔとを備える。
【００４７】
変換部６１は、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、ダイオードＤｑ１〜Ｄｑ６と、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６と、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６とを含む。スイッチ部６２は、低耐圧で低オン抵抗のノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７を含む。なお、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤｑ〜Ｄｑ６、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ６、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７、制御部６３は、実施の形態３の変換器３０と同様に接続されている。
【００４８】
この変換器６０は、まずスイッチＳ１がスイッチオンすると、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６が動作を始め、パルスを発生する。そして発生したパルスがダイオードＤｇ１〜Ｄｇ６により整流されて、それぞれバイアス電源Ｃ１〜Ｃ６を充電する。バイアス電源Ｃ１〜６が充電された後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ６から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、位相が１２０度ずつずれた交流を発生する。その結果、変換部６１が三相のインバータとして変換動作を開始し、出力端子Ｅｏｕｔから所望の三相の交流が出力される。
【００４９】
（実施の形態９）
図１０は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。この変換器７０は、交流を直流または交流に変換する変換器であるが、入力電源が交流を発生する入力交流電源Ｅｉａであること以外は、実施の形態１の変換器１０の回路と同様の構成である。このような回路では、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４からノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のゲートに与えられるパルス信号のタイミングを制御することにより、交流から交流の周波数変換や、交流から直流への変換が可能である。
【００５０】
例えば、変換器７０において、スイッチＳ１をオンした後、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオフ状態に保ち、その後、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４が充電されてから、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返す。その結果、変換部７１が交流の周波数変換器として変換動作を開始し、出力端子Ｅｏｕｔから、交流電源Ｅｉａとは周波数が異なる、所望の周波数の交流が出力される。
【００５１】
（実施の形態１０）
図１１は、本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図であって、図１に示した変換器１０と同様の構成の回路において、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のドレイン端子側に、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子をスイッチＳ２として設けた回路構成である。この場合、スイッチＳ１をオンした後、スイッチＳ２をオフ状態に保ち、その後、バイアス電源Ｃ１〜Ｃ４が充電されてから、スイッチＳ２をオン状態にすると、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、パルス発生器Ｐ１〜Ｐ４から発生されるパルス信号に従って、所定のタイミングでオン状態とオフ状態を繰り返し、その結果、変換部８１が単相のインバータとして変換動作を開始し、出力端子Ｅｏｕｔから所望の交流が出力される。
【００５２】
このような回路構成の変換器８０によっても、ノーマリオン型スイッチング素子を使用した直流−交流変換をおこなうことができる。しかし、このような回路構成の場合、入力直流電源Ｅｉの入力電圧がノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子であるスイッチＳ２に直接印加されるため、素子の耐圧が高いこと必要となるが、耐圧を高くするとそれだけオン抵抗も大きくなるので、ノーマリオフ型ＦＥＴをソース側に設けた回路構成である図１の変換器１０に比べ、電力損失が生ずることになる。
【００５３】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。上記の実施の形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、上記実施の形態ではスイッチング素子としてＦＥＴを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る変換器１０のスイッチＳ１、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ７のオンまたはオフの状態、および出力端子Ｅｏｕｔからの出力電流を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図４】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図５】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図６】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図７】本発明のさらに別の実施の形態であって、図６に示した変換器５０において、バイアス電源Ｃ１をノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１のソース側に接続した場合の回路図の一部である。
【図８】本発明のさらに別の実施の形態であって、図１に示す変換器１０において、直列接続されたノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御を、汎用ドライブＩＣ素子Ｐを１個用いて行う場合の回路図の一部である。
【図９】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図１０】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図である。
【図１１】本発明のさらに別の実施の形態に係る変換器の回路図であって、図１に示した変換器１０と同様の構成の回路において、ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のドレイン端子側に、ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子をスイッチＳ３として設けた回路構成である。
【図１２】従来の変換器の回路図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０〜８０  変換器
１１〜８１  変換部
１２〜８２  スイッチ部
１３〜８３  制御部
２１ａ、５１ａ  トランス
２１ｂ、５１ｂ  平滑回路
Ｑ１〜Ｑ６  ノーマリオン型ＦＥＴスイッチング素子
Ｑ７〜Ｑ９  ノーマリオフ型ＦＥＴスイッチング素子
Ｄｑ１〜Ｄｑ６、Ｄｏ１、Ｄｏ２、Ｄｇ１〜Ｄｇ６、Ｄｆ  ダイオード
Ｅｉ  入力直流電源
Ｅｉａ  入力交流電源
Ｓ１、Ｓ２  スイッチ
Ｐ１〜Ｐ４  パルス発生器
Ｃ１〜Ｃ６  バイアス電源
Ｃｏｎｖ  コンバータ
Ｅｏｕｔ  出力端子
Ａ、Ｂ  状態
Ｃ  方向
Ｃｐ１、Ｃｐ２、Ｃ０、Ｃｆ  コンデンサ
Ｌ  コイル
Ｐ  汎用ドライブＩＣ素子
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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