(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直流電源の一端に第１の半導体スイッチの一端を接続し、第１の半導体スイッチの他端に、第２の半導体スイッチの一端と電流平滑リアクトルの一端とをそれぞれ接続し、電流平滑リアクトルの他端に第２の直流電源の一端を接続し、第１の直流電源の他端と、第２の半導体スイッチの他端と、第２の直流電源の他端とをそれぞれ接続し、前記第１及び第２の半導体スイッチはそれぞれ寄生ダイオードを有するユニポーラ型トランジスタとし、前記寄生ダイオードの立ち上がり電圧を、前記ユニポーラ型トランジスタに規定電流を通流した時に発生するオン電圧以上とした直流―直流変換装置において、
前記電流平滑リアクトルは、直流リアクトルと可飽和リアクトルの直列回路で形成され、前記電流平滑リアクトルの電流反転時に前記可飽和リアクトルに発生する電圧を検知し、該電圧を検知したときには、前記第２の半導体スイッチをオフすることを特徴とする直流―直流変換装置。
【請求項２】
前記電流平滑リアクトルは、直流リアクトルと可飽和リアクトルの一次巻線の直列回路で形成され、前記電流平滑リアクトルの電流反転時に前記可飽和リアクトルの二次巻線に発生する電圧によって、前記電流平滑リアクトルの電流断続を検知するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の直流―直流変換装置。
【請求項３】
前記寄生ダイオードは、前記それぞれのユニポーラ型トランジスタの動作スイッチング周波数で動作できるように、高周波化したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の直流―直流変換装置。
【請求項４】
前記ユニポーラ型トランジスタをＭＯＳＦＥＴとしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の直流―直流変換装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の半導体スイッチそれぞれの電流は、前記ユニポーラ型トランジスタに通流させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流―直流変換装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の半導体スイッチのスイッチング動作によって、前記第１の直流電源と第２の直流電源との間で双方向に電力変換を行わせることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の直流―直流変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流―直流変換装置の回路構成、詳しくはユニポーラ型トランジスタを使用して構成した直流―直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に示す回路は降圧チョッパとして広く利用されている直流―直流変換回路である。
図１０において、１は高圧側直流電源、２は高圧側の電圧平滑コンデンサ、３は半導体スイッチ、４はダイオード、５は電流平滑リアクトル、６は低圧側の電圧平滑コンデンサ、７は低圧側直流電源である。図１０の半導体スイッチはバイポーラ型素子であるＩＧＢＴの場合で示してある。
【０００３】
図１０では、半導体スイッチ３を高周波スイッチング動作させることで直流―直流電力変換を行う。電力変換制御は、半導体スイッチ３を一定周波数でスイッチングし、Ｔｏｎ／Ｔの比率を制御することにより行う。ここで、Ｔｏｎは半導体スイッチ３のオン時間、Ｔはスイッチング周期である。
図１１は図１０に図示のチョッパの制御と各部の動作波形を示したものである。図１１において、（ａ）は半導体スイッチ３のゲートオン信号、（ｂ）は電流平滑リアクトル５の電流、（ｃ）は半導体スイッチ３の電流、（ｄ）はダイオード４の電流、（ｅ）は平滑コンデンサ６の電圧、の各波形をそれぞれ示している。
【０００４】
図１０に図示のチョッパで、逆に低圧側から高圧側への電力変換を可能にした図１２に示すような双方向電力変換型のチョッパもよく知られている。図１２において、図１０と同一構成要素には同一番号を付してある。
図１２は、図１０に図示した回路に対して回路要素３ａ、４ａを付加したものである。即ち、半導体スイッチ３にはダイオード３ａを、ダイオード４には半導体スイッチ４ａをそれぞれ図示のように接続する。図１２では半導体スイッチ３のスイッチングによる降圧チョッパ動作に加えて、半導体スイッチ４ａをスイッチングして低圧側から高圧側への電力変換を行う事ができる。即ち、図１２は降圧型、昇圧型の両方式の電力変換が可能なチョッパ方式である。
【０００５】
降圧チョッパの動作は図１１の場合と同じであるが、昇圧チョッパ動作の場合は半導体スイッチ４ａを一定周期でスイッチングし、Ｔｏｎ／Ｔの比率を制御することにより行う。ここでＴｏｎは半導体スイッチ４ａのオン時間、Ｔはスイッチング周期である。
図１３に、昇圧チョッパ動作の各部波形を図１１に対応して示す。
【０００６】
図１３で、（ａ１）は半導体スイッチ４ａのゲートオン信号、（ｂ）は電流平滑リアクトル５の電流、（ｆ）は半導体スイッチ４ａの電流、（ｇ）はダイオード３ａの電流、（ｈ）は平滑コンデンサ２の電圧波形である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
双方向チョッパの大きな課題は、
（１）装置の小型化
（２）装置の高効率化
（３）低価格化
（４）ノイズの低減
である。
【０００８】
双方向チョッパにおいて、上記課題を実現するためには、
（５）スイッチング周波数をいかに高めるか
（６）スイチング損失の損失をいかに低減出来るか
が大きな課題である。
図１２の回路による装置の小型・軽量化を図るために、図１４に示すように、スイッチ素子としてＩＧＢＴからＭＯＳＦＥＴに換えた回路方式が提案されている。この回路の特徴は、ＭＯＳＦＥＴにもともと内蔵されている寄生ダイオードを積極的にスイッチ素子の逆並列ダイオードとして活用し、素子数の低減を図る事にある。
【０００９】
図１４において、図１２と同一構成要素には同一番号を付してある。３０、４０はＭＯＳＦＥＴスイッチである。３１、４１はＭＯＳＦＥＴトランジスタで、３２、４２はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。図１４の動作は図１２の動作と同じであるので、説明は省略する。
図１４に図示のチョッパにおける大きな問題点は寄生ダイオードにある。ＭＯＳＦＥＴはユニポーラ型素子であり、図１５に示すようにユニポーラ型素子特有のオン電圧―電流特性を有している。これに対し寄生ダイオードはバイポーラ素子であるので、図１６に示すように、オン電圧―電流特性は立ち上がり電圧を有している。
【００１０】
図１５、図１６に示す特性からわかるように、ＭＯＳＦＥＴのオン時の順・逆方向通流時の電圧―電流特性は図１７のようになる。
ここでユニポーラ特性素子とバイポーラ特性素子の効率について述べる。
図１８はチョッパなどの直流―直流変換装置出力と効率の一例について示したもので、図１８はスイッチング損失を考慮しない、定常損失の場合の比較である。
【００１１】
図１８において、太線はユニポーラ型素子、細線はバイポーラ型素子の特性をそれぞれ示している。同図より、低出力領域でユニポーラ型素子がバイポーラ型素子に対して効率が高くなることがわかる。
しかしながら現状では、
（１）双方向ユニポーラ型素子が実現されていない
（２）ＭＯＳＦＥＴ内蔵の寄生ダイオードの可能動作スイッチング周波数はＭ      OＳＦＥＴの１／１０程度となっており、図１４に図示の回路構成のスイッチング周波数は図１２の回路方式のスイッチング周波数と同程度となっており、 ＭＯＳＦＥＴにしてもスイッチング周波数は高められないことから、
（３）小型・軽量、高効率のチョッパの実現が大きく待たれるところとなっている。
この発明は、以上のような課題を解決するチョッパを実現することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第一の発明では、第１の直流電源の一端に第１の半導体スイッチの一端を接続し、第１の半導体スイッチの他端に、第２の半導体スイッチの一端と電流平滑リアクトルの一端とをそれぞれ接続し、電流平滑リアクトルの他端に第２の直流電源の一端を接続し、第１の直流電源の他端と、第２の半導体スイッチの他端と、第２の直流電源の他端とをそれぞれ接続し、前記第１及び第２の半導体スイッチはそれぞれ寄生ダイオードを有するユニポーラ型トランジスタとし、前記寄生ダイオードの立ち上がり電圧を、前記ユニポーラ型トランジスタに規定電流を通流した時に発生するオン電圧以上とした直流―直流変換装置において、前記電流平滑リアクトルは、直流リアクトルと可飽和リアクトルの直列回路で形成され、前記電流平滑リアクトルの電流反転時に前記可飽和リアクトルに発生する電圧を検知し、該電圧を検知したときには、前記第２の半導体スイッチをオフすることした。
【００１３】
また、第２の発明では、第１の発明の直流―直流変換装置において、第１の前記電流平滑リアクトルは、直流リアクトルと可飽和リアクトルの一次巻線の直列回路で形成され、前記電流平滑リアクトルの電流反転時に前記可飽和リアクトルの二次巻線に発生する電圧によって、前記電流平滑リアクトルの電流断続を検知するものとする。
また、第３の発明では、第１及び第２の発明の直流―直流変換装置において、第１の前記寄生ダイオードは、前記それぞれのユニポーラ型トランジスタの動作スイッチング周波数で動作できるように、高周波化した。
【００１４】
また、第４の発明では、第１乃至第３のいずれかの発明の直流―直流変換装置において、前記ユニポーラ型トランジスタをＭＯＳＦＥＴとした。
【００１５】
また、第５の発明では、第１乃至第４のいずれかの発明の直流―直流変換装置において、前記第１及び第２の半導体スイッチそれぞれの電流は、前記ユニポーラ型トランジスタに通流させるようにした。
【００１６】
また、第６の発明では、第１乃至第５のいずれかの発明の直流―直流変換装置において、前記第１及び第２の半導体スイッチのスイッチング動作によって、前記第１の直流電源と第２の直流電源との間で双方向に電力変換を行わせることとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の概要を示す回路構成図である。図１において、図１０、１２、１４と同一構成要素には同一番号を付してある。図１において、１１０、１２０は双方向通流ユニポーラ型の半導体スイッチであり、この中の１１０ａ、１２０ａはユニポーラ型トランジスタ、１１０ｂ、１２０ｂはユニポーラ型トランジスタに寄生するダイオードである。
【００１８】
図２は図１のユニポーラ型半導体スイッチの双方向通流時の電圧−電流特性図である。同図において、順方向電流値Ｉf、逆方向電流値Ｉｒが通流電流幅で、これに対応するスイッチ素子の両端電圧波形を示している。
図２では、寄生ダイオードの立ち上がり電圧Ｖｏは、ユニポーラ型トランジスタの順方向通流時のオン電圧Ｖｏfより大きいので、逆方向通流時の電圧はこの立ち上がり電圧になることはない。
【００１９】
図３は図２の特性のユニポーラ型トランジスタの構造の一例をＭＯＳＦＥＴを例に示したものである。同図で、１００ａがトランジスタ部、１００ｂが寄生ダイオード部である。トランジスタ部は従来と同じであるが、１００ｂの寄生ダイオード部の高周波化は従来のダイオードの高周波化と同様の方法、即ち、白金等の重金属の拡散や電子線照射等によってキャリアのライフタイムコントロールを行えばよい。
【００２０】
図１に示した回路構成では、図１４に示した双方向型チョッパの回路構成に対して半導体スイッチの特性を双方向型ユニポーラ特性にすると共に、同期整流動作を行う。
図４は図１の回路動作説明図であり、降圧動作の場合を図１１に対応して示してある。ここで、図４では電流平滑リアクトル電流が連続している場合を示している。図４において、図１１に示した動作波形と同一のものは同一記号で示してある。
【００２１】
図４で、（ａ１）はユニポーラトランジスタ１１０ａのゲートオン信号、（ａ２）はユニポーラトランジスタ１２０ａのゲートオン信号、（ｃ１)はユニポーラトランジスタ１１０ａの電流、（ｄ１）はユニポーラトランジスタ１２０ａの電流をそれぞれ示している。
図４と図１１の制御の違いは、図１１では、ダイオード４で平滑リアクトル電流を還流させているのに対し、図４の例では、ユニポーラ型トランジスタ１２０ａにダイオード４と同じ動作をさせている点にある。即ち、図２に示した逆方向通流域動作で１２０ａをゲートオンさせることで、寄生ダイオード１２０ｂに電流を流すことなく、ユニポーラ型トランジスタ１２０ａ側に電流を流す。この制御方式は同期整流方式と呼ばれる方式である。
【００２２】
さて、図４に示した制御動作では、ユニポーラ型トランジスタ１２０ａがゲートオン状態で電流平滑リアクトル電流が断続すると図５の<２>に示すように、直流電源７から電流が逆流してしまう。<１>は電流が連続している場合の電流方向を示している。この為、同期整流方式では、この電流断続が発生したら、ユニポーラ型トランジスタ１２０ａのゲートをオフする必要がある。
【００２３】
図６は、この場合の本発明の第１の実施形態を示す回路構成図で、請求項１に相当する。図６において、図１と同一構成要素には同一番号を付してある。図６において、２００は可飽和リアクトル、３００は電流平滑リアクトルの電流断続検出回路、４００は半導体スイッチ１１０、１２０のゲート駆動回路を含む制御回路である。
【００２４】
図７は図６の動作説明図である。図７において、図４に示した動作と同一動作は同一記号で示してある。図７は、電流平滑リアクトルの電流が連続している場合の動作図である。（ｉ）は可飽和リアクトルに発生する電圧波形である。ここで、電流平滑リアクトル電流は連続している。このため、可飽和リアクトルの電流反転がなく、可飽和リアクトルには電圧は発生しないので、同期整流用ユニポーラ型トランジスタ１２０ａは半導体スイッチ１１０ａのゲートオフ期間中ゲートオンしたままである。
【００２５】
図８は電流平滑リアクトルの電流が断続する場合の動作図である。時刻<１>で電流平滑リアクトル電流が反転しようとするので、可飽和リアクトル２００には電圧が図示の向きに発生する。この電圧発生を電流断続検出回路３００が検出して同期整流用ユニポーラ型トランジスタ１２０ａをゲートオフする。ユニポーラ型トランジスタ１１０ａ、１２０ａは共にゲートオフとなるので、直流電源７からの逆流は発生しなくて済むことになる。
【００２６】
時刻<２>で再び半導体スイッチ１１０ａがオンするので、可飽和リアクトルに電流が流れ始め、可飽和リアクトルに時刻<１>とは反対方向の極性の電圧が発生する。
図９は本発明の第２の実施形態の回路構成図であり、請求項２に相当する。図９において、図６と同一構成要素には同一番号を付してある。図６との違いは、図６の可飽和リアクトル２００を二次巻線２００ｂを有した可飽和リアクトル２００ａと置き換えたことであり、この二次巻線に発生する電圧で電流平滑リアクトルの電流断続を電流断続検出回路３００ａで検出する。図９は、図８の可飽和リアクトル電圧検出を図９では二次巻線から検出している点が異なるのみで、他はすべて同じであり、回路動作も図８と同じであるので、図９の動作説明は省略する。
【００２７】
【発明の効果】
本発明はユニポーラ型トランジスタの寄生ダイオードの立上がり電圧を高く、且つ高周波作動型にして、双方向ユニポーラ動作型にしたスイッチング素子を用いたチョッパ回路構成としたので次の効果が期待できる。
（１）降圧動作と昇圧動作の双方向動作を一体型で実現できるので、装置の小型・軽量化、低コスト化が実現できる。
【００２８】
（２）電流平滑リアクトル電流が断続しても、同期整流動作を可能としているので、高効率が実現できる。
（３）スイッチング素子は順方向、逆方向ともユニポーラ型動作となるので、スイッチ素子の損失の低減が図れ、高効率なチョッパが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す回路構成図である。
【図２】図１の半導体スイッチの特性を説明する図である。
【図３】図１の半導体スイッチの断面構造図の一例を示す図である。
【図４】図１の動作を説明する図である。
【図５】図１の別の動作を説明する図である。
【図６】この発明の第２の実施例を示す回路構成図である。
【図７】図６の動作を説明する図である。
【図８】図６の動作を説明する別の図である。
【図９】この発明の第３の実施例を示す回路構成図である。
【図１０】従来の降圧チョッパの回路構成図である。
【図１１】図１０の動作を説明する図である。
【図１２】従来の昇降圧チョッパの回路構成図である。
【図１３】図１２の動作を説明する図である。
【図１４】従来の昇降圧チョッパの他の回路構成図である。
【図１５】図１４の半導体スイッチのトタンジスタの特性を示す図
【図１６】図１４の半導体スイッチの寄生ダイオードの特性を示す図
【図１７】図１４の半導体スイッチの順・逆方向特性を示す図である。
【図１８】半導体の損失特性を説明する図である。
【符号の説明】
１、７…直流電源、２、６…電圧平滑コンデンサ、３、４ａ…バイポーラ型半導体スイッチ、３ａ、４…ダイオード、４…電流平滑リアクトル、３０、４０、１１０、１２０…ユニポーラ型半導体スイッチ、３１、４１、１００ａ、１１０ａ、１２０ａ…ユニポーラトランジスタ、３２、４２、１００ｂ、１１０ｂ、１２０ｂ…寄生ダイオード、２００、２００ａ…可飽和リアクトル、２００ｂ…可飽和リアクトル二次巻線、３００、３００ａ…電流平滑リアクトル電流断続検出回路、４００…制御回路
【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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【図１３】
0003965847.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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