(57)【要約】【課題】軽負荷時や無負荷時におけるスイッチング素子の駆動損失を低減させ、効率向上を図ることのできる電力変換装置を提供する。【解決手段】並列に接続された複数のスイッチング素子を出力電力に応じて駆動するスイッチング素子駆動部を備えた電力変換装置において、スイッチング素子駆動部は、所定の出力電力を超えたとき、並列に接続された複数のスイッチング素子を同一の駆動信号で駆動する一方、所定の出力電力を下回ったとき、並列に接続されたスイッチング素子の一部だけを駆動し、他のスイッチング素子の駆動を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続された複数のスイッチング素子を出力電力に応じて駆動するスイッチング素子駆動部を備えた電力変換装置であって、
前記スイッチング素子駆動部は、所定の出力電力を超えたとき、並列に接続された前記複数のスイッチング素子を同一の駆動信号で駆動する一方、所定の出力電力を下回ったとき、並列に接続された前記スイッチング素子の一部だけを駆動し、他のスイッチング素子を駆動しないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記複数のスイッチング素子は、少なくとも一つのスイッチング素子が他のスイッチング素子よりも入力容量が小さい小入力容量スイッチング素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記駆動制御部は、前記所定の出力電力を下回ったとき、前記小入力容量スイッチング素子だけを駆動するものである請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記駆動制御部は、前記所定の出力電力を超えたとき前記小入力容量スイッチング素子を駆動せず、前記所定の出力電力を下回ったとき、かつ、前記小入力容量スイッチング素子以外の前記スイッチング素子を駆動しないとき、前記小入力容量スイッチング素子だけを駆動するものである請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は並列に接続された複数のスイッチング素子を出力電力に応じて駆動するスイッチング素子駆動部を備えた電力変換装置に係り、特に軽負荷時や無負荷時に生じる電力損失を抑えるに好適な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フライバックトランス（以下、トランスと称する）を用いた直流‐直流電力変換装置（以下、ＤＣ−ＤＣコンバータと称する）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この種のＤＣ−ＤＣコンバータには、例えば図３に示すようにトランスＴの一次側（電源側）に直流電源１と複数のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）との直列回路が一次巻線Ｗ1間に接続される。この複数のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）は、それぞれのゲート端子が互いに接続されてゲート制御部（スイッチング素子駆動部）２に接続されている。そしてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）は、ゲート制御部２の駆動制御によってドレイン・ソース間のオン／オフが制御される。
一方、トランスＴの二次側（負荷側）の二次巻線Ｗ2間には、整流器Ｄと負荷ＲLとの直列回路が接続されている。そして負荷ＲLの両端には、平滑用の平滑コンデンサＣが並列に接続される。
このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータは、図示しない電圧や電流検出部によって検出された電圧値や電流値に応じてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）に与えるゲート信号（駆動信号）を制御し、所定の二次側電圧が維持されるように構成されている。
詳しくはゲート制御部２によってＭＯＳＦＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）がオンするとトランスＴの一次巻線Ｗ1に直流電源１の電圧が印加されて電流が流れる。するとトランスＴには、電磁誘導作用に基づく磁気エネルギーが蓄えられる。次いでゲート制御部２がＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）をオフすると、トランスＴに蓄えられた磁気エネルギーは、トランスＴの二次巻線Ｗ2に接続された整流器Ｄを介して負荷ＲLおよび平滑コンデンサＣに供給される。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、この動作を繰り返すことによって所定の電圧が二次巻線Ｗ2の両端に生じ、負荷ＲLに適した直流電圧を得ることができるように構成されている。
ちなみに図３では、２個のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2））を並列に接続したＤＣ−ＤＣコンバータの構成例を示したが、並列に接続するスイッチング素子の個数は、一般にスイッチング素子に流れる電流や損失によって生じる発熱等を考慮して決定される。すなわち、スイッチング素子は全ての動作条件において、最大の電流値や最大の温度上昇が許容できるような並列個数に設定される。
図４は、このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ゲート制御部２から各スイッチング素子へ与えられる駆動信号の一例を示したものである。ゲート制御部２は、この図に示されるように並列に接続されたスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2））に同一の駆動信号を与えている。したがって一次電流は、並列接続された２つのスイッチング素子に分流する。このため各スイッチング素子は、スイッチングに伴って生じる損失電力をそれぞれのスイッチング素子が分担することになり、損失電力による素子の温度上昇を抑えることができる。
【特許文献１】特開２００４−９６８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したＤＣ−ＤＣコンバータは、ＭＯＳＦＥＴをオンするためにゲート・ソース間の入力容量にゲート制御部から電荷を注入する必要がある。その一方で、ＭＯＳＦＥＴをオフするときには、その電荷を消費させてゲート・ソース間の電圧を低下させなければならない。
このようにスイッチング素子を駆動させるためには電荷の注入と消費を繰り返さなければならずその際、駆動損失が発生する。この駆動損失は、ＭＯＳＦＥＴに限られることなく、ＩＧＢＴやトランジスタをスイッチング素子に用いた電力変換装置においても同様な駆動損失がスイッチング時に発生する。
より詳しくは特許文献の段落［０００５］，［０００６］に示されるようにＭＯＳＦＥＴのトータル・ゲートチャージをＱｇ、ゲート・ソース間電圧をＶｇｓ、スイッチング周波数をｆとすれば、ＭＯＳＦＥＴの駆動損失Ｗは、
Ｗ＝Ｑｇ×Ｖｇｓ×ｆ
で求めることができる。トータル・ゲートチャージＱｇ，ゲート・ソース間電圧Ｖｇｓおよびスイッチング周波数ｆは、通常、負荷率や動作条件によって変化しないのでＭＯＳＦＥＴの駆動損失は、主回路の負荷率（電流）に依存しない。したがって上述したＤＣ−ＤＣコンバータは、軽負荷時であっても全負荷時（１００％負荷時）と同等の駆動損失が発生することになる。この駆動損失は、並列に接続されたスイッチング素子の個数が増えるほど増加するという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するべくなされたもので軽負荷時や無負荷時におけるスイッチング素子の駆動損失を低減させ、変換効率の向上を図ることのできる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するべく本発明の電力変換装置は、並列に接続された複数のスイッチング素子を出力電力に応じて駆動するスイッチング素子駆動部を備えた電力変換装置であって、
前記スイッチング素子駆動部は、所定の出力電力を超えたとき、並列に接続された前記複数のスイッチング素子を同一の駆動信号で駆動する一方、所定の出力電力を下回ったとき、並列に接続された前記スイッチング素子の一部だけを駆動し、他のスイッチング素子を駆動しないことを特徴としている。
したがって上述の電力変換装置は、重負荷時には並列に接続されたスイッチング素子で負荷に電力を供給する一方、軽負荷時には、一部のスイッチング素子だけを駆動し、他のスイッチング素子の駆動を停止することでスイッチング時に生じる駆動損失を低減させる。
好ましくは前記複数のスイッチング素子は、少なくとも一つのスイッチング素子が他のスイッチング素子よりも入力容量が小さい小入力容量スイッチング素子を備えることが望ましい。そして前記駆動制御部は、前記所定の出力電力を下回ったとき、小入力容量スイッチング素子だけを駆動するものとして構成される。
【０００７】
したがって上述の電力変換装置は、入力容量が大きくスイッチング時に生じる駆動損失が大きなスイッチング素子を軽負荷時や無負荷時に駆動を停止させ、スイッチング時に生じる駆動損失を効果的に抑制する。
また前記駆動制御部は、前記所定の出力電力を超えたとき前記小入力容量スイッチング素子を駆動せず、前記所定の出力電力を下回ったとき、かつ、前記小入力容量スイッチング素子以外の前記スイッチング素子を駆動しないとき、前記小入力容量スイッチング素子だけを駆動するものとして構成される。  したがって上述の電力変換装置は、スイッチング特性やオン抵抗が異なる特性を有するスイッチング素子を並列接続した場合であっても、これらの特性の違いによって損失や温度上昇が特定のスイッチング素子に集中することを防止する。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように本発明の電力変換装置は、軽負荷時や無負荷時に並列接続されたスイッチング素子の一部の駆動を停止するよう構成しているので、軽負荷時や無負荷時におけるスイッチング素子の駆動損失を低減させることができ、電力変換装置の変換効率を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る電力変換装置について図面を参照しながら説明する。尚、図１，２は、本発明の一実施形態を説明するための図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものでない。また基本的な構成は図３に示す従来のものと同様であるので従来の電力変換装置と同一の部位には同符号を付し、その説明を省略する。
さて、図１において３は、負荷電流値を検出するべくトランスＴの二次巻線の一端と負荷ＲLの一端に介装された電流検出部である。詳細は後述するが、この電力変換装置は、予め定めた電流閾値を保持する電流閾値保持部１０と、この電流閾値保持部１０が保持する電流閾値と、電流検出部３が検出した負荷電流値とを比較し、その大小関係を判定する判定部１１、この判定部１１の判定によってＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）の駆動を制御するゲート制御部（スイッチング素子駆動部）１２を備える。
このように構成された本発明の電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のゲート制御部（スイッチング素子駆動部）１２は、判定部１１により負荷電流（出力電流）が電流閾値保持部１０によって保持された電流閾値を上回っている（重負荷時）と判定されたとき、図２に示すように２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）のゲートを駆動する駆動信号を出力する。その一方でゲート制御部１２は、判定部１１により負荷電流が電流閾値保持部１０によって保持された電流閾値を下回った（軽負荷時および無負荷時）と判定されたとき２つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）の一方のゲート駆動信号を断つ。即ち、ゲート制御部１２は、一方のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ2）の駆動を停止し、一つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）だけを駆動する。
【００１０】
尚、前記電流閾値保持部１０に予め保持させる電流閾値は、１つのＭＯＳＦＥＴでスイッチングしても、このＭＯＳＦＥＴの定格電流を超えることのない電流値が設定される。そうしてゲート制御部１２は、負荷電流がこの電流閾値を下回ったときは、一つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）だけをスイッチングし、負荷電流が電流閾値を上回ったときは、二つのＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）を同時に駆動する。
このように本発明の電力変換装置は、軽負荷時や無負荷に駆動するスイッチング素子の数を減らしているのでスイッチング時に生じる無駄な駆動損失を効果的に低減することができ、電力変換装置の高効率化を図ることが可能である。
なお、上述した実施形態は、２つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2））により構成したＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示したものであるが、更に３つ以上のスイッチング素子が並列に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータにも勿論適用することが可能である。この場合は、電流閾値保持部１０に複数の電流値を予め保持しておき、判定部１１にこれらの電流値と負荷電流値とを比較させ、その判定結果に応じてゲート制御部１２がスイッチング素子の駆動数を制御すればよい。つまり、重負荷時にゲート制御部１２は、全てのスイッチング素子を駆動し、負荷電流が減少するにつれて駆動するスイッチング素子の数を徐々に減らしてゆくようにする。この際、各スイッチング素子がそれぞれ分担する負荷電流は、各スイッチング素子の定格を超えないように設定する。
【００１１】
ちなみに負荷電力を検出する手段は、上述した実施例に示したようにトランスＴの二次側と負荷との間に介装した電流検出部３以外の例えばトランスＴの一次側電流を計測しても、あるいはそれ以外の箇所であっても、並列接続されたスイッチング素子に流れる電流が検出できれば電流検出部３の挿入箇所が限定されるものではない。
また上述した電力変換装置は、ＭＯＳＦＥＴ以外にもスイッチングによって駆動損失が生じる全てのスイッチング素子に適用可能である（例えば、ＩＧＢＴやトランジスタ等）。更に本発明の電力変換装置は、上述したＤＣ−ＤＣコンバータ以外にも複数のスイッチング素子が並列に接続された電力変換装置（インバータ、交流電力変換装置、チョッパ等）にも適用することができる。
このように本発明の電力変換装置は、軽負荷時や無負荷時にスイッチング素子に生じる無駄な駆動損失を低減することができ、電力変換装置の高効率化を図ることができるという実用上多大なる効果を奏する。
なお、並列接続されたＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1，Ｑ2）のうち、一方のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）のゲート・ソース間の寄生容量（入力容量）が他方のＭＯＳＦＥＴの入力容量より小さいもの（小入力容量スイッチング素子）を用いた場合、軽負荷時や無負荷時に入力容量の小さなＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）だけをゲート制御部１２により駆動し、他方のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ2：ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）より入力容量が大きい）の駆動を停止することが望ましい。つまり、スイッチング素子の駆動によって発生する損失は、前述したように入力容量（トータル・ゲートチャージＱｇ）に比例する。このためゲート制御部１２は、軽負荷時や無負荷時に入力容量の小さなＭＯＳＦＥＴ（Ｑ1）だけを駆動するよう構成する。
【００１２】
このように構成することによって本発明の電力変換装置は、入力容量が小さく、スイッチング時の駆動損失が少ないスイッチング素子（小入力容量スイッチング素子）を軽負荷時や無負荷時に選択駆動することができ、より効果的に損失を低減することが可能となる。
また本発明は、入力容量の小さなスイッチング素子を重負荷時に駆動せず、軽負荷時や無負荷時（他のスイッチング素子が非駆動の時）だけ駆動するよう構成してもよい。このように構成することによってスイッチング特性やオン抵抗が異なるスイッチング素子が並列に接続されたときであっても、それら特性の違いによって損失や温度上昇が特定のスイッチング素子に集中することを防止できる。
このように本発明は、出力電力に応じて並列接続されたスイッチング素子の駆動数を制御しているので、スイッチング素子の駆動損失を低減させることができるという実用上多大なる効果を奏する。
尚、本発明の電力変換装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の概略を示す回路構成図。
【図２】図１に示すゲート制御部が出力するゲート駆動信号と負荷電流との関係を模式的に示した図。
【図３】従来の電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）の概略を示す回路構成図。
【図４】図３に示すゲート制御部が出力するゲート駆動信号と負荷電流との関係を模式的に示した図。
【符号の説明】
【００１４】
１  直流電源
３  電流検出部
１０  電流閾値保持部
１１  判定部
１２  ゲート制御部
Ｃ  平滑コンデンサ
Ｄ  整流器
ＲL  負荷
Ｔ  トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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