JP2017041959A - Ac-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流−直流変換装置のコストを削減し、低ノイズ化を可能にする技術に関するものである。 The present invention relates to a technology that reduces the cost of an AC-DC converter and enables low noise.
図7は、交流−直流変換装置の一種として、高入力力率の整流回路である従来のPFC(Power Factor Correction)回路を示しており、例えば、特許文献1に記載されているものとほぼ同様の回路である。
図7において、1は交流電源、100はリアクトル、101,102は接地コンデンサ、103〜106は整流回路を構成するダイオード、107〜110は半導体スイッチング素子、111,112はコンデンサ、113は負荷、200は制御回路、201は絶縁電流検出器、202,203はゲート駆動回路である。
FIG. 7 shows a conventional PFC (Power Factor Correction) circuit, which is a rectifier circuit with a high input power factor, as a kind of AC-DC converter, and is substantially the same as that described in Patent Document 1, for example. Circuit.
In FIG. 7, 1 is an AC power source, 100 is a reactor, 101 and 102 are ground capacitors, 103 to 106 are diodes constituting a rectifier circuit, 107 to 110 are semiconductor switching elements, 111 and 112 are capacitors, 113 is a load, and 200 Is a control circuit, 201 is an insulation current detector, and 202 and 203 are gate drive circuits.
スイッチング素子107〜110は、逆方向電流に対して常に導通する性質を持つ素子であり、例えばMOSFETが使用される。図示するように、スイッチング素子107,108、及び、同109,110をそれぞれ逆方向に直列接続することで、順・逆方向の電流の導通・遮断を制御可能な、いわゆる双方向スイッチが構成される。
この回路の動作は、特許文献1に詳しく説明されているように、高周波でオン/オフするスイッチング素子107〜110のスイッチング電圧レベルを0[V],E/2,Eの3レベル(ここで、Eは正負出力端子P,N間の出力電圧)とすることにより、スイッチング損失の低減やリアクトル100の小形化を可能にしている。
The
As described in detail in Patent Document 1, the operation of this circuit is performed by setting the switching voltage levels of the
なお、他の従来技術として、図7とは双方向スイッチの具体的構成が異なる整流回路が特許文献2に記載されている。また、全体的に異なる構成によって3レベルの整流回路を実現したものが特許文献3に記載されている。
As another prior art,
図7に示した従来技術には、以下のような課題がある。
(1)課題1:ゲート駆動回路や電流検出回路の構成部品が高価になる。
図7の制御回路200では、高価な絶縁部品の使用を極力減らすために、基準電位(いわゆるGND電位)を主回路の一点と共通にすることが多い。このように共通電位とする点は、もっぱら主回路の負側出力端子、すなわち図7におけるN点である。
The prior art shown in FIG. 7 has the following problems.
(1) Problem 1: The components of the gate drive circuit and current detection circuit are expensive.
In the
PFC回路は、一般に単独で使われることは少なく、後段にDC/DCコンバータ等を接続して直流電圧を供給する場合が大多数である。つまり、図7のPFC回路にとっての負荷113は、実際にはDC/DCコンバータ等の電力変換器となる。この場合、PFC回路とDC/DCコンバータ等の電力変換器との両方を同一の制御回路200によって制御するためには、N点を基準電位に設定することが望ましい。
In general, the PFC circuit is rarely used alone, and in most cases, a DC voltage is supplied by connecting a DC / DC converter or the like in the subsequent stage. That is, the
一方、スイッチング素子107〜110のゲートを駆動する際の基準電位は全てN点とは異なる。従って、ゲート駆動回路202,203には、異なる電位点に駆動信号と駆動用の電力とを伝送する機能が必要となり、多くの場合、フォトカプラや小型のDC/DCコンバータ等の絶縁部品を用いて構成されている。
On the other hand, all the reference potentials for driving the gates of the
また、入力電流Iinを制御するためには、リアクトル100の電流やそれに相当する電流を検出することが必要であるが、N点と同電位の部分を流れる電流は、一部の期間しかIinと等しくならない。従って、N点と同電位の部分にシャント抵抗を設けて電流を検出する方法は用いることができない。電位が異なる点の電流をシャント抵抗により検出し、絶縁部品を用いずに電流検出値を精度良く伝送することは一般に困難である。
このため、シャント抵抗の代わりに、ホール素子等を用いた絶縁電流検出器201を用いて電流を検出することになるが、制御回路200及び主回路の基準電位を共通化したにも関わらず、結局、絶縁部品が必要となる。
In order to control the input current I in, it is necessary to detect a current corresponding to the current and that of the
For this reason, instead of the shunt resistor, the current is detected by using the insulated
(2)課題2:ノイズが大きくなる。
一般に商用の交流電源を入力とする機器では、交流電源の一端が直接外部で接地されている場合を除き、図7に示すように、装置の内部で交流入力の両端を、接地コンデンサ01,102により接地することが多い。このため、装置の交流入力電圧は、大地電位に対して一定電位または低周波で変動する。以下では、高周波やステップ状の電位変動を伴わないこのような電位の状態を、安定電位と呼ぶ。
(2) Problem 2: Noise increases.
In general, in a device that uses a commercial AC power supply as input, except for the case where one end of the AC power supply is directly grounded externally, as shown in FIG. In many cases, it is grounded. For this reason, the AC input voltage of the apparatus fluctuates at a constant potential or a low frequency with respect to the ground potential. Hereinafter, such a potential state that does not involve high-frequency or step-like potential fluctuations is referred to as a stable potential.
図7において、交流電源1による入力電圧をVinとすると、接地コンデンサ101,102の容量が等しい場合、各コンデンサ101,102の電圧はVin/2となる。この場合、分圧点が大地電位となるので、交流電源1の一端のU点の電位は+Vout/2となり、他端のV点の電位は(−Vout/2)となる。
7, when the input voltage by the AC power source 1 and V in, when the capacity of the
これに対し、出力側のコンデンサ111,112同士の接続点であるM点の電位は、スイッチング素子109,110が導通しているときにはV点の電位(−Vout/2)に等しく、スイッチング素子109,110がオフしてダイオード106が導通すると、N点がV点に接続されるため、M点の電位は、V点の電位+E/2、つまり(−Vout/2)+E/2となる。すなわち、M点の対地電位は、スイッチング素子109,110のオン/オフに伴い、(−Vout/2)と(−Vout/2)+E/2との間でステップ状に変動することになる。
On the other hand, the potential at the point M, which is a connection point between the
ここで、図7中の204は、意図せずに回路上に存在する対地寄生容量である。上述したM点の対地電位の変動に伴い、対地寄生容量204には接地電流(いわゆる漏電電流)が流れる。そして、この接地電流が大地を通じて接地コンデンサ101,102に流れることにより、高周波電圧、いわゆる雑音端子電圧を発生させる。
また、接地電流は、直流回路と交流入力端との間の長い経路を流れるため、物理的な電流ループが長く、これが放射ノイズの原因ともなる。
Here, 204 in FIG. 7 is a ground parasitic capacitance unintentionally existing on the circuit. A ground current (so-called leakage current) flows through the ground
In addition, since the ground current flows through a long path between the DC circuit and the AC input end, the physical current loop is long, which causes radiation noise.
更に、ステップ状の電位変動を生じるのはM点だけでなく、図7におけるU1点,P点,N点の全てであり、それぞれに存在する対地寄生容量を介しても接地電流が流れるので、雑音端子電圧や放射ノイズは一層大きくなる。加えて、制御回路200の基準電位(GND電位)も大地電位に対して急激に変動するので、接地電流が制御回路200を介して流れることによる誤動作の危険も大きくなる。
Further, the step-like potential fluctuation occurs not only at the M point but also at all of the U1, P, and N points in FIG. 7, and the ground current flows through the ground parasitic capacitances present in the respective points. Noise terminal voltage and radiation noise are further increased. In addition, since the reference potential (GND potential) of the
(3)課題3:半導体素子が高価になる。
図7の回路では、ダイオード103〜106として、耐圧が出力電圧Eより大きいダイオードが4個必要である。特許文献1の図3に示された従来技術では、上記4個のダイオード全てに、また、同文献の図1に示された従来技術では2個のダイオードに、逆回復損失の小さいファーストリカバリダイオードを使用する必要がある。
特に、ファーストリカバリダイオードとして、スイッチング損失を低減するために、ワイドバンドギャップ半導体である炭化珪素(SiC)等からなるショットキーバリアダイオードを用いる場合には、ダイオードのコストが高くなる。
また、スイッチング素子107〜110としては、耐圧がE/2より大きい4個の高周波スイッチング素子が必要となる。
(3) Problem 3: The semiconductor element becomes expensive.
In the circuit of FIG. 7, four diodes having a breakdown voltage greater than the output voltage E are required as the
In particular, when a Schottky barrier diode made of silicon carbide (SiC), which is a wide band gap semiconductor, is used as the first recovery diode in order to reduce switching loss, the cost of the diode increases.
Further, as the
以上の課題(1)〜(3)は、ブリッジ整流回路の後段に昇圧チョッパを設けた一般的なPFC回路では生じず、特許文献1や特許文献3の図6,図7等に示されるように、3レベル動作が可能な整流回路の構成に起因して生じる課題である。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、安価な非絶縁部品を使用可能にすると共にノイズを低減し、更にはスイッチング素子等の部品数を減少させてコストの削減を可能にした交流−直流変換装置を提供することにある。
The above problems (1) to (3) do not occur in a general PFC circuit in which a step-up chopper is provided after the bridge rectifier circuit, as shown in FIGS. 6 and 7 in Patent Document 1 and
The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to make it possible to use inexpensive non-insulating parts, reduce noise, and further reduce the number of parts such as switching elements. An object of the present invention is to provide an AC-DC converter capable of reducing the cost.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、交流電圧を整流回路により整流して得た直流電圧を、半導体スイッチング素子のオン/オフにより異なる大きさの直流電圧に変換して負荷に供給する交流−直流変換装置であって、
第1のダイオード、第2のダイオード、第1のスイッチング素子、第2のスイッチング素子を順次、直列に接続してスイッチング部を構成すると共に、前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの接続点と、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点との間に第1のコンデンサを接続し、
前記整流回路の正負の出力端子を、リアクトルを介して前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との直列回路の両端にそれぞれ接続し、
その両端が負荷に接続される前記スイッチング部に並列に第2のコンデンサを接続し、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のオン/オフを制御するための制御回路の基準電位を、前記第2のコンデンサの負側出力端子の電位としたものである。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 converts a DC voltage obtained by rectifying an AC voltage by a rectifier circuit into a DC voltage of a different magnitude by turning on / off of the semiconductor switching element to a load. An AC-DC converter to be supplied,
A first diode, a second diode, a first switching element, and a second switching element are sequentially connected in series to form a switching unit, and the first diode and the second diode are connected to each other. A first capacitor is connected between the point and a connection point between the first switching element and the second switching element;
The positive and negative output terminals of the rectifier circuit are respectively connected to both ends of a series circuit of the first switching element and the second switching element via a reactor,
A second capacitor is connected in parallel to the switching unit whose both ends are connected to a load, and a reference potential of a control circuit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element is obtained. , The potential of the negative output terminal of the second capacitor.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した交流−直流変換装置において、前記整流回路と前記第2のコンデンサの負側出力端子との間に流れる電流を検出して前記制御回路に与える電流検出手段を備え、前記電流検出手段は、その電流検出部と前記制御回路との間の絶縁機能を持たないことを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した交流−直流変換装置において、前記制御回路に接続され、かつ、前記第2のスイッチング素子のオン/オフを直接制御する第2の駆動手段と、前記第2の駆動手段を動作させるための直流電源と、を備え、前記直流電源の基準電位を、前記制御回路の基準電位と等しくしたものである。
The invention according to
請求項4に係る発明は、請求項3に記載した交流−直流変換装置において、前記制御回路に接続され、かつ、前記第1のスイッチング素子のオン/オフを直接制御する第1の駆動手段と、前記第2のスイッチング素子のオン時に、前記第1の駆動手段を動作させるための電力を前記直流電源から供給するブートストラップ回路と、を備えたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the AC-DC converter according to the third aspect, wherein the first driving unit is connected to the control circuit and directly controls on / off of the first switching element. And a bootstrap circuit that supplies power for operating the first driving means from the DC power source when the second switching element is turned on.
請求項5に係る発明は、請求項1に記載した交流−直流変換装置において、前記第2のコンデンサの負側出力端子を、接地コンデンサを介して接地したものである。
The invention according to
請求項6に係る発明は、請求項1に記載した交流−直流変換装置において、前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子よりも耐圧が低く、かつ、前記第1のスイッチング素子または第2のスイッチング素子よりも順電圧降下が小さい第3のスイッチング素子と、前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードより逆回復損失が大きく、かつ、前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードの順電圧降下の和よりも順電圧降下が小さい第3のダイオードと、を直列に接続してなる回路を、前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの直列回路に並列に接続したものである。 The invention according to claim 6 is the AC-DC converter according to claim 1, wherein the withstand voltage is lower than that of the first switching element or the second switching element, and the first switching element or the first switching element A third switching element having a forward voltage drop smaller than that of the second switching element, a reverse recovery loss larger than that of the first diode and the second diode, and the first diode and the second diode. A circuit in which a third diode having a forward voltage drop smaller than the sum of the forward voltage drops is connected in series is connected in parallel to the series circuit of the first diode and the second diode. is there.
請求項7に係る発明は、請求項1〜6の何れか1項に記載した交流−直流変換装置において、前記第1のダイオードまたは前記第2のダイオードのうちの少なくとも一方が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたショットキーバリアダイオードであることを特徴とする。
The invention according to
請求項8に係る発明は、請求項1〜7の何れか1項に記載した交流−直流変換装置において、前記第1のコンデンサに並列に第1の抵抗を接続すると共に、前記第2のスイッチング素子に並列に、前記第1の抵抗とほぼ等しい抵抗値を有する第2の抵抗を接続したものである。
The invention according to
請求項9に係る発明は、請求項8に記載した交流−直流変換装置において、前記第1のダイオードに並列に第3の抵抗を接続し、前記第2のコンデンサの電圧を前記第1,第2,第3の抵抗の直列回路により分圧したときの前記第3の抵抗の両端電圧が、前記第1のダイオードの耐圧よりも低いことを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、主回路の直流部及び制御回路の基準電位が安定電位となることにより、安価な非絶縁部品を用いることができると共に、ノイズの発生を抑制することができる。これにより、課題1,2の解決が可能である。
また、高周波動作する半導体スイッチング素子の数を減少させることにより、課題3を解決することができる。
According to the present invention, since the reference potential of the DC part of the main circuit and the control circuit becomes a stable potential, it is possible to use inexpensive non-insulating parts and to suppress the generation of noise. Thereby, the
Further,
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態の主要部を示す回路図である。図1において、交流電源1の両端には、コンデンサ2を介してダイオード3〜6からなる整流回路51が接続されている。この整流回路51の正側出力端子はリアクトル7の一端に接続され、その他端と整流回路51の負側出力端子との間には、第1,第2の半導体スイッチング素子(以下、単にスイッチング素子ともいう)8,9が直列に接続されている。なお、スイッチング素子8,9は、MOSFETに限らずパワトランジスタ等であっても良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing the main part of the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
スイッチング素子8,9の直列回路には、第1,第2のダイオード10,11からなる直列回路が接続され、ダイオード11と前記スイッチング素子8との接続点はリアクトル7の他端に接続されている。ここで、ダイオード10,11とスイッチング素子8,9との直列回路を、便宜的にスイッチング部SWというものとする。
上記ダイオード10,11には、例えば、ワイドバンドギャップ半導体であるSiCにより形成されたショットキーバリアダイオードが使用されている。
A series circuit including first and
For the
ダイオード10,11同士の接続点とスイッチング素子8,9同士の接続点との間には第1のコンデンサ12が接続されていると共に、スイッチング部SWには第2のコンデンサ13が並列に接続されている。
また、コンデンサ13の両端には負荷14が接続されており、この負荷14には、直流電圧を入力とするDC/DCコンバータ等の電力変換器も含まれる。
A
A
図1において、リアクトル7、スイッチング素子8,9、ダイオード10,11、コンデンサ12,13からなる回路は、いわゆるフライングキャパシタ形のチョッパを構成しており、例えば特開2013−192383号公報の図1に記載されている。
ここで、図1におけるVinは交流入力電圧、Iinは交流入力電流、Vr1は整流回路51の直流出力電圧、ILはリアクトル7の電流、Vr2はスイッチング素子8,9の直列回路の両端電圧、Vcはコンデンサ12の両端電圧、Eはコンデンサ13の両端電圧(直流出力電圧)である。
In FIG. 1, a circuit comprising a
Here, V in the AC input voltage in FIG. 1, I in the AC input current, V r1 is the DC output voltage of the
次に、この回路の動作を、図2を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、スイッチング素子8,9及びダイオード10,11等の順方向電圧降下を無視する。
図2において、コンデンサ12の電圧Vcは、装置の停止中には予備充電回路(図示せず)により、装置の運転中には以下の制御により、概ねE/2に保たれるものとする。このように電圧Vcを概ねE/2にしておくのは、後述するように、ダイオード10,11の導通時にスイッチング素子9に過電圧が印加されるのを防止するためである。
Next, the operation of this circuit will be described with reference to FIG. In the following description, forward voltage drops of the
In FIG. 2, the voltage V c of the
まず、図2(a)では、スイッチング素子8,9を共にオンする。このとき、電圧Vr2は0[V]となる。
次に、図2(b)に示すように、スイッチング素子8をオフして同9をオン状態のまま維持すると、電圧Vr2はコンデンサ12の電圧Vc、すなわち概ねE/2に等しくなり、図示する電流経路でコンデンサ12が充電される。次いで、図2(c)に示すように、スイッチング素子8をオンして同9をオフすると、電圧Vr2は(E−Vc)、すなわち概ねE/2に等しくなり、図示する電流経路でコンデンサ12が放電される。ここで、コンデンサ12のキャパシタンスは、上記の充電または放電動作の1回で充放電される電荷量に対して大きく、充放電にともなう電圧変動は小さい(例えばE/2の10%以下)ものとする。更に、図2(d)に示すごとく、スイッチング素子8,9を共にオフすると、電圧Vr2はコンデンサ13の電圧Eに等しくなる。
First, in FIG. 2A, both the
Next, as shown in FIG. 2B, when the switching
図1の整流回路51の出力電圧Vr1が0[V]〜E/2となる期間では、Vr2が0[V]〜E/2となるようにスイッチング素子8,9をスイッチング動作させ、電圧Vr1がE/2〜Eとなる期間では、Vr2がE/2〜Eとなるようにスイッチング素子8,9をスイッチングすることにより、リアクトル7に印加される差電圧(Vr1−Vr2)を調整する。その結果として、リアクトル7に流れる電流が半波正弦波に制御され、前述した図7の回路と同様の動作が実現される。電圧Vr2をE/2とする際、図2(b)と図2(c)の動作を交互に行なうことにより、コンデンサ12の充電量と放電量とを等しくして電圧VcをE/2付近の一定値に保つ。
In a period in which the output voltage V r1 of the
次に、図3は、図1の回路に制御回路、電流検出器、ゲート駆動回路等を付加したものである。図3において、20は制御回路、21は電流検出器、22,23はそれぞれスイッチング素子8,9を駆動するための第1,第2のゲート駆動回路、24はゲート駆動回路22に対する駆動信号の伝送回路、25はゲート駆動用の直流電源、26はダイオード、27はコンデンサを示す。
Next, FIG. 3 is obtained by adding a control circuit, a current detector, a gate drive circuit, and the like to the circuit of FIG. In FIG. 3, 20 is a control circuit, 21 is a current detector, 22 and 23 are first and second gate drive circuits for driving the
制御回路20は、図7と同様に、その基準電位を主回路のN点(コンデンサ13の負側出力端子)とする。
リアクトル7の電流ILは、N点から整流回路51側に戻る電流を、N点電位に設けた電流検出器21としてのシャント抵抗により測定することができる。この電流検出方法は、一般的な2レベルのPFC回路において良く用いられている方法である。
As in FIG. 7, the
Current I L of the
第2のスイッチング素子9のゲートはN点の電位を基準として駆動するため、ゲート駆動回路23は絶縁機能を必要としない。また、ゲート駆動用の直流電源25は、制御回路20用の電源、すなわち制御電源と共通電位のもの、または制御電源そのものを用いることができる。第1のスイッチング素子8のゲートを駆動するための基準電位は、常にN点の電位とは等しくないが、第2のスイッチング素子9のオン時にはほぼN点の電位となる。
Since the gate of the
上述した作用を利用して異電位点に電源を供給する方法は、ブートストラップ回路として知られている。すなわち、スイッチング素子9がオンすると、直流電源25→ダイオード26→コンデンサ27→スイッチング素子9→直流電源25の経路で電流が流れ、コンデンサ27はほぼ直流電源25の電圧まで充電される。ゲート駆動回路22は、この電圧を用いてスイッチング素子8を駆動する。
A method of supplying power to a different potential point using the above-described action is known as a bootstrap circuit. That is, when the switching
上記のように、電圧Vr2をE/2とする場合、図2(b)と図2(c)の状態を交互に繰り返すので、スイッチング素子9がオンするタイミングは高頻度で存在する。そして、スイッチング素子9がオンするたびにコンデンサ27が充電されるので、コンデンサ27の容量は小さくて良い。制御回路20からスイッチング素子8へのゲート駆動信号の伝送に当たっては、非絶縁で基準電位を変換するレベルシフタ回路を内蔵した、ハイサイドドライバといわれるものが市販されており、これを伝送回路24として利用することができる。
As described above, when the voltage V r2 is set to E / 2, the states of FIG. 2B and FIG. 2C are alternately repeated, and therefore the timing at which the
次に、図4は、本発明の第2実施形態の主要部を示す回路図であり、第1実施形態と同一の部品には同一の参照符号を付してある。なお、101,102は、図7と同様に接地コンデンサである。
図4の整流回路51を構成するダイオード3〜6は、交流入力電圧Vinの周波数(例えば、商用周波数の50または60[Hz])で動作する低周波ダイオードであり、電圧Vin及び電流Iinの極性が正の時にはダイオード3,6がオンしている。このとき、N点の電位は交流電源1のV点の電位に等しい。
Next, FIG. 4 is a circuit diagram showing a main part of the second embodiment of the present invention, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
Figure diodes 3-6 which constitute the
電圧Vin及び電流Iinの極性が負になると、ダイオード4,5がオンし、N点の電位は交流電源1のU点の電位に等しくなるが、この切り替わり点は電圧Vinのいわゆるゼロクロス点であるため、ステップ状の急激な電位変動は生じない。従って、N点は、大地電位に対して低周波で緩やかに変動する安定電位点となる。よって、直流回路のN点に接地コンデンサ31を接続しても特に支障はない。
When the polarity of the voltage V in and the current I in is negative, the
ここで、スイッチング素子8,9のスイッチングに伴う電位変動点としては、例えばスイッチング素子8,9同士の接続点があるが、図7の従来技術と異なり、直流回路全体の電位が変動するわけではないので、変動部分の範囲は小さく、対地寄生容量32は従来より小さくなる。また、対地寄生容量32を介して流れる接地電流は、対地寄生容量32→大地→接地コンデンサ31→N点→スイッチング素子9、という近接した部品間の短いループで循環するので、放射ノイズは小さくなると共に、電流経路上の寄生インダクタンスにより発生するノイズ電圧も小さくなる。
Here, as a potential change point accompanying switching of the
次いで、図5は、本発明の第3実施形態の主要部を示す回路図である。なお、第1,第2実施形態と同一の部品には同一の参照符号を付してある。
この第3実施形態と第1実施形態との相違点は、ダイオード10,11の直列回路に、スイッチング素子41とダイオード42との直列回路を並列に接続した点である。
Next, FIG. 5 is a circuit diagram showing the main part of the third embodiment of the present invention. The same parts as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals.
The difference between the third embodiment and the first embodiment is that a series circuit of a switching
前述した図1の回路において、ダイオード10,11にショットキーバリアダイオード等のファーストリカバリダイオードを用いる場合、その所要耐圧はE/2より大きければ良く、E相当の耐圧は必要ない。このため、図7におけるダイオード103〜106に比べて耐圧が1/2の素子を用いることができる。また、高周波で動作する半導体スイッチング素子の数に着目すると、図1の回路では図7の1/2である。更に、整流回路51のダイオード3〜6には、安価な商用周波用(低周波用)のダイオードを用いることができる。
従って、図1の回路によれば、半導体素子のコストを削減することが可能である。
In the circuit of FIG. 1 described above, when a fast recovery diode such as a Schottky barrier diode is used for the
Therefore, according to the circuit of FIG. 1, the cost of the semiconductor element can be reduced.
一方、図1において、電圧Vr2をEに等しくする動作(図2(d))では、ダイオード3→リアクトル7→ダイオード11→ダイオード10→コンデンサ13→ダイオード6の経路で電流が流れるので、半導体素子としては4個のダイオードが導通することになる。
これに対し、図7の回路では、同様の状態でダイオード103,106が導通するのみであるから、導通するダイオードの個数を単純に比較すると、図1では図7の2倍となる。実際には、ダイオード3〜6に商用周波用のダイオードを用いれば順電圧降下が小さく、また、ダイオード10,11は前述したように所要耐圧が1/2で済むため順電圧降下は小さい。従って、図1の回路におけるダイオードの導通損失は、単純に図7の2倍とはならないが、なお導通損失の増加が懸念される。
On the other hand, in the operation of making the voltage V r2 equal to E in FIG. 1 (FIG. 2 (d)), current flows through the path of
On the other hand, in the circuit of FIG. 7, the
そこで、図5に示す第3実施形態では、図1の回路に対し、切替スイッチとしての第3のスイッチング素子41と、バイパス用の第3のダイオード42と、を追加したものである。
ダイオード42は、ダイオード3〜6と同様の商用周波用ダイオードであり、耐圧としてはE以上が必要であるが、ダイオード10,11の直列回路よりも順電圧降下が小さい。
Therefore, in the third embodiment shown in FIG. 5, a
The
ダイオード10,11が共にオンした状態でスイッチング素子41をオンすると、スイッチング素子41の順電圧降下は後述するように無視できるため、電流はダイオード42に転流してトータルの導通損失が抑制される。一方、ダイオード42は逆回復損失が大きいため、高周波での逆電流遮断には使用できない。
そこで、スイッチング素子8または9をオンする直前に、スイッチング素子41をオフする。このとき、スイッチング素子41に印加される電圧は、ダイオード10,11の順電圧降下相当であって小さい値である。よって、スイッチング素子41には、耐圧が極めて小さく(例えば、10[V]程度)、安価で順電圧降下をほとんど無視可能なMOSFETを使用することができる。
When the switching
Therefore, the switching
電流がダイオード42からダイオード10,11に再度転流した後、スイッチング素子8または9をオンすると、ダイオード10または11に逆電圧が印加され、電流遮断動作を行う。
バイパス用のダイオード42の存在により、ダイオード10または11に電流が流れる期間が短くなり、これらの電流容量を低減することができる。従って、特に、ダイオード10,11として高価なショットキーバリアダイオードを用いる場合、部品点数は増えたとしても、トータルでの部品コストを低減することができる。
When the switching
Due to the presence of the
ところで、第1実施形態の動作説明の冒頭でも言及したが、各実施形態の動作は、装置の起動時にコンデンサ12の電圧VcがE/2付近まで充電されていることが前提となっている。これは、例えば電圧Vcが0[V]のままで装置が起動すると、ダイオード10,11の導通時にコンデンサ12を通してスイッチング素子9に印加される電圧がE−0=E付近となり、スイッチング素子9の耐圧を超えてしまう危険があるためである。
Incidentally, although also mentioned at the beginning of the description of the operation of the first embodiment, the operation of each embodiment, it is assumed that voltage V c of the
そこで、第4実施形態では、装置の動作開始前にコンデンサ12を充電する初期充電回路を設けている。図6は、この第4実施形態の主要部を示す回路図であり、第1〜第3実施形態と同一の部品には同一の参照符号を付してある。
Therefore, in the fourth embodiment, an initial charging circuit that charges the
図6において、初期充電抵抗15と分圧抵抗16,17との直列回路が、コンデンサ13に並列に接続されている。なお、分圧抵抗16,17はそれぞれ請求項における第1,第2の抵抗に相当し、初期充電抵抗15は第3の抵抗に相当する。
In FIG. 6, a series circuit of an
また、コンデンサ12の両端が、抵抗15,16同士の接続点と、抵抗16,17同士の接続点とにそれぞれ接続される。ここで、抵抗16,17の抵抗値はほぼ同一であり、流れる電流や消費電力が装置の動作や全体の効率に影響を与えない程度の高い抵抗値に設定されている。これらの抵抗15,16,17は、コンデンサ12の電圧Vcを概ねE/2に保つためのものであり、特に、初期充電抵抗15はコンデンサ12の充電電流を制限するものであって、その抵抗値は抵抗16,17の抵抗値より高い値に設定されている。
Further, both ends of the
スイッチング素子8,9がスイッチング動作せずに交流入力電圧Vinが印加されているだけの時には、装置全体がダイオード整流回路として振る舞い、整流回路51の出力電圧Vr1のピーク値付近でダイオード10,11が導通する、いわゆるピーク充電が行われる。
この時、回路に流れる電流の一部がダイオード11→コンデンサ12→抵抗17の経路で流れ、コンデンサ12を充電すると共に、抵抗16にも電流が流れ始める。
前述したように、抵抗16,17の抵抗値をほぼ等しくしておけば、コンデンサ12の電圧Vcが概ねE/2にまで充電された時点でバランスする。
When the switching
At this time, a part of the current flowing through the circuit flows through the path of the
As described above, if the resistance value of the
また、例えば負荷14の消費電力が小さい状態で交流電源1が遮断され、装置が停止した場合、コンデンサ13の容量が大きいため、電圧Eの値はある時間にわたって保持される。この時、コンデンサ12及び抵抗16による放電時定数が電圧Eの低下時間より短いと、コンデンサ12が放電してその電圧Vcが先に0[V]付近まで低下することが予想される。
このとき、コンデンサ13の電圧Eが、ダイオード10,コンデンサ12,抵抗17の直列回路に印加されるが、この電圧Eはダイオード10に対して逆方向であるため、ダイオード10のインピーダンスは極めて高くなる。従って、電圧Vcが低い時にはEに近い電圧がダイオード10に逆方向に印加され、ダイオード10の耐圧を超える恐れがある。
Further, for example, when the AC power supply 1 is shut off while the power consumption of the
At this time, the voltage E of the
初期充電抵抗15は、上記のようにダイオード10に逆方向の過電圧が印加されるのを防止するための分圧抵抗としての作用も果たす。つまり、抵抗15は、交流入力電圧Vinがなくピーク充電も行われない場合に、抵抗15の抵抗値/(抵抗15の抵抗値+抵抗16の抵抗値+抵抗17の抵抗値)の比で電圧Eを分圧した値をダイオード10に逆方向に印加するためのものである。例えば、抵抗15の抵抗値が抵抗16,17の抵抗値の4倍であれば、分圧日は4/6、すなわち2/3となり、ダイオード10の耐圧が電圧Eの2/3以上あれば、ダイオード10への過電圧の印加を回避することができる。
The
本発明は、交流入力電圧を所定の大きさの直流電圧に変換し、DC−DCコンバータ等の電力変換器を含む各種の直流負荷に供給する用途に利用することができる。 The present invention can be used for applications in which an AC input voltage is converted into a DC voltage of a predetermined magnitude and supplied to various DC loads including a power converter such as a DC-DC converter.
1:交流電源
2,12,13:コンデンサ
3〜6,10,11:ダイオード
7:リアクトル
8,9:半導体スイッチング素子
14:負荷
15:初期充電抵抗
16,17:分圧抵抗
20:制御回路
21:電流検出器(シャント抵抗)
22,23:ゲート駆動回路
24:伝送回路
25:直流電源
26:ダイオード
27:コンデンサ
31,101,102:接地コンデンサ
32:対地寄生容量
41:半導体スイッチング素子
42:ダイオード
51:整流回路
SW:スイッチング部
1:
22, 23: Gate drive circuit 24: Transmission circuit 25: DC power supply 26: Diode 27:
Claims (9)
第1のダイオード、第2のダイオード、第1のスイッチング素子、第2のスイッチング素子を順次、直列に接続してスイッチング部を構成すると共に、前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの接続点と、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との接続点との間に第1のコンデンサを接続し、
前記整流回路の正負の出力端子を、リアクトルを介して前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との直列回路の両端にそれぞれ接続し、
その両端が負荷に接続される前記スイッチング部に並列に第2のコンデンサを接続し、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のオン/オフを制御するための制御回路の基準電位を、前記第2のコンデンサの負側出力端子の電位としたことを特徴とする交流−直流変換装置。 An AC-DC converter that converts a DC voltage obtained by rectifying an AC voltage using a rectifier circuit into a DC voltage of a different magnitude by turning on / off a semiconductor switching element and supplies the DC voltage to a load,
A first diode, a second diode, a first switching element, and a second switching element are sequentially connected in series to form a switching unit, and the first diode and the second diode are connected to each other. A first capacitor is connected between the point and a connection point between the first switching element and the second switching element;
The positive and negative output terminals of the rectifier circuit are respectively connected to both ends of a series circuit of the first switching element and the second switching element via a reactor,
A second capacitor is connected in parallel to the switching unit whose both ends are connected to a load,
The reference potential of the control circuit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element is the potential of the negative output terminal of the second capacitor. DC converter.
前記整流回路と前記第2のコンデンサの負側出力端子との間に流れる電流を検出して前記制御回路に与える電流検出手段を備え、前記電流検出手段は、その電流検出部と前記制御回路との間の絶縁機能を持たないことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 1,
Current detecting means for detecting a current flowing between the rectifier circuit and a negative output terminal of the second capacitor and supplying the detected current to the control circuit, the current detecting means comprising: a current detecting unit; and the control circuit; AC-DC converter characterized by not having an insulation function between the two.
前記制御回路に接続され、かつ、前記第2のスイッチング素子のオン/オフを直接制御する第2の駆動手段と、前記第2の駆動手段を動作させるための直流電源と、を備え、
前記直流電源の基準電位を、前記制御回路の基準電位と等しくしたことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 1 or 2,
A second drive means connected to the control circuit and directly controlling on / off of the second switching element; and a direct current power source for operating the second drive means,
An AC-DC converter characterized in that a reference potential of the DC power source is made equal to a reference potential of the control circuit.
前記制御回路に接続され、かつ、前記第1のスイッチング素子のオン/オフを直接制御する第1の駆動手段と、
前記第2のスイッチング素子のオン時に、前記第1の駆動手段を動作させるための電力を前記直流電源から供給するブートストラップ回路と、
を備えたことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 3,
First driving means connected to the control circuit and directly controlling on / off of the first switching element;
A bootstrap circuit that supplies power for operating the first drive means from the DC power supply when the second switching element is on;
An AC-DC converter characterized by comprising:
前記第2のコンデンサの負側出力端子を、接地コンデンサを介して接地したことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 1,
An AC-DC converter characterized in that the negative output terminal of the second capacitor is grounded via a grounding capacitor.
前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子よりも耐圧が低く、かつ、前記第1のスイッチング素子または第2のスイッチング素子よりも順電圧降下が小さい第3のスイッチング素子と、前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードより逆回復損失が大きく、かつ、前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードの順電圧降下の和よりも順電圧降下が小さい第3のダイオードと、を直列に接続してなる回路を、前記第1のダイオードと前記第2のダイオードとの直列回路に並列に接続したことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 1,
A third switching element having a lower withstand voltage than the first switching element or the second switching element and having a forward voltage drop smaller than that of the first switching element or the second switching element; A third diode having a reverse recovery loss larger than that of the first diode and the second diode and having a forward voltage drop smaller than the sum of the forward voltage drops of the first diode and the second diode. An AC-DC converter comprising a connected circuit connected in parallel to a series circuit of the first diode and the second diode.
前記第1のダイオードまたは前記第2のダイオードのうちの少なくとも一方が、ワイドバンドギャップ半導体を用いたショットキーバリアダイオードであることを特徴とする交流−直流変換装置。 In the alternating current-direct current converter according to any one of claims 1 to 6,
An AC-DC converter characterized in that at least one of the first diode and the second diode is a Schottky barrier diode using a wide band gap semiconductor.
前記第1のコンデンサに並列に第1の抵抗を接続すると共に、前記第2のスイッチング素子に並列に、前記第1の抵抗とほぼ等しい抵抗値を有する第2の抵抗を接続したことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the alternating current-direct current converter according to any one of claims 1 to 7,
A first resistor is connected in parallel to the first capacitor, and a second resistor having a resistance value substantially equal to the first resistor is connected in parallel to the second switching element. AC-DC converter.
前記第1のダイオードに並列に第3の抵抗を接続し、前記第2のコンデンサの電圧を前記第1,第2,第3の抵抗の直列回路により分圧したときの前記第3の抵抗の両端電圧が、前記第1のダイオードの耐圧よりも低いことを特徴とする交流−直流変換装置。 In the AC-DC converter according to claim 8,
A third resistor is connected in parallel to the first diode, and the voltage of the second capacitor is divided by a series circuit of the first, second, and third resistors. The AC-DC converter characterized in that the voltage across the both ends is lower than the withstand voltage of the first diode.
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