JP6992696B2 - スイッチ回路及び電力変換装置 - Google Patents
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Description
第1の電圧源に接続される第1の端子、第2の電圧源に接続される第2の端子、及び第3の端子を有する第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子をオン・オフする第1の制御信号を生成する駆動回路と、
前記駆動回路及び前記第3の端子の間に接続された第1の抵抗と、
前記第3の端子に接続された第4の端子、前記第2の電圧源に接続される第5の端子、及び第6の端子を有する第2のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子に流れる電流が予め決められたしきい値を超えたか否かに基づいて、前記第2のスイッチ素子をオン・オフする第2の制御信号を生成する過電流検出回路と、
前記過電流検出回路及び前記第6の端子の間に接続された第2の抵抗とを備え、
前記第1及び第2の抵抗は、前記第1の制御信号による前記第1のスイッチ素子のターンオフ時間よりも、前記第2の制御信号により前記第2のスイッチ素子をオンしたときの前記第1のスイッチ素子のターンオフ時間が長くなるように設定された抵抗値をそれぞれ有する。
前記第2のスイッチ素子はNPN型トランジスタ又はNチャネル型MOSFETであってもよく、
前記過電流検出回路は、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定してもよい。
前記第2のスイッチ素子はPNP型トランジスタ又はPチャネル型MOSFETであってもよく、
前記過電流検出回路は、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定してもよい。
図1~図13を参照して、第1の実施形態に係るスイッチ回路について説明する。
図1は、第1の実施形態に係るスイッチ回路40の構成の一例を模式的に例示する回路図である。図1のスイッチ回路40は、スイッチ素子SW1、駆動回路1、抵抗R1、スイッチ素子SW2、過電流検出回路2、及び抵抗R2を備える。スイッチ素子SW2、過電流検出回路2、及び抵抗R2は、スイッチ素子SW1のための過電流保護回路を構成し、スイッチ素子SW1における過電流を検出して保護する。また、駆動回路1、抵抗R1、スイッチ素子SW2、過電流検出回路2、及び抵抗R2は、スイッチ素子SW1のための制御回路30を構成し、スイッチ素子SW1をオン・オフするとともに、スイッチ素子SW1における過電流を検出して保護する。
図2は、図1のスイッチ回路40の通常動作時における動作の一例を模式的に例示する波形図である。図2の1段目は、スイッチ素子SW1に流れる電流Idsを示す。Ithは、過電流のしきい値を示す。図2の2段目は、過電流検出回路2から出力される制御信号DET_ocを示す。図2の3段目は、スイッチ素子SW2に印加されるゲート・ソース電圧Vgs2を示す。Vth2は、スイッチ素子SW2のゲートしきい値電圧を示す。図2の4段目は、スイッチ素子SW1に印加されるゲート・ソース電圧Vgs1を示す。Vth1は、スイッチ素子SW1のゲートしきい値電圧を示す。
本実施形態に係るスイッチ回路40は、スイッチ素子SW1において過電流が生じた場合、制御信号PWM_outの状態に関わらず、スイッチ素子SW2によってスイッチ素子SW1を強制的にソフトターンオフする。これにより、制御信号PWM_outの状態に制約されずに、スイッチ素子SW1を過電流から安全に保護することができる。
次に、図5~図13を参照して、第1の実施形態の変形例について説明する。
図5は、第1の実施形態の第1の変形例に係るスイッチ回路40Aの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図5のスイッチ回路40Aは、図1の制御回路30に代えて制御回路30Aを備える。制御回路30Aは、図1の制御回路30の各構成要素に加えて、スイッチ素子SW2のソース端子S及びゲート端子Gの間に接続されたキャパシタC1をさらに備える。
図8は、第1の実施形態の第2の変形例に係るスイッチ回路40Bの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図8のスイッチ回路40Bは、図1の制御回路30に代えて制御回路30Bを備える。制御回路30Bは、図1の制御回路30の各構成要素に加えて、過電流検出回路2及び抵抗R2の間に接続されたレベルシフタ3をさらに備える。レベルシフタ3は、制御信号DET_ocの電位(又は、少なくとも制御信号DET_ocがローレベルであるときの電位)を、接地GNDの電位を基準として、電圧源VDDの電位とは逆の極性(すなわち、負の電位)を有するようにシフトする。図8のスイッチ回路40Bによれば、スイッチ素子SW2のゲート・ソース電圧Vgs2が予めシフトされているので、スイッチ素子SW2のミラー容量を介してミラー電流が流れても、ゲート・ソース電圧Vgs2がゲートしきい値電圧Vth2に到達しにくくなる。これにより、ミラー電流に起因するスイッチ素子SW2の誤動作を生じにくくすることができる。
図9は、第1の実施形態の第3の変形例に係るスイッチ回路40Cの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図9のスイッチ回路40Cは、図1の制御回路30に代えて制御回路30Cを備える。制御回路30Cは、図1の制御回路30の駆動回路1及び抵抗R1に代えて、駆動回路1Cを備える。駆動回路1Cは、その内部に、抵抗R1が一体化されている。これにより、スイッチ回路を図1等の場合よりもさらに小型化かつ簡単化することができる。
図10は、第1の実施形態の第4の変形例に係るスイッチ回路40Dの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図10のスイッチ回路40Dは、図1の制御回路30に代えて制御回路30Dを備える。制御回路30Dは、図1の抵抗R2に代えて、PWM制御回路4を備える。PWM制御回路4は、過電流検出回路2から出力された制御信号DET_ocがハイレベルであるかローレベルであるかに応じて異なるデューティ比を有するPWM信号を生成し、生成したPWM信号をスイッチ素子SW2のゲート端子Gに印加する。PWM信号のデューティ比を調整することで、スイッチ素子SW2のゲート容量への充電量を調整することができる。これにより、スイッチ素子SW2のオン時間を調整することができる。図10のスイッチ回路40Dによれば、抵抗R2を除去することにより、回路を小型化することができる。
図11は、第1の実施形態の第5の変形例に係るスイッチ回路40Eの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図11のスイッチ回路40Eは、図1の制御回路30に代えて制御回路30Eを備える。制御回路30Eは、図1のスイッチ素子SW2及び過電流検出回路2に代えて、スイッチ素子SW2E及び過電流検出回路2Eを備える。
図12は、第1の実施形態の第6の変形例に係るスイッチ回路40Fの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図12のスイッチ回路40Fは、スイッチ素子SW1F、駆動回路1F、抵抗R1、スイッチ素子SW2F、過電流検出回路2F、及び抵抗R2を備える。スイッチ素子SW2F、過電流検出回路2F、及び抵抗R2は、スイッチ素子SW1Fのための過電流保護回路を構成し、スイッチ素子SW1Fにおける過電流を検出して保護する。また、駆動回路1F、抵抗R1、スイッチ素子SW2F、過電流検出回路2F、及び抵抗R2は、スイッチ素子SW1Fのための制御回路30Fを構成し、スイッチ素子SW1Fをオン・オフするとともに、スイッチ素子SW1Fにおける過電流を検出して保護する。
図13は、第1の実施形態の第7の変形例に係るスイッチ回路40Gの構成の一例を模式的に例示する回路図である。図13のスイッチ回路40Gは、図12の制御回路30Fに代えて制御回路30Gを備える。制御回路30Gは、図12のスイッチ素子SW2F及び過電流検出回路2Fに代えて、スイッチ素子SW2G及び過電流検出回路2Gを備える。
図14~図17を参照して、第2の実施形態に係る電力変換装置について説明する。
図14は、第2の実施形態に係る電力システムの構成の一例を模式的に例示するブロック図である。図14の電力システムは、発電装置11、蓄電装置12、電気自動車13、商用電力系統14、及び電力変換装置21~24を備える。
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。
本開示の各側面に係るスイッチ回路及び電力変換装置は、以下のように表現されてもよい。
第1の電圧源(VDD,VCC)に接続される第1の端子、第2の電圧源(GND)に接続される第2の端子、及び第3の端子を有する第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)と、
前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)をオン・オフする第1の制御信号を生成する駆動回路(1,1C,1F)と、
前記駆動回路(1,1C,1F)及び前記第3の端子の間に接続された第1の抵抗(R1)と、
前記第3の端子に接続された第4の端子、前記第2の電圧源(GND)に接続される第5の端子、及び第6の端子を有する第2のスイッチ素子(SW2,SW2E~SW2G)と、
前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)に流れる電流が予め決められたしきい値を超えたか否かに基づいて、前記第2のスイッチ素子(SW2,SW2E~SW2G)をオン・オフする第2の制御信号を生成する過電流検出回路(2,2E~2G)と、
前記過電流検出回路(2,2E~2G)及び前記第6の端子の間に接続された第2の抵抗(R2)とを備え、
前記第1及び第2の抵抗(R1,R2)は、前記第1の制御信号による前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)のターンオフ時間よりも、前記第2の制御信号により前記第2のスイッチ素子(SW2,SW2E~SW2G)をオンしたときの前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)のターンオフ時間が長くなるように設定された抵抗値をそれぞれ有する。
前記第2のスイッチ素子(SW2)の前記第5及び第6の端子の間に接続されたキャパシタ(C1)をさらに備える。
前記過電流検出回路(2,3)は、前記第2のスイッチ素子(SW2)をオフするとき、前記第2の電圧源(GND)の電位を基準として、前記第1の電圧源(VDD)の電位とは逆の極性を有するように前記第2の制御信号を生成する。
前記第1の抵抗(R1)は前記駆動回路(1C)に一体化される。
前記第2のスイッチ素子(SW2,SW2F)はNPN型トランジスタ又はNチャネル型MOSFETであり、
前記過電流検出回路(2,2F)は、前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子(SW1,SW1F)に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定する。
前記第2のスイッチ素子(SW2E,SW2G)はPNP型トランジスタ又はPチャネル型MOSFETであり、
前記過電流検出回路(2E,2G)は、前記第1のスイッチ素子(SW1F)に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子(SW1F)に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定する。
2,2E~2G…過電流検出回路、
3…レベルシフタ、
4…PWM制御回路、
11…発電装置、
12…蓄電装置、
13…電気自動車、
14…商用電力系統、
21~24…電力変換装置、
30,30A~30G,31~33…制御回路、
40,40A~40G,41~43…スイッチ回路、
CT…電流検出器、
C1,C11…キャパシタ、
D11…ダイオード、
L11~L14…インダクタ、
R1,R2…抵抗、
SW1,SW1F,SW2,SW2E~SW2G,SW11~SW17…スイッチ素子。
Claims (6)
- 第1の電圧源に接続される第1の端子、第2の電圧源に接続される第2の端子、及び第3の端子を有する第1のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子をオン・オフする第1の制御信号を生成する駆動回路と、
前記駆動回路及び前記第3の端子の間に接続された第1の抵抗と、
前記第3の端子に接続された第4の端子、前記第2の電圧源に接続される第5の端子、及び第6の端子を有する第2のスイッチ素子と、
前記第1のスイッチ素子に流れる電流が予め決められたしきい値を超えたか否かに基づいて、前記第2のスイッチ素子をオン・オフする第2の制御信号を生成する過電流検出回路と、
前記過電流検出回路及び前記第6の端子の間に接続された第2の抵抗とを備え、
前記第1及び第2の抵抗は、前記第1の制御信号による前記第1のスイッチ素子のターンオフ時間よりも、前記第2の制御信号により前記第2のスイッチ素子をオンしたときの前記第1のスイッチ素子のターンオフ時間が長くなるように設定された抵抗値をそれぞれ有し、
前記過電流検出回路は、前記第2のスイッチ素子をオフするとき、前記第2の電圧源の電位を基準として、前記第1の電圧源の電位とは逆の極性を有するように前記第2の制御信号を生成する、
スイッチ回路。 - 前記第2のスイッチ素子の前記第5及び第6の端子の間に接続されたキャパシタをさらに備えた、
請求項1記載のスイッチ回路。 - 前記第1の抵抗は前記駆動回路に一体化された、
請求項1又は2記載のスイッチ回路。 - 前記第2のスイッチ素子はNPN型トランジスタ又はNチャネル型MOSFETであり、
前記過電流検出回路は、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定する、
請求項1~3のうちの1つに記載のスイッチ回路。 - 前記第2のスイッチ素子はPNP型トランジスタ又はPチャネル型MOSFETであり、
前記過電流検出回路は、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値を超えたとき、前記第2の制御信号をローレベルに設定し、前記第1のスイッチ素子に流れる電流が前記しきい値以下であるとき、前記第2の制御信号をハイレベルに設定する、
請求項1~3のうちの1つに記載のスイッチ回路。 - 請求項1~5のうちの1つに記載の少なくとも1つのスイッチ回路を備えた、
電力変換装置。
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