WO2011125345A1 - 電力伝達用絶縁回路および電力変換装置 - Google Patents

電力伝達用絶縁回路および電力変換装置 Download PDF

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power
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power storage
capacitor
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和彦 二井
紳悟 大橋
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住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to an insulating circuit for power transmission and a power conversion device, and more particularly to an insulating circuit for power transmission and a power conversion device that transmit power while insulating between an input side and an output side.
  • the power supply device insulating circuit includes a rectifier circuit that converts an AC voltage into a DC voltage, a first capacitor that reduces a pulsating current component remaining in a DC current supplied from the rectifier circuit, and the first capacitor.
  • the second capacitor for storing the current supplied from the first switch circuit, and the second capacitor A second switch circuit that simultaneously opens and closes the plus side and the minus side of the supplied direct current, and a third capacitor that holds the current supplied from the second switch circuit and discharges it to the load side.
  • the ON time is set shorter than the OFF time while the ON time is set to be complementary to the control signal ⁇ 1 configured by the square wave set shorter than the OFF time and the control signal ⁇ 1.
  • a gate control circuit for generating the control signal ⁇ 2 is provided. The first switch circuit is opened and closed by the control signal ⁇ 1, and the second switch circuit is opened and closed by the control signal ⁇ 2.
  • the cathode terminal of at least one blocking diode and the source terminal of at least one MOSFET Metal Oxide Semiconductor Semiconductor Field Effect Transistor
  • the switch is provided between the positive terminals of the first capacitor and the second capacitor.
  • the drain terminal of the MOSFET of the switch is connected to the positive terminal of the second capacitor, and the anode terminal of the blocking diode is connected to the positive terminal of the first capacitor.
  • the cathode terminal of at least one blocking diode and the source terminal of at least one MOSFET are connected.
  • the switch is provided between the positive side terminals of the second capacitor and the third capacitor.
  • the drain of the MOSFET of the switch is connected to the positive terminal of the third capacitor, and the anode terminal of the blocking diode is connected to the positive terminal of the second capacitor.
  • an AC voltage can be converted to a DC voltage without using a power transformer that occupies a large volume, and the AC power supply side and the load side can be electrically insulated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide power transmission capable of improving power efficiency in a circuit that transmits power while insulating the input side and the output side. It is providing the insulation circuit for power supplies and a power converter device.
  • an insulating circuit for power transmission includes a first power storage element having a first end and a second end, and a second end having a first end and a second end.
  • a first switch having a power storage element, a first end, and a second end electrically connected to the first end of the first power storage element, and a first switch and a first switch of the first power storage element
  • a second switch having a second end electrically connected to the second end, wherein the first power storage receives power received at the first end of the first switch and the first end of the second switch.
  • said first to fourth switch includes an N-channel MOS transistor.
  • the configuration using the N-channel MOS transistor having higher electron mobility and hole mobility than the P-channel MOS transistor realizes higher power efficiency than the power supply device insulating circuit described in Patent Document 1. It becomes possible to do. Further, unlike the power supply device isolation circuit described in Patent Document 1, the gate control signal to the first switch and the gate control signal to the second switch are shared, and the gate control signal to the third switch In addition, since the gate control signal to the fourth switch can be shared, the size and the processing can be simplified.
  • the input switch unit further includes a first diode connected to a first end of the first switch, and a second diode connected to a first end of the second switch.
  • the output switch unit further includes a third diode connected between the third switch and the first end of the second power storage element, the fourth switch, and the second switch. A fourth diode connected between the second end of the power storage element.
  • the first to fourth switches can be realized with one half-bridge module.
  • the first to fourth switches are included in one half-bridge module.
  • the MOS transistor when manufacturing a large-capacity circuit, can be configured by a general half-bridge module, so that the cost reduction, size reduction, easy wiring, and assembly process can be achieved. Simplification is possible.
  • the first to fourth switches include N-channel IGBTs.
  • the conduction loss of the power transmission insulating circuit can be further reduced.
  • the power transmission insulating circuit further includes a third power storage element connected between a first end of the first switch and a first end of the second switch.
  • a power conversion device for converting alternating current power into direct current power and supplying it to a load, and rectifies the received alternating current power. And a power transmission insulating circuit for transmitting the power rectified by the rectifying unit to the load while insulating between the rectifying unit and the load.
  • a first power storage element having a first end and a second end; a second power storage element having a first end and a second end; a first end that receives power rectified by the rectifier; and the first A first switch having a second end electrically connected to the first end of the power storage element, a first end receiving the power rectified by the rectifier, and a second end of the first power storage element Second end electrically connected to An input switch unit for supplying power rectified by the rectifying unit to the first power storage element, a first end of the first power storage element, and the second power storage element A third switch connected between the first end of the first power storage element and a fourth switch connected between the second end of the first power storage element and the second end of the second power storage element.
  • an output switch unit for supplying electric power stored in the first power storage element to the second power storage element, and the first to fourth switches include N-channel MOS transistors.
  • the configuration using the N-channel MOS transistor having higher electron mobility and hole mobility than the P-channel MOS transistor realizes higher power efficiency than the power supply device insulating circuit described in Patent Document 1. It becomes possible to do.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a power conversion device according to a first embodiment of the present invention.
  • the power conversion device 201 includes a power transmission insulating circuit 101 and a rectifying unit 102.
  • the power transmission insulating circuit 101 includes capacitors C0 to C2, an input switch unit 21, an output switch unit 22, and a control unit 14.
  • Input switch unit 21 includes switches Z1 and Z2 and diodes D1 and D2.
  • the output switch unit 22 includes switches Z3 and Z4 and diodes D3 and D4.
  • the switches Z1 to Z4 are, for example, N-channel MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistors.
  • the switches Z1 and Z3 are included in one half bridge module MJ1.
  • the switches Z2 and Z4 are included in one half bridge module MJ2.
  • the material of the switches Z1 to Z4 is, for example, SiC (Silicon Carbide).
  • first end and the second end of the switch Z1 correspond to the drain and source of the switch Z1, respectively
  • first end and the second end of the switch Z2 correspond to the source and drain of the switch Z2, respectively
  • the first end and the second end correspond to the drain and source of the switch Z3, respectively
  • the first end and the second end of the switch Z4 correspond to the source and drain of the switch Z4, respectively.
  • the diodes D1 to D4 are provided to prevent a reverse current flow in the power transmission insulating circuit 101.
  • the material of the diodes D1 to D4 is, for example, SiC.
  • Switch Z1 has a first end electrically connected to first end T11 of capacitor C0 via diode D1, and a second end electrically connected to first end T13 of capacitor C1.
  • Switch Z2 has a first end electrically connected to second end T12 of capacitor C0 via diode D2, and a second end electrically connected to second end T14 of capacitor C1.
  • Switch Z3 has a first end electrically connected to first end T13 of capacitor C1, and a second end electrically connected to first end T15 of capacitor C2 via diode D3.
  • Switch Z4 has a first end electrically connected to second end T14 of capacitor C1, and a second end electrically connected to second end T16 of capacitor C2 via diode D4.
  • the diode D1 is connected between the first end T11 of the capacitor C0 and the first end of the switch Z1.
  • the diode D2 is connected between the second terminal T12 of the capacitor C0 and the first terminal of the switch Z2.
  • the diode D3 is connected between the first end T15 of the capacitor C2 and the second end of the switch Z3.
  • the diode D4 is connected between the second terminal T16 of the capacitor C2 and the second terminal of the switch Z4.
  • the diode D1 has an anode electrically connected to the first terminal T11 of the capacitor C0 and a cathode electrically connected to the drain of the switch Z1.
  • the diode D2 has an anode electrically connected to the source of the switch Z2, and a cathode electrically connected to the second terminal T12 of the capacitor C0.
  • the diode D3 has an anode electrically connected to the source of the switch Z3 and a cathode electrically connected to the first terminal T15 of the capacitor C2.
  • the diode D4 has an anode that is electrically connected to the second terminal T16 of the capacitor C2, and a cathode that is electrically connected to the drain of the switch Z4.
  • Switch Z1 has a drain electrically connected to the cathode of diode D1, a source electrically connected to first terminal T13 of capacitor C1, and a gate for receiving gate control signal G1 from control unit 14.
  • Switch Z2 has a drain electrically connected to second terminal T14 of capacitor C1, a source electrically connected to the anode of diode D2, and a gate for receiving gate control signal G2 from control unit 14.
  • Switch Z3 has a drain electrically connected to first terminal T13 of capacitor C1, a source electrically connected to the anode of diode D3, and a gate for receiving gate control signal G3 from control unit 14.
  • Switch Z4 has a drain electrically connected to the cathode of diode D4, a source electrically connected to second end T14 of capacitor C1, and a gate for receiving gate control signal G4 from control unit 14. .
  • the power converter 201 converts AC power supplied from the AC power source 202 into DC power and supplies the DC power to the load 203.
  • the load 203 is a main battery for driving such as EV and plug-in type HV, for example.
  • the rectifying unit 102 includes, for example, a diode bridge, and full-wave rectifies the AC voltage received from the AC power source 202 and outputs the rectified voltage to the power transmission insulating circuit 101.
  • the capacitor C0 is charged by the voltage rectified by the rectifying unit 102.
  • the input switch unit 21 supplies the power received at the first end of the switch Z1 and the first end of the switch Z2, that is, the power (charge) stored in the capacitor C0, to the capacitor C1.
  • the output switch unit 22 supplies power (charge) stored in the capacitor C1 to the capacitor C2.
  • the electric power (charge) stored in the capacitor C2 is discharged and supplied to the load 203.
  • the control unit 14 switches the switches Z1 to Z4 on and off by outputting the gate drive signals G1 to G4 to the switches Z1 to Z4.
  • the power transmission insulating circuit 101 transmits the power stored in the capacitor C0 to the load 203 while insulating between the rectifying unit 102 and the load 203 by switch control of the control unit 14.
  • FIG. 2 is a diagram showing a switching operation by the power transmission insulating circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • control unit 14 turns on switch Z1, turns on switch Z2, turns off switch Z3, and turns off switch Z4. Thereby, the electric charge stored in the capacitor C0 is discharged, and the discharged electric charge is stored in the capacitor C1. Since the switches Z3 and Z4 are turned off, insulation between the rectifying unit 102 and the load 203 is ensured.
  • the control unit 14 turns off the switches Z1 to Z4 in the period T2. This provides a dead time for ensuring insulation between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101. That is, it is possible to prevent a short circuit between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101, that is, between the rectifying unit 102 and the load 203, via each switch in the input switch unit 21 and each switch in the output switch unit 22. it can.
  • the control unit 14 turns off the switch Z1, turns off the switch Z2, turns on the switch Z3, and turns on the switch Z4. Thereby, the electric charge stored in the capacitor C1 is discharged, and the discharged electric charge is stored in the capacitor C2. Since the switches Z1 and Z2 are turned off, insulation between the rectifying unit 102 and the load 203 is ensured.
  • control unit 14 turns off the switches Z1 to Z4 in the period T4. As a result, similarly to the period T2, a dead time for ensuring insulation between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101 is provided.
  • the capacitor C1 is charged by the voltage from the rectifying unit 102, and the electric charge stored in the capacitor C2 is discharged and supplied to the load 203.
  • the periods T2 and T4 there is no charge movement in the capacitor C1.
  • the control unit 14 then repeats the period T1, the period T2, the period T3, and the period T4 in this order to cooperate with the rectifying unit 102 while insulating between the input side and the output side of the power transmission insulating circuit 101.
  • the AC power from the AC power source 202 is converted into DC power and supplied to the load 203.
  • FIG. 3 is a diagram showing electron mobility and hole mobility in each material.
  • the source of FIG. 3 is co-edited by Kazuo Arai and Sadayoshi Yoshida, “Basics and Applications of SiC Devices” (Ohm, 2003), p. 14 It is.
  • the main carrier of the N-channel MOSFET is an electron
  • the main carrier of the P-channel MOSFET is a hole.
  • the electron mobility is faster than the hole mobility.
  • the electron mobility is about 3.3 times the hole mobility.
  • the electron mobility is about 8.3 times the hole mobility, and in the case of GaN, it is about 2.3 times.
  • the P-channel MOSFET has a higher on-resistance than the N-channel MOSFET, so that the conduction loss is large and the switching speed is slow, so that the switching loss is large. Become. Therefore, it can be said that the N-channel MOSFET is superior as a power device.
  • SiC-MOSFETs that are being researched and developed as next-generation power devices, all reports from major research institutions in recent years are related to N-channel MOSFETs, and there are no reports on P-channel MOSFETs. .
  • the switches Z1 to Z4 are N-channel MOS transistors. That is, N-channel MOSFETs are used as switching elements on both the plus side and the minus side. With such a configuration, it is possible to realize high power efficiency as compared with the power supply device insulating circuit described in Patent Document 1. Further, unlike the power supply device isolation circuit described in Patent Document 1, the gate control signal G1 to the switch Z1 and the gate control signal G2 to the switch Z2 are shared, and the gate control signal G3 and the switch Z4 to the switch Z3 are shared. Since the gate control signal G4 can be shared, the size and the processing can be simplified.
  • the input switch unit 21 is connected to the diode D1 connected to the first end of the switch Z1 and to the first end of the switch Z2.
  • diode D2 is connected to the diode D1 connected to the first end of the switch Z1 and to the first end of the switch Z2.
  • the output switch unit 22 includes a diode D3 connected between the switch Z3 and the first terminal T15 of the capacitor C2, and a diode D4 connected between the switch Z4 and the second terminal T16 of the capacitor C2. Including.
  • the switch Z1 and the switch Z3 can be realized by one half-bridge module MJ1, and the switch Z2 and the switch Z4 can be realized by one half-bridge module MJ2.
  • the MOSFET when manufacturing a large-capacity circuit, the MOSFET can be configured with a general half-bridge module, so that the cost, size, wiring, and assembly process can be simplified. Become.
  • the material of the N-channel MOSFET that is the switch is SiC.
  • the material of the diodes D1 to D4 is SiC.
  • switches Z1 to Z4 are N-channel MOS transistors in the power transmission insulating circuit according to the first embodiment of the present invention, the present invention is not limited to this.
  • the switches Z1 to Z4 may include other elements in addition to the N-channel MOS transistor.
  • the power transmission insulating circuit 101 may be configured not to include the capacitor C0.
  • the provision of the capacitor C0 provides the effect of preventing the ripple of the input current to the power transmission insulating circuit 101 and stabilizing the circuit operation.
  • the rectifying unit 102 is provided with a capacitor for storing rectified power, a configuration in which the capacitor C0 is not provided in the power transmission insulating circuit 101 is possible.
  • the power transmission insulating circuit according to the first embodiment of the present invention is configured to include the capacitors C0 to C2, but is not limited to the capacitor, and includes other power storage elements such as a coil (inductor). It may be a configuration.
  • the switches Z1 and Z3 are included in one half-bridge module MJ1, and the switches Z2 and Z4 are included in one half-bridge module MJ2.
  • the present invention is not limited to this. A configuration in which one set of the switches Z1 and Z3 and the switches Z2 and Z4 is included in one half-bridge module may be employed.
  • the present embodiment relates to a power transmission insulating circuit in which the type of the switching element is changed as compared with the power transmission insulating circuit according to the first embodiment.
  • the contents other than those described below are the same as those of the power transmission insulating circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to the second embodiment of the present invention.
  • the power conversion device 211 includes a power transmission insulating circuit 111 and a rectifying unit 102.
  • the power transmission insulating circuit 111 includes capacitors C0 to C2, an input switch unit 31, an output switch unit 32, and a control unit 14.
  • Input switch unit 31 includes switches Z11 and Z12 and diodes D1 and D2.
  • the output switch unit 32 includes switches Z13 and Z14 and diodes D3 and D4.
  • the switches Z11 to Z14 are, for example, N-channel IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
  • the switches Z11 and Z13 are included in one half bridge module MJ11.
  • the switches Z12 and Z14 are included in one half bridge module MJ12.
  • the material of the switches Z11 to Z14 is, for example, SiC (Silicon Carbide).
  • the diodes D1 to D4 are provided in order to prevent a backflow of current in the power transmission insulating circuit 111.
  • the material of the diodes D1 to D4 is, for example, SiC.
  • Switch Z11 has a first end electrically connected to first end T11 of capacitor C0 via diode D1, and a second end electrically connected to first end T13 of capacitor C1.
  • Switch Z12 has a first end electrically connected to second end T12 of capacitor C0 via diode D2, and a second end electrically connected to second end T14 of capacitor C1.
  • Switch Z13 has a first end electrically connected to first end T13 of capacitor C1, and a second end electrically connected to first end T15 of capacitor C2 via diode D3.
  • Switch Z14 has a first end electrically connected to second end T14 of capacitor C1, and a second end electrically connected to second end T16 of capacitor C2 via diode D4.
  • the diode D1 is connected between the first end T11 of the capacitor C0 and the first end of the switch Z11.
  • the diode D2 is connected between the second terminal T12 of the capacitor C0 and the first terminal of the switch Z12.
  • the diode D3 is connected between the first end T15 of the capacitor C2 and the second end of the switch Z13.
  • the diode D4 is connected between the second end T16 of the capacitor C2 and the second end of the switch Z14.
  • the diode D1 has an anode electrically connected to the first terminal T11 of the capacitor C0 and a cathode electrically connected to the collector of the switch Z11.
  • the diode D2 has an anode electrically connected to the emitter of the switch Z12 and a cathode electrically connected to the second terminal T12 of the capacitor C0.
  • Diode D3 has an anode electrically connected to the emitter of switch Z13 and a cathode electrically connected to first terminal T15 of capacitor C2.
  • the diode D4 has an anode electrically connected to the second terminal T16 of the capacitor C2, and a cathode electrically connected to the collector of the switch Z14.
  • Switch Z11 has a collector electrically connected to the cathode of diode D1, an emitter electrically connected to first terminal T13 of capacitor C1, and a gate for receiving gate control signal G1 from control unit 14.
  • Switch Z12 has a collector electrically connected to second end T14 of capacitor C1, an emitter electrically connected to the anode of diode D2, and a gate for receiving gate control signal G2 from control unit 14.
  • Switch Z13 has a collector electrically connected to first terminal T13 of capacitor C1, an emitter electrically connected to the anode of diode D3, and a gate for receiving gate control signal G3 from control unit 14.
  • Switch Z14 has a collector electrically connected to the cathode of diode D4, an emitter electrically connected to second end T14 of capacitor C1, and a gate for receiving gate control signal G4 from control unit 14. .
  • the first end and the second end of the switch Z11 correspond to the collector and the emitter of the switch Z11, respectively
  • the first end and the second end of the switch Z12 correspond to the emitter and the collector of the switch Z12, respectively
  • the first end and the second end correspond to the collector and the emitter of the switch Z13, respectively
  • the first end and the second end of the switch Z14 correspond to the emitter and the collector of the switch Z14, respectively.
  • the power converter 211 converts the AC power supplied from the AC power source 202 into DC power and supplies it to the load 203.
  • the load 203 is a main battery for driving such as EV and plug-in type HV, for example.
  • the rectifying unit 102 includes, for example, a diode bridge, and full-wave rectifies the AC voltage received from the AC power source 202 and outputs the rectified voltage to the power transmission insulating circuit 111.
  • the capacitor C0 is charged by the voltage rectified by the rectifying unit 102.
  • the input switch unit 31 supplies the power received at the first end of the switch Z11 and the first end of the switch Z12, that is, the power (charge) stored in the capacitor C0, to the capacitor C1.
  • the output switch unit 32 supplies power (charge) stored in the capacitor C1 to the capacitor C2.
  • the electric power (charge) stored in the capacitor C2 is discharged and supplied to the load 203.
  • the control unit 14 switches the switches Z11 to Z14 on and off by outputting the gate drive signals G1 to G4 to the switches Z11 to Z14.
  • the power transmission insulating circuit 111 transmits the power stored in the capacitor C0 to the load 203 while insulating the capacitor C0 and the load 203 by switch control of the control unit 14.
  • the switches Z11 to Z14 include N-channel IGBTs. That is, the N-channel IGBT is used as a switching element on both the plus side and the minus side.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the withstand voltage and the on-resistance of the switching element.
  • the source of FIG. 5 is co-edited by Kazuo Arai and Sadayoshi Yoshida, “Basics and Applications of SiC Devices” (Ohm, 2003), p. 29. It is.
  • the on-resistance of the IGBT is lower than that of the MOSFET at a withstand voltage of 600 V or higher. Therefore, when the breakdown voltage of the device required for the power transmission insulating circuit is 600 V or more, the power transmission according to the first embodiment of the present invention is performed by using the IGBT instead of the MOSFET in the power transmission insulating circuit. The conduction loss of the power transmission insulating circuit can be further reduced as compared with the power insulating circuit.
  • the power transmission insulating circuit according to the second embodiment of the present invention it is possible to improve the power efficiency in the circuit that transmits power while insulating the input side and the output side.
  • the input switch unit 31 includes the diode D1 connected between the first end T11 of the capacitor C0 and the first end of the switch Z11. And a diode D2 connected between the second terminal T12 of the capacitor C0 and the first terminal of the switch Z12.
  • the output switch section 32 includes a diode D3 connected between the second end of the switch Z13 and the first end T15 of the capacitor C2, and between the second end of the switch Z14 and the second end T16 of the capacitor C2. And a diode D4 connected to the.
  • the switch Z11 and the switch Z13 can be realized by one half-bridge module MJ11, and the switch Z12 and the switch Z14 can be realized by one half-bridge module MJ12. That is, when manufacturing a large-capacity circuit, the IGBT can be configured with a general half-bridge module, so that the cost can be reduced, the size can be reduced, the wiring can be facilitated, and the assembly process can be simplified. Become.
  • the switches Z11 to Z14 are N-channel IGBTs, but the present invention is not limited to this.
  • the switches Z11 to Z14 may be configured to include other elements in addition to the N-channel IGBT.
  • the switches Z11 and Z13 are included in one half-bridge module MJ11, and the switches Z12 and Z14 are included in one half-bridge module MJ12.
  • the present invention is not limited to this. A configuration in which one set of the switches Z11 and Z13 and the switches Z12 and Z14 is included in one half-bridge module may be employed.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

　本発明は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、電力効率の向上を図ることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することを目的とする。電力伝達用絶縁回路１０１は、スイッチＺ１およびＺ２を含み、スイッチＺ１の第１端およびスイッチＺ２の第１端において受けた電力を第１の蓄電素子Ｃ１に供給するための入力スイッチ部２１と、スイッチＺ３およびＺ４を含み、第１の蓄電素子Ｃ１に蓄えられた電力を第２の蓄電素子Ｃ２に供給するための出力スイッチ部２２とを備える。スイッチＺ１～Ｚ４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを含む。

Description

電力伝達用絶縁回路および電力変換装置
　本発明は、電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関し、特に、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する電力伝達用絶縁回路および電力変換装置に関する。
　一般家庭の交流電力を用いて電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）およびプラグイン方式のハイブリッドカー（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の駆動用の主電池を充電するための電力変換装置が開発されている。
　このようなＥＶ等の主電池への充電を目的とするものではないが、交流電力を直流電力に変換する電源装置用絶縁回路の一例が、たとえば、特許第３５９５３２９号公報（特許文献１）に記載されている。すなわち、この電源装置用絶縁回路は、交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、この整流回路から供給される直流電流に残存する脈流成分を低減する第１のコンデンサーと、この第１のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第１のスイッチ回路と、この第１のスイッチ回路から供給される電流を蓄積する第２のコンデンサーと、この第２のコンデンサーから供給される直流電流のプラス側およびマイナス側を同時に開閉する第２のスイッチ回路と、この第２のスイッチ回路から供給される電流を保持するとともに負荷側に放出する第３のコンデンサーとを備える。
　また、ＯＮとなる時間がＯＦＦとなる時間よりも短く設定された方形波によって構成されるコントロール信号φ１、および上記コントロール信号φ１と相補的にＯＮするとともにＯＮ時間がＯＦＦ時間よりも短く設定されたコントロール信号φ２を生成するゲートコントロール回路を備える。上記コントロール信号φ１により上記第１のスイッチ回路の開閉を行い、上記コントロール信号φ２により上記第２のスイッチ回路の開閉を行う。
　また、上記第１のスイッチ回路のプラス側のスイッチでは、少なくとも１個の阻止ダイオードのカソード端子と少なくとも１個のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のソース端子が接続される。そして、上記スイッチは、上記第１のコンデンサーと上記第２のコンデンサーのプラス側の各端子間に設けられる。上記スイッチの上記ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子が上記第２のコンデンサーのプラス側の端子に接続され、上記阻止ダイオードのアノード端子が上記第１のコンデンサーのプラス側の端子に接続される。
　上記第２のスイッチ回路のプラス側のスイッチでは、少なくとも１個の阻止ダイオードのカソード端子と少なくとも１個のＭＯＳＦＥＴのソース端子が接続される。そして、上記スイッチは、上記第２のコンデンサーと上記第３のコンデンサーのプラス側の各端子間に設けられる。上記スイッチの上記ＭＯＳＦＥＴのドレインが上記第３のコンデンサーのプラス側の端子に接続され、上記阻止ダイオードのアノード端子を上記第２のコンデンサーのプラス側の端子に接続される。
　このような構成により、大きな容積を占める電源トランスを使用することなく交流電圧を直流電圧に変換し、かつ、交流電源側と負荷側とを電気的に絶縁することができる。
　しかしながら、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、当該回路における電流の向きを考慮すると、スイッチ回路のプラス側におけるＭＯＳＦＥＴにはＰチャネルＭＯＳＦＥＴが使用されている。このため、スイッチ回路のプラス側におけるスイッチのオン抵抗が大きいことで導通損失が大きくなり、また、スイッチング速度が遅いことでスイッチング損失が大きくなることから、電力効率が低下してしまう。
特許第３５９５３２９号公報
　この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、電力効率の向上を図ることが可能な電力伝達用絶縁回路および電力変換装置を提供することである。
　上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、第１端、および上記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ、ならびに第１端、および上記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチを含み、上記第１のスイッチの第１端および上記第２のスイッチの第１端において受けた電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチおよび上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチを含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部とを備え、上記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを含む。
　このように、ＰチャネルＭＯＳトランジスタと比べて電子移動度および正孔移動度の高いＮチャネルＭＯＳトランジスタを使用する構成により、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路と比べて高い電力効率を実現することが可能となる。さらに、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路と異なり、第１のスイッチへのゲート制御信号および第２のスイッチへのゲート制御信号を共通化し、また、第３のスイッチへのゲート制御信号および第４のスイッチへのゲート制御信号を共通化することができるため、小型化および処理の簡易化を図ることができる。
　また、好ましくは、上記入力スイッチ部は、さらに、上記第１のスイッチの第１端に接続された第１のダイオードと、上記第２のスイッチの第１端に接続された第２のダイオードとを含み、上記出力スイッチ部は、さらに、上記第３のスイッチと上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のダイオードと、上記第４のスイッチと上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のダイオードとを含む。
　このような構成により、第１～第４のスイッチを、１つのハーフブリッジモジュールで実現することが可能となる。
　より好ましくは、上記第１～第４のスイッチは、１つのハーフブリッジモジュールに含まれる。
　このような構成により、大容量の回路を製造する場合などに、ＭＯＳトランジスタを一般的なハーフブリッジのモジュールで構成することができるため、低コスト化、小型化、配線の容易化および組み立て工程の簡略化が可能となる。
　好ましくは、上記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＩＧＢＴを含む。
　電力伝達用絶縁回路においてＭＯＳトランジスタの代わりにＩＧＢＴを用いることにより、電力伝達用絶縁回路の導通損失をさらに低減することができる。
　好ましくは、上記電力伝達用絶縁回路は、さらに、上記第１のスイッチの第１端と上記第２のスイッチの第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える。
　このような構成により、電力伝達用絶縁回路への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図ることができる。
　上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、受けた交流電力を整流するための整流部と、上記整流部および上記負荷間を絶縁しながら、上記整流部によって整流された電力を上記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、上記電力伝達用絶縁回路は、第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、上記整流部によって整流された電力を受ける第１端、および上記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ、ならびに上記整流部によって整流された電力を受ける第１端、および上記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチを含み、上記整流部によって整流された電力を上記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、上記第１の蓄電素子の第１端と上記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチおよび上記第１の蓄電素子の第２端と上記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチを含み、上記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を上記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部とを備え、上記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを含む。
　このように、ＰチャネルＭＯＳトランジスタと比べて電子移動度および正孔移動度の高いＮチャネルＭＯＳトランジスタを使用する構成により、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路と比べて高い電力効率を実現することが可能となる。
本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。 各材料における電子移動度および正孔移動度を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 スイッチング素子の耐電圧とオン抵抗の関係を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　［構成および基本動作］
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
　図１を参照して、電力変換装置２０１は、電力伝達用絶縁回路１０１と、整流部１０２とを備える。電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０～Ｃ２と、入力スイッチ部２１と、出力スイッチ部２２と、制御部１４とを含む。入力スイッチ部２１は、スイッチＺ１，Ｚ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。出力スイッチ部２２は、スイッチＺ３，Ｚ４と、ダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。
　電力伝達用絶縁回路１０１において、スイッチＺ１～Ｚ４は、たとえばＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタである。また、スイッチＺ１およびＺ３は、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１に含まれている。また、スイッチＺ２およびＺ４は、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ２に含まれている。また、スイッチＺ１～Ｚ４の材料は、たとえばＳｉＣ（炭化ケイ素：Silicon Carbide）である。
　ここでは、スイッチＺ１の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ１のドレインおよびソースに相当し、スイッチＺ２の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ２のソースおよびドレインに相当し、スイッチＺ３の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ３のドレインおよびソースに相当し、スイッチＺ４の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ４のソースおよびドレインに相当する。
　ダイオードＤ１～Ｄ４は、電力伝達用絶縁回路１０１における電流の逆流を防ぐために設けられている。また、ダイオードＤ１～Ｄ４の材料は、たとえばＳｉＣである。
　スイッチＺ１は、ダイオードＤ１を介してキャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ２は、ダイオードＤ２を介してキャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端、およびダイオードＤ３を介してキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端、およびダイオードＤ４を介してキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と電気的に接続された第２端を有する。
　ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１とスイッチＺ１の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２とスイッチＺ２の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５とスイッチＺ３の第２端との間に接続されている。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６とスイッチＺ４の第２端との間に接続されている。
　より詳細には、ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１に電気的に接続されたアノードと、スイッチＺ１のドレインに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチＺ２のソースに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ３は、スイッチＺ３のソースに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６に電気的に接続されたアノードと、スイッチＺ４のドレインに電気的に接続されたカソードとを有する。
　スイッチＺ１は、ダイオードＤ１のカソードに電気的に接続されたドレインと、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたソースと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ１を受けるゲートとを有する。スイッチＺ２は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたドレインと、ダイオードＤ２のアノードに電気的に接続されたソースと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ２を受けるゲートとを有する。スイッチＺ３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたドレインと、ダイオードＤ３のアノードに電気的に接続されたソースと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ３を受けるゲートとを有する。スイッチＺ４は、ダイオードＤ４のカソードに電気的に接続されたドレインと、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたソースと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ４を受けるゲートとを有する。
　電力変換装置２０１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３は、たとえば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電池である。
　整流部１０２は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２から受けた交流電圧を全波整流して電力伝達用絶縁回路１０１へ出力する。
　電力伝達用絶縁回路１０１において、キャパシタＣ０は、整流部１０２によって整流された電圧により充電される。入力スイッチ部２１は、スイッチＺ１の第１端およびスイッチＺ２の第１端において受けた電力すなわちキャパシタＣ０に蓄えられた電力（電荷）をキャパシタＣ１に供給する。出力スイッチ部２２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力（電荷）をキャパシタＣ２に供給する。キャパシタＣ２に蓄えられた電力（電荷）は、放電されて負荷２０３に供給される。
　制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１～Ｇ４をスイッチＺ１～Ｚ４に出力することにより、スイッチＺ１～Ｚ４のオンおよびオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１０１は、制御部１４のスイッチ制御により、整流部１０２および負荷２０３間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷２０３に伝達する。
　［動作］
　次に、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路が電力伝達を行う際の動作について図面を用いて説明する。
　図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路によるスイッチング動作を示す図である。
　図２を参照して、まず、制御部１４は、期間Ｔ１において、スイッチＺ１をオンし、スイッチＺ２をオンし、スイッチＺ３をオフし、スイッチＺ４をオフする。これにより、キャパシタＣ０に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ１に蓄えられる。スイッチＺ３およびＺ４がオフされていることにより、整流部１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
　次に、制御部１４は、期間Ｔ２において、スイッチＺ１～Ｚ４をオフする。これにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。すなわち、入力スイッチ部２１における各スイッチおよび出力スイッチ部２２における各スイッチを介して電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間、すなわち整流部１０２および負荷２０３間が短絡することを防ぐことができる。
　次に、制御部１４は、期間Ｔ３において、スイッチＺ１をオフし、スイッチＺ２をオフし、スイッチＺ３をオンし、スイッチＺ４をオンする。これにより、キャパシタＣ１に蓄えられた電荷が放電され、放電された電荷がキャパシタＣ２に蓄えられる。スイッチＺ１およびＺ２がオフされていることにより、整流部１０２および負荷２０３間の絶縁が確保される。
　次に、制御部１４は、期間Ｔ４において、スイッチＺ１～Ｚ４をオフする。これにより、期間Ｔ２と同様に、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間の絶縁を確保するためのデッドタイムが設けられる。
　ここで、期間Ｔ１～Ｔ４において、キャパシタＣ１は整流部１０２からの電圧により充電されており、また、キャパシタＣ２に蓄えられた電荷は放電されて負荷２０３に供給されている。また、期間Ｔ２およびＴ４においては、キャパシタＣ１における電荷の移動はない。
　そして、制御部１４は、これら期間Ｔ１、期間Ｔ２、期間Ｔ３および期間Ｔ４をこの順番で繰り返すことにより、電力伝達用絶縁回路１０１の入力側および出力側間を絶縁しながら、整流部１０２と協働して、交流電源２０２からの交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。
　ところで、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路では、当該回路における電流の向きを考慮すると、スイッチ回路のプラス側におけるＭＯＳＦＥＴにはＰチャネルＭＯＳＦＥＴが使用されている。このため、スイッチ回路のプラス側におけるスイッチのオン抵抗が大きいことで導通損失が大きくなり、また、スイッチング速度が遅いことでスイッチング損失が大きくなることから、電力効率が低下してしまうという問題点があった。
　ここで、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴとＰチャネルＭＯＳＦＥＴの比較を行う。図３は、各材料における電子移動度および正孔移動度を示す図である。図３の出典は、荒井和雄，吉田貞史　共編，「ＳｉＣ素子の基礎と応用」，（オーム社，２００３），ｐ．１４．である。
　ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの主要なキャリアは電子であり、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴの主要なキャリアは正孔である。一般に、電子の移動度は、正孔の移動度に比べて速い。
　図３を参照して、Ｓｉの場合には、電子移動度は正孔移動度の約３．３倍である。また、４Ｈ－ＳｉＣの場合には、電子移動度は正孔移動度の約８．３倍であり、ＧａＮの場合には約２．３倍である。
　したがって、同一チップ面積および同一チャネル密度のデバイスで比較した場合、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴはＮチャネルＭＯＳＦＥＴに比べてオン抵抗が大きいために導通損失が大きくなり、また、スイッチング速度が遅いためにスイッチング損失が大きくなる。したがって、パワーデバイスとしてはＮチャネルＭＯＳＦＥＴの方が優れていると言える。実際、次世代パワーデバイスとして研究開発が進められているＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴの例では、近年主要な研究機関からの報告はいずれもＮチャネルＭＯＳＦＥＴに関するものであり、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴに関する報告例は見られない。
　本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１～Ｚ４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタである。すなわち、プラス側およびマイナス側の両方において、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として使用する。このような構成により、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路と比べて高い電力効率を実現することが可能となる。さらに、特許文献１に記載の電源装置用絶縁回路と異なり、スイッチＺ１へのゲート制御信号Ｇ１およびスイッチＺ２へのゲート制御信号Ｇ２を共通化し、また、スイッチＺ３へのゲート制御信号Ｇ３およびスイッチＺ４へのゲート制御信号Ｇ４を共通化することができるため、小型化および処理の簡易化を図ることができる。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力スイッチ部２１は、スイッチＺ１の第１端に接続されたダイオードＤ１と、スイッチＺ２の第１端に接続されたダイオードＤ２とを含む。また、出力スイッチ部２２は、スイッチＺ３とキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５との間に接続されたダイオードＤ３と、スイッチＺ４とキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６との間に接続されたダイオードＤ４とを含む。
　このような構成により、スイッチＺ１およびスイッチＺ３を、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１で実現し、また、スイッチＺ２およびスイッチＺ４を、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ２で実現することが可能となる。すなわち、大容量の回路を製造する場合などに、ＭＯＳＦＥＴを一般的なハーフブリッジのモジュールで構成することができるため、低コスト化、小型化、配線の容易化および組み立て工程の簡略化が可能となる。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチであるＮチャネルＭＯＳＦＥＴの材料はＳｉＣである。このように、スイッチをＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ化することにより、電力伝達用絶縁回路１０１の導通損失およびスイッチング損失のさらなる低減を図ることができる。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、ダイオードＤ１～Ｄ４の材料はＳｉＣである。このように、逆阻止ダイオードをＳｉＣ化することにより、電力伝達用絶縁回路の導通損失のさらなる低減を図ることができる。
　なお、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１～スイッチＺ４はＮチャネルＭＯＳトランジスタであるとしたが、これに限定するものではない。スイッチＺ１～Ｚ４は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタに加えて他の素子を含む構成であってもよい。
　また、電力伝達用絶縁回路１０１は、キャパシタＣ０を備えない構成であってもよい。ただし、キャパシタＣ０を設けることにより、電力伝達用絶縁回路１０１への入力電流のリップルを防ぎ、回路動作の安定化を図るという効果が得られる。また、整流部１０２において、整流された電力を蓄えるためのキャパシタが設けられる場合にも、電力伝達用絶縁回路１０１においてキャパシタＣ０を設けない構成が可能となる。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路は、キャパシタＣ０～Ｃ２を備える構成であるとしたが、キャパシタに限らず、コイル（インダクタ）等の他の蓄電素子を備える構成であってもよい。
　また、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１およびＺ３が１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１に含まれ、また、スイッチＺ２およびＺ４が１つのハーフブリッジモジュールＭＪ２に含まれる構成であるとしたが、これに限定するものではない。スイッチＺ１およびＺ３の組、ならびにスイッチＺ２およびＺ４の組の一方の組が１つのハーフブリッジモジュールに含まれる構成であってもよい。
　次に、本発明の他の実施の形態について図面を用いて説明する。
　＜第２の実施の形態＞
　本実施の形態は、第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べてスイッチング素子の種類を変更した電力伝達用絶縁回路に関する。以下で説明する内容以外は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様である。
　図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
　図４を参照して、電力変換装置２１１は、電力伝達用絶縁回路１１１と、整流部１０２とを備える。電力伝達用絶縁回路１１１は、キャパシタＣ０～Ｃ２と、入力スイッチ部３１と、出力スイッチ部３２と、制御部１４とを含む。入力スイッチ部３１は、スイッチＺ１１，Ｚ１２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。出力スイッチ部３２は、スイッチＺ１３，Ｚ１４と、ダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。
　電力伝達用絶縁回路１１１において、スイッチＺ１１～Ｚ１４は、たとえばＮチャネルＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。また、スイッチＺ１１およびＺ１３は、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１１に含まれている。また、スイッチＺ１２およびＺ１４は、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１２に含まれている。また、スイッチＺ１１～Ｚ１４の材料は、たとえばＳｉＣ（炭化ケイ素：Silicon Carbide）である。
　ダイオードＤ１～Ｄ４は、電力伝達用絶縁回路１１１における電流の逆流を防ぐために設けられている。また、ダイオードＤ１～Ｄ４の材料は、たとえばＳｉＣである。
　スイッチＺ１１は、ダイオードＤ１を介してキャパシタＣ０の第１端Ｔ１１と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ１２は、ダイオードＤ２を介してキャパシタＣ０の第２端Ｔ１２と電気的に接続された第１端、およびキャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ１３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３と電気的に接続された第１端、およびダイオードＤ３を介してキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５と電気的に接続された第２端を有する。スイッチＺ１４は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４と電気的に接続された第１端、およびダイオードＤ４を介してキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６と電気的に接続された第２端を有する。
　ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１とスイッチＺ１１の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ２は、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２とスイッチＺ１２の第１端との間に接続されている。ダイオードＤ３は、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５とスイッチＺ１３の第２端との間に接続されている。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６とスイッチＺ１４の第２端との間に接続されている。
　より詳細には、ダイオードＤ１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１に電気的に接続されたアノードと、スイッチＺ１１のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ２は、スイッチＺ１２のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ３は、スイッチＺ１３のエミッタに電気的に接続されたアノードと、キャパシタＣ２の第１端Ｔ１５に電気的に接続されたカソードとを有する。ダイオードＤ４は、キャパシタＣ２の第２端Ｔ１６に電気的に接続されたアノードと、スイッチＺ１４のコレクタに電気的に接続されたカソードとを有する。
　スイッチＺ１１は、ダイオードＤ１のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ１を受けるゲートとを有する。スイッチＺ１２は、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ２のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ２を受けるゲートとを有する。スイッチＺ１３は、キャパシタＣ１の第１端Ｔ１３に電気的に接続されたコレクタと、ダイオードＤ３のアノードに電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ３を受けるゲートとを有する。スイッチＺ１４は、ダイオードＤ４のカソードに電気的に接続されたコレクタと、キャパシタＣ１の第２端Ｔ１４に電気的に接続されたエミッタと、制御部１４からのゲート制御信号Ｇ４を受けるゲートとを有する。
　すなわち、スイッチＺ１１の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ１１のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチＺ１２の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ１２のエミッタおよびコレクタに相当し、スイッチＺ１３の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ１３のコレクタおよびエミッタに相当し、スイッチＺ１４の第１端および第２端がそれぞれスイッチＺ１４のエミッタおよびコレクタに相当する。
　電力変換装置２１１は、交流電源２０２から供給された交流電力を直流電力に変換して負荷２０３に供給する。負荷２０３は、たとえば、ＥＶおよびプラグイン方式のＨＶ等の駆動用の主電池である。
　整流部１０２は、たとえば、ダイオードブリッジを含み、交流電源２０２から受けた交流電圧を全波整流して電力伝達用絶縁回路１１１へ出力する。
　電力伝達用絶縁回路１１１において、キャパシタＣ０は、整流部１０２によって整流された電圧により充電される。入力スイッチ部３１は、スイッチＺ１１の第１端およびスイッチＺ１２の第１端において受けた電力すなわちキャパシタＣ０に蓄えられた電力（電荷）をキャパシタＣ１に供給する。出力スイッチ部３２は、キャパシタＣ１に蓄えられた電力（電荷）をキャパシタＣ２に供給する。キャパシタＣ２に蓄えられた電力（電荷）は、放電されて負荷２０３に供給される。
　制御部１４は、ゲート駆動信号Ｇ１～Ｇ４をスイッチＺ１１～Ｚ１４に出力することにより、スイッチＺ１１～Ｚ１４のオンおよびオフを切り替える。電力伝達用絶縁回路１１１は、制御部１４のスイッチ制御により、キャパシタＣ０および負荷２０３間を絶縁しながら、キャパシタＣ０に蓄えられた電力を負荷２０３に伝達する。
　本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１１～Ｚ１４は、ＮチャネルＩＧＢＴを含む。すなわち、プラス側およびマイナス側の両方において、ＮチャネルＩＧＢＴをスイッチング素子として使用する。
　図５は、スイッチング素子の耐電圧とオン抵抗の関係を示す図である。図５の出典は、荒井和雄，吉田貞史　共編，「ＳｉＣ素子の基礎と応用」，（オーム社，２００３），ｐ．２９．である。
　図５を参照して、Ｓｉデバイス同士の比較では、耐圧６００Ｖ以上においてＭＯＳＦＥＴよりもＩＧＢＴのオン抵抗の方が低いことが分かる。したがって、電力伝達用絶縁回路に必要なデバイスの耐圧が６００Ｖ以上である場合において、電力伝達用絶縁回路においてＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴを用いることにより、本発明の第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と比べて、電力伝達用絶縁回路の導通損失をさらに低減することができる。
　したがって、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、電力効率の向上を図ることができる。
　また、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、入力スイッチ部３１は、キャパシタＣ０の第１端Ｔ１１とスイッチＺ１１の第１端との間に接続されたダイオードＤ１と、キャパシタＣ０の第２端Ｔ１２とスイッチＺ１２の第１端との間に接続されたダイオードＤ２とを含む。また、出力スイッチ部３２は、スイッチＺ１３の第２端とキャパシタＣ２の第１端Ｔ１５との間に接続されたダイオードＤ３と、スイッチＺ１４の第２端とキャパシタＣ２の第２端Ｔ１６との間に接続されたダイオードＤ４とを含む。
　このような構成により、スイッチＺ１１およびスイッチＺ１３を、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１１で実現し、また、スイッチＺ１２およびスイッチＺ１４を、１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１２で実現することが可能となる。すなわち、大容量の回路を製造する場合などに、ＩＧＢＴを一般的なハーフブリッジのモジュールで構成することができるため、低コスト化、小型化、配線の容易化および組み立て工程の簡略化が可能となる。
　その他の構成および動作は第１の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路と同様であるため、ここでは詳細な説明を繰り返さない。
　なお、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１１～Ｚ１４はＮチャネルＩＧＢＴであるとしたが、これに限定するものではない。スイッチＺ１１～Ｚ１４は、ＮチャネルＩＧＢＴに加えて他の素子を含む構成であってもよい。
　また、本発明の第２の実施の形態に係る電力伝達用絶縁回路では、スイッチＺ１１およびＺ１３が１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１１に含まれ、また、スイッチＺ１２およびＺ１４が１つのハーフブリッジモジュールＭＪ１２に含まれる構成であるとしたが、これに限定するものではない。スイッチＺ１１およびＺ１３の組、ならびにスイッチＺ１２およびＺ１４の組の一方の組が１つのハーフブリッジモジュールに含まれる構成であってもよい。
　上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　　本発明によれば、入力側および出力側間を絶縁しながら電力を伝達する回路において、電力効率の向上を図ることができる。

Claims (6)

  1. 　第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
    　第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
    　第１端、および前記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ、ならびに第１端、および前記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチを含み、前記第１のスイッチの第１端および前記第２のスイッチの第１端において受けた電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
    　前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチおよび前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチを含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部とを備え、
    　前記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを含む、電力伝達用絶縁回路。
  2. 　前記入力スイッチ部は、さらに、
    　前記第１のスイッチの第１端に接続された第１のダイオードと、
    　前記第２のスイッチの第１端に接続された第２のダイオードとを含み、
    　前記出力スイッチ部は、さらに、
    　前記第３のスイッチと前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のダイオードと、
    　前記第４のスイッチと前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のダイオードとを含む、請求項１に記載の電力伝達用絶縁回路。
  3. 　前記第１のスイッチおよび前記第３のスイッチの組、ならびに前記第２のスイッチおよび前記第４のスイッチの組の少なくとも一方の組は、１つのハーフブリッジモジュールに含まれる、請求項２に記載の電力伝達用絶縁回路。
  4. 　前記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＩＧＢＴを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
  5. 　前記電力伝達用絶縁回路は、さらに、
    　前記第１のスイッチの第１端と前記第２のスイッチの第１端との間に接続された第３の蓄電素子を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力伝達用絶縁回路。
  6. 　交流電力を直流電力に変換して負荷に供給するための電力変換装置であって、
    　受けた交流電力を整流するための整流部と、
    　前記整流部および前記負荷間を絶縁しながら、前記整流部によって整流された電力を前記負荷に伝達するための電力伝達用絶縁回路とを備え、
    　前記電力伝達用絶縁回路は、
    　第１端および第２端を有する第１の蓄電素子と、
    　第１端および第２端を有する第２の蓄電素子と、
    　前記整流部によって整流された電力を受ける第１端、および前記第１の蓄電素子の第１端と電気的に接続された第２端を有する第１のスイッチ、ならびに前記整流部によって整流された電力を受ける第１端、および前記第１の蓄電素子の第２端と電気的に接続された第２端を有する第２のスイッチを含み、前記整流部によって整流された電力を前記第１の蓄電素子に供給するための入力スイッチ部と、
    　前記第１の蓄電素子の第１端と前記第２の蓄電素子の第１端との間に接続された第３のスイッチおよび前記第１の蓄電素子の第２端と前記第２の蓄電素子の第２端との間に接続された第４のスイッチを含み、前記第１の蓄電素子に蓄えられた電力を前記第２の蓄電素子に供給するための出力スイッチ部とを備え、
    　前記第１～第４のスイッチは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを含む、電力変換装置。
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