特開 2022-142807 電力変換回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142807

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】電力変換回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20220926BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021043005

(22)【出願日】2021-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】516080563

【氏名又は名称】株式会社フコク東海

(74)【代理人】

【識別番号】100165331

【弁理士】

【氏名又は名称】森岡 智昭

(72)【発明者】

【氏名】木村 孝

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 幹根

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006BB05

5H006CA02

5H006CB01

5H006CB03

5H006CB07

5H006CC02

5H006DA04

5H006DB01

5H006DC05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】交流電力を直流電力に変換する電力変換回路における整流素子としてＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用する場合において、出力側の負荷の変動に対応した、最適なＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御を可能とし、電力変換に伴う損失の発生を低減する回路を提供する。
【解決手段】整流素子と平滑回路からなり、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、整流素子として、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間のボディダイオードが用いられている。ＭＯＳＦＥＴを制御するゲート駆動回路は、ＭＯＳＦＥＴのソース電極の電圧と、ドレイン電極の電圧とを取得して、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に付与するゲート電圧を決定して出力する。また、整流素子が複数設けられており、それぞれのゲート駆動回路は、個々のＭＯＳＦＥＴを個別に制御できるように、独立して設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

整流素子と平滑回路からなり、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、
前記整流素子として、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間のボディダイオードが用いられており、
前記ＭＯＳＦＥＴを制御するゲート駆動回路は、
前記ＭＯＳＦＥＴのソース電極の電圧と、ドレイン電極の電圧とを取得して、
前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に付与するゲート電圧を決定して出力する
ことを特徴とする電力変換回路。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換回路において、
前記整流素子が複数設けられており、
複数の前記ＭＯＳＦＥＴを制御する複数の前記ゲート駆動回路は、
個々の前記ＭＯＳＦＥＴを個別に制御できるように、独立して設けられている
ことを特徴とする電力変換回路。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の電力変換回路において、
前記ゲート駆動回路は演算増幅器を備え、
前記ＭＯＳＦＥＴのソース電極は、抵抗Ｒ_１を介して前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、
前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極は、抵抗Ｒ_２を介して前記演算増幅器の反転入力端子に接続され、
前記演算増幅器の出力端子は、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に接続されている
ことを特徴とする電力変換回路。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換回路において、
前記演算増幅器の出力端子はフィードバック抵抗Ｒ_Ｆを介して、前記演算増幅器の反転入力端子に接続されている
ことを特徴とする電力変換回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流の電力を直流の電力に変換する電力変換回路に関し、詳しくは整流素子による電力の損失を低減する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、自動車等における動力の電動化が進んでおり、電力の変換に伴う損失低減が大きな課題となっている。中でも、商用の交流電力を用いて電池に充電を行ったり、モーターを駆動したりする際には、交流―直流の変換が不可欠となっており、このような電力変換回路で用いられる整流素子の損失低減が検討されている。

【0003】

特許文献１には、ブリッジ回路を用いた整流回路における電圧降下を低減する発明が開示されている。これは、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間のボディダイオード（特許文献１では寄生ダイオードと表現されている。）を整流素子として利用し、入力側の交流電圧に同期させた制御信号でＭＯＳＦＥＴをスイッチングさせて整流することを特徴とするものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０－１０８４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図６に示す通り、特許文献１に開示されているＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用した整流回路を用いることで、従来のダイオードを用いた整流の際に生じる１.0V～2.0Vの電圧降下を生じさせないようにすることが可能であり、電力変換回路全体の損失の低減を図ることが可能となる。

【0006】

ここで、特許文献１に開示されている回路においては、図６に示す通り、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングの制御を入力側の交流電圧に同期させていることから、商用の交流電力を入力とする場合には、出力側の負荷の変動にかかわらず、ＭＯＳＦＥＴのオンとオフはそれぞれ一定の周期（50Hzや60Hz）で制御されることになる。

【0007】

しかしながら、出力側の負荷が増加した場合は、平滑回路に蓄えられた電荷量が急激に減少するため、ＭＯＳＦＥＴのスイッチONのタイミングは早めることが必要であり、また、出力側の負荷が低下した場合は、平滑回路に蓄えられた電荷量はあまり変化しないため、ＭＯＳＦＥＴのスイッチONのタイミングは遅くしなければ、損失の低減効果が限定的になってしまう。従来のゲート駆動回路では、そのような出力変動に対応したスイッチングの最適制御をすることはできなかった。

【0008】

本発明の目的は、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路における整流素子としてＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用する場合において、出力側の負荷の変動に対応した、最適なＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御を可能とする回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、整流素子と平滑回路からなり、交流電力を直流電力に変換する電力変換回路であって、整流素子として、ＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間のボディダイオードが用いられており、ＭＯＳＦＥＴを制御するゲート駆動回路は、ＭＯＳＦＥＴのソース電極の電圧と、ドレイン電極の電圧とを取得して、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に付与するゲート電圧を決定して出力することを特徴とする電力変換回路である。

【0010】

ＭＯＳＦＥＴのソース電極の電圧と、ドレイン電極の電圧とを取得してゲート電圧を決定するため、負荷の変動にリアルタイムで対応した最適なスイッチング制御を行うことが可能となる。

【0011】

上述した課題を解決するための請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力変換回路において、整流素子が複数設けられており、複数のＭＯＳＦＥＴを制御する複数のゲート駆動回路は、個々のＭＯＳＦＥＴを個別に制御できるように、独立して設けられていることを特徴とする電力変換回路である。

【0012】

本発明は、複数のＭＯＳＦＥＴを組み合わせて整流回路を構成することが可能であり、例えば単相ブリッジ整流回路や三相ブリッジ整流回路など、様々な用途で本件発明を適用することができる。

【0013】

上述した課題を解決するための請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電力変換回路において、ゲート駆動回路は、演算増幅器を備え、ＭＯＳＦＥＴのソース電極は、抵抗Ｒ_１を介して演算増幅器の非反転入力端子に接続され、ＭＯＳＦＥＴのドレイン電極は、抵抗Ｒ_２を介して演算増幅器の反転入力端子に接続され、演算増幅器の出力端子は、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に接続されていることを特徴とする電力変換回路である。

【0014】

本発明によると、個々のＭＯＳＦＥＴに最適化した制御を、複雑な回路構成を用いることなく、簡易なゲート駆動回路で実現することが可能となる。

【0015】

上述した課題を解決するための請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電力変換回路において、演算増幅器の出力端子はフィードバック抵抗Ｒ_Ｆを介して、演算増幅器の反転入力端子に接続されていることを特徴とする電力変換回路である。

【0016】

本発明によると、演算増幅器をフィードバック制御して用いることで、ゲート電圧の立ち上がりや立ち下がりのタイミングを正確に設定し、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング時に生じるサージやリンギングの発生を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施例１に係る電力変換回路である単相半波整流回路を示す図

【図2】実施例２に係る電力変換回路である単相半波整流回路を示す図

【図3】実施例３に係る電力変換回路である単相ブリッジ整流回路を示す図

【図4】実施例４に係る電力変換回路である三相ブリッジ整流回路を示す図

【図5】出力側の負荷が変動した場合における最適なスイッチング制御を示す図

【図6】従来の整流回路のスイッチング制御を示す図

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明にかかる電力変換回路を、図を参照して説明する。

【実施例0019】

図１は、実施例１に係る電力変換回路を示す図である。電力変換回路１０は、交流電源１１から入力される交流電力を、ＭＯＳＦＥＴ１４のソース・ドレイン間のボディダイオードを用いて整流し、平滑コンデンサ１２などからなる平滑回路を介して、負荷１３に直流の電力を出力する単相半波整流回路を構成している。

【0020】

ＭＯＳＦＥＴ１４のゲート端子には、ゲート駆動回路１５が接続されており、ゲート端子に入力する電圧を制御することで、スイッチング制御が行われる。ゲート駆動回路１５はＭＯＳＦＥＴ１４のソース電極の電圧と、ドレイン電極の電圧とを取得して、それぞれ演算増幅器１５１の非反転入力端子、反転入力端子に入力されている。

【0021】

ＭＯＳＦＥＴ１４のソース電極と演算増幅器１５１の非反転入力端子との間には抵抗Ｒ_１が設けられ、ドレイン電極と反転入力端子との間には抵抗Ｒ_２が設けられるとともに、演算増幅器１５１の出力端子はフィードバック抵抗Ｒ_Ｆを介して、演算増幅器１５１の反転入力端子に接続されている。

【0022】

ここで、フィードバック抵抗Ｒ_Ｆを設けない場合でも、演算増幅器１５１はコンパレータとして機能するので、適切なタイミングでＭＯＳＦＥＴ１４のスイッチングを制御することが可能であるが、フィードバック抵抗Ｒ_Ｆを設けてゲート電圧の立ち上がりや立ち下がりのタイミングを正確に設定することで、スイッチング時に生じるサージやリンギングの発生を抑制することが可能となる。

【0023】

図１のような演算増幅器１５１を用いた簡易な回路構成によって、負荷１３に接続されるＭＯＳＦＥＴ１４のドレイン電極の電圧が、交流電源１１に接続されるＭＯＳＦＥＴ１４のソース電極の電圧を下回ったタイミングでＭＯＳＦＥＴ１４がオンすることで、ダイオードによる電圧降下を回避することが可能となる。

【0024】

ここで、ＭＯＳＦＥＴ１４のドレイン電極は、負荷１３に接続されていることから、負荷１３の変動によって、最適なＭＯＳＦＥＴ１４のスイッチングのタイミングも変化する。この点について、図５を用いて説明する。

【0025】

図５は出力側の負荷１３が高負荷の場合と低負荷の場合における最適なスイッチング制御を示す図である。出力電圧Ｖ_оｕｔは、平滑コンデンサ１２の作用によって、負荷１３が低負荷の時より、高負荷の時の方が早く降下することになる。

【0026】

出力電圧Ｖ_оｕｔの電圧降下の速度が速くなると、出力電圧Ｖ_оｕｔ（ＭＯＳＦＥＴ１４のドレイン電極の電圧と同じ）が、交流電源１１に接続されているＭＯＳＦＥＴ１４のソース電極の電圧を下回るタイミングは、低負荷のときよりも早いタイミングとなる。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ１４をオンにする最適なタミングt_onは、低負荷時よりも高負荷時の方が早くなるのであって、かかる負荷１３の変動を加味したスイッチング制御をしないと損失低減効果は限定的となってしまう。

【0027】

本発明の電力変換回路によると、このような負荷１３の変動を考慮し、その変動に応じてt_onのタイミングを決定することができるので、整流素子による電圧降下に起因する電力損失を従来以上に低減することが可能となる。

【実施例0028】

図２は、実施例２に係る電力変換回路２０を示す図である。この回路は、実施例１の場合と異なり、ＭＯＳＦＥＴ２４が負荷２３の下流側に設けられた単相半波整流回路を構成している。本実施例の動作は実施例１と対称になっているため、実施例１の記載を読み替えることで詳細は理解できる。