特許 7466673 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-04

(45)【発行日】2024-04-12

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20240405BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20240405BHJP

   H03K 17/16 20060101ALI20240405BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 E

H02M3/155 W

H02M1/08 A

H03K17/16 H

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2022550411

(86)(22)【出願日】2021-08-12

(86)【国際出願番号】 JP2021029741

(87)【国際公開番号】W WO2022059393

(87)【国際公開日】2022-03-24

【審査請求日】2023-01-17

(31)【優先権主張番号】P 2020154363

(32)【優先日】2020-09-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】野▲崎▼ 義明

【審査官】柳下 勝幸

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－７９５３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１６６９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－９５９４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

Ｈ０２Ｍ １／０８

Ｈ０３Ｋ １７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電位側に接続された第１スイッチング素子と、
第２電位側で前記第１スイッチング素子と直列に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子のゲートに接続された第１抵抗器と、
前記第２スイッチング素子のゲートに接続された第２抵抗器とを備え、
前記第１抵抗器の抵抗、前記第２抵抗器の抵抗、前記第１スイッチング素子のゲート抵抗および前記第２スイッチング素子のゲート抵抗がそれぞれ異なる、
電力変換装置。

【請求項2】

前記第１スイッチング素子の断面構造と前記第２スイッチング素子の断面構造が異なる、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１スイッチング素子のゲート抵抗と前記第２スイッチング素子のゲート抵抗との比が１／５以上で１未満、または１より大きく５以下である、
請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記第１抵抗器の抵抗および前記第１スイッチング素子のゲート抵抗の和と、前記第２抵抗器の抵抗および前記第２スイッチング素子のゲート抵抗の和との比が１／３以上で１未満、または１より大きく３以下である、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子の少なくともいずれかはＳｉＣトランジスタである、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記第１スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第１キャパシタと、
前記第２スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第２キャパシタとをさらに備え、
前記第１キャパシタの静電容量、前記第２キャパシタの静電容量、前記第１スイッチング素子のゲート容量および前記第２スイッチング素子のゲート容量がそれぞれ異なる、
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記第１スイッチング素子のゲート容量と前記第２スイッチング素子のゲート容量との比が１／５以上で１未満、または１より大きく５以下である、
請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記第１電位側に接続された第３スイッチング素子と、
前記第２電位側で前記第３スイッチング素子と直列に接続された第４スイッチング素子と、
前記第３スイッチング素子のゲートに接続された第３抵抗器と、
前記第４スイッチング素子のゲートに接続された第４抵抗器とを備え、
前記第３抵抗器の抵抗、前記第４抵抗器の抵抗、前記第３スイッチング素子のゲート抵抗および前記第４スイッチング素子のゲート抵抗がそれぞれ異なる、
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

前記第３スイッチング素子の断面構造と前記第４スイッチング素子の断面構造が異なる、
請求項８に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記第３スイッチング素子のゲート抵抗と前記第４スイッチング素子のゲート抵抗との比が５以下である、
請求項８または９に記載の電力変換装置。

【請求項11】

前記第３抵抗器の抵抗および前記第３スイッチング素子のゲート抵抗の和と、前記第４抵抗器の抵抗および前記第４スイッチング素子のゲート抵抗の和との比が１／３以上で１未満、または１より大きく３以下である、
請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項12】

前記第３スイッチング素子または前記第４スイッチング素子の少なくともいずれかはＳｉＣトランジスタである、
請求項８ないし１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項13】

前記第３スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第３キャパシタと、
前記第４スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第４キャパシタとをさらに備え、
前記第３キャパシタの静電容量、前記第４キャパシタの静電容量、前記第３スイッチング素子のゲート容量および前記第４スイッチング素子のゲート容量がそれぞれ異なる、
請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項14】

前記第３スイッチング素子のゲート容量と前記第４スイッチング素子のゲート容量との比が１／５以上で１未満、または１より大きく５以下である、
請求項１３に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置は、モータ駆動やパワーコンデショナなど多岐の用途で使われている。スイッチング性能向上に対する要求に応えるべく、電力変換装置に含まれるスイッチング素子の高速化が進んでいる。このため、電力変換装置を含むシステムで発生するＥＭＩ（electromagnetic interference）ノイズの周波数が高くなり、コモンモードノイズとして他の電子機器に干渉しうる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－２０３５８４号公報

【文献】国際公開第２０１５／０９７８３６号

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、スイッチングノイズを低減することが可能な電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示による一形態の電力変換装置は、第１電位側に接続された第１スイッチング素子と、第２電位側で前記第１スイッチング素子と直列に接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子のゲートに接続された第１抵抗器と、前記第２スイッチング素子のゲートに接続された第２抵抗器とを備える。前記第１抵抗器の抵抗、前記第２抵抗器の抵抗、前記第１スイッチング素子のゲート抵抗および前記第２スイッチング素子のゲート抵抗がそれぞれ異なる。第１スイッチング素子で発生するノイズと第２スイッチング素子で発生するノイズのスペクトルが相違するため、電力変換装置全体で発生するノイズを抑制することができる。

【0006】

本開示による電力変換装置において、前記第１スイッチング素子の断面構造と前記第２スイッチング素子の断面構造が異なっていてもよい。

【0007】

本開示による電力変換装置において、前記第１スイッチング素子のゲート抵抗と前記第２スイッチング素子のゲート抵抗との比を１／５以上で１未満、または１より大きく５以下にしてもよい。

【0008】

本開示による電力変換装置において、前記第１抵抗器の抵抗および前記第１スイッチング素子のゲート抵抗の和と、前記第２抵抗器の抵抗および前記第２スイッチング素子のゲート抵抗の和との比が１／３以上で１未満、または１より大きく３以下にしてもよい。

【0009】

本開示による電力変換装置において、前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子の少なくともいずれかはＳｉＣトランジスタであってもよい。

【0010】

本開示による電力変換装置は、前記第１スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第１キャパシタと、前記第２スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第２キャパシタとをさらに備えていてもよい。ここで、前記第１キャパシタの静電容量、前記第２キャパシタの静電容量、前記第１スイッチング素子のゲート容量および前記第２スイッチング素子のゲート容量がそれぞれ異なっていてもよい。

【0011】

本開示による電力変換装置において、前記第１スイッチング素子のゲート容量と前記第２スイッチング素子のゲート容量との比が１／５以上で１未満、または１より大きく５以下であってもよい。

【0012】

本開示による電力変換装置は、前記第１電位側に接続された第３スイッチング素子と、前記第２電位側で前記第３スイッチング素子と直列に接続された第４スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子のゲートに接続された第３抵抗器と、前記第４スイッチング素子のゲートに接続された第４抵抗器とを備えていてもよい。ここで、前記第３抵抗器の抵抗、前記第４抵抗器の抵抗、前記第３スイッチング素子のゲート抵抗および前記第４スイッチング素子のゲート抵抗がそれぞれ異なっていてもよい。

【0013】

本開示による電力変換装置において、前記第３スイッチング素子の断面構造と前記第４スイッチング素子の断面構造が異なっていてもよい。

【0014】

本開示による電力変換装置において、前記第３スイッチング素子のゲート抵抗と前記第４スイッチング素子のゲート抵抗との比が５以下であってもよい。

【0015】

本開示による電力変換装置において、前記第３抵抗器の抵抗および前記第３スイッチング素子のゲート抵抗の和と、前記第４抵抗器の抵抗および前記第４スイッチング素子のゲート抵抗の和との比が１／３以上で１未満、または１より大きく３以下であってもよい。

【0016】

本開示による電力変換装置において、前記第３スイッチング素子または前記第４スイッチング素子の少なくともいずれかはＳｉＣトランジスタであってもよい。

【0017】

本開示による電力変換装置は、前記第３スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第３キャパシタと、前記第４スイッチング素子のゲートとソースとの間に接続された第４キャパシタとをさらに備えていてもよい。この場合において、前記第３キャパシタの静電容量、前記第４キャパシタの静電容量、前記第３スイッチング素子のゲート容量および前記第４スイッチング素子のゲート容量がそれぞれ異なってもよい。

【0018】

本開示による電力変換装置において、前記第３スイッチング素子のゲート容量と前記第４スイッチング素子のゲート容量との比が１／５以上で１未満、または１より大きく５以下であってもよい。

【0019】

本開示による電力変換装置において直列に接続される２つのスイッチング素子のノイズスペクトルは異なるものとなる。このため、電力変換装置を動作させたときに生じるノイズが全般的に抑制される。したがって、スイッチングノイズが低減された電力変換装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本開示による電力変換装置の例を示す図である。

【図2】電力変換装置の例を示す回路図である。

【図3A】第１の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。

【図3B】図３Ａの電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。

【図4A】第２の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。

【図4B】図４Ａの電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。

【図5A】第３の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。

【図5B】図５Ａの電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。

【図6】第４の実施形態に係る電力変換装置の例を示す説明図である。

【図7】図６の電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。

【図8】第１の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。

【図9】第２の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。

【図10】第３の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。

【図11】第４の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。

【図12】第５の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。

【図13】第６の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。

【発明を実施するための最良の形態】

【0021】

以下、図面を参照しつつ本開示について説明する。なお、以下の説明では、同一の構成要素には同一の符号を付し、一度説明した構成要素については適宜その説明を省略する。

【0022】

図１は、本開示による電力変換装置の例を示した図である。図１の電力変換システム２００は、電力変換装置１００と、直流電源２１０と、交流出力部２２０とを備える。電力変換装置１００は、コンバータ部１００Ａと、インバータ部１００Ｂとを備える。コンバータ部１００Ａは、直流電圧を変更する。インバータ部１００Ｂは、直流信号から交流信号を生成する。

【0023】

直流電源２１０の例として、各種の移動体に搭載される二次電池、太陽光発電で発電した電力を蓄える二次電池が挙げられる。直流電源２１０が移動体に実装されている場合、交流出力部２２０に、例えば、モータが接続される。そして、インバータ部１００Ｂにおいて交流出力部２２０の出力周波数を変更することによってモータの回転数を制御することが可能となる。こうして、モータの回転数に応じて移動体に所望の動きをさせることができる。ただし、交流出力部２２０に接続される機器の種類を限定するものではない。

【0024】

直流電源２１０が蓄電池設備である場合、所定の電圧（例えば、１００Ｖ～２４０Ｖ）かつ所定の周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の電力信号が交流出力部２２０から出力されるよう、コンバータ部１００Ａおよびインバータ部１００Ｂを制御することができる。

【0025】

図２は、図１の電力変換装置の例を示した回路図である。図２のコンバータ部１００Ａは昇圧コンバータであり、４つのスイッチング素子を有するフルブリッジ回路を含む。コンバータ部１００Ａでは、まず、直流電源２１０およびコイルを含む閉回路が形成されるようにスイッチング素子を制御し、コイルに電力を蓄積する。次に、直流電源２１０とコイルとが直列に接続されてインバータ部１００Ｂへとつながる回路が形成されるようにスイッチング素子を制御し、直流電源２１０よりも高電圧の信号をインバータ部１００Ｂへと出力する。スイッチング素子に対する上述の制御を繰り返すことにより、インバータ部１００Ｂから出力される信号の電圧を直流電源から入力される信号の電圧よりも高くすることができる。

【0026】

コンバータ部１００Ａと同様、インバータ部１００Ｂもフルブリッジ回路を含む。インバータ部１００Ｂでは、２組のスイッチング素子を交互にオン動作させることによって、交流出力部２２０に供給される電流の向きを反転させる。さらに、制御処理では、スイッチング素子のオン／オフ間隔を調整して幅の異なるパルス波を作り、これらを合成して擬似的な正弦波を形成することが可能である。スイッチング素子と交流出力部２２０との間に位置するトランスおよび／またはコンデンサによって、この擬似的な正弦波を平滑化することができる。なお、リンギング抑制などを目的に、コンバータ部１００Ａとインバータ部１００Ｂとの間にキャパシタを接続してもよい。

【0027】

なお、本開示による電力変換装置は、直列に接続された２つのスイッチング素子を含むものであってもよい。本開示に係る電力変換装置は、上述のようにコンバータ部とインバータ部とを備えていてもよいが、これに限定されない。例えば、本開示に係る電力変換装置は、コンバータ部を備えるがインバータ部が省略されたものであってもよい。また、本開示に係る電力変換装置は、インバータ部を備えるがコンバータ部が省略されたものであってもよい。以下の各実施形態では、少なくとも２つのスイッチング素子を含むコンバータ部を備える昇圧コンバータを具体例とし、それぞれの電力変換装置の動作について説明する。

【0028】

（第１の実施形態）
図３Ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図３Ａの電力変換装置１０１は、例えば、昇圧コンバータである。入力信号線１１および入力信号線２１は、直流電源２１０に接続される。出力信号線７１および出力信号線７２は、出力負荷２３０に接続される。

【0029】

入力信号線１１はコイル５０の一端に接続される。コイル５０の他端は、直列に接続される２つのスイッチング素子（スイッチング素子１０およびスイッチング素子２０）の間の点Ｐに接続されている。スイッチング素子１０は、点Ｐに接続された側と反対側において出力信号線７１に接続されている。スイッチング素子２０は、点Ｐに接続された側と反対側で出力信号線７２に接続されている。すなわち、スイッチング素子１０は、第１電位側の出力信号線７１に接続される。スイッチング素子１０と直列に接続されたスイッチング素子２０は、第２電位側の出力信号線７２に接続されている。スイッチング素子１０とスイッチング素子２０とを含む直列回路に並列になるよう、コンデンサ６０が出力信号線７１および出力信号線７２に接続されている。

【0030】

以下では、スイッチング素子（例えば、スイッチング素子１０およびスイッチング素子２０）が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である場合を例に説明する。ただし、本開示による電力変換装置で使われるスイッチング素子の種類を限定するものではない。例えば、スイッチング素子は、その他の種類のトランジスタであってもよいし、サイリスタであってもよい。また、電界効果トランジスタの場合、スイッチング素子の制御電極はゲートとなる。なお、電界効果トランジスタ以外のスイッチング素子が使われる場合、ゲート以外の制御電極が使われてもよい。スイッチング素子の種類に応じてソースおよび／またはドレイン以外の電極が使われてもよい。

【0031】

スイッチング素子１０は、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または、ＳｉＣ基板から製造されたＳｉＣトランジスタ（ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴ）である。スイッチング素子１０は、駆動部１２の出力信号を入力としてスイッチング動作を行う。電力変換装置１０１では、駆動部１２とスイッチング素子１０との間に、スイッチング素子１０のゲートに接続された抵抗器１３が接続されている。

【0032】

スイッチング素子２０は、例えば、ＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴである。電力変換装置１０１において、スイッチング素子１０と同様の断面構造を有するスイッチング素子２０を使ってもよい。スイッチング素子２０は、駆動部２２の出力信号を入力としてスイッチング動作を行う。電力変換装置１０１では、駆動部２２とスイッチング素子２０との間に、スイッチング素子２０のゲートに接続された抵抗器２３が接続されている。これらの抵抗器はスイッチング素子の抵抗器と組み合わされ、駆動部が駆動するスイッチング素子のゲート抵抗を増加させる。

【0033】

電力変換装置１０１では、抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１、抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２、スイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１およびスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２がそれぞれ異なっていてもよい。この場合、スイッチング素子１０を動作させたときに生じるノイズのスペクトルとスイッチング素子２０を動作させたときに生じるノイズのスペクトルは相違する。このため、電力変換装置１０１全体で発生するノイズを抑制することができる。

【0034】

図３Ｂは、図３Ａの電力変換装置のシミュレーション条件を示す図である。図３Ｂにおいて、「上アーム」は駆動部１２からの信号によりスイッチング動作を行う回路の一部（スイッチング回路）に相当し、スイッチング素子１０を含む。「下アーム」は駆動部２２からの信号によりスイッチング動作を行う回路の一部に相当し、スイッチング素子２０を含む。

【0035】

テーブル中の条件Ｐ３１では、抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１と抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２とが等しく（１０Ω）、スイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１とスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２とが等しい（７Ω）。これに対し、テーブル中の条件Ｐ３２では、抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１が２５Ωであるのに対し、抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２は１０Ωであって、前者と後者は異なる。また、スイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１が１２Ωであるのに対し、スイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２は７Ωであって、前者と後者は異なっている。すなわち、テーブル中の条件Ｐ３２では、抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１、抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２、スイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１およびスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２がそれぞれ異なる。

【0036】

ここで、スイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１とスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２との比（ゲート抵抗比）は、１／５以上で１未満、または１より大きく５以下であってもよい。ゲート抵抗比を上述の範囲に設定することにより、電力変換装置１０１を動作させたときに発生するノイズを抑制することができる。図３Ｂに示された、条件Ｐ３２において、ゲート抵抗比は１．７（＝１２Ω／７Ω）となる。

【0037】

抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１およびスイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１の和と、抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２およびスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２の和との比（総ゲート抵抗比）が１／３以上で１未満、または１より大きく３以下であってもよい。総ゲート抵抗比を上述の範囲に設定することにより、電力変換装置１０１を動作させたときに発生するノイズを抑制することができる。図３Ｂに示された、条件Ｐ３２では、総ゲート抵抗比は２．２（＝３７Ω／１７Ω）となる。

【0038】

図３Ｂの「オン抵抗／（総ゲート抵抗＊総ゲート容量）」の列に示された数値は、スイッチング素子のＭＯＳＦＥＴオン抵抗の、ゲート抵抗の総和（＝ゲート抵抗＋抵抗器の抵抗）とゲート容量の総和（＝ゲート容量＋キャパシタの静電容量）との積に対する比であり、単位はμＦである。以下では、この値をスイッチングパラメータとよぶ。

【0039】

スイッチングパラメータは、駆動部が駆動するスイッチング素子のゲート抵抗の総和と、ゲート容量の総和と、スイッチング素子を構成するＭＯＳＦＥＴのオン抵抗との関係を示す。スイッチングパラメータに基づき、駆動部からみたスイッチング動作を行うアームの特性を評価することができる。具体的には、上アームと下アームとでスイッチングパラメータが異なる場合には、駆動部から出力された駆動信号に対する応答特性の違いにより、ノイズスペクトルも異なったものとなる。

【0040】

上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータを異なったものに設定し、電力変換装置１０１全体のノイズを抑制することができる。図３Ｂのテーブルの条件Ｐ３１では、上アームのスイッチングパラメータは、下アームのスイッチングパラメータと同じく１．２μＦである。これに対し、テーブルの条件Ｐ３２では、上アームおよび下アームのスイッチングパラメータは、それぞれ１．９μＦ、１．２μＦとなっている。

【0041】

図８は、第１の実施形態におけるシミュレーション結果の例を示したグラフである。グラフにおいて、横軸はノイズ周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸はノイズ信号強度（単位：ｄＢμＶ）である。抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１と抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２とが等しい条件Ｐ３１のノイズスペクトルは実線で示されている。一方、抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１と抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２とが異なっている条件Ｐ３２のノイズスペクトルは破線で示されている。

【0042】

図８を参照すると、周波数が４ＭＨｚを超えると、条件Ｐ３２の方が条件Ｐ３１と比べてノイズ信号強度が低下している。条件Ｐ３２では上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータとが異なるからである。

【0043】

なお、第１の実施形態に係る電力変換装置１０１は、以下のような構成をとってもよい。例えば、電力変換装置１０１は、直列に接続され、トランジスタ構造を有し相補的に動作する２つのスイッチング素子であるスイッチング素子１０およびスイッチング素子２０と、スイッチング素子１０のゲートに接続された抵抗器１３と、スイッチング素子２０のゲートに接続された抵抗器２３とを備え、下記の関係（１）を満たす。
｜（Ｒｇｉｎ１＋Ｒｇ１）－（Ｒｇｉｎ２＋Ｒｇ２）｜＞０Ω （１）

【0044】

スイッチング素子１０の総ゲート抵抗（抵抗器１３の抵抗Ｒｇｉｎ１とスイッチング素子１０のゲート抵抗Ｒｇ１との和）とスイッチング素子２０の総ゲート抵抗（抵抗器２３の抵抗Ｒｇｉｎ２とスイッチング素子２０のゲート抵抗Ｒｇ２との和）とが異なるため、スイッチング素子１０のノイズスペクトルと、スイッチング素子２０のノイズスペクトルとが相違する。これにより、電力変換装置１０１で発生するスイッチングノイズを低減させることができる。

【0045】

電力変換装置１０１において、下記の式（２）で示される指数Ｐｒ１が０．０５以上０．５以下であってもよい。
Ｐｒ１＝｜（Ｒｇｉｎ１＋Ｒｇ１）－（Ｒｇｉｎ２＋Ｒｇ２）｜／［（Ｒｇｉｎ１＋Ｒｇ１）＋（Ｒｇｉｎ２＋Ｒｇ２）］ （２）

【0046】

指数Ｐｒ１が０．０５以上に設定することにより、２つのスイッチング素子のノイズスペクトルの帯域をずらしやすくなり、スイッチングノイズを抑えることができる。指数Ｐｒ１を０．５以下に設定することにより、２つのスイッチング素子の相補的動作が容易となる。

【0047】

電力変換装置１０１は、上記の式（１）に加えて、下記の式（３）を満たしてもよい。また、電力変換装置１０１は、上記の式（１）および上記の式（２）に係る条件（０．０５≦Ｐｒ１≦０．５）の両方に加え、下記の（３）の関係を満たしてもよい。
０．８≦［Ｒｏｎ１×（Ｒｇｉｎ２＋Ｒｇ２）］／［Ｒｏｎ２×（Ｒｇｉｎ１＋Ｒｇ１）］≦１．２ （３）
ここで、Ｒｏｎ１はスイッチング素子１０のオン抵抗であり、Ｒｏｎ２はスイッチング素子２０のオン抵抗である。

【0048】

スイッチング素子１０におけるオン抵抗／総ゲート抵抗（＝Ｒｏｎ１／（Ｒｇｉｎ１＋Ｒｇ１））と、スイッチング素子２０におけるオン抵抗／総ゲート抵抗（＝Ｒｏｎ２／（Ｒｇｉｎ２＋Ｒｇ２））を近い値に設定すると、回路の動作が安定化する場合がある。なお、各実施形態で説明される関係式および条件は、例にしかすぎない。したがって、本開示に係る電力変換装置は、必ず説明されるすべての関係式および条件を満たさなくてもよい。例えば、性能要件または使用条件に応じて一部の関係式および／または条件を満たす電力変換装置を使ってもよい。

【0049】

（第２の実施形態）
図４Ａは、第２の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図４Ｂは、図４Ａの電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。図４Ａの電力変換装置１０２の構成は、スイッチング素子１０のゲートとソースとの間に接続されたキャパシタ１４およびスイッチング素子２０のゲートとソースとの間に接続されたキャパシタ２４が追加されている点を除けば、電力変換装置１０１と同様である。電力変換装置１０２は、例えば、昇圧コンバータである。

【0050】

電力変換装置１０２では、キャパシタ１４の静電容量Ｃｉｇｉｎ１、キャパシタ２４の静電容量Ｃｉｇｉｎ２、スイッチング素子１０のゲート容量Ｃｉｓｓ１およびスイッチング素子２０のゲート容量Ｃｉｓｓ２がそれぞれ異なる。したがって、スイッチング素子１０を動作させたときに生じるノイズスペクトルとスイッチング素子２０を動作させたときに生じるノイズスペクトルが異なったものになる。すなわち、電力変換装置１０２全体で発生するノイズを抑制することができる。

【0051】

スイッチング素子に接続されたキャパシタ（キャパシタ１４、キャパシタ２４）はスイッチング素子のゲート容量と組み合わされ、駆動部（駆動部１２、駆動部２２）により駆動されるスイッチング素子（スイッチング素子１０、スイッチング素子２０）のゲート容量の総和を大きくする。図４Ｂのテーブルの条件Ｐ４１では、上アームのスイッチングパラメータは、下アームのスイッチングパラメータと同じく０．８μＦである。一方、テーブルの条件Ｐ４２では、上アームおよび下アームのスイッチングパラメータは、それぞれ１．５μＦ、０．８μＦである。

【0052】

図９は、第２の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。図９のグラフにおいて、横軸はノイズ周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸はノイズ信号強度（単位：ｄＢμＶ）である。上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータとが等しい場合（例えば、条件Ｐ４１）におけるノイズスペクトルは実線で示されている。一方、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なる場合（例えば、条件Ｐ４２）におけるノイズスペクトルは破線で示されている。

【0053】

図９を参照すると、４ＭＨｚ程度以上の周波数（より顕著には、１０ＭＨｚ以上の周波数）において、条件Ｐ４１と比べ条件Ｐ４２ではノイズ信号強度が低下している。条件Ｐ４２では、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なるからである。

【0054】

（第３の実施形態）
図５Ａは、第３の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図５Ｂは、図５Ａの電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。図５Ａの電力変換装置１０３は、第２の実施形態に係る電力変換装置１０２と同様、昇圧コンバータであってもよい。電力変換装置１０３では、入力信号線１１および入力信号線２１が直流電源２１０に接続されている。また、出力信号線７１および出力信号線７２が出力負荷２３０に接続されている。電力変換装置１０２ではハーフブリッジ回路が使われていたのに対し、電力変換装置１０３ではフルブリッジ回路が使われている。

【0055】

入力信号線１１は、コイル５１の一端に接続される。一方、コイル５１の他端は、直列に接続される２つのスイッチング素子（スイッチング素子１０およびスイッチング素子２０）の間の点Ｐ１に接続されている。スイッチング素子１０は、点Ｐ１に接続された側と反対側で出力信号線７１に接続されている。一方、スイッチング素子２０は、点Ｐ１に接続された側と反対側で出力信号線７２に接続されている。

【0056】

入力信号線１１は、コイル５１と並列に接続されたコイル５２の一端に接続される。一方、コイル５２の他端は、直列に接続される２つのスイッチング素子（スイッチング素子３０およびスイッチング素子４０）の間の点Ｐ２に接続されている。スイッチング素子３０は、点Ｐ２に接続された側と反対側で出力信号線７１に接続されている。スイッチング素子４０は、点Ｐ２に接続された側と反対側で出力信号線７２に接続されている。

【0057】

すなわち、スイッチング素子３０は、第１電位側の出力信号線７１に接続され、スイッチング素子３０と直列に接続されたスイッチング素子４０は、第２電位側の出力信号線７２に接続されている。スイッチング素子３０とスイッチング素子４０とを含む直列回路は、スイッチング素子１０とスイッチング素子２０とを含む直列回路およびコンデンサ６０に対して並列に接続される。

【0058】

スイッチング素子３０のゲートには抵抗器３３が接続される。一方、スイッチング素子４０のゲートには抵抗器４３が接続される。抵抗器３３の抵抗Ｒｇｉｎ３、抵抗器４３の抵抗Ｒｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート抵抗Ｒｇ３およびスイッチング素子４０のゲート抵抗Ｒｇ４は、それぞれ異なっていてもよい。

【0059】

スイッチング素子３０のゲートとソースとの間にはキャパシタ３４が接続されている。一方、スイッチング素子４０のゲートとソースとの間にはキャパシタ４４が接続されている。キャパシタ３４の静電容量Ｃｉｇｉｎ３、キャパシタ４４の静電容量Ｃｉｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート容量Ｃｉｓｓ３およびスイッチング素子４０のゲート容量Ｃｉｓｓ４は、それぞれ異なっていてもよい。

【0060】

電力変換装置１０３では、スイッチング素子１０とスイッチング素子３０は、位相が半周期ずれて制御される。一方、スイッチング素子２０とスイッチング素子４０は、位相が半周期ずれて制御される。ここで、スイッチング素子１０およびスイッチング素子４０として同様の断面構造を有するスイッチング素子を使ってもよい。また、スイッチング素子２０およびスイッチング素子３０として同様の断面構造を有するスイッチング素子を使ってもよい。また、抵抗器１３の抵抗と抵抗器４３の抵抗は等しくてもよい。抵抗器２３の抵抗と抵抗器３３の抵抗は等しくてもよい。さらに、キャパシタ１４とキャパシタ４４とは抵抗が等しく、キャパシタ２４とキャパシタ３４とは静電容量が等しくてもよい。

【0061】

図５Ｂでは、「上アーム」は、スイッチング素子１０を含むスイッチング回路およびスイッチング素子１０と位相が半周期ずれて制御されるスイッチング素子３０を含むスイッチング回路に相当する。「下アーム」は、スイッチング素子２０を含むスイッチング回路およびスイッチング素子２０と位相が半周期ずれて制御されるスイッチング素子４０を含むスイッチング回路に相当する。

【0062】

図５Ｂに示されるように、条件Ｐ５１では、上アームのスイッチングパラメータは、下アームのスイッチングパラメータと同じく０．８μＦである。一方、条件Ｐ５２では、上アームおよび下アームのスイッチングパラメータは、それぞれ１．５μＦ、０．８μＦである。

【0063】

図１０は、第３の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。グラフにおいて、横軸はノイズ周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸はノイズ信号強度（単位：ｄＢμＶ）である。上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータとが等しい条件Ｐ５１のノイズスペクトルは実線で示されている。一方、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なる、条件Ｐ５２のノイズスペクトルは破線で示されている。

【0064】

図１０を参照すると、約２ＭＨｚ以下の周波数、および約１０ＭＨｚ以上の周波数において、条件Ｐ５２の方が条件Ｐ５１と比べてノイズ信号強度が低下している。条件Ｐ５２では、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なっているからである。

【0065】

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図７は、図６の電力変換装置のシミュレーション条件の例を示す図である。図６の電力変換装置１０４の回路構成は、上述の電力変換装置１０２の回路構成と同様となっている。ただし、電力変換装置１０４では、スイッチング素子１０の断面構造がスイッチング素子２０の断面構造と異なっている。例えば、スイッチング素子１０としてプレナーゲート型の断面構造を有する電界効果トランジスタを使い、スイッチング素子２０としてトレンチゲート型の断面構造を有する電界効果トランジスタを使うことができる。ただし、本開示に係る電力変換装置で使われるスイッチング素子の断面構造および動作原理を限定するものではない。

【0066】

スイッチング素子１０およびスイッチング素子２０のいずれも、ソースＳに接続される電極ＥＳとドレインＤに接続される電極ＥＤとの間に、ｐ型半導体ＳＰおよびｎ型半導体ＳＮを含む積層構造体が形成されている。プレナーゲート型の断面構造を有するスイッチング素子１０では、積層構造体におけるソースＳに接続される電極ＥＳが位置する側の面に、ドレインＧに接続される電極ＥＧが設けられている。トレンチゲート型の断面構造を有するスイッチング素子２０では、積層構造体におけるソースＳに接続される電極ＥＳが位置する側の面より積層構造体の内側に、ドレインＧに接続される電極ＥＧが設けられている。

【0067】

断面構造の異なるスイッチング素子が用いられているため、図７Ｂの条件Ｐ７２のように、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なっている。このため、それぞれのスイッチング素子の駆動信号に対する応答特性は異なったものとなる。このため、スイッチング素子１０のノイズスペクトルとスイッチング素子２０のノイズスペクトルは相違する。なお、表７Ｂの条件Ｐ７１は、スイッチング素子１０とスイッチング素子２０で断面構造が同様（トレンチゲート型）である場合（比較例とよぶ）におけるシミュレーション条件を示している。

【0068】

図１１は、第４の実施形態のシミュレーション結果の例を示すグラフである。グラフにおいて、横軸はノイズ周波数（単位：Ｈｚ）、縦軸はノイズ信号強度（単位：ｄＢμＶ）である。上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータとが等しい比較例（条件Ｐ７１）のノイズスペクトルは実線で示されている。一方、上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータとが異なる条件Ｐ７２の電力変換装置１０４のノイズスペクトルは破線で示されている。

【0069】

図１１を参照すると、約４ＭＨｚ以上の周波数（より顕著には１０ＭＨｚ以上の周波数）において、電力変換装置１０４の方が比較例と比べてノイズ信号強度が低下している。電力変換装置１０４において、上アームを構成するスイッチング素子の断面構造と下アームを構成するスイッチング素子の断面構造とが異なるからである。

【0070】

（第５の実施形態）
図１２は、第５の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図１２の電力変換装置１０５の構成は、抵抗器１３および抵抗器２３が省略されている点を除けば、上述の電力変換装置１０２と同様である。電力変換装置１０５は、例えば、昇圧コンバータである。電力変換装置１０５の構成においても、上アームのゲート容量の総和と下アームのゲート容量の総和とを異なる値にし、電力変換装置１０５のスイッチングノイズを低減させることが可能である。

【0071】

ここで、キャパシタ１４の静電容量Ｃｉｇｉｎ１、キャパシタ２４の静電容量Ｃｉｇｉｎ２、スイッチング素子１０のゲート容量Ｃｉｓｓ１およびスイッチング素子２０のゲート容量Ｃｉｓｓ２は、下記の（４）の関係を満たしていてもよい。
｜（Ｃｉｇｉｎ１＋Ｃｉｓｓ１）－（Ｃｉｇｉｎ２＋Ｃｉｓｓ２）｜＞０Ｆ （４）

【0072】

下記の式（５）は、指数Ｐｃ１の例を示している。指数Ｐｃ１の値が０．０１以上０．５以下となるように、キャパシタ１４の静電容量Ｃｉｇｉｎ１、キャパシタ２４の静電容量Ｃｉｇｉｎ２、スイッチング素子１０のゲート容量Ｃｉｓｓ１およびスイッチング素子２０のゲート容量Ｃｉｓｓ２を決めてもよい。
Ｐｃ１＝｜（Ｃｉｇｉｎ１＋Ｃｉｓｓ１）－（Ｃｉｇｉｎ２＋Ｃｉｓｓ２）｜／［（Ｃｉｇｉｎ１＋Ｃｉｓｓ１）＋（Ｃｉｇｉｎ２＋Ｃｉｓｓ２）］ （５）

【0073】

なお、電力変換装置１０２、１０３および１０４においても、上述の関係（４）が満たされていてもよい。また、電力変換装置１０２、１０３および１０４では、関係（４）と式（５）の両方が満たされていてもよい。

【0074】

電力変換装置１０２、１０３、１０４および１０５では、上アームのスイッチングパラメータが０．５μＦ以上２μＦ以下であってもよい。また、電力変換装置１０２、１０３、１０４および１０５では、下アームのスイッチングパラメータが０．５μＦ以上２μＦ以下であってもよい。ただし、上述のように、上アームのスイッチングパラメータと下アームのスイッチングパラメータは異なっていてもよい。

【0075】

電力変換装置１０３において、下記の（６）の関係を満たすよう、抵抗器３３の抵抗Ｒｇｉｎ３、抵抗器４３の抵抗Ｒｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート抵抗Ｒｇ３およびスイッチング素子４０のゲート抵抗Ｒｇ４を決めてもよい。
｜（Ｒｇｉｎ３＋Ｒｇ３）－（Ｒｇｉｎ４＋Ｒｇ４）｜＞０Ω （６）

【0076】

さらに、電力変換装置１０３において、下記式（７）で示される指数Ｐｒ２が０．０５以上０．５以下となるよう、抵抗器３３の抵抗Ｒｇｉｎ３、抵抗器４３の抵抗Ｒｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート抵抗Ｒｇ３およびスイッチング素子４０のゲート抵抗Ｒｇ４を決めてもよい。
Ｐｒ２＝｜（Ｒｇｉｎ３＋Ｒｇ３）－（Ｒｇｉｎ４＋Ｒｇ４）｜／［（Ｒｇｉｎ３＋Ｒｇ３）＋（Ｒｇｉｎ４＋Ｒｇ４）］ （７）

【0077】

電力変換装置１０３は、（６）の関係を満たし、なおかつ式（７）の指数Ｐｒ２が０．０５以上０．５以下である場合、さらに下記の（８）の関係を満たしていてもよい。これにより、電力変換装置１０３の安定的な動作を確保することができる。
０．８≦［Ｒｏｎ３×（Ｒｇｉｎ４＋Ｒｇ４）］／［Ｒｏｎ４×（Ｒｇｉｎ３＋Ｒｇ３）］≦１．２ （８）

【0078】

なお、電力変換装置１０３において、下記の式（９）が満たされるよう、キャパシタ３４の静電容量Ｃｉｇｉｎ３、キャパシタ４４の静電容量Ｃｉｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート容量Ｃｉｓｓ３およびスイッチング素子４０のゲート容量Ｃｉｓｓ４を決めてもよい。
｜（Ｃｉｇｉｎ３＋Ｃｉｓｓ３）－（Ｃｉｇｉｎ４＋Ｃｉｓｓ４）｜＞０Ｆ （９）

【0079】

また、電力変換装置１０３において、下記の式（１０）の指数Ｐｃ２が０．０１以上０．５以下となるよう、キャパシタ３４の静電容量Ｃｉｇｉｎ３、キャパシタ４４の静電容量Ｃｉｇｉｎ４、スイッチング素子３０のゲート容量Ｃｉｓｓ３およびスイッチング素子４０のゲート容量Ｃｉｓｓ４を決めてもよい。
Ｐｃ２＝｜（Ｃｉｇｉｎ３＋Ｃｉｓｓ３）－（Ｃｉｇｉｎ４＋Ｃｉｓｓ４）｜／［（Ｃｉｇｉｎ３＋Ｃｉｓｓ３）＋（Ｃｉｇｉｎ４＋Ｃｉｓｓ４）］ （１０）

【0080】

（第６の実施形態）
図１３は、第６の実施形態に係る電力変換装置の例を示す回路図である。図１３の電力変換装置１０６の構成は、抵抗器３３および抵抗器４３が省略されている点を除けば、上述の電力変換装置１０３と同様である。電力変換装置１０６は、上述の式（９）の関係を満たし、上述の式（１０）の指数Ｐｃ２が０．０１以上０．５以下であってもよい。

【0081】

電力変換装置１０６は、スイッチング素子３０を含む上アームのスイッチングパラメータが０．５μＦ以上２μＦ以下であってもよい。また、電力変換装置１０６では、スイッチング素子４０を含む下アームのスイッチングパラメータが０．５μＦ以上２μＦ以下であってもよい。電力変換装置１０６において、上アームと下アームでスイッチングパラメータが異なっていてもよい。

【0082】

なお、電力変換装置１０１～１０６において、上アームのスイッチングパラメータをＰ１、下アームのスイッチングパラメータをＰ２としたとき、下記の関係（１１）が満たされていてもよい。
１．１≦ＭＡＸ（Ｐ１，Ｐ２）／ＭＩＮ（Ｐ１，Ｐ２）≦２．５ （１１）
ここで、ＭＡＸ（Ｐ１，Ｐ２）は、引数であるＰ１およびＰ２のうち最大値を返す関数である。一方、ＭＩＮ（Ｐ１，Ｐ２）は、引数であるＰ１およびＰ２のうち最小値を返す関数である。

【0083】

関係（１１）を満たすことにより、動作への影響を抑えつつ、直列に接続される２つのスイッチング素子のノイズスペクトルの重なりを減らすことができる。このため、動作性能を維持しつつスイッチングノイズを低減させることができる。

【0084】

ここで説明した実施形態は、本開示の理解を容易にするために記載されたものであって、本開示を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本開示の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含むものとする。

【符号の説明】

【0085】

１０、２０、３０、４０ スイッチング素子
１１、２１ 入力信号線
１２、２２、３２、４２ 駆動部
１３、２３、３３、４３ 抵抗器
１４、２４、３４、４４ キャパシタ
５０、５１、５２ コイル
６０ コンデンサ
７１、７２ 出力信号線
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ 電力変換装置
１００Ａ コンバータ部
１００Ｂ インバータ部
２００ 電力変換システム
２１０ 直流電源
２２０ 交流出力部
２３０ 出力負荷
Ｄ ドレイン
ＥＳ、ＥＤ、ＥＧ 電極
Ｇ ゲート
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ 点
Ｓ ソース
ＳＮ ｎ型半導体
ＳＰ ｐ型半導体

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】