JP4168674B2

JP4168674B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4168674B2
Application number: JP2002164721A
Authority: JP
Inventors: 守鶴谷
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP2004015901A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノーマリオンタイプのスイッチング素子を用いた、高効率な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源等の電力変換装置には、通常、ノーマリオフタイプのＭＯＳＦＥＴ，ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）等のスイッチング素子が使用されている。このノーマリオフタイプのスイッチング素子は、電源がオフ時にオフ状態となるスイッチである。
【０００３】
従来のこの種の電力変換装置において、交流電源がオンされると、交流電源からの交流電圧が整流回路で整流され、得られた電圧により制御回路が起動し、制御回路が制御信号（正電圧信号）をノーマリオフタイプのスイッチング素子のゲートに供給する。このため、スイッチング素子がオンし、整流回路の一方の出力端からトランスの１次巻線を介してスイッチング素子に電流が流れて、スイッチング動作が開始される。
【０００４】
一方、ＳＩＴ（static induction transistor、静電誘導トランジスタ）等のノーマリオンタイプのスイッチング素子は、電源がオフ時にオン状態となるスイッチである。このノーマリオンタイプのスイッチング素子は、スイッチングスピードが速く、オン抵抗も低くスイッチング電源等の電力変換装置に使用した場合、理想的な素子であり、スイッチング損失を減少させ高効率が期待できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノーマリオンタイプのスイッチング素子にあっては、電源をオンすると、スイッチング素子がオン状態であるため、整流回路の一方の出力端からトランスの１次巻線を介してスイッチング素子に電流が流れて、スイッチング素子が短絡する。このため、ノーマリオンタイプのスイッチング素子を起動できず、特殊な用途以外には使用できない。
【０００６】
本発明の目的は、ノーマリオンタイプのスイッチング素子を使用した高効率な電力変換装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、交流電源に接続されて交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の一方の出力端にトランスの１次巻線を介して接続されたノーマリオンタイプの主スイッチと、この主スイッチをオンオフ制御する制御回路と、前記トランスの２次巻線に誘起する電圧を整流平滑して直流出力を取り出す整流平滑回路と、前記整流回路の一方の出力端と他方の出力端との間に接続され、入力平滑コンデンサと突入電流制限抵抗とが直列に接続された直列回路とを有し、前記制御回路は、前記交流電源がオンされたときに前記突入電流制限抵抗に発生した電圧により起動し、前記主スイッチの制御端子に逆バイアス電圧を出力して前記主スイッチをオフさせ、前記入力平滑コンデンサが充電された後、前記主スイッチをオンオフさせるスイッチング動作を開始させることを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、制御回路が、交流電源がオンされたときに突入電流制限抵抗に発生した電圧により起動し、主スイッチの制御端子に逆バイアス電圧を出力して主スイッチをオフさせ、入力平滑コンデンサが充電された後、主スイッチをオンオフさせるスイッチング動作を開始させるので、電源オン時における問題もなくなる。従って、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、前記トランスの３次巻線に発生する電圧を前記制御回路に供給する通常動作電源部を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明によれば、通常動作電源部が、トランスの３次巻線に発生する電圧を制御回路に供給するので、制御回路が動作を継続することができるから、主スイッチのスイッチング動作を継続して行うことができる。
【００１１】
請求項３の発明は、前記突入電流制限抵抗に並列に接続された半導体スイッチを有し、前記制御回路は、前記主スイッチのスイッチング動作を開始させた後、前記半導体スイッチをオンさせることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明によれば、制御回路は、主スイッチのスイッチング動作を開始させた後、半導体スイッチをオンさせるので、突入電流制限抵抗の両端が短絡される。このため、突入電流制限抵抗の損失を減ずることができる。
【００１３】
請求項４の発明は、前記突入電流制限抵抗に並列に接続された半導体スイッチと、前記トランスの３次巻線に発生する電圧を前記半導体スイッチの制御端子に供給して前記半導体スイッチをオンさせる制御素子とを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明によれば、制御素子は、トランスの３次巻線に発生する電圧を半導体スイッチの制御端子に供給して半導体スイッチをオンさせるので、突入電流制限抵抗の両端が短絡される。このため、突入電流制限抵抗の損失を減ずることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電力変換装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
以下に説明する第１及び第２の実施の形態に係る電力変換装置は、交流電源の交流電圧を整流し、得られた電圧を別の直流電圧に変換して出力するもので、ノーマリオンタイプのスイッチング素子を使用するために、電源オン時に、入力平滑コンデンサの突入電流を軽減する目的で挿入されている突入電流制限抵抗の電圧降下による電圧を、ノーマリオンタイプのスイッチング素子の逆バイアス電圧に使用し、電源オン時の問題をなくしたことを特徴とする。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は実施の形態に係る電力変換装置を示す回路構成図である。図１に示す電力変換装置は、交流電源Ｖａｃ１から入力される交流電圧を全波整流回路Ｂ１で整流して、得られた電圧を別の直流電圧に変換して出力するもので、全波整流回路Ｂ１の一方の出力端Ｐ１と他方の出力端Ｐ２との間には、入力平滑コンデンサＣ１と突入電流制限抵抗Ｒ１とからなる直列回路が接続されている。
【００１８】
全波整流回路Ｂ１の一方の出力端Ｐ１には、トランスＴの１次巻線５ａ（巻数ｎ１）を介してＳＩＴ等のノーマリオンタイプの主スイッチＱ１が接続され、主スイッチＱ１は、制御回路１１のＰＷＭ制御によりオン・オフする。トランスＴの２次巻線５ｂ（巻数ｎ２）にはダイオードＤ１及びコンデンサＣ４からなる整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路は、トランスＴの２次巻線５ｂに誘起された電圧（オンオフ制御されたパルス電圧）を整流平滑して直流出力を負荷ＲＬに出力する。
【００１９】
また、突入電流制限抵抗Ｒ１の両端にはスイッチＳ１が接続されている。このスイッチＳ１は、例えばノーマリオフタイプのＭＯＳＦＥＴ，ＢＪＴ（バイポーラ接合トランジスタ）等の半導体スイッチであり、制御回路１１からの短絡信号によりオン制御される。
【００２０】
突入電流制限抵抗Ｒ１の両端には、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ２とダイオードＤ２とからなる起動電源部１２が接続されている。この起動電源部１２は、突入電流制限抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧を取り出し、コンデンサＣ２の両端電圧を主スイッチＱ１のゲートへの逆バイアス電圧として使用するために、制御回路１１に出力する。また、入力平滑コンデンサＣ１に充電された充電電圧を制御回路１１に供給する。
【００２１】
制御回路１１は、交流電源Ｖａｃ１をオンしたときに、コンデンサＣ２から供給された電圧により起動し、制御信号として端子ｂから主スイッチＱ１のゲートに逆バイアス電圧を出力し、主スイッチＱ１をオフさせる。この制御信号は、例えば、−１５Ｖと０Ｖとのパルス信号からなり、−１５Ｖの電圧により主スイッチＱ１がオフし、０Ｖの電圧により主スイッチＱ１がオンする。
【００２２】
制御回路１１は、入力平滑コンデンサＣ１の充電が完了した後、端子ｂから制御信号として０Ｖと−１５Ｖとのパルス信号を主スイッチＱ１のゲートに出力し、主スイッチＱ１をスイッチング動作させる。制御回路１１は、主スイッチＱ１をスイッチング動作させた後、所定時間経過後にスイッチＳ１のゲートに短絡信号を出力し、スイッチＳ１をオンさせる。
【００２３】
また、トランスＴに設けられた３次巻線５ｃ（巻数ｎ３）の一端は、主スイッチＱ１の一端とコンデンサＣ３の一端と制御回路１１とに接続され、３次巻線５ｃの他端は、ダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ３のアノードはコンデンサＣ３の他端及び制御回路１１の端子ｃに接続されている。３次巻線５ｃとダイオードＤ３とコンデンサＣ３とは通常動作電源部１３を構成し、この通常動作電源部１３は、３次巻線５ｃで発生した電圧をダイオードＤ３及びコンデンサＣ３を介して制御回路１１に供給する。
【００２４】
次にこのように構成された第１の実施の形態に係る電力変換装置の動作を図１乃至図３を参照しながら説明する。
【００２５】
なお、図３において、Ｖａｃ１は、交流電源Ｖａｃ１の交流電圧を示し、入力電流は、交流電源Ｖａｃ１に流れる電流を示し、Ｒ１電圧は、突入電流制限抵抗Ｒ１に発生する電圧を示し、Ｃ１電圧は、入力平滑コンデンサＣ１の電圧を示し、Ｃ２電圧は、コンデンサＣ２の電圧を示し、出力電圧は、コンデンサＣ４の電圧を示し、制御信号は、制御回路１１の端子ｂから主スイッチＱ１のゲートへ出力される信号を示す。
【００２６】
まず、時刻ｔ_０において、交流電源Ｖａｃ１を印加（オン）すると、交流電源Ｖａｃ１の交流電圧は全波整流回路Ｂ１で全波整流される。このとき、ノーマリオンタイプの主スイッチＱ１は、オン状態であり、スイッチＳ１は、オフ状態である。このため、全波整流回路Ｂ１からの電圧は、入力平滑コンデンサＣ１を介して突入電流制限抵抗Ｒ１に全て印加される（図２中の▲１▼）。
【００２７】
この突入電流制限抵抗Ｒ１に発生した電圧は、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ２を介してコンデンサＣ２に蓄えられる（図２中の▲２▼）。ここで、コンデンサＣ２の端子ｆ側が例えば零電位となり、コンデンサＣ２の端子ｇ側が例えば負電位となる。このため、コンデンサＣ２の電圧は、図３に示すように、負電圧（逆バイアス電圧）となる。このコンデンサＣ２の負電圧が端子ａを介して制御回路１１に供給される。
【００２８】
そして、コンデンサＣ２の電圧が、主スイッチＱ１のスレッシホールド電圧ＴＨＬになった時点（図３の時刻ｔ_１）で、制御回路１１は、端子ｂから−１５Ｖの制御信号を主スイッチＱ１のゲートに出力する（図２中の▲３▼）。このため、主スイッチＱ１は、オフ状態となる。
【００２９】
すると、全波整流回路Ｂ１からの電圧により、入力平滑コンデンサＣ１は、充電されて（図２中の▲４▼）、入力平滑コンデンサＣ１の電圧が上昇していき、入力平滑コンデンサＣ１の充電が完了する。
【００３０】
次に、時刻ｔ_２において、制御回路１１は、スイッチング動作を開始させる。始めに、端子ｂから０Ｖの制御信号を主スイッチＱ１のゲートに出力する（図２中の▲５▼）。このため、主スイッチＱ１は、オン状態となるため、全波整流回路Ｂ１の一方の出力端Ｐ１からトランスＴの１次巻線５ａを介して主スイッチＱ１に電流が流れて（図２中の▲６▼）、トランスＴの１次巻線５ａにエネルギーが蓄えられる。
【００３１】
また、トランスＴの１次巻線５ａと電磁結合している３次巻線５ｃにも電圧が発生し、発生した電圧は、ダイオードＤ３及びコンデンサＣ３を介して制御回路１１に供給される（図２中の▲７▼）。このため、制御回路１１が動作を継続することができるので、主スイッチＱ１のスイッチング動作を継続して行うことができる。
【００３２】
次に、時刻ｔ_３において、端子ｂから−１５Ｖの制御信号を主スイッチＱ１のゲートに出力する。このため、時刻ｔ_３に主スイッチＱ１がオフして、１次巻線５ａに発生した逆起電力により、２次巻線５ｂからダイオードＤ１を介して負荷ＲＬ及びコンデンサＣ４に電流が流れて、負荷ＲＬに出力電圧が発生する。また、時刻時刻ｔ_３に制御回路１１から短絡信号をスイッチＳ１に出力すると、スイッチＳ１がオンして（図２中の▲８▼）、突入電流制限抵抗Ｒ１の両端が短絡される。このため、突入電流制限抵抗Ｒ１の損失を減ずることができる。
【００３３】
なお、時刻ｔ_３は、交流電源Ｖａｃ１をオンしたとき（時刻ｔ_０）からの経過時間として設定され、例えば入力平滑コンデンサＣ１と突入電流制限抵抗Ｒ１との時定数（τ＝Ｃ１・Ｒ１）の約５倍以上の時間に設定される。以後、主スイッチＱ１はオンオフによるスイッチング動作を繰り返す。
【００３４】
このように第１の実施の形態に係る電力変換装置によれば、制御回路１１は、交流電源Ｖａｃ１がオンされたときに突入電流制限抵抗Ｒ１に発生した電圧により主スイッチＱ１をオフさせ、入力平滑コンデンサＣ１が充電された後、主スイッチＱ１をオンオフさせるスイッチング動作を開始させるので、電源オン時における問題もなくなる。従って、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、損失の少ない、即ち、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に本発明に係る電力変換装置の第２の実施の形態を説明する。図４は第２の実施の形態に係る電力変換装置を示す回路構成図である。図４に示す第２の実施の形態に係る電力変換装置は、図１に示す第１の実施の形態に係る電力変換装置に対して、スイッチＳ１としてトライアックＴＲを用い、このトライアックＴＲのゲートを抵抗Ｒ３（本発明の制御素子に対応）を介して通常動作電源部１３のコンデンサＣ３の他端及びダイオードＤ３のアノードに接続した点が異なる。
【００３６】
即ち、トライアックＴＲが突入電流制限抵抗Ｒ１に並列に接続され、抵抗Ｒ３は、トランスＴの３次巻線５ｃに発生する電圧をトライアックＴＲのゲートに供給してトライアックＴＲをオンさせるようになっている。
【００３７】
なお、図４に示す電力変換装置のその他の構成は、図１に示す電力変換装置の構成と同一であり、図１に示す部分と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
このように構成された第２の実施の形態に係る電力変換装置によれば、主スイッチＱ１のスイッチング動作が開始した後（電力変換装置が動作したことに相当）には、トランスＴの３次巻線５ｃに電圧が発生する。そして、トランスＴの３次巻線５ｃに発生した電圧が、抵抗Ｒ３を介してトライアックＴＲのゲートに供給されるため、トライアックＴＲがオンするので、突入電流制限抵抗Ｒ１の両端が短絡される。このため、突入電流制限抵抗Ｒ１の損失を減ずることができる。
【００３９】
また、電力変換装置が何らかの理由（例えば過電圧状態）で停止し、瞬時にオフ状態となると、トランスＴの３次巻線５ｃに電圧が発生しなくなるため、ノーマリオンタイプの主スイッチＱ１のバイアス電圧が減少して、主スイッチＱ１がオン状態となる。この場合には、トランスＴの３次巻線５ｃから電圧が抵抗Ｒ３を介してトライアックＴＲに供給されず、トライアックＴＲがオフするため、突入電流制限抵抗Ｒ１に電圧が発生するから、バイアス電圧が復活して、主スイッチＱ１を再起動させることができる。
【００４０】
また、スイッチＳ１としてトライアックＴＲを用いているので、通常動作電源部１３からトライアックＴＲのゲートに正電圧が印加されても、あるいは、負電圧が印加されても、トライアックＴＲをオンさせることができるという利点を有している。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、高効率な電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る電力変換装置を示す回路構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電力変換装置の動作を説明するための図である。
【図３】第１の実施の形態に係る電力変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。
【図４】第２の実施の形態に係る電力変換装置を示す回路構成図である。
【符号の説明】
Ｖａｃ１交流電源
Ｂ１全波整流回路
Ｑ１主スイッチ（ノーマリオンタイプ）
Ｓ１スイッチ（ノーマリオフタイプ）
Ｒ１突入電流制限抵抗
Ｒ２，Ｒ３抵抗
ＲＬ負荷
Ｃ１入力平滑コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４コンデンサ
Ｔトランス
５ａ１次巻線
５ｂ２次巻線
５ｃ３次巻線
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ダイオード
ＴＲトライアック
１１制御回路
１２起動電源部
１３通常動作電源部

Claims

交流電源に接続されて交流電圧を整流する整流回路と、
この整流回路の一方の出力端にトランスの１次巻線を介して接続されたノーマリオンタイプの主スイッチと、
この主スイッチをオンオフ制御する制御回路と、
前記トランスの２次巻線に誘起する電圧を整流平滑して直流出力を取り出す整流平滑回路と、
前記整流回路の一方の出力端と他方の出力端との間に接続され、入力平滑コンデンサと突入電流制限抵抗とが直列に接続された直列回路とを有し、
前記制御回路は、前記交流電源がオンされたときに前記突入電流制限抵抗に発生した電圧により起動し、前記主スイッチの制御端子に逆バイアス電圧を出力して前記主スイッチをオフさせ、前記入力平滑コンデンサが充電された後、前記主スイッチをオンオフさせるスイッチング動作を開始させることを特徴とする電力変換装置。
前記トランスの３次巻線に発生する電圧を前記制御回路に供給する通常動作電源部を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記突入電流制限抵抗に並列に接続された半導体スイッチを有し、
前記制御回路は、前記主スイッチのスイッチング動作を開始させた後、前記半導体スイッチをオンさせることを特徴とする請求項１又は２記載の電力変換装置。
前記突入電流制限抵抗に並列に接続された半導体スイッチと、
前記トランスの３次巻線に発生する電圧を前記半導体スイッチの制御端子に供給して前記半導体スイッチをオンさせる制御素子と、
を有することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。