共振型双方向コンバータ回路
【課題】共振型双方向コンバータ回路において、一次側駆動回路及び二次側駆動回路のいずれを駆動する場合であっても、共振周期（共振周波数）を一致させる。
【解決手段】トランス５の一次側巻き線Ｎ１側に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路３と、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、一次側駆動回路３が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路４と、一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタ１１及び１２のインダクタンス値を可変とする共振周期整合回路１０を備える。
【解決手段】トランス５の一次側巻き線Ｎ１側に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路３と、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、一次側駆動回路３が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路４と、一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタ１１及び１２のインダクタンス値を可変とする共振周期整合回路１０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば二次電池の充放電用双方向コンバータ回路、特に共振型双方向コンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、太陽光発電や家庭用燃料電池などを利用する場合、バックアップ用に二次電池が用いられる。二次電池には充放電を行うための双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が接続されている。一般的に、太陽電池などの電源電圧の方が二次電池に電圧よりも高くなるように設定されており、双方向コンバータ回路は、二次電池を充電するときは、電源電圧を二次電池の電圧よりも若干高い程度の電圧に降圧する。また、二次電池から放電するときは、二次電池の電圧を電源電圧に昇圧する。
【０００３】
図９は、非共振型の双方向コンバータ回路（特許文献１参照）の基本的な構成を示す。双方向コンバータ回路５０は、トランス５２を挟んでほぼ対称な構成を有しており、一次巻き線Ｎ５１及び二次巻き線Ｎ５２には、それぞれ一次側駆動回路５３及び二次側駆動回路５４が接続されている。一次側駆動回路５３及び二次側駆動回路５４は、それぞれ４つのＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４及びＱ５５〜Ｑ５８で構成されたフルブリッジ回路である。二次電池５１から負荷５７に電力を放電する場合、一次側駆動回路５３はスイッチング回路として機能し、二次側駆動回路５４は整流回路として機能する。一方、他の電源５７から二次電池５１に電力を充電する場合は、一次側駆動回路５３は整流回路として機能し、二次側駆動回路５４はスイッチング回路として機能する。ところで、ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを有しているので、二次電池５１から放電させる場合は、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１とＱ５４の組及びＱ５２とＱ５３の組を交互にオン及びオフさせる。その際、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８はオフされ、スイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８の寄生ダイオードが整流用ダイオードブリッジを構成する。二次電池５１を充電する場合は、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５とＱ５８の組及びＱ５６とＱ５７の組を交互にオン及びオフさせ、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４をオフさせる。
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴは、上記寄生ダイオードの他に寄生容量も有している。そのため、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子がオフされているときに寄生容量に電荷が蓄積される。そして、スイッチ素子がオンされると、この電荷がスイッチ素子に流れ、ノイズの原因となったり、スイッチ素子による損失となったりする。そこで、図１０に示すように、スイッチ素子によるブリッジ回路５３（又は５４）とトランス５２の一次巻き線Ｎ５１（又は二次巻き線Ｎ５２）の間にインダクタＬ５１を接続した共振型双方向コンバータ回路も提案されている（特許文献２参照）。共振型双方向コンバータ回路では、スイッチ素子の寄生容量とインダクタによって共振回路が形成され、スイッチ素子がオフされているときに寄生容量に蓄積された電荷によって振動電流が発生される。この振動電流がゼロクロスするタイミングでスイッチ素子をオンすれば、スイッチ素子のオン時の瞬時電流を低減することができる。
【０００５】
ところが、インダクタＬ５１を、例えば図１０に示すようにトランス５２の一次側に接続すると、コンバータ回路５０の回路構成における対称性が崩れ、一次側から見たインダクタンス値と二次側から見たインダクタンス値が異なる。一次側から見たインダクタンス値をＬ１、トランス５２の一次側巻き線Ｎ５１と二次側巻き線Ｎ５２の比をＮとすると、二次側から見たインダクタンス値Ｌ２＝Ｌ１／Ｎ２となる。一次側駆動回路５３のＭＯＳＦＥＴＱ５１〜Ｑ５４をオン／オフ駆動する際の共振周期Ｔ１＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８をオン／オフ駆動する際の共振周期Ｔ２＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２／Ｎとなる。
【０００６】
すなわち、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４をオン／オフ駆動する場合と二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８をオン／オフ駆動する場合とで共振周期が異なる。そのため、一次側駆動回路５３と二次側駆動回路５４のいずれか一方を駆動する際、スイッチ素子の寄生容量による瞬時電流が発生し、ノイズが発生したり、スイッチ素子による損失が発生したりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１５６４４８号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、一次側駆動回路及び二次側駆動回路のいずれを駆動する場合であっても、共振周期（共振周波数）を一致させることが可能な共振型双方向コンバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、発明の一態様に係る共振型双方向コンバータ回路は、トランスと、前記トランスの一次巻き線及び二次巻き線にそれぞれ接続された一次側駆動回路及び二次側駆動回路を備え、前記一次側駆動回路を駆動させたときの共振周期と前記二次側駆動回路を駆動させたときの共振周期がほぼ一致するように、インダクタンス値又は静電容量値を可変としたことを特徴とする。
【００１０】
また、発明の他の一態様に係る共振型双方向コンバータ回路は、トランスと、前記トランスの一次側巻き線との間に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路と、前記トランスの二次側巻き線側に接続され、前記一次側駆動回路が発振回路として機能しているとき整流回路として機能し、前記一次側駆動回路が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路と、前記一次側駆動回路又は前記二次側駆動回路のいずれかに設けられ、その一次側駆動回路又は二次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とする共振周期整合回路を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、前記第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子を有することが好ましい。
【００１２】
または、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ、第２インダクタ及びコンデンサと、前記第２インダクタ及び前記コンデンサの直列回路に並列接続された第２スイッチ素子を有することが好ましい。
【００１３】
さらに、前記第２スイッチ素子は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有するスイッチ素子であることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記第２スイッチ素子は双方向スイッチであることが好ましい。
【００１６】
または、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数のスイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記複数の第１スイッチ素子にそれぞれ並列接続されたコンデンサ及び第３スイッチ素子の直列回路を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、インダクタンス値及び又は静電容量値を可変としたので、トランスの一次側から見たインダクタンス値又は静電容量値と二次側から見たインダクタンス値又は静電容量値を一致させることができる。その結果、一次側駆動回路及び二次側駆動回路のいずれを駆動する場合であっても、共振周期（共振周波数）を一致させることができ、駆動回路の寄生容量による瞬時電流の発生やノイズの発生を低減し、駆動回路による損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の構成を示す図。
【図２】双方向スイッチ素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。
【図３】図２における範囲Ａの拡大図。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面図。
【図５】双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。
【図６】図５におけるＣ−Ｃ断面図。
【図７】上記一実施形態に係る振型双方向コンバータ回路の変形例を示す図。
【図８】上記一実施形態に係る振型双方向コンバータ回路の他の変形例を示す図。
【図９】従来の非共振型双方向コンバータ回路の構成を示す図。
【図１０】従来の共振型双方向コンバータ回路の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）について説明する。図１は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の構成を示す図である。共振型双方向コンバータ回路１は、トランス５を挟んで非対称な構成であり、一次巻き線Ｎ１及び二次巻き線Ｎ２には、それぞれ一次側駆動回路３及び二次側駆動回路４が接続されている。また、一次側駆動回路３及び二次側駆動回路４は、上記従来例と同様に、それぞれ４つのＭＯＳＦＥＴなどの第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４及びＱ５〜Ｑ８で構成されたフルブリッジ回路である。
【００２０】
一次側駆動回路３の入出力端子である第１端子３１，３２は、例えば二次電池２に接続されている。一方、二次側駆動回路４の入出力端子である第２端子４１，４２は、負荷８又は例えば太陽電池などの他の電源９に接続される。あるいは、第２端子４１，４２は、配電盤などに接続されていてもよい。ここでは、第２端子４１，４２は、負荷８と他の電源９の両方に接続され、負荷８と他の電源９のいずれかを選択して接続する切換装置７に接続されているものとして説明する。
【００２１】
一次側駆動回路３は、第１端子３１，３２とトランス５の一次側巻き線Ｎ１との間に接続されたスイッチング回路及び整流回路として機能する。同様に、二次側駆動回路４は、第２端子４１，４２とトランス５の二次側巻き線Ｎ２との間に接続され、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、一次側駆動回路３が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する。さらに、図１に示す構成例では、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４で構成されたブリッジ回路の一端と、トランス５の一次巻き線Ｎ１の一端との間に、共振周期整合回路１０が接続されている。共振周期整合回路１０は、直列接続された第１インダクタ（コイル）１１及び第２インダクタ１２と、第２インダクタ１２に並列接続された第２スイッチ素子１３を有している。
【００２２】
さらに、共振周期整合回路１０は、一次側駆動回路３に流れる電流の向きから第１駆動回路３が発振回路として機能しているかあるいは整流回路として機能しているかを検出する電流検出回路２０を有している。電流検出回路２０は、一次巻き線が一次側駆動回路３に直列に接続された第２トランス２１と、特定の方向にだけ第２トランス２１の二次巻き線に電流を流すためのダイオード２２を備えている。ダイオード２２の向きは、第１駆動回路３が発振回路として機能しているときだけ、第２スイッチ素子１３のゲートに駆動信号が入力されるように設定されている。
【００２３】
制御回路３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどで構成され、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８及び第２スイッチ素子１３のゲート信号を制御し、これらのスイッチ素子のオンの及びオフを制御する。なお、制御回路３０と各スイッチ素子のゲートの結線は省略している。
【００２４】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合、すなわち、二次電池２から負荷８に電力を供給する場合、制御回路３０は第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオン及びオフさせる。トランス５の一次巻き線Ｎ１には交流電流が流れるので、トランス５の二次巻き線Ｎ２にも交流電流が流れる。そのとき、制御回路３０は、二次側駆動回路４の第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８をオフしており、第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の寄生ダイオードが整流回路を構成する。その結果、負荷８に直流電力が供給される。
【００２５】
第２トランス２１の一次巻き線には交流電流が流れ、それによって第２トランス２１の二次巻き線にもダイオード２２の順方向に交流電流が流れ、この交流電流による電圧が第２スイッチ素子１３のゲートに入力される。第２スイッチ素子１３がオンすると、第２インダクタ１２には電流が流れない。すなわち、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているときは、トランス５の一次巻き線の一端と一次側駆動回路３のブリッジ回路の一端との間には、第１インダクタ１１のみが接続されている場合と等価になる。
【００２６】
一方、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、すなわち、他の電源９から二次電池２に電力を充電する場合、制御回路３０は二次側駆動回路４の第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８をオン及びオフさせる。トランス５の二次巻き線Ｎ２には交流電流が流れるので、トランス５の一次巻き線Ｎ１にも交流電流が流れる。そのとき、制御回路３０は、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオフしており、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の寄生ダイオードが整流回路を構成する。その結果、二次電池２に直流電力が充電される。
【００２７】
第２トランス２１の一次巻き線には交流電流が流れるが、第２トランス２１の二次巻き線に流れようとする電流の向きがダイオード２２の順方向とは逆向きであるので、第２スイッチ素子１３のゲートには電圧が入力されない。すなわち、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、第２スイッチ素子１３はオンしない。そのため、トランス５の一次巻き線の一端と一次側駆動回路３のブリッジ回路の一端との間に、第１インダクタ１１と第２インダクタ１２の直列回路が接続されている場合と等価になる。
【００２８】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合の共振周期をＴＰ、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合（又は二次側駆動回路４を発振回路として機能させる場合）の共振周期をＴＳとする。また、第１インダクタ１１と第２インダクタ１２のインダクタンス値をそれぞれＬ１及びＬ２とする。又、各第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８の寄生容量をＣとする。共振周期ＴＰ及び共振周期ＴＳはそれぞれ以下の式で表される。
ＴＰ＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２、
ＴＳ＝２π（（Ｌ１＋Ｌ２）×２Ｃ）１／２／Ｎ
【００２９】
ここで、ＴＰ＝ＴＳとするには、Ｌ２＝（Ｎ２−１）・Ｌ１となるように、第１インダクタ１１及び第２インダクタ１２のインダクタンス値Ｌ１及びＬ２を設定すればよい。
【００３０】
第２インダクタ１２に並列接続されている第２スイッチ素子１３は、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８と異なり、寄生ダイオードや寄生容量を有しないことが好ましい。図２〜４は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチスイッチ素子の一例として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００を示す。図２は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図３は範囲Ａの拡大図、図４はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているので、シングルゲート型と呼ばれている。ＦＥＴは、ダイオード構造を有しているため、ゲート電圧にかかわらず、ダイオードの順方向に電圧がかかると電流が流れる性質を有している。それに比べて、この双方向スイッチ素子はダイオード構造を有していないため、ゲートに駆動信号が入力されていないときは、電流は流れず、ダイオード構造による損失もない。また、この双方向スイッチ素子は寄生容量も有していないため、電荷も蓄積されない。
【００３１】
図４に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図２に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
【００３２】
次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図２に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００３３】
そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
【００３４】
図５及び６は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図５は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図６はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。
【００３５】
図５及び６に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００３６】
図７は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の変形例を示す。図１に示す構成例では、第２インダクタ１２と第２スイッチ素子１３が並列に接続され、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じてインダクタンス値のみが可変となるように構成されていた。それに対して、この変形例では、第１インダクタ１１、第２インダクタ１２及びコンデンサ１４が直列接続され、第２インダクタ１２及びコンデンサ１４の直列回路に第２スイッチ素子１３が並列接続されている。このような構成によれば、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じてインダクタンス値と静電容量値の両方を可変とすることができる。
【００３７】
図８は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の他の変形例を示す。この変形例では、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４によるブリッジ回路の一端とトランス５の一次巻き線Ｎ１の一端との間に接続されたインダクタ１５のインダクタンス値は一定である。一方、一次側駆動回路３の各第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４には、それぞれ第３スイッチ素子１６とコンデンサ１７の直列回路が並列に接続されている。なお、図８の回路図を見やすくするため、第１スイッチ素子Ｑ２に接続された第３スイッチ素子１６のみを具体的に描いており、その他の第１スイッチ素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ４に接続された第３スイッチ素子１６は、略して描いている。
【００３８】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合、第２トランス２１の一次巻き線に交流電流が流れ、それによって第３スイッチ素子１６がオンする。それによって、コンデンサ１７が第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４にそれぞれ並列接続され、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の静電容量値が変化（増加）する。一方、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の静電容量値は寄生容量値のまま変化しない。その結果、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、静電容量値を可変とすることができる。なお、第３スイッチ素子は特に限定させず、上記図２〜６に示したような寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であってもよいし、ＭＯＳＦＥＴのような寄生ダイオード及び寄生容量を有するものであってもよい。
【００３９】
なお、上記説明において、便宜上二次電池（電源）２に接続されている側を一次側、負荷８又は他の電源９に接続されている側を二次側としたが、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、一次側及び二次側が逆転していてもよい。すなわち、共振周期整合回路１０は、一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４のいずれかに設けられていればよい。さらに、共振周期整合回路１０は、その一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とするように構成されていればよい。
【００４０】
また、本発明は上記実施形態の記載に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、共振周期整合回路は、図１に示す直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子と、図８に示す第１スイッチ素子に並列接続された第３スイッチ素子とコンデンサの直列回路の両方を備えていてもよい。
【００４１】
さらに、上記実施形態では、一次側駆動回路及び二次側駆動回路として、それぞれ４つの第１スイッチ素子からなるフルブリッジ回路を例示したが、２つの第１スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路であってもよい。さらに、第１スイッチ素子は、ＭＰＯＳＦＥＴなどの寄生ダイオード及び寄生容量を有するスイッチ素子に限定されず、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子とダイオードを組み合わせたものであってもよい。さらに、第２スイッチ素子は、図２〜６に示すような双方向スイッチに限定されず、例えば２つの一方向スイッチ素子を組み合わせて使用してもよい。LLC型の共振回路であっても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１ 共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
２ 二次電池
３ 一次側駆動回路
４ 二次側駆動回路
５ トランス
７ 切換装置
８ 負荷
９ 他の電源
１０ 共振周期整合回路
１１ 第１インダクタ
１２ 第２インダクタ
１３ 第２スイッチ素子
１４ コンデンサ
１５ インダクタ
１６ 第３スイッチ素子
１７ コンデンサ
２０ 電流検出回路
２１ 第２トランス
２２ ダイオード
３０ 制御回路
３１，３２ 第１端子
４１，４２ 第２端子
１００，３００ 双方向スイッチ素子
Ｑ１〜Ｑ８ 第１スイッチ素子
Ｎ１ 一次巻き線
Ｎ２ 二次巻き線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば二次電池の充放電用双方向コンバータ回路、特に共振型双方向コンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、太陽光発電や家庭用燃料電池などを利用する場合、バックアップ用に二次電池が用いられる。二次電池には充放電を行うための双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が接続されている。一般的に、太陽電池などの電源電圧の方が二次電池に電圧よりも高くなるように設定されており、双方向コンバータ回路は、二次電池を充電するときは、電源電圧を二次電池の電圧よりも若干高い程度の電圧に降圧する。また、二次電池から放電するときは、二次電池の電圧を電源電圧に昇圧する。
【０００３】
図９は、非共振型の双方向コンバータ回路（特許文献１参照）の基本的な構成を示す。双方向コンバータ回路５０は、トランス５２を挟んでほぼ対称な構成を有しており、一次巻き線Ｎ５１及び二次巻き線Ｎ５２には、それぞれ一次側駆動回路５３及び二次側駆動回路５４が接続されている。一次側駆動回路５３及び二次側駆動回路５４は、それぞれ４つのＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４及びＱ５５〜Ｑ５８で構成されたフルブリッジ回路である。二次電池５１から負荷５７に電力を放電する場合、一次側駆動回路５３はスイッチング回路として機能し、二次側駆動回路５４は整流回路として機能する。一方、他の電源５７から二次電池５１に電力を充電する場合は、一次側駆動回路５３は整流回路として機能し、二次側駆動回路５４はスイッチング回路として機能する。ところで、ＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを有しているので、二次電池５１から放電させる場合は、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１とＱ５４の組及びＱ５２とＱ５３の組を交互にオン及びオフさせる。その際、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８はオフされ、スイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８の寄生ダイオードが整流用ダイオードブリッジを構成する。二次電池５１を充電する場合は、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５とＱ５８の組及びＱ５６とＱ５７の組を交互にオン及びオフさせ、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４をオフさせる。
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴは、上記寄生ダイオードの他に寄生容量も有している。そのため、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子がオフされているときに寄生容量に電荷が蓄積される。そして、スイッチ素子がオンされると、この電荷がスイッチ素子に流れ、ノイズの原因となったり、スイッチ素子による損失となったりする。そこで、図１０に示すように、スイッチ素子によるブリッジ回路５３（又は５４）とトランス５２の一次巻き線Ｎ５１（又は二次巻き線Ｎ５２）の間にインダクタＬ５１を接続した共振型双方向コンバータ回路も提案されている（特許文献２参照）。共振型双方向コンバータ回路では、スイッチ素子の寄生容量とインダクタによって共振回路が形成され、スイッチ素子がオフされているときに寄生容量に蓄積された電荷によって振動電流が発生される。この振動電流がゼロクロスするタイミングでスイッチ素子をオンすれば、スイッチ素子のオン時の瞬時電流を低減することができる。
【０００５】
ところが、インダクタＬ５１を、例えば図１０に示すようにトランス５２の一次側に接続すると、コンバータ回路５０の回路構成における対称性が崩れ、一次側から見たインダクタンス値と二次側から見たインダクタンス値が異なる。一次側から見たインダクタンス値をＬ１、トランス５２の一次側巻き線Ｎ５１と二次側巻き線Ｎ５２の比をＮとすると、二次側から見たインダクタンス値Ｌ２＝Ｌ１／Ｎ２となる。一次側駆動回路５３のＭＯＳＦＥＴＱ５１〜Ｑ５４をオン／オフ駆動する際の共振周期Ｔ１＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２、二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８をオン／オフ駆動する際の共振周期Ｔ２＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２／Ｎとなる。
【０００６】
すなわち、一次側駆動回路５３のスイッチ素子Ｑ５１〜Ｑ５４をオン／オフ駆動する場合と二次側駆動回路５４のスイッチ素子Ｑ５５〜Ｑ５８をオン／オフ駆動する場合とで共振周期が異なる。そのため、一次側駆動回路５３と二次側駆動回路５４のいずれか一方を駆動する際、スイッチ素子の寄生容量による瞬時電流が発生し、ノイズが発生したり、スイッチ素子による損失が発生したりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１５６４４８号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、一次側駆動回路及び二次側駆動回路のいずれを駆動する場合であっても、共振周期（共振周波数）を一致させることが可能な共振型双方向コンバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、発明の一態様に係る共振型双方向コンバータ回路は、トランスと、前記トランスの一次巻き線及び二次巻き線にそれぞれ接続された一次側駆動回路及び二次側駆動回路を備え、前記一次側駆動回路を駆動させたときの共振周期と前記二次側駆動回路を駆動させたときの共振周期がほぼ一致するように、インダクタンス値又は静電容量値を可変としたことを特徴とする。
【００１０】
また、発明の他の一態様に係る共振型双方向コンバータ回路は、トランスと、前記トランスの一次側巻き線との間に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路と、前記トランスの二次側巻き線側に接続され、前記一次側駆動回路が発振回路として機能しているとき整流回路として機能し、前記一次側駆動回路が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路と、前記一次側駆動回路又は前記二次側駆動回路のいずれかに設けられ、その一次側駆動回路又は二次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とする共振周期整合回路を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成において、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、前記第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子を有することが好ましい。
【００１２】
または、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ、第２インダクタ及びコンデンサと、前記第２インダクタ及び前記コンデンサの直列回路に並列接続された第２スイッチ素子を有することが好ましい。
【００１３】
さらに、前記第２スイッチ素子は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有するスイッチ素子であることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記第２スイッチ素子は双方向スイッチであることが好ましい。
【００１６】
または、前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数のスイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、前記共振周期整合回路は、前記複数の第１スイッチ素子にそれぞれ並列接続されたコンデンサ及び第３スイッチ素子の直列回路を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、インダクタンス値及び又は静電容量値を可変としたので、トランスの一次側から見たインダクタンス値又は静電容量値と二次側から見たインダクタンス値又は静電容量値を一致させることができる。その結果、一次側駆動回路及び二次側駆動回路のいずれを駆動する場合であっても、共振周期（共振周波数）を一致させることができ、駆動回路の寄生容量による瞬時電流の発生やノイズの発生を低減し、駆動回路による損失を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の構成を示す図。
【図２】双方向スイッチ素子（シングルゲート）の構成を示す平面図。
【図３】図２における範囲Ａの拡大図。
【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面図。
【図５】双方向スイッチ素子（デュアルゲート）の構成を示す平面図。
【図６】図５におけるＣ−Ｃ断面図。
【図７】上記一実施形態に係る振型双方向コンバータ回路の変形例を示す図。
【図８】上記一実施形態に係る振型双方向コンバータ回路の他の変形例を示す図。
【図９】従来の非共振型双方向コンバータ回路の構成を示す図。
【図１０】従来の共振型双方向コンバータ回路の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）について説明する。図１は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の構成を示す図である。共振型双方向コンバータ回路１は、トランス５を挟んで非対称な構成であり、一次巻き線Ｎ１及び二次巻き線Ｎ２には、それぞれ一次側駆動回路３及び二次側駆動回路４が接続されている。また、一次側駆動回路３及び二次側駆動回路４は、上記従来例と同様に、それぞれ４つのＭＯＳＦＥＴなどの第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４及びＱ５〜Ｑ８で構成されたフルブリッジ回路である。
【００２０】
一次側駆動回路３の入出力端子である第１端子３１，３２は、例えば二次電池２に接続されている。一方、二次側駆動回路４の入出力端子である第２端子４１，４２は、負荷８又は例えば太陽電池などの他の電源９に接続される。あるいは、第２端子４１，４２は、配電盤などに接続されていてもよい。ここでは、第２端子４１，４２は、負荷８と他の電源９の両方に接続され、負荷８と他の電源９のいずれかを選択して接続する切換装置７に接続されているものとして説明する。
【００２１】
一次側駆動回路３は、第１端子３１，３２とトランス５の一次側巻き線Ｎ１との間に接続されたスイッチング回路及び整流回路として機能する。同様に、二次側駆動回路４は、第２端子４１，４２とトランス５の二次側巻き線Ｎ２との間に接続され、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、一次側駆動回路３が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する。さらに、図１に示す構成例では、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４で構成されたブリッジ回路の一端と、トランス５の一次巻き線Ｎ１の一端との間に、共振周期整合回路１０が接続されている。共振周期整合回路１０は、直列接続された第１インダクタ（コイル）１１及び第２インダクタ１２と、第２インダクタ１２に並列接続された第２スイッチ素子１３を有している。
【００２２】
さらに、共振周期整合回路１０は、一次側駆動回路３に流れる電流の向きから第１駆動回路３が発振回路として機能しているかあるいは整流回路として機能しているかを検出する電流検出回路２０を有している。電流検出回路２０は、一次巻き線が一次側駆動回路３に直列に接続された第２トランス２１と、特定の方向にだけ第２トランス２１の二次巻き線に電流を流すためのダイオード２２を備えている。ダイオード２２の向きは、第１駆動回路３が発振回路として機能しているときだけ、第２スイッチ素子１３のゲートに駆動信号が入力されるように設定されている。
【００２３】
制御回路３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭなどで構成され、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８及び第２スイッチ素子１３のゲート信号を制御し、これらのスイッチ素子のオンの及びオフを制御する。なお、制御回路３０と各スイッチ素子のゲートの結線は省略している。
【００２４】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合、すなわち、二次電池２から負荷８に電力を供給する場合、制御回路３０は第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオン及びオフさせる。トランス５の一次巻き線Ｎ１には交流電流が流れるので、トランス５の二次巻き線Ｎ２にも交流電流が流れる。そのとき、制御回路３０は、二次側駆動回路４の第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８をオフしており、第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の寄生ダイオードが整流回路を構成する。その結果、負荷８に直流電力が供給される。
【００２５】
第２トランス２１の一次巻き線には交流電流が流れ、それによって第２トランス２１の二次巻き線にもダイオード２２の順方向に交流電流が流れ、この交流電流による電圧が第２スイッチ素子１３のゲートに入力される。第２スイッチ素子１３がオンすると、第２インダクタ１２には電流が流れない。すなわち、一次側駆動回路３がスイッチング回路として機能しているときは、トランス５の一次巻き線の一端と一次側駆動回路３のブリッジ回路の一端との間には、第１インダクタ１１のみが接続されている場合と等価になる。
【００２６】
一方、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、すなわち、他の電源９から二次電池２に電力を充電する場合、制御回路３０は二次側駆動回路４の第１スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８をオン及びオフさせる。トランス５の二次巻き線Ｎ２には交流電流が流れるので、トランス５の一次巻き線Ｎ１にも交流電流が流れる。そのとき、制御回路３０は、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４をオフしており、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の寄生ダイオードが整流回路を構成する。その結果、二次電池２に直流電力が充電される。
【００２７】
第２トランス２１の一次巻き線には交流電流が流れるが、第２トランス２１の二次巻き線に流れようとする電流の向きがダイオード２２の順方向とは逆向きであるので、第２スイッチ素子１３のゲートには電圧が入力されない。すなわち、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、第２スイッチ素子１３はオンしない。そのため、トランス５の一次巻き線の一端と一次側駆動回路３のブリッジ回路の一端との間に、第１インダクタ１１と第２インダクタ１２の直列回路が接続されている場合と等価になる。
【００２８】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合の共振周期をＴＰ、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合（又は二次側駆動回路４を発振回路として機能させる場合）の共振周期をＴＳとする。また、第１インダクタ１１と第２インダクタ１２のインダクタンス値をそれぞれＬ１及びＬ２とする。又、各第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８の寄生容量をＣとする。共振周期ＴＰ及び共振周期ＴＳはそれぞれ以下の式で表される。
ＴＰ＝２π（Ｌ１×２Ｃ）１／２、
ＴＳ＝２π（（Ｌ１＋Ｌ２）×２Ｃ）１／２／Ｎ
【００２９】
ここで、ＴＰ＝ＴＳとするには、Ｌ２＝（Ｎ２−１）・Ｌ１となるように、第１インダクタ１１及び第２インダクタ１２のインダクタンス値Ｌ１及びＬ２を設定すればよい。
【００３０】
第２インダクタ１２に並列接続されている第２スイッチ素子１３は、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８と異なり、寄生ダイオードや寄生容量を有しないことが好ましい。図２〜４は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチスイッチ素子の一例として、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する双方向スイッチ素子１００を示す。図２は双方向スイッチ素子１００の構成を示す平面図であり、図３は範囲Ａの拡大図、図４はＢ−Ｂ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子１００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間にゲートＧが１つだけ設けられているので、シングルゲート型と呼ばれている。ＦＥＴは、ダイオード構造を有しているため、ゲート電圧にかかわらず、ダイオードの順方向に電圧がかかると電流が流れる性質を有している。それに比べて、この双方向スイッチ素子はダイオード構造を有していないため、ゲートに駆動信号が入力されていないときは、電流は流れず、ダイオード構造による損失もない。また、この双方向スイッチ素子は寄生容量も有していないため、電荷も蓄積されない。
【００３１】
図４に示すように、双方向スイッチ素子１００の基板１０１は、導体層１０１ａと、導体層１０１ａの上に積層されたＧａＮ層２ｂ及びＡｌＧａＮ層１０１ｃで構成されている。この実施形態では、チャネル層としてＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層を利用している。図２に示すように、基板１０１の表面１０１ｄには、直流電源及び負荷に対してそれぞれ直列に接続された第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２と、第１電極Ｄ１の電位及び第２電極Ｄ２の電位に対して中間電位となる中間電位部Ｓが形成されている。さらに、中間電位部Ｓの上には、制御電極（ゲート）Ｇが積層形成されている。制御電極Ｇとして、例えばショットキ電極を用いる。第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２は、それぞれ互いに平行に配列された複数の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・を有する櫛歯状であり、櫛歯状に配列された電極部同士が互いに対向するように配置されている。中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、櫛歯状に配列された電極部１１１，１１２，１１３・・・及び１２１，１２２，１２３・・・の間にそれぞれ配置されており、電極部の間に形成される空間の平面形状に相似した形状（略魚背骨状）を有している。
【００３２】
次に、双方向スイッチ素子１００を構成する横型のトランジスタ構造について説明する。図２に示すように、第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１は、それらの幅方向における中心線が同一線上に位置するように配列されている。また、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、それぞれ第１電極Ｄ１の電極部１１１及び第２電極Ｄ２の電極部１２１の配列に対して平行に設けられている。上記幅方向における第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１と中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇの距離は、所定の耐電圧を維持しうる距離に設定されている。上記幅方向に直交する方向、すなわち第１電極Ｄ１の電極部１１１と第２電極Ｄ２の電極部１２１の長手方向においても同様である。また、これらの関係は、その他の電極部１１２及び１２２，１１３及び１２３・・・についても同様である。すなわち、中間電位部Ｓ及び制御電極Ｇは、第１電極Ｄ１及び第２電極Ｄ２に対して所定の耐電圧を維持しうる位置に配置されている。
【００３３】
そのため、第１電極Ｄ１が高電位側、第２電極Ｄ２が低電位側である場合、双方向スイッチ素子１００がオフのとき、少なくとも第１電極Ｄ１と、制御電極Ｇ及び中間電位部Ｓの間で、電流は確実に遮断される（制御電極（ゲート）Ｇの直下で電流が阻止される）。一方、双方向スイッチ素子１００がオンのとき、すなわち制御電極Ｇに所定の閾値以上の電圧の信号が印加されたときは、図中矢印で示すように、第１電極Ｄ１（電極部１１１・・・）、中間電位部Ｓ、第２電極Ｄ２（電極部１２１・・・）の経路で電流が流れる。逆の場合も同様である。その結果、制御電極Ｇに印加する信号の閾値電圧を必要最低限のレベルまで低下させても、双方向スイッチ素子１００を確実にオン／オフさせることができ、低オン抵抗を実現することができる。また、第１電極Ｄ１の電極部１１１，１１２，１１３・・・及び第２電極Ｄ２の電極部１２１，１２２，１２３・・・を櫛歯状に配列することができ、双方向スイッチ素子１００のチップサイズを大きくすることなく、大電流を取り出すことができる。
【００３４】
図５及び６は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有する他の双方向スイッチ素子３００の構成を示す。図５は双方向スイッチ素子３００の構成を示す平面図であり、図６はＣ−Ｃ断面図である。なお、この双方向スイッチ素子３００は、２つの電極Ｄ１及びＤ２間に２つのゲートＧ１及びＧ２が設けられているので、デュアルゲート型と呼ばれている。
【００３５】
図５及び６に示すように、横型のデュアルゲートトランジスタ構造の主スイッチ素子３００は、耐圧を維持する箇所を１箇所とした損失の少ない双方向素子を実現する構造である。すなわち、ドレイン電極Ｄ１及びＤ２はそれぞれＧａＮ層に達するように形成され、ゲート電極Ｇ１及びＧ２はそれぞれＡｌＧａＮ層の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されていない状態では、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の直下のＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に生じる２次元電子ガス層に電子の空白地帯が生じ、電流は流れない。一方、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２に電圧が印加されると、ドレイン電極Ｄ１からＤ２に向かって（又はその逆に）ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面に電流が流れる。ゲート電極Ｇ１とＧ２の間は、耐電圧を必要とし、一定の距離を設ける必要があるが、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１の間及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２の間は耐電圧を必要としない。そのため、ドレイン電極Ｄ１とゲート電極Ｇ１及びドレイン電極Ｄ２とゲート電極Ｇ２とが、絶縁層Ｉｎを介して重複していてもよい。なお、この構成の素子はドレイン電極Ｄ１，Ｄ２の電圧を基準として制御する必要があり、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２にそれぞれ駆動信号を入力する必要がある（そのため、デュアルゲートトランジスタ構造と呼ぶ）。
【００３６】
図７は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の変形例を示す。図１に示す構成例では、第２インダクタ１２と第２スイッチ素子１３が並列に接続され、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じてインダクタンス値のみが可変となるように構成されていた。それに対して、この変形例では、第１インダクタ１１、第２インダクタ１２及びコンデンサ１４が直列接続され、第２インダクタ１２及びコンデンサ１４の直列回路に第２スイッチ素子１３が並列接続されている。このような構成によれば、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じてインダクタンス値と静電容量値の両方を可変とすることができる。
【００３７】
図８は、本実施形態に係る共振型双方向コンバータ回路１の他の変形例を示す。この変形例では、一次側駆動回路３の第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４によるブリッジ回路の一端とトランス５の一次巻き線Ｎ１の一端との間に接続されたインダクタ１５のインダクタンス値は一定である。一方、一次側駆動回路３の各第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４には、それぞれ第３スイッチ素子１６とコンデンサ１７の直列回路が並列に接続されている。なお、図８の回路図を見やすくするため、第１スイッチ素子Ｑ２に接続された第３スイッチ素子１６のみを具体的に描いており、その他の第１スイッチ素子Ｑ１、Ｑ３及びＱ４に接続された第３スイッチ素子１６は、略して描いている。
【００３８】
一次側駆動回路３をスイッチング回路として機能させる場合、第２トランス２１の一次巻き線に交流電流が流れ、それによって第３スイッチ素子１６がオンする。それによって、コンデンサ１７が第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４にそれぞれ並列接続され、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の静電容量値が変化（増加）する。一方、一次側駆動回路３を整流回路として機能させる場合、第１スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の静電容量値は寄生容量値のまま変化しない。その結果、一次側駆動回路３が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、静電容量値を可変とすることができる。なお、第３スイッチ素子は特に限定させず、上記図２〜６に示したような寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であってもよいし、ＭＯＳＦＥＴのような寄生ダイオード及び寄生容量を有するものであってもよい。
【００３９】
なお、上記説明において、便宜上二次電池（電源）２に接続されている側を一次側、負荷８又は他の電源９に接続されている側を二次側としたが、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、一次側及び二次側が逆転していてもよい。すなわち、共振周期整合回路１０は、一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４のいずれかに設けられていればよい。さらに、共振周期整合回路１０は、その一次側駆動回路３又は二次側駆動回路４が発振回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とするように構成されていればよい。
【００４０】
また、本発明は上記実施形態の記載に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、共振周期整合回路は、図１に示す直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子と、図８に示す第１スイッチ素子に並列接続された第３スイッチ素子とコンデンサの直列回路の両方を備えていてもよい。
【００４１】
さらに、上記実施形態では、一次側駆動回路及び二次側駆動回路として、それぞれ４つの第１スイッチ素子からなるフルブリッジ回路を例示したが、２つの第１スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路であってもよい。さらに、第１スイッチ素子は、ＭＰＯＳＦＥＴなどの寄生ダイオード及び寄生容量を有するスイッチ素子に限定されず、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子とダイオードを組み合わせたものであってもよい。さらに、第２スイッチ素子は、図２〜６に示すような双方向スイッチに限定されず、例えば２つの一方向スイッチ素子を組み合わせて使用してもよい。LLC型の共振回路であっても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１ 共振型双方向コンバータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
２ 二次電池
３ 一次側駆動回路
４ 二次側駆動回路
５ トランス
７ 切換装置
８ 負荷
９ 他の電源
１０ 共振周期整合回路
１１ 第１インダクタ
１２ 第２インダクタ
１３ 第２スイッチ素子
１４ コンデンサ
１５ インダクタ
１６ 第３スイッチ素子
１７ コンデンサ
２０ 電流検出回路
２１ 第２トランス
２２ ダイオード
３０ 制御回路
３１，３２ 第１端子
４１，４２ 第２端子
１００，３００ 双方向スイッチ素子
Ｑ１〜Ｑ８ 第１スイッチ素子
Ｎ１ 一次巻き線
Ｎ２ 二次巻き線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスと、前記トランスの一次巻き線及び二次巻き線にそれぞれ接続された一次側駆動回路及び二次側駆動回路を備え、前記一次側駆動回路を駆動させたときの共振周期と前記二次側駆動回路を駆動させたときの共振周期がほぼ一致するように、インダクタンス値又は静電容量値を可変としたことを特徴とする共振型双方向コンバータ回路。
【請求項２】
トランスと、
前記トランスの一次側巻き線との間に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路と、
前記トランスの二次側巻き線側に接続され、前記一次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、前記一次側駆動回路が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路と、
前記一次側駆動回路又は前記二次側駆動回路のいずれかに設けられ、その一次側駆動回路又は二次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とする共振周期整合回路を備えたことを特徴とする共振型双方向コンバータ回路。
【請求項３】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、前記第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項４】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ、第２インダクタ及びコンデンサと、前記第２インダクタ及び前記コンデンサの直列回路に並列接続された第２スイッチ素子を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項５】
前記第２スイッチ素子は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項６】
前記寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有するスイッチ素子であることを特徴とする請求項５に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項７】
前記第２スイッチ素子は双方向スイッチであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項８】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数のスイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記複数の第１スイッチ素子にそれぞれ並列接続されたコンデンサ及び第３スイッチ素子の直列回路を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項１】
トランスと、前記トランスの一次巻き線及び二次巻き線にそれぞれ接続された一次側駆動回路及び二次側駆動回路を備え、前記一次側駆動回路を駆動させたときの共振周期と前記二次側駆動回路を駆動させたときの共振周期がほぼ一致するように、インダクタンス値又は静電容量値を可変としたことを特徴とする共振型双方向コンバータ回路。
【請求項２】
トランスと、
前記トランスの一次側巻き線との間に接続され、スイッチング回路及び整流回路として機能する一次側駆動回路と、
前記トランスの二次側巻き線側に接続され、前記一次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているとき整流回路として機能し、前記一次側駆動回路が整流回路として機能しているときスイッチング回路として機能する二次側駆動回路と、
前記一次側駆動回路又は前記二次側駆動回路のいずれかに設けられ、その一次側駆動回路又は二次側駆動回路がスイッチング回路として機能しているか又は整流回路として機能しているかに応じて、インダクタンス値及び静電容量値の少なくとも一方を可変とする共振周期整合回路を備えたことを特徴とする共振型双方向コンバータ回路。
【請求項３】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ及び第２インダクタと、前記第２インダクタに並列接続された第２スイッチ素子を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項４】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数の第１スイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記ブリッジ回路の一端と前記トランスの一次巻き線又は二次巻き線の一端との間に接続され、直列接続された第１インダクタ、第２インダクタ及びコンデンサと、前記第２インダクタ及び前記コンデンサの直列回路に並列接続された第２スイッチ素子を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項５】
前記第２スイッチ素子は、寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項６】
前記寄生ダイオード及び寄生容量を有しないスイッチ素子は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮを用いた横型トランジスタ構造を有するスイッチ素子であることを特徴とする請求項５に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項７】
前記第２スイッチ素子は双方向スイッチであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【請求項８】
前記一次側駆動回路及び前記二次側駆動回路は、寄生ダイオード及び寄生容量を有する複数のスイッチ素子で構成されたブリッジ回路であり、
前記共振周期整合回路は、前記複数の第１スイッチ素子にそれぞれ並列接続されたコンデンサ及び第３スイッチ素子の直列回路を有することを特徴とする請求項２に記載の共振型双方向コンバータ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−７０４９１（Ｐ２０１２−７０４９１Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１１２２５（Ｐ２０１０−２１１２２５）
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２１日（２０１０．９．２１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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