双方向チョッパ回路
【課題】低損失で、磁気騒音を抑止でき、さらにノイズを低減できる小型な双方向チョッパ回路を提供する。
【解決手段】第１入出力端子１に一方の端子が接続された昇圧用リアクトル１０ａ、昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子１１ａおよび昇圧用リアクトルの他方の端子と第２入出力端子２との間に接続されたワイドギャップ半導体ユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオード１２ａを備えた昇圧チョッパ回路６と、第１入出力端子１に一方の端子が接続された降圧用リアクトル１０ｂ、降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体ユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオード１２ｂおよび降圧用リアクトルの他方の端子と第２入出力端子２との間に接続された降圧用スイッチング素子１１ｂを備えた降圧チョッパ回路７とを備える。
【解決手段】第１入出力端子１に一方の端子が接続された昇圧用リアクトル１０ａ、昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子１１ａおよび昇圧用リアクトルの他方の端子と第２入出力端子２との間に接続されたワイドギャップ半導体ユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオード１２ａを備えた昇圧チョッパ回路６と、第１入出力端子１に一方の端子が接続された降圧用リアクトル１０ｂ、降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体ユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオード１２ｂおよび降圧用リアクトルの他方の端子と第２入出力端子２との間に接続された降圧用スイッチング素子１１ｂを備えた降圧チョッパ回路７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は双方向チョッパ回路に関し、特にスイッチング損失を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば二次電池を利用した車載用ドライブ装置や回生エネルギーを蓄積して利用する交通車両では、電圧を制御するチョッパ回路が使用されている。これらの場合、力行モードでは二次電池の出力で駆動し、回生モードで二次電池を充電するために双方向チョッパ回路が必要になる。
【０００３】
一般に、双方向チョッパ回路においては、入出力の関係は非絶縁であり、入出力電圧の関係は昇降圧で双方向である。このような従来の双方向チョッパ回路の一般的な構成を図４に示す（特許文献１参照）。
【０００４】
この双方向チョッパ回路は、リアクトル５１、スイッチング素子５２、ダイオード５３、平滑コンデンサ５４、蓄電池５５、スイッチング素子５６、ダイオード５７および平滑コンデンサ５８を備えている。この双方向チョッパ回路では、昇圧時には、トランジスタ５６が常にオフにされ、トランジスタ５２が高周波でオン／オフされる。これにより、双方向チョッパ回路は、昇圧チョッパ回路として機能し、蓄電池５５を放電する。一方、降圧時には、トランジスタ５２が常にオフにされ、トランジスタ５６が高周波でオン／オフされる。これにより、双方向チョッパ回路は、降圧チョッパ回路として機能し、蓄電池５５を充電する。
【０００５】
このような双方向チョッパ回路では、スイッチング素子５２、スイッチング素子５６、ダイオード５３およびダイオード５７は、一般に、シリコン半導体を用いて作製されている。高耐圧用（例えば素子耐圧６００Ｖ以上）のスイッチング素子５２、スイッチング素子５６、ダイオード５３およびダイオード５７としては、一般に、バイポーラデバイスが採用されている。
【特許文献１】特開２００１−２２４１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した双方向チョッパ回路においては、スイッチング動作時において、例えばスイッチング素子５２がターンオンすると、反対アームのダイオード５３がオフするが、この際、ＰＮ接合部に形成される空乏層に少数キャリアの蓄積がなされる。そして、この蓄積された少数キャリアによる逆回復電流（リカバリ電流）がダイオード５３に流れ、リカバリ損失が発生する。リカバリ損失はダイオードのスイッチング損失であり、スイッチング動作のたびに発生する損失となる。また、この逆回復電流がターンオンの過渡状態にあるスイッチング素子５２に流れ込み、スイッチング素子５２のスイッチング損失の増大を引き起こし、発熱損失が大きくなる。スイッチング素子５６についても同様である。
【０００７】
従って、スイッチング素子５２およびスイッチング素子５６を冷却するためのヒートシンク等といった冷却構造が大型化してしまう。また、十数ｋＷ以上の容量を有する装置で使用される双方向チョッパ回路では、スイッチング損失、つまり発熱を低減させるためにスイッチング周波数を下げることが行われている。
【０００８】
しかしながら、スイッチング周波数を下げると所望の出力を得るためにはリアクトルが大型化し、また、リアクトルによる磁気騒音が発生し、この磁気騒音を抑える防音構造が必要になる。一般に、双方向チョッパ回路において、回路体積と回路損失とにはトレードオフの関係がある。なお、特許文献１に開示された双方向チョッパ回路では、発熱を抑えるためにリアクトルが追加されているので、小型化が難しいという問題は依然として残されている。
【０００９】
また、スイッチング周波数を可聴周波数（例えば１６ｋＨｚ）以上にするとリアクトルの大型化と磁気騒音の発生という問題は起きないが、上述したように、スイッチング損失の増大により冷却構造が大型化し、またノイズ増大による制御機器や周辺の他の機器への影響が大きくなるという別の問題が生じる。
【００１０】
本発明は、低損失、小型で、磁気騒音を抑止することができ、さらに、ノイズを低減できる双方向チョッパ回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の発明に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う降圧チョッパ回路とを備えた双方向チョッパ回路であって、前記昇圧チョッパ回路は、前記第１入出力端子に一方の端子が接続された昇圧用リアクトルと、前記昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードとを備え、前記降圧チョッパ回路は、前記第１入出力端子に一方の端子が接続された降圧用リアクトルと、前記降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作および前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う双方向チョッパ回路であって、前記第１入出力端子に一方の端子が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードと、前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る双方向チョッパ回路によれば、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードを構成したので、これら昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子のスイッチング損失も低減させることができる。その結果、発熱を低減することができるので、冷却構造の小型化が可能になる。また、スイッチング損失を低減させるためにスイッチング周波数を下げる必要もないので、リアクトルの小型化、低騒音化が可能になる。
【００１４】
また、第２の発明に係る双方向チョッパ回路によれば、上述した第１の発明に係る双方向チョッパ回路と同様の効果を奏するとともに、第１の発明に係る双方向チョッパ回路に比べてリアクトルの数を減らすことができるので、双方向チョッパ回路を簡単且つ安価に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。この双方向チョッパ回路は、第１入出力端子１、第２入出力端子２、接地端子３、第１平滑コンデンサ４、第２平滑コンデンサ５、昇圧チョッパ回路６、降圧チョッパ回路７および制御回路８から構成されている。第１入出力端子１と接地端子３との間には、例えば直流電源（図示しない）が接続され、第２入出力端子２と接地端子３との間には、例えばインバータ（図示しない）が接続される。
【００１７】
第１平滑コンデンサ４は、第１入出力端子１と接地端子３との間に接続され、例えば直流電源から出力される電圧又は直流電源へ供給する電圧を平滑化する。第２平滑コンデンサ５は、第２入出力端子２と接地端子３との間に接続され、例えばインバータから出力される電圧又はインバータへ供給する電圧を平滑化する。
【００１８】
昇圧チョッパ回路６は、昇圧用リアクトル１０ａ、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび昇圧用ダイオード１２ａから構成されている。
【００１９】
昇圧用リアクトル１０ａは、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとの接続点Ｐ１に接続されている。昇圧用スイッチング素子１１ａは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接地端子３に接続され、コレクタは接続点Ｐ１に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００２０】
昇圧用ダイオード１２ａは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、そのアノードは接続点Ｐ１に接続され、カソードは第２入出力端子２に接続されている。ユニポーラデバイスとは、ワイドギャップ半導体と金属とを接続したものである。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００２１】
降圧チョッパ回路７は、降圧用リアクトル１０ｂ、降圧用スイッチング素子１１ｂおよび降圧用ダイオード１２ｂから構成されている。
【００２２】
降圧用リアクトル１０ｂは、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとの接続点Ｐ２に接続されている。降圧用スイッチング素子１１ｂは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接続点Ｐ２に接続され、コレクタは第２入出力端子２に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００２３】
降圧用ダイオード１２ｂは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、そのアノードは接地端子３に接続され、カソードは接続点Ｐ２に接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００２４】
制御回路８は、昇圧チョッパ回路６内の昇圧用スイッチング素子１１ａを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ１を生成するとともに、降圧チョッパ回路７内の降圧用スイッチング素子１１ｂを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ２を生成する。この制御回路８で生成された制御信号ＳＷ１は、昇圧用スイッチング素子１１ａを構成するトランジスタのベースに供給され、制御信号ＳＷ２は降圧用スイッチング素子１１ｂを構成するトランジスタのベースに供給される。
【００２５】
なお、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂとしては、それぞれ個別の半導体素子を使用することもできるが、昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。
【００２６】
次に、このように構成される本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の動作を、図２に示す波形図を参照しながら説明する。
【００２７】
まず、双方向チョッパ回路における昇圧動作について説明する。この場合、第１入出力端子１が入力側になり、第２入出力端子２が出力側になる。
【００２８】
制御回路８は、昇圧チョッパ回路６を動作させるために、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給して降圧用スイッチング素子１１ｂをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａのみが高速でオンとオフを繰り返す。昇圧用スイッチング素子１１ａがオンになると、第１入出力端子１→昇圧用リアクトル１０ａ→昇圧用スイッチング素子１１ａ→接地端子３という経路で電流が流れる。これにより、昇圧用リアクトル１０ａに直流電力が蓄積される。昇圧用スイッチング素子１１ａのオン期間が長いほど昇圧用リアクトル１０ａに蓄積される直流電力は大きくなり、その起電力も大きくなる。
【００２９】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオフになると、第１入出力端子１→昇圧用リアクトル１０ａ→昇圧用ダイオード１２ａ→第２入出力端子２という経路で電流が流れる。このとき、第２入出力端子２に発生する電圧は、第１入出力端子１に印加される電圧に、昇圧用リアクトル１０ａに蓄積された直流電力による起電力が加えられた電圧である。従って、第１入出力端子１に印加される電圧より第２入出力端子２に発生する電圧が大きくなり、昇圧される。
【００３０】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオンすると、昇圧用ダイオード１２ａに逆電圧が加わり、昇圧用ダイオード１２ａはオフする。この時、仮に昇圧用ダイオード１２ａがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、昇圧用ダイオード１２ａに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて昇圧用ダイオード１２ａにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は昇圧用スイッチング素子１１ａにも流れ込み、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失を増加させる。
【００３１】
これに対し、実施例１に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された昇圧用ダイオード１２ａが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、逆回復電流が流れないので、昇圧用ダイオード１２ａのリカバリ損失が著しく低減される。また、これと同時に、昇圧用スイッチング素子１１ａへ流れ込む逆回復電流も著しく低減するので、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失も低減される。また、図２（ｃ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａの立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズも低減される。
【００３２】
なお、図２（ｂ）は、従来の双方向チョッパ回路においてスイッチング素子の立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズ（実施例１に比べて大きい）を示している。さらに、昇圧用ダイオード１２ａとしてワイドギャップ半導体を用いたので高耐圧ユニポーラデバイスが実現されている。
【００３３】
次に、双方向チョッパ回路における降圧動作について説明する。この場合、第２入出力端子２が入力側になり、第１入出力端子１が出力側になる。
【００３４】
制御回路８は、降圧チョッパ回路７を動作させるため、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給して昇圧用スイッチング素子１１ａをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂのみが高速でオンとオフを繰り返す。降圧用スイッチング素子１１ｂがオンになると、第２入出力端子２→降圧用スイッチング素子１１ｂ→降圧用リアクトル１０ｂ→第１入出力端子１という経路で電流が流れる。これにより、降圧用リアクトル１０ｂに直流電力が蓄積される。降圧用スイッチング素子１１ｂのオン期間が短いほど降圧用リアクトル１０ｂに蓄積される直流電力は小さくなり、その起電力も小さくなる。
【００３５】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオフになると、接地端子３→降圧用ダイオード１２ｂ→降圧用リアクトル１０ｂ→第１入出力端子１といった経路で電流が流れる。このとき第１入出力端子１に発生する電圧は、降圧用リアクトル１０ｂに蓄積された直流電力による起電力分のみである。従って、第２入出力端子２に印加される電圧より第１入出力端子１に発生する電圧が小さくなり、降圧される。
【００３６】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオンすると、降圧用ダイオード１２ｂに逆電圧が加わり、降圧用ダイオード１２ｂはオフする。この時、仮に降圧用ダイオード１２ｂがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、降圧用ダイオード１２ｂに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて降圧用ダイオード１２ｂにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は降圧用スイッチング素子１１ｂにも流れ込み、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失を増加させる。
【００３７】
これに対し、実施例１に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された降圧用ダイオード１２ｂが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、逆回復電流が流れないので、降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失が著しく低減される。また、これと同時に、降圧用スイッチング素子１１ｂへ流れ込む逆回復電流も著しく低減するので、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減される。また、図２（ｃ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂの立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズも低減される。なお、図２（ｂ）は、従来の双方向チョッパ回路においてスイッチング素子の立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズ（実施例１に比べて大きい）を示している。さらに、降圧用ダイオード１２ｂとしてワイドギャップ半導体を用いたので高耐圧ユニポーラデバイスが実現されている。
【００３８】
以上説明したように、本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路によれば、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを構成したので、これら昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減させることができる。その結果、発熱を低減することができるので、冷却構造の小型化が可能になる。また、スイッチング損失を低減させるためにスイッチング周波数を下げる必要もないので、リアクトルの小型化、低騒音化が可能になる。
【実施例２】
【００３９】
次に、本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路を、図３に示した回路図を参照しながら説明する。なお、実施例１と同一の構成部分には実施例１と同一の符号を付して説明する。
【００４０】
実施例２に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子１、第２入出力端子２、接地端子３、第１平滑コンデンサ４、第２平滑コンデンサ５、リアクトル１０、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａ、降圧用ダイオード１２ｂおよび制御回路８から構成されている。第１入出力端子１と接地端子３との間には、例えば直流電源（図示しない）が接続され、第２入出力端子２と接地端子３との間には、例えばインバータ（図示しない）が接続される。
【００４１】
第１平滑コンデンサ４は、第１入出力端子１と接地端子３との間に接続され、例えば直流電源から出力される電圧又は直流電源へ供給する電圧を平滑化する。第２平滑コンデンサ５は、第２入出力端子２と接地端子３との間に接続され、例えばインバータから出力される電圧又はインバータへ供給する電圧を平滑化する。
【００４２】
リアクトル１０は、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は昇圧用スイッチング素子１１ａと降圧用スイッチング素子１１ｂとの接続点Ｐに接続されている。
【００４３】
昇圧用スイッチング素子１１ａは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接地端子３に接続され、コレクタは接続点Ｐに接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００４４】
昇圧用ダイオード１２ａは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、降圧用スイッチング素子１１ｂに逆並列に接続されている。具体的には、昇圧用ダイオード１２ａのアノードは接続点Ｐに接続され、カソードは第２入出力端子２に接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００４５】
降圧用スイッチング素子１１ｂは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接続点Ｐに接続され、コレクタは第２入出力端子２に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００４６】
降圧用ダイオード１２ｂは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、昇圧用スイッチング素子１１ａに逆並列に接続されている。具体的には、降圧用ダイオード１２ｂのアノードは接地端子３に接続され、カソードは接続点Ｐに接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００４７】
制御回路８は、昇圧用スイッチング素子１１ａを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ１および降圧用スイッチング素子１１ｂを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ２を生成する。この制御回路８で生成された制御信号ＳＷ１は、昇圧用スイッチング素子１１ａを構成するトランジスタのベースに供給され、制御信号ＳＷ２は降圧用スイッチング素子１１ｂを構成するトランジスタのベースに供給される。
【００４８】
なお、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂとしては、それぞれ個別の半導体素子を使用することもできるが、昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。また、昇圧用スイッチング素子１１ａと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを同一のパッケージに収めた半導体モジュールを使用することもできる。
【００４９】
次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路の動作を、図２に示す波形図を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、この双方向チョッパ回路における昇圧動作について説明する。この場合、第１入出力端子１が入力側になり、第２入出力端子２が出力側になる。
【００５１】
制御回路８は、昇圧動作時には、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給して降圧用スイッチング素子１１ｂをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａのみが高速でオンとオフを繰り返す。昇圧用スイッチング素子１１ａがオンになると、第１入出力端子１→リアクトル１０→昇圧用スイッチング素子１１ａ→接地端子３という経路で電流が流れる。これにより、リアクトル１０に直流電力が蓄積される。昇圧用スイッチング素子１１ａのオン期間が長いほどリアクトル１０に蓄積される直流電力は大きくなり、その起電力も大きくなる。
【００５２】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオフになると、第１入出力端子１→リアクトル１０→昇圧用ダイオード１２ａ→第２入出力端子２という経路で電流が流れる。このとき第２入出力端子２に発生する電圧は、第１入出力端子１に印加される電圧に、昇圧用リアクトル１０に蓄積された直流電力による起電力が加えられた電圧である。従って、第１入出力端子１に印加される電圧より第２入出力端子２に発生する電圧が大きくなり、昇圧される。
【００５３】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオンすると、昇圧用ダイオード１２ａに逆電圧が加わり、昇圧用ダイオード１２ａはオフする。この時、仮に昇圧用ダイオード１２ａがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、昇圧用ダイオード１２ａに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて昇圧用ダイオード１２ａにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は昇圧用スイッチング素子１１ａにも流れ込み、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失を増加させる。
【００５４】
これに対し、実施例２に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された昇圧用ダイオード１２ａが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、上述した実施例１と同様の効果を奏する。
【００５５】
次に、双方向チョッパ回路における降圧動作について説明する。この場合、第２入出力端子２が入力側になり、第１入出力端子１が出力側になる。
【００５６】
制御回路８は、降圧動作時は、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給して昇圧用スイッチング素子１１ａをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂのみが高速でオンとオフを繰り返す。降圧用スイッチング素子１１ｂがオンになると、第２入出力端子２→降圧用スイッチング素子１１ｂ→リアクトル１０→第１入出力端子１という経路で電流が流れる。これにより、リアクトル１０に直流電力が蓄積される。降圧用スイッチング素子１１ｂのオン期間が短いほどリアクトル１０に蓄積される直流電力は小さくなり、その起電力も小さくなる。
【００５７】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオフになると、接地端子３→降圧用ダイオード１２ｂ→降圧用リアクトル１０→第１入出力端子１といった経路で電流が流れる。このとき第１入出力端子１に発生する電圧は、リアクトル１０に蓄積された直流電力による起電力分のみである。従って、第２入出力端子２に印加される電圧より第１入出力端子１に発生する電圧が小さくなり、降圧される。
【００５８】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオンすると、降圧用ダイオード１２ｂに逆電圧が加わり、降圧用ダイオード１２ｂはオフする。この時、仮に降圧用ダイオード１２ｂがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、降圧用ダイオード１２ｂに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて降圧用ダイオード１２ｂにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は降圧用スイッチング素子１１ｂにも流れ込み、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失を増加させる。
【００５９】
これに対し、実施例２に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された降圧用ダイオード１２ｂが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、上述した実施例１と同様の効果を奏する。
【００６０】
以上説明したように、本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路によれば、上述した実施例１に係る双方向チョッパ回路と同様に、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを構成したので、これら昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減させることができ、ノイズの少ない低損失な双方向チョッパ回路を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の双方向チョッパ回路は、車載用ドライブ装置や交通車両等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。
【図４】従来の双方向チョッパ回路を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 第１入出力端子
２ 第２入出力端子
３ 接地端子
４ 第１平滑コンデンサ
５ 第２平滑コンデンサ
６ 昇圧チョッパ回路
７ 降圧チョッパ回路
８ 制御回路
１０ リアクトル
１０ａ 昇圧用リアクトル
１０ｂ 降圧用リアクトル
１１ａ 昇圧用スイッチング素子
１１ｂ 降圧用スイッチング素子
１２ａ 昇圧用ダイオード
１２ｂ 降圧用ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は双方向チョッパ回路に関し、特にスイッチング損失を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば二次電池を利用した車載用ドライブ装置や回生エネルギーを蓄積して利用する交通車両では、電圧を制御するチョッパ回路が使用されている。これらの場合、力行モードでは二次電池の出力で駆動し、回生モードで二次電池を充電するために双方向チョッパ回路が必要になる。
【０００３】
一般に、双方向チョッパ回路においては、入出力の関係は非絶縁であり、入出力電圧の関係は昇降圧で双方向である。このような従来の双方向チョッパ回路の一般的な構成を図４に示す（特許文献１参照）。
【０００４】
この双方向チョッパ回路は、リアクトル５１、スイッチング素子５２、ダイオード５３、平滑コンデンサ５４、蓄電池５５、スイッチング素子５６、ダイオード５７および平滑コンデンサ５８を備えている。この双方向チョッパ回路では、昇圧時には、トランジスタ５６が常にオフにされ、トランジスタ５２が高周波でオン／オフされる。これにより、双方向チョッパ回路は、昇圧チョッパ回路として機能し、蓄電池５５を放電する。一方、降圧時には、トランジスタ５２が常にオフにされ、トランジスタ５６が高周波でオン／オフされる。これにより、双方向チョッパ回路は、降圧チョッパ回路として機能し、蓄電池５５を充電する。
【０００５】
このような双方向チョッパ回路では、スイッチング素子５２、スイッチング素子５６、ダイオード５３およびダイオード５７は、一般に、シリコン半導体を用いて作製されている。高耐圧用（例えば素子耐圧６００Ｖ以上）のスイッチング素子５２、スイッチング素子５６、ダイオード５３およびダイオード５７としては、一般に、バイポーラデバイスが採用されている。
【特許文献１】特開２００１−２２４１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した双方向チョッパ回路においては、スイッチング動作時において、例えばスイッチング素子５２がターンオンすると、反対アームのダイオード５３がオフするが、この際、ＰＮ接合部に形成される空乏層に少数キャリアの蓄積がなされる。そして、この蓄積された少数キャリアによる逆回復電流（リカバリ電流）がダイオード５３に流れ、リカバリ損失が発生する。リカバリ損失はダイオードのスイッチング損失であり、スイッチング動作のたびに発生する損失となる。また、この逆回復電流がターンオンの過渡状態にあるスイッチング素子５２に流れ込み、スイッチング素子５２のスイッチング損失の増大を引き起こし、発熱損失が大きくなる。スイッチング素子５６についても同様である。
【０００７】
従って、スイッチング素子５２およびスイッチング素子５６を冷却するためのヒートシンク等といった冷却構造が大型化してしまう。また、十数ｋＷ以上の容量を有する装置で使用される双方向チョッパ回路では、スイッチング損失、つまり発熱を低減させるためにスイッチング周波数を下げることが行われている。
【０００８】
しかしながら、スイッチング周波数を下げると所望の出力を得るためにはリアクトルが大型化し、また、リアクトルによる磁気騒音が発生し、この磁気騒音を抑える防音構造が必要になる。一般に、双方向チョッパ回路において、回路体積と回路損失とにはトレードオフの関係がある。なお、特許文献１に開示された双方向チョッパ回路では、発熱を抑えるためにリアクトルが追加されているので、小型化が難しいという問題は依然として残されている。
【０００９】
また、スイッチング周波数を可聴周波数（例えば１６ｋＨｚ）以上にするとリアクトルの大型化と磁気騒音の発生という問題は起きないが、上述したように、スイッチング損失の増大により冷却構造が大型化し、またノイズ増大による制御機器や周辺の他の機器への影響が大きくなるという別の問題が生じる。
【００１０】
本発明は、低損失、小型で、磁気騒音を抑止することができ、さらに、ノイズを低減できる双方向チョッパ回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、第１の発明に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う降圧チョッパ回路とを備えた双方向チョッパ回路であって、前記昇圧チョッパ回路は、前記第１入出力端子に一方の端子が接続された昇圧用リアクトルと、前記昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードとを備え、前記降圧チョッパ回路は、前記第１入出力端子に一方の端子が接続された降圧用リアクトルと、前記降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作および前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う双方向チョッパ回路であって、前記第１入出力端子に一方の端子が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードと、前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る双方向チョッパ回路によれば、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードを構成したので、これら昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子のスイッチング損失も低減させることができる。その結果、発熱を低減することができるので、冷却構造の小型化が可能になる。また、スイッチング損失を低減させるためにスイッチング周波数を下げる必要もないので、リアクトルの小型化、低騒音化が可能になる。
【００１４】
また、第２の発明に係る双方向チョッパ回路によれば、上述した第１の発明に係る双方向チョッパ回路と同様の効果を奏するとともに、第１の発明に係る双方向チョッパ回路に比べてリアクトルの数を減らすことができるので、双方向チョッパ回路を簡単且つ安価に構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。この双方向チョッパ回路は、第１入出力端子１、第２入出力端子２、接地端子３、第１平滑コンデンサ４、第２平滑コンデンサ５、昇圧チョッパ回路６、降圧チョッパ回路７および制御回路８から構成されている。第１入出力端子１と接地端子３との間には、例えば直流電源（図示しない）が接続され、第２入出力端子２と接地端子３との間には、例えばインバータ（図示しない）が接続される。
【００１７】
第１平滑コンデンサ４は、第１入出力端子１と接地端子３との間に接続され、例えば直流電源から出力される電圧又は直流電源へ供給する電圧を平滑化する。第２平滑コンデンサ５は、第２入出力端子２と接地端子３との間に接続され、例えばインバータから出力される電圧又はインバータへ供給する電圧を平滑化する。
【００１８】
昇圧チョッパ回路６は、昇圧用リアクトル１０ａ、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび昇圧用ダイオード１２ａから構成されている。
【００１９】
昇圧用リアクトル１０ａは、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとの接続点Ｐ１に接続されている。昇圧用スイッチング素子１１ａは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接地端子３に接続され、コレクタは接続点Ｐ１に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００２０】
昇圧用ダイオード１２ａは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、そのアノードは接続点Ｐ１に接続され、カソードは第２入出力端子２に接続されている。ユニポーラデバイスとは、ワイドギャップ半導体と金属とを接続したものである。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００２１】
降圧チョッパ回路７は、降圧用リアクトル１０ｂ、降圧用スイッチング素子１１ｂおよび降圧用ダイオード１２ｂから構成されている。
【００２２】
降圧用リアクトル１０ｂは、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとの接続点Ｐ２に接続されている。降圧用スイッチング素子１１ｂは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接続点Ｐ２に接続され、コレクタは第２入出力端子２に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００２３】
降圧用ダイオード１２ｂは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、そのアノードは接地端子３に接続され、カソードは接続点Ｐ２に接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００２４】
制御回路８は、昇圧チョッパ回路６内の昇圧用スイッチング素子１１ａを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ１を生成するとともに、降圧チョッパ回路７内の降圧用スイッチング素子１１ｂを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ２を生成する。この制御回路８で生成された制御信号ＳＷ１は、昇圧用スイッチング素子１１ａを構成するトランジスタのベースに供給され、制御信号ＳＷ２は降圧用スイッチング素子１１ｂを構成するトランジスタのベースに供給される。
【００２５】
なお、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂとしては、それぞれ個別の半導体素子を使用することもできるが、昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。
【００２６】
次に、このように構成される本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の動作を、図２に示す波形図を参照しながら説明する。
【００２７】
まず、双方向チョッパ回路における昇圧動作について説明する。この場合、第１入出力端子１が入力側になり、第２入出力端子２が出力側になる。
【００２８】
制御回路８は、昇圧チョッパ回路６を動作させるために、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給して降圧用スイッチング素子１１ｂをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａのみが高速でオンとオフを繰り返す。昇圧用スイッチング素子１１ａがオンになると、第１入出力端子１→昇圧用リアクトル１０ａ→昇圧用スイッチング素子１１ａ→接地端子３という経路で電流が流れる。これにより、昇圧用リアクトル１０ａに直流電力が蓄積される。昇圧用スイッチング素子１１ａのオン期間が長いほど昇圧用リアクトル１０ａに蓄積される直流電力は大きくなり、その起電力も大きくなる。
【００２９】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオフになると、第１入出力端子１→昇圧用リアクトル１０ａ→昇圧用ダイオード１２ａ→第２入出力端子２という経路で電流が流れる。このとき、第２入出力端子２に発生する電圧は、第１入出力端子１に印加される電圧に、昇圧用リアクトル１０ａに蓄積された直流電力による起電力が加えられた電圧である。従って、第１入出力端子１に印加される電圧より第２入出力端子２に発生する電圧が大きくなり、昇圧される。
【００３０】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオンすると、昇圧用ダイオード１２ａに逆電圧が加わり、昇圧用ダイオード１２ａはオフする。この時、仮に昇圧用ダイオード１２ａがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、昇圧用ダイオード１２ａに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて昇圧用ダイオード１２ａにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は昇圧用スイッチング素子１１ａにも流れ込み、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失を増加させる。
【００３１】
これに対し、実施例１に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された昇圧用ダイオード１２ａが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、逆回復電流が流れないので、昇圧用ダイオード１２ａのリカバリ損失が著しく低減される。また、これと同時に、昇圧用スイッチング素子１１ａへ流れ込む逆回復電流も著しく低減するので、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失も低減される。また、図２（ｃ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａの立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズも低減される。
【００３２】
なお、図２（ｂ）は、従来の双方向チョッパ回路においてスイッチング素子の立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズ（実施例１に比べて大きい）を示している。さらに、昇圧用ダイオード１２ａとしてワイドギャップ半導体を用いたので高耐圧ユニポーラデバイスが実現されている。
【００３３】
次に、双方向チョッパ回路における降圧動作について説明する。この場合、第２入出力端子２が入力側になり、第１入出力端子１が出力側になる。
【００３４】
制御回路８は、降圧チョッパ回路７を動作させるため、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給して昇圧用スイッチング素子１１ａをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂのみが高速でオンとオフを繰り返す。降圧用スイッチング素子１１ｂがオンになると、第２入出力端子２→降圧用スイッチング素子１１ｂ→降圧用リアクトル１０ｂ→第１入出力端子１という経路で電流が流れる。これにより、降圧用リアクトル１０ｂに直流電力が蓄積される。降圧用スイッチング素子１１ｂのオン期間が短いほど降圧用リアクトル１０ｂに蓄積される直流電力は小さくなり、その起電力も小さくなる。
【００３５】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオフになると、接地端子３→降圧用ダイオード１２ｂ→降圧用リアクトル１０ｂ→第１入出力端子１といった経路で電流が流れる。このとき第１入出力端子１に発生する電圧は、降圧用リアクトル１０ｂに蓄積された直流電力による起電力分のみである。従って、第２入出力端子２に印加される電圧より第１入出力端子１に発生する電圧が小さくなり、降圧される。
【００３６】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオンすると、降圧用ダイオード１２ｂに逆電圧が加わり、降圧用ダイオード１２ｂはオフする。この時、仮に降圧用ダイオード１２ｂがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、降圧用ダイオード１２ｂに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて降圧用ダイオード１２ｂにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は降圧用スイッチング素子１１ｂにも流れ込み、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失を増加させる。
【００３７】
これに対し、実施例１に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された降圧用ダイオード１２ｂが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、逆回復電流が流れないので、降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失が著しく低減される。また、これと同時に、降圧用スイッチング素子１１ｂへ流れ込む逆回復電流も著しく低減するので、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減される。また、図２（ｃ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂの立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズも低減される。なお、図２（ｂ）は、従来の双方向チョッパ回路においてスイッチング素子の立ち上がりタイミングで発生するターンオン時のノイズ（実施例１に比べて大きい）を示している。さらに、降圧用ダイオード１２ｂとしてワイドギャップ半導体を用いたので高耐圧ユニポーラデバイスが実現されている。
【００３８】
以上説明したように、本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路によれば、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを構成したので、これら昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減させることができる。その結果、発熱を低減することができるので、冷却構造の小型化が可能になる。また、スイッチング損失を低減させるためにスイッチング周波数を下げる必要もないので、リアクトルの小型化、低騒音化が可能になる。
【実施例２】
【００３９】
次に、本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路を、図３に示した回路図を参照しながら説明する。なお、実施例１と同一の構成部分には実施例１と同一の符号を付して説明する。
【００４０】
実施例２に係る双方向チョッパ回路は、第１入出力端子１、第２入出力端子２、接地端子３、第１平滑コンデンサ４、第２平滑コンデンサ５、リアクトル１０、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａ、降圧用ダイオード１２ｂおよび制御回路８から構成されている。第１入出力端子１と接地端子３との間には、例えば直流電源（図示しない）が接続され、第２入出力端子２と接地端子３との間には、例えばインバータ（図示しない）が接続される。
【００４１】
第１平滑コンデンサ４は、第１入出力端子１と接地端子３との間に接続され、例えば直流電源から出力される電圧又は直流電源へ供給する電圧を平滑化する。第２平滑コンデンサ５は、第２入出力端子２と接地端子３との間に接続され、例えばインバータから出力される電圧又はインバータへ供給する電圧を平滑化する。
【００４２】
リアクトル１０は、直流電力の蓄積および放出を行うものであり、その一方の端子は第１入出力端子１に接続され、他方の端子は昇圧用スイッチング素子１１ａと降圧用スイッチング素子１１ｂとの接続点Ｐに接続されている。
【００４３】
昇圧用スイッチング素子１１ａは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接地端子３に接続され、コレクタは接続点Ｐに接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００４４】
昇圧用ダイオード１２ａは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、降圧用スイッチング素子１１ｂに逆並列に接続されている。具体的には、昇圧用ダイオード１２ａのアノードは接続点Ｐに接続され、カソードは第２入出力端子２に接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００４５】
降圧用スイッチング素子１１ｂは、例えばＮＰＮトランジスタから構成されており、そのエミッタは接続点Ｐに接続され、コレクタは第２入出力端子２に接続され、ベースは制御回路８に接続されている。
【００４６】
降圧用ダイオード１２ｂは、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから構成されており、昇圧用スイッチング素子１１ａに逆並列に接続されている。具体的には、降圧用ダイオード１２ｂのアノードは接地端子３に接続され、カソードは接続点Ｐに接続されている。ワイドギャップ半導体としては、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）、ダイアモンド等を用いることができる。
【００４７】
制御回路８は、昇圧用スイッチング素子１１ａを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ１および降圧用スイッチング素子１１ｂを高速でオン／オフさせるための制御信号ＳＷ２を生成する。この制御回路８で生成された制御信号ＳＷ１は、昇圧用スイッチング素子１１ａを構成するトランジスタのベースに供給され、制御信号ＳＷ２は降圧用スイッチング素子１１ｂを構成するトランジスタのベースに供給される。
【００４８】
なお、昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂとしては、それぞれ個別の半導体素子を使用することもできるが、昇圧用スイッチング素子１１ａと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。また、昇圧用スイッチング素子１１ａと降圧用ダイオード１２ｂとを同一のパッケージに収めた半導体モジュールと、降圧用スイッチング素子１１ｂと昇圧用ダイオード１２ａとを同一パッケージに収めた半導体モジュールとを使用することもできる。昇圧用スイッチング素子１１ａ、降圧用スイッチング素子１１ｂ、昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを同一のパッケージに収めた半導体モジュールを使用することもできる。
【００４９】
次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路の動作を、図２に示す波形図を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、この双方向チョッパ回路における昇圧動作について説明する。この場合、第１入出力端子１が入力側になり、第２入出力端子２が出力側になる。
【００５１】
制御回路８は、昇圧動作時には、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給して降圧用スイッチング素子１１ｂをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、昇圧用スイッチング素子１１ａのみが高速でオンとオフを繰り返す。昇圧用スイッチング素子１１ａがオンになると、第１入出力端子１→リアクトル１０→昇圧用スイッチング素子１１ａ→接地端子３という経路で電流が流れる。これにより、リアクトル１０に直流電力が蓄積される。昇圧用スイッチング素子１１ａのオン期間が長いほどリアクトル１０に蓄積される直流電力は大きくなり、その起電力も大きくなる。
【００５２】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオフになると、第１入出力端子１→リアクトル１０→昇圧用ダイオード１２ａ→第２入出力端子２という経路で電流が流れる。このとき第２入出力端子２に発生する電圧は、第１入出力端子１に印加される電圧に、昇圧用リアクトル１０に蓄積された直流電力による起電力が加えられた電圧である。従って、第１入出力端子１に印加される電圧より第２入出力端子２に発生する電圧が大きくなり、昇圧される。
【００５３】
次に、昇圧用スイッチング素子１１ａがオンすると、昇圧用ダイオード１２ａに逆電圧が加わり、昇圧用ダイオード１２ａはオフする。この時、仮に昇圧用ダイオード１２ａがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、昇圧用ダイオード１２ａに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて昇圧用ダイオード１２ａにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は昇圧用スイッチング素子１１ａにも流れ込み、昇圧用スイッチング素子１１ａのスイッチング損失を増加させる。
【００５４】
これに対し、実施例２に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された昇圧用ダイオード１２ａが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、上述した実施例１と同様の効果を奏する。
【００５５】
次に、双方向チョッパ回路における降圧動作について説明する。この場合、第２入出力端子２が入力側になり、第１入出力端子１が出力側になる。
【００５６】
制御回路８は、降圧動作時は、高速でオン／オフする制御信号ＳＷ２を降圧用スイッチング素子１１ｂに供給するとともに、低レベルの制御信号ＳＷ１を昇圧用スイッチング素子１１ａに供給して昇圧用スイッチング素子１１ａをオフさせる。これにより、図２（ａ）に示すように、降圧用スイッチング素子１１ｂのみが高速でオンとオフを繰り返す。降圧用スイッチング素子１１ｂがオンになると、第２入出力端子２→降圧用スイッチング素子１１ｂ→リアクトル１０→第１入出力端子１という経路で電流が流れる。これにより、リアクトル１０に直流電力が蓄積される。降圧用スイッチング素子１１ｂのオン期間が短いほどリアクトル１０に蓄積される直流電力は小さくなり、その起電力も小さくなる。
【００５７】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオフになると、接地端子３→降圧用ダイオード１２ｂ→降圧用リアクトル１０→第１入出力端子１といった経路で電流が流れる。このとき第１入出力端子１に発生する電圧は、リアクトル１０に蓄積された直流電力による起電力分のみである。従って、第２入出力端子２に印加される電圧より第１入出力端子１に発生する電圧が小さくなり、降圧される。
【００５８】
次に、降圧用スイッチング素子１１ｂがオンすると、降圧用ダイオード１２ｂに逆電圧が加わり、降圧用ダイオード１２ｂはオフする。この時、仮に降圧用ダイオード１２ｂがバイポーラデバイスであるＰＮ接合ダイオードにより構成されていると、降圧用ダイオード１２ｂに少数キャリアの蓄積による逆回復電流が流れて降圧用ダイオード１２ｂにリカバリ損失が生じる。更に、この逆回復電流は降圧用スイッチング素子１１ｂにも流れ込み、降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失を増加させる。
【００５９】
これに対し、実施例２に係る双方向チョッパ回路では、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスにより構成された降圧用ダイオード１２ｂが用いられているので、ＰＮ接合部を有する半導体のような空乏層が形成されず、少数キャリアが蓄積されない。その結果、上述した実施例１と同様の効果を奏する。
【００６０】
以上説明したように、本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路によれば、上述した実施例１に係る双方向チョッパ回路と同様に、ワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスで昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂを構成したので、これら昇圧用ダイオード１２ａおよび降圧用ダイオード１２ｂのリカバリ損失を低減すると共に、昇圧用スイッチング素子１１ａおよび降圧用スイッチング素子１１ｂのスイッチング損失も低減させることができ、ノイズの少ない低損失な双方向チョッパ回路を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の双方向チョッパ回路は、車載用ドライブ装置や交通車両等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例１に係る双方向チョッパ回路の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の実施例２に係る双方向チョッパ回路の構成を示す回路図である。
【図４】従来の双方向チョッパ回路を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 第１入出力端子
２ 第２入出力端子
３ 接地端子
４ 第１平滑コンデンサ
５ 第２平滑コンデンサ
６ 昇圧チョッパ回路
７ 降圧チョッパ回路
８ 制御回路
１０ リアクトル
１０ａ 昇圧用リアクトル
１０ｂ 降圧用リアクトル
１１ａ 昇圧用スイッチング素子
１１ｂ 降圧用スイッチング素子
１２ａ 昇圧用ダイオード
１２ｂ 降圧用ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う降圧チョッパ回路とを備えた双方向チョッパ回路であって、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続された昇圧用リアクトルと、
前記昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、
前記昇圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードとを備え、
前記降圧チョッパ回路は、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続された降圧用リアクトルと、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、
を備えたことを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項２】
第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作および前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う双方向チョッパ回路であって、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、
前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードと、
前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、
を備えたことを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項３】
前記昇圧動作を行う時に、前記昇圧用スイッチング素子をスイッチングさせ且つ前記降圧用スイッチング素子をオフさせ、前記降圧動作を行う時に、前記降圧用スイッチング素子をスイッチングさせ前記昇圧用スイッチング素子をオフさせる制御回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の双方向チョッパ回路。
【請求項４】
前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の双方向チョッパ回路。
【請求項５】
前記昇圧用ダイオードおよび前記降圧用ダイオードを構成するユニポーラデバイスに用いられるワイドギャップ半導体は、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）、またはダイアモンドから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の双方向チョッパ回路。
【請求項１】
第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う降圧チョッパ回路とを備えた双方向チョッパ回路であって、
前記昇圧チョッパ回路は、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続された昇圧用リアクトルと、
前記昇圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、
前記昇圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードとを備え、
前記降圧チョッパ回路は、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続された降圧用リアクトルと、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、
を備えたことを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項２】
第１入出力端子に印加された直流電圧より高い直流電圧を第２入出力端子に出力する昇圧動作および前記第２入出力端子に印加された直流電圧より低い直流電圧を前記第１入出力端子に出力する降圧動作を行う双方向チョッパ回路であって、
前記第１入出力端子に一方の端子が接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの他方の端子と接地端子との間に接続された昇圧用スイッチング素子と、
前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る昇圧用ダイオードと、
前記リアクトルの他方の端子と前記第２入出力端子との間に接続された降圧用スイッチング素子と、
前記降圧用リアクトルの他方の端子と前記接地端子との間に接続されたワイドギャップ半導体を用いたユニポーラデバイスから成る降圧用ダイオードと、
を備えたことを特徴とする双方向チョッパ回路。
【請求項３】
前記昇圧動作を行う時に、前記昇圧用スイッチング素子をスイッチングさせ且つ前記降圧用スイッチング素子をオフさせ、前記降圧動作を行う時に、前記降圧用スイッチング素子をスイッチングさせ前記昇圧用スイッチング素子をオフさせる制御回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の双方向チョッパ回路。
【請求項４】
前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の双方向チョッパ回路。
【請求項５】
前記昇圧用ダイオードおよび前記降圧用ダイオードを構成するユニポーラデバイスに用いられるワイドギャップ半導体は、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、またはＧａＮ（ガリウムナイトライド）、またはダイアモンドから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の双方向チョッパ回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−６０６１（Ｐ２００６−６０６１Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８１４８５（Ｐ２００４−１８１４８５）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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