磁気エネルギー回生スイッチ装置、磁気エネルギー回生スイッチ制御方法、及び、プログラム
【課題】電力損失の少ない磁気エネルギー回生スイッチ装置、磁気エネルギー回生スイッチ制御方法、及び、プログラムを提供する。
【解決手段】磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００と、制御回路２００と、コンデンサＣＭと、から構成される。フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がブリッジ接続され、直流端子ＤＣ間にコンデンサＣＭが接続される。逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は制御回路２００によってＯＮ・ＯＦＦを制御される。制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮし、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮした後に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。また、制御回路２００は逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＦＦし、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＦＦした後に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
【解決手段】磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００と、制御回路２００と、コンデンサＣＭと、から構成される。フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は逆導通型半導体スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がブリッジ接続され、直流端子ＤＣ間にコンデンサＣＭが接続される。逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は制御回路２００によってＯＮ・ＯＦＦを制御される。制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮし、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮした後に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。また、制御回路２００は逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＦＦし、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＦＦした後に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気エネルギー回生スイッチ装置、磁気エネルギー回生スイッチ制御方法、及び、プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気エネルギーを蓄積・回生できる、順逆両方向の電流を制御するスイッチ回路として、フルブリッジ型の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ）（以下、「フルブリッジ型ＭＥＲＳ」と呼称する。）が知られている。
【０００３】
フルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つの逆導通型半導体スイッチと1つのコンデンサで構成される。４つの逆導通型半導体スイッチは、ブリッジ回路の態様に接続され、ブリッジ回路の直流端子間に、コンデンサが接続される。フルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つの逆導通型半導体スイッチを制御することによって、フルブリッジ型ＭＥＲＳを通過する電流を制御することが可能である。
【０００４】
特許文献１に、フルブリッジ型ＭＥＲＳを構成する４つの逆導通型半導体スイッチのうち、２つの逆導通型半導体スイッチを常にＯＦＦにし、他の２つの逆導通型半導体スイッチを同時にＯＮ・ＯＦＦすることによって、順逆両方向の電流の導通・遮断を制御するＭＥＲＳが、開示されている。
【０００５】
このフルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つ逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置する２つの逆導通型半導体スイッチをそれぞれペアにする。この２つのペアのうち、導通する電流の向きに応じて、片方のペアは常にＯＦＦにし、他方のペアの逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御する。
この他方のペアがＯＮだと電流は導通し、ＯＦＦだと電流は遮断される。
【０００６】
このペアの逆導通型半導体スイッチがＯＮからＯＦＦになると、即座には電流は遮断されず、負荷のインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーによる遅れ電流が生じる。フルブリッジ型ＭＥＲＳのコンデンサは、磁気エネルギーによる遅れ電流を吸収し、電荷を蓄積する。
電流を遮断するためＯＦＦにされたペアの逆導通型半導体スイッチが再びＯＮになると、電源により電圧が印加されるとともに、コンデンサに蓄積された電荷が放電され、磁気エネルギーは回生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６３４９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、逆導通型半導体スイッチを構成するダイオードに電流が流れることで、ダイオードの順方向電圧降下による電力損失が生じる。
【０００９】
したがって、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れないように制御する必要がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、フルブリッジ型ＭＥＲＳを構成するＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れることなく、順逆両方向の電流の導通・遮断を制御する磁気エネルギー回生スイッチ装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置は、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする。
【００１２】
例えば、前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に前記誘導性負荷に流れる電流が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにしてもよい。
【００１３】
また、例えば、前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に前記コンデンサの電圧が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにしてもよい。
【００１４】
例えば、各前記ダイオードは、並列に接続される前記自己消弧型素子に内蔵される寄生ダイオードであってもよい。
【００１５】
また、本発明の第二の観点に係る磁気エネルギー回生スイッチ制御方法は、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチにおいて、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第三の観点に係るプログラムは、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のリアクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチの前記第１乃至４の自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御するためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにするステップと、
一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにするステップと、
を実行させる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低損失で順逆両方向の電流の導通・遮断を切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の接続例を示す回路図である。
【図３】特許文献１に記載のＭＥＲＳの状態遷移図である。
【図４】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の、スイッチの制御方法を説明するための図である。
【図５】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の状態遷移図である。
【図６】遮断状態から導通状態にする場合の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの推移を示す図である。
【図７】導通状態から遮断状態にする場合の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの推移を示す図である。
【図８】逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦに対する逆導通型半導体スイッチＳＷ３の電流・電圧の変化を示す図である。
【図９】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【図１０】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【図１１】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置を、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を説明する。
磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４と、制御回路２００と、コンデンサＣＭと、端子１０１，１０２と、から構成される。
【００２１】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４と、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４に並列に接続されたダイオード部ＤＳＷ１乃至４とから構成されている。
【００２２】
スイッチ部ＳＳＷ１乃至４は、ゲートＧＳＷ１乃至４を備え、ゲートＧＳＷ１乃至４に閾値電圧以上の電圧を印加するとＯＮし、ソース・ドレイン間の電流路が導通する。一方、ゲートＧＳＷ１乃至４に印加する電圧が閾値電圧未満の場合には、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４はＯＦＦし、ダイオード部ＤＳＷ１乃至４により、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４がダイオードとして機能する。
なお、本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のオン抵抗は０．２Ω、ＯＦＦの場合のドロップ電圧（寄生ダイオードの順方向電圧）は１．２Ｖである。
【００２３】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、交流端子ＡＣ１にダイオード部ＤＳＷ１のアノードとダイオード部ＤＳＷ２のカソードとに接続され、直流端子ＤＣＰにダイオード部ＤＳＷ１のカソードとダイオード部ＤＳＷ３のカソードとコンデンサＣＭの正極が接続され、直流端子ＤＣＮにダイオード部ＤＳＷ２のアノードとダイオード部ＤＳＷ４のアノードとコンデンサＣＭの負極が接続され、ダイオード部ＤＳＷ３のアノードとダイオード部ＤＳＷ４のカソードとが交流端子ＡＣ２に接続される。
【００２４】
制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦを制御する装置である。制御回路２００の４つの出力端は、対応する逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のゲートＧＳＷ１乃至４に接続され、ゲートＧＳＷ１乃至４にゲート電圧を印加する。
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４はそれぞれ、制御回路２００から出力されるゲート電圧によって、ＯＮ・ＯＦＦが切り替わる。
【００２５】
図２は、磁気エネルギー回生スイッチ装置１の接続例を示すものである。
【００２６】
コンデンサＣＭは、本実施形態では、容量が１マイクロＦの有極性コンデンサである。
端子１０１には、本実施形態では、出力電圧が１０Ｖの直流電源３００が接続されている。
端子１０２には、本実施形態では、１００マイクロＨのインダクタンスＬと１０Ωの抵抗Ｒとから構成された誘導性負荷４００が接続されている。
【００２７】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１のフルブリッジ型ＭＥＲＳ１００と同様の構成をしている。しかし、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳと磁気エネルギー回生スイッチ装置１のフルブリッジ型ＭＥＲＳ１００では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替える方法が異なる。
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、例えば、交流端子ＡＣ１側から交流端子ＡＣ２側に流れる電流の導通・遮断を切り替える場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３のＯＮ・ＯＦＦを同時に切り替える。逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４はＯＦＦ状態を維持する。
【００２８】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳに対して、本発明の磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、電流を導通させる場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＳＷ４のペアと、逆導通型半導体スイッチＳＷ２及び３のペアと、のうち、片方のペアをＯＮした後に他方のペアもＯＮにし、電流を遮断させる場合、片方のペアをＯＦＦした後に他方のペアもＯＦＦにする。
【００２９】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳと、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の効果の違いを容易に理解するために、まず、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳについて詳細に説明する。
【００３０】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、図３（ａ）〜（ｄ）に示す、（ａ）通電状態，（ｂ）充電状態，（ｃ）遮断状態，（ｄ）放電状態の４つの状態を遷移する。
【００３１】
なお、図３の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の表記において、電流の流れ方をわかりやすくするため、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、電流の流れる部分を実線で、流れない部分を点線で表記してある。また、理解を容易にするため、制御回路２００と端子１０１，１０２と直流電源３００とインダクタンスＬと抵抗Ｒを図示していない。
【００３２】
フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００に接続された誘導性負荷４００に直流電源３００からの電力を供給する場合、例えば、ユーザは制御回路２００にオンを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を同時にＯＮする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳは図３（ａ）の導通状態になり、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３との直列回路から構成される流路とＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２とＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ４との直列回路から構成される流路との並列回路を介して、誘導性負荷４００に電流が供給される。
【００３３】
図３（ａ）の導通状態において、誘導性負荷４００への電力の供給をオフしたい場合、例えば、ユーザは制御回路２００にオフを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３を同時にＯＦＦする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００には、誘導性負荷４００による遅れ電流が流れ、コンデンサＣＭが、それまで誘導性負荷４００のインダクタンスＬに蓄積されていた磁気エネルギーを（静電エネルギーに変換して）蓄積し始め、図３（ｂ）に示す充電状態になる。
この充電状態では、遅れ電流は、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れ、コンデンサＣＭを充電し、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ４を介して負荷に流れる。
【００３４】
遅れ電流が流れ終わると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は、図３（ｃ）に示す遮断状態になる。遮断状態では、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は遮断され、コンデンサＣＭは蓄積した静電エネルギーを保持する。
【００３５】
図３（ｃ）の遮断状態において、誘導性負荷４００に電力を再度供給したい場合、例えば、ユーザは、制御回路２００にオンを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、まず、逆導通型半導体スイッチＳＷ２とＳＷ３を同時にＯＮする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は、図３（ｄ）に示す放電状態になる。すると、電流は、ＯＮになった逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を通り、誘導性負荷４００に流れる。また、直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が誘導性負荷４００を流れる。コンデンサＣＭから電荷が放電されたことによる電流が誘導性負荷４００を流れることによって、磁気エネルギーが回生される。
【００３６】
しかし、図３で示したように、（ａ）導通状態と（ｂ）充電状態において、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及び逆導通型半導体スイッチＳＷ４の逆導通時に、電流が逆導通型半導体スイッチを構成する逆導通のためのダイオードに流れることで、ドロップ電圧が生じ、電力損失が発生する。
【００３７】
実際に、図２に示す回路において、デューティ比が５０％、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３を特許文献１に記載の方法で制御した。結果、入力電力は４．５３Ｗで、出力電力は３．９６Ｗであった。入力電力と出力電力の差から、特許文献１に記載の方法で制御した場合の、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００での電力損失は０．５６Ｗであるとわかる。
【００３８】
以上が、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳの説明である。
【００３９】
次に、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を説明する。
磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳにおいて、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチのダイオードに電流が流れて、電力損失が発生する問題を解消したものである。
【００４０】
ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチのダイオードに電流が流れないようにするため、磁気エネルギー回生スイッチ装置１では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の制御方法を図４に示す制御方法に変更した。
図４は、コンデンサＣＭの電圧Ｖｃに対する逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦを示した図であり、横軸は時刻ｔｉｍｅである。なお、図４は、概念を示したものであり、横軸の単位を示していない。
【００４１】
導通する電流を時刻Ｔ１で遮断する場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３を時刻Ｔ１でＯＦＦし、遅れ電流がコンデンサに流れ終わる時刻Ｔ２で、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
遮断している電流を時刻Ｔ３で導通させる場合、時刻Ｔ３で逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮし、コンデンサＣＭが放電し終わる時刻Ｔ４で逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。
【００４２】
図４に示す制御方法で、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４が制御されると、磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、図５（ａ）〜（ｄ）に示す（ａ）導通状態，（ｂ）充電状態，（ｃ）遮断状態，（ｄ）放電状態の４つの状態を遷移する。
なお、図５の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の表記において、電流の流れ方を理解しやすくするため、電流の流れる部分を実線で、流れない部分を点線で表記してある。また、理解を容易にするため、制御回路２００と、端子１０１，１０２と、直流電源３００と、インダクタンスＬと、抵抗Ｒは図示していない。
【００４３】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４がＯＮの場合、電流は（ａ）導通状態である。（ａ）導通状態において、電流は、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３と、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４と、の並列回路を流れる。
【００４４】
（ａ）導通状態時に、例えば、ユーザは制御回路２００に電流の遮断を指示したとする。制御回路２００はこの指示に応答して、まず逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３をＯＦＦする。逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３がＯＦＦになると、誘導性負荷４００のインダクタンスＬによる遅れ電流が流れ、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は磁気エネルギーを蓄積する（ｂ）充電状態になる。
遅れ電流はＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れ、コンデンサＣＭを充電する。コンデンサＣＭを流れる電流は、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４を通過し、誘導性負荷４００に流れる。
【００４５】
遅れ電流が全て流れ終わると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００が（ｃ）遮断状態になるとともに、制御回路２００は逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
（ｃ）遮断状態では、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は遮断され、コンデンサＣＭは蓄積した電荷を保持する。
【００４６】
（ｃ）遮断状態時に、例えばユーザが電流の導通を指示すると、制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮになると、コンデンサＣＭの保持する電荷が放電され、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は（ｄ）放電状態になる。
逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は、ＯＮになった逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を通過し、誘導性負荷４００に流れる。直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が誘導性負荷４００に流れる。（ｄ）放電状態において、コンデンサＣＭから電荷が放電されたことによる電流が、誘導性負荷４００に流れることによって、磁気エネルギーが回生される。
【００４７】
コンデンサＣＭの放電が終わると、電流は、（ａ）導通状態になるとともに、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされる。逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされると、電流は再び、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３と、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４との並列回路を流れる。
【００４８】
以上、図５を参照して説明した通り、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１では、電流が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４を構成するダイオードＤＳＷ１乃至４に流れることがない。よって、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４に逆導通の電流が流れてドロップ電圧が生じることはない。
【００４９】
実際に、図２で示した本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を用いた回路において、図５の（ｃ）遮断状態時に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＮし、１３マイクロ秒遅れて逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮした。その結果の、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄ，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒ，コンデンサの電圧Ｖｃ，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの関係は図６に示すようになった。
図６（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる電流である負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図６（ｂ）は、抵抗Ｒに印加される電圧である電圧Ｖｒ並びに、コンデンサＣＭの電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃの推移を示す図である。
図６（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。なお、１３マイクロ秒は、図２で示した回路において、コンデンサＣＭが蓄積した磁気エネルギーの回生が終わる概略の時間である。
【００５０】
時刻Ｔ１１において、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、負荷電流Ｉｌｏａｄが流れ出す。負荷電流Ｉｌｏａｄの変化に伴い、電圧Ｖｒが変化する。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、まず、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されるので、コンデンサ電圧Ｖｃが減少する。なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が流れるため、誘導性負荷４００を流れる負荷電流Ｉｌｏａｄはオーバーシュートする。
コンデンサＣＭの放電が完了する時刻Ｔ１２において逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮすると、電圧Ｖｒは、約１０Ｖに収束する。直流電源３００が１０Ｖに対し、出力が１０Ｖであることからも、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れることによるドロップ電圧が生じていないことがわかる。
【００５１】
また、同様に、図２に示した本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を用いた回路において、導通状態時のある時刻Ｔ２１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＦＦし、１３マイクロ秒後の時刻Ｔ２２に逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＦＦした。結果、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄ，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒ，コンデンサの電圧Ｖｃ，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの関係は図７（ａ）〜（ｃ）のようになった。
図７（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる電流である負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図７（ｂ）は、抵抗Ｒに印加される電圧である電圧Ｖｒ並びに、コンデンサＣＭの電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃの推移を示す図である。
図７（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。
【００５２】
時刻Ｔ２１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＦＦになると、負荷電流Ｉｌｏａｄは瞬時に遮断されるわけではなく、遅れ電流が流れていることがわかる。また、負荷電流Ｉｌｏａｄの変化に伴い電圧Ｖｒが変化している。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦになると、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇していることからも、磁気エネルギーによる遅れ電流はコンデンサＣＭへ流れていることがわかる。
時刻Ｔ２１から１３マイクロ秒後の時刻Ｔ２２に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＦＦになった。しかし、コンデンサ電圧Ｖｃは０でなく、放電が完了していなかった。コンデンサＣＭが放電を完了するのは時刻Ｔ２２よりあとの時刻Ｔ２３であった。
【００５３】
以上、図６，７を参照して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３に対して１３マイクロ秒後に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４を制御する場合の、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄと，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒと，コンデンサの電圧Ｖｃと，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦとの関係を説明した。
【００５４】
次に、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の消費電力について説明する。
実際に、図１の回路において、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１をデューティ比が５０％、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御した場合の消費電力を測定した。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ４に流れる電流と印加される電圧を測定した。
なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３と逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４を制御する時間の差は、図６，７で説明した時間と同じ、１３マイクロ秒である。
結果得られる誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄと、逆導通型半導体スイッチＳＷ３の電流・電圧と、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの関係を図８に示す。
図８（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図８（ｂ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に流れる電流Ｉ３と、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に印加される電圧Ｖ３の推移を示す図である。なお、電圧Ｖ３の値は０．１倍してプロットしてある。
図８（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。
なお、スイッチは、デューティ比が５０％で、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御されているため、時刻Ｔ３３は時刻Ｔ３１の０．５ミリ秒後で、時刻Ｔ３４は時刻Ｔ３２の０．５ミリ秒後である。
【００５５】
まず、逆導通型半導体スイッチＳＷ３を流れる電流と印加される電圧の推移について説明する。
時刻Ｔ３１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３はＯＮされる。なお、時刻Ｔ３１以前は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３はＯＦＦなので、電圧Ｖ３が印加されるが、電流Ｉ３は流れない。時刻Ｔ３１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３にかかる電圧Ｖ３は、略０になり、逆導通型半導体スイッチＳＷ３には直流電源３００からの電流に加え、コンデンサＣＭに蓄えられていた電荷が流れる。
時刻Ｔ３２に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされると、電流は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１側と逆導通型半導体スイッチＳＷ２側に分流されるので、Ｉ３はほぼ半分になる。ただし、今回の場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮするタイミングが速かったため、コンデンサＣＭが短絡され、時刻Ｔ３２のＩ３にノイズが発生した。
時刻Ｔ３３に逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に流れる電流Ｉ３は遮断される。また、遅れ電流がコンデンサＣＭに流れることにより、コンデンサＣＭが充電状態になり、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に印加される電圧Ｖ３が上昇する。
時刻Ｔ３４に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＦＦされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ２側に流れる電流も遮断されるため、逆導通型半導体スイッチＳＷ３には直流電源３００から約１０Ｖの電圧が印加される。
【００５６】
以上説明した通り、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に電流が流れるのは、逆導通型半導体スイッチＳＷ３をＯＮしている期間のみである。よって、逆導通型半導体スイッチＳＷ３を電流が導通することによって消費される電力は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３のＯＮ抵抗によって消費される電力のみである。ＯＮ抵抗で消費される電力は、ドロップ電圧による電力損失より小さく、消費電力は低減する。
実際にデューティ比が５０％で、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御した場合の消費電力を測定した。結果、入力電力５．１０Ｗで、出力電力が５．０５Ｗであった。入力電力と出力電力の差から、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４に消費された電力は０．０５Ｗであるとわかる。
つまり、特許文献１に記載の方法で逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４を制御した場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の消費電力は０．５６Ｗであったのに対して、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の消費電力は０．０５Ｗに低減された。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、磁気エネルギー回生スイッチにおいて、逆導通型半導体スイッチのドロップ電圧に起因する電力損失を回避しつつ、電流の導通・遮断を制御できるようになった。
【００５８】
尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、パワーＭＯＳＦＥＴであるとして説明した。しかし、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、逆導電型のスイッチであればよく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ：Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）であってもよいし、電流の導通・遮断をＯＮ・ＯＦＦするスイッチとダイオードの組み合わせでも良い。
【００６０】
また、コンデンサＣＭは、有極性コンデンサであるとして説明した。しかし、コンデンサＣＭは、磁気エネルギーを吸収する容量があればよく、極性を持っていてもよい。例えば、コンデンサＣＭは、セラミックコンデンサや、プラスチックフィルムコンデンサであってもよい。
【００６１】
また、直流電源３００は出力１０Ｖの直流電源であると説明したが、電圧源は１０Ｖに限定されるわけではない。本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の耐性は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の耐性に大きく依存する。
【００６２】
また、本実施形態では、端子１０１に直流電源３００を、端子１０２に誘導性負荷４００を接続した。しかし、逆に、端子１０２に直流電源３００を、端子１０１に誘導性負荷４００を接続することも可能である。
この場合、本実施形態とは逆に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４のＯＮ・ＯＦＦに対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３のＯＮ・ＯＦＦを遅らせればよい。
【００６３】
また、本実施形態で、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３に対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ１を１３マイクロ秒遅らせて使用した。しかし、１３マイクロ秒に限られるわけでない。
逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされた後、コンデンサＣＭの電圧が略０になれば逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＮされればよい。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦされた後、誘導性負荷４００に流れる電流が略０になれば逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＦＦされればよい。
例えば、図９に示すように、電圧計５００でコンデンサＣＭの電圧を計測し、計測した電圧の情報を制御回路２００に出力し、電圧が略０になると制御回路２００が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。
例えば、図１０に示すように、電流計６００で負荷電流を計測し、計測した電流の情報を制御回路２００に出力し、電流が略０になると制御回路２００が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
また、図１１に示すように、電圧計５００と電流計６００とを共に配置し、同様にその出力を従って逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを切り替えてよい。
なお。電流の向きが逆の場合は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４に対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を遅らせてＯＮ・ＯＦＦを切り替えればよい。
【００６４】
また、制御回路２００は、上述した制御をする回路として説明したが、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶手段を備えたマイクロコンコントローラ（以下、「マイコン」と呼称する。）などのコンピュータであってもよい。
特に、制御回路２００がマイコンである場合、マイコンの出力する１と０の信号に対して逆導通型半導体スイッチがＯＮ・ＯＦＦするように、逆導通型半導体スイッチとマイコンを組み合わせれば、マイコンの出力で逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを切り替えられるので、部品数が少なく済む。
この場合は、例えば、上述したゲート信号を出力するようなプログラムを、予めマイコンに記憶させればよい。
【００６５】
また、コンピュータに上述の制御を実行させるためのプログラムを、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｋ）などのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、これを別のコンピュータにインストールし、上述の手段として動作させ、あるいは、上述の工程を実行させてもよい。
【００６６】
さらに、インターネット上のサーバ装置が有する外部記憶装置等にプログラムを格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロード等するものとしてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１ 磁気エネルギー回生スイッチ装置
１００ フルブリッジ型ＭＥＲＳ
２００ 制御回路
３００ 直流電源
４００ 誘導性負荷
５００ 電圧計
６００ 電流計
ＣＭ コンデンサ
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ 逆導通型半導体スイッチ
ＤＳＷ１，ＤＳＷ２，ＤＳＷ３，ＤＳＷ４ ダイオード部
ＳＳＷ１，ＳＳＷ２，ＳＳＷ３，ＳＳＷ４ スイッチ部
ＧＳＷ１，ＧＳＷ２，ＧＳＷ３，ＧＳＷ４ ゲート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気エネルギー回生スイッチ装置、磁気エネルギー回生スイッチ制御方法、及び、プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気エネルギーを蓄積・回生できる、順逆両方向の電流を制御するスイッチ回路として、フルブリッジ型の磁気エネルギー回生スイッチ（ＭＥＲＳ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｗｉｔｃｈ）（以下、「フルブリッジ型ＭＥＲＳ」と呼称する。）が知られている。
【０００３】
フルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つの逆導通型半導体スイッチと1つのコンデンサで構成される。４つの逆導通型半導体スイッチは、ブリッジ回路の態様に接続され、ブリッジ回路の直流端子間に、コンデンサが接続される。フルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つの逆導通型半導体スイッチを制御することによって、フルブリッジ型ＭＥＲＳを通過する電流を制御することが可能である。
【０００４】
特許文献１に、フルブリッジ型ＭＥＲＳを構成する４つの逆導通型半導体スイッチのうち、２つの逆導通型半導体スイッチを常にＯＦＦにし、他の２つの逆導通型半導体スイッチを同時にＯＮ・ＯＦＦすることによって、順逆両方向の電流の導通・遮断を制御するＭＥＲＳが、開示されている。
【０００５】
このフルブリッジ型ＭＥＲＳは、４つ逆導通型半導体スイッチのうち、対角線上に位置する２つの逆導通型半導体スイッチをそれぞれペアにする。この２つのペアのうち、導通する電流の向きに応じて、片方のペアは常にＯＦＦにし、他方のペアの逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを制御する。
この他方のペアがＯＮだと電流は導通し、ＯＦＦだと電流は遮断される。
【０００６】
このペアの逆導通型半導体スイッチがＯＮからＯＦＦになると、即座には電流は遮断されず、負荷のインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーによる遅れ電流が生じる。フルブリッジ型ＭＥＲＳのコンデンサは、磁気エネルギーによる遅れ電流を吸収し、電荷を蓄積する。
電流を遮断するためＯＦＦにされたペアの逆導通型半導体スイッチが再びＯＮになると、電源により電圧が印加されるとともに、コンデンサに蓄積された電荷が放電され、磁気エネルギーは回生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６３４９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、逆導通型半導体スイッチを構成するダイオードに電流が流れることで、ダイオードの順方向電圧降下による電力損失が生じる。
【０００９】
したがって、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れないように制御する必要がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、フルブリッジ型ＭＥＲＳを構成するＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れることなく、順逆両方向の電流の導通・遮断を制御する磁気エネルギー回生スイッチ装置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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置は、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする。
【００１２】
例えば、前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に前記誘導性負荷に流れる電流が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにしてもよい。
【００１３】
また、例えば、前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に前記コンデンサの電圧が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにしてもよい。
【００１４】
例えば、各前記ダイオードは、並列に接続される前記自己消弧型素子に内蔵される寄生ダイオードであってもよい。
【００１５】
また、本発明の第二の観点に係る磁気エネルギー回生スイッチ制御方法は、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチにおいて、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第三の観点に係るプログラムは、
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のリアクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチの前記第１乃至４の自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御するためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにするステップと、
一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにするステップと、
を実行させる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低損失で順逆両方向の電流の導通・遮断を切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の接続例を示す回路図である。
【図３】特許文献１に記載のＭＥＲＳの状態遷移図である。
【図４】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の、スイッチの制御方法を説明するための図である。
【図５】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の状態遷移図である。
【図６】遮断状態から導通状態にする場合の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの推移を示す図である。
【図７】導通状態から遮断状態にする場合の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの推移を示す図である。
【図８】逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦに対する逆導通型半導体スイッチＳＷ３の電流・電圧の変化を示す図である。
【図９】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【図１０】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【図１１】本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置の応用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置を、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を説明する。
磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４と、制御回路２００と、コンデンサＣＭと、端子１０１，１０２と、から構成される。
【００２１】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４と、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４に並列に接続されたダイオード部ＤＳＷ１乃至４とから構成されている。
【００２２】
スイッチ部ＳＳＷ１乃至４は、ゲートＧＳＷ１乃至４を備え、ゲートＧＳＷ１乃至４に閾値電圧以上の電圧を印加するとＯＮし、ソース・ドレイン間の電流路が導通する。一方、ゲートＧＳＷ１乃至４に印加する電圧が閾値電圧未満の場合には、スイッチ部ＳＳＷ１乃至４はＯＦＦし、ダイオード部ＤＳＷ１乃至４により、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４がダイオードとして機能する。
なお、本実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のオン抵抗は０．２Ω、ＯＦＦの場合のドロップ電圧（寄生ダイオードの順方向電圧）は１．２Ｖである。
【００２３】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、交流端子ＡＣ１にダイオード部ＤＳＷ１のアノードとダイオード部ＤＳＷ２のカソードとに接続され、直流端子ＤＣＰにダイオード部ＤＳＷ１のカソードとダイオード部ＤＳＷ３のカソードとコンデンサＣＭの正極が接続され、直流端子ＤＣＮにダイオード部ＤＳＷ２のアノードとダイオード部ＤＳＷ４のアノードとコンデンサＣＭの負極が接続され、ダイオード部ＤＳＷ３のアノードとダイオード部ＤＳＷ４のカソードとが交流端子ＡＣ２に接続される。
【００２４】
制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦを制御する装置である。制御回路２００の４つの出力端は、対応する逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のゲートＧＳＷ１乃至４に接続され、ゲートＧＳＷ１乃至４にゲート電圧を印加する。
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４はそれぞれ、制御回路２００から出力されるゲート電圧によって、ＯＮ・ＯＦＦが切り替わる。
【００２５】
図２は、磁気エネルギー回生スイッチ装置１の接続例を示すものである。
【００２６】
コンデンサＣＭは、本実施形態では、容量が１マイクロＦの有極性コンデンサである。
端子１０１には、本実施形態では、出力電圧が１０Ｖの直流電源３００が接続されている。
端子１０２には、本実施形態では、１００マイクロＨのインダクタンスＬと１０Ωの抵抗Ｒとから構成された誘導性負荷４００が接続されている。
【００２７】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１のフルブリッジ型ＭＥＲＳ１００と同様の構成をしている。しかし、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳと磁気エネルギー回生スイッチ装置１のフルブリッジ型ＭＥＲＳ１００では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替える方法が異なる。
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、例えば、交流端子ＡＣ１側から交流端子ＡＣ２側に流れる電流の導通・遮断を切り替える場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ２と逆導通型半導体スイッチＳＷ３のＯＮ・ＯＦＦを同時に切り替える。逆導通型半導体スイッチＳＷ１と逆導通型半導体スイッチＳＷ４はＯＦＦ状態を維持する。
【００２８】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳに対して、本発明の磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、電流を導通させる場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＳＷ４のペアと、逆導通型半導体スイッチＳＷ２及び３のペアと、のうち、片方のペアをＯＮした後に他方のペアもＯＮにし、電流を遮断させる場合、片方のペアをＯＦＦした後に他方のペアもＯＦＦにする。
【００２９】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳと、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の効果の違いを容易に理解するために、まず、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳについて詳細に説明する。
【００３０】
特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳは、図３（ａ）〜（ｄ）に示す、（ａ）通電状態，（ｂ）充電状態，（ｃ）遮断状態，（ｄ）放電状態の４つの状態を遷移する。
【００３１】
なお、図３の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の表記において、電流の流れ方をわかりやすくするため、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、電流の流れる部分を実線で、流れない部分を点線で表記してある。また、理解を容易にするため、制御回路２００と端子１０１，１０２と直流電源３００とインダクタンスＬと抵抗Ｒを図示していない。
【００３２】
フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００に接続された誘導性負荷４００に直流電源３００からの電力を供給する場合、例えば、ユーザは制御回路２００にオンを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を同時にＯＮする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳは図３（ａ）の導通状態になり、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１とＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３との直列回路から構成される流路とＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２とＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ４との直列回路から構成される流路との並列回路を介して、誘導性負荷４００に電流が供給される。
【００３３】
図３（ａ）の導通状態において、誘導性負荷４００への電力の供給をオフしたい場合、例えば、ユーザは制御回路２００にオフを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３を同時にＯＦＦする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００には、誘導性負荷４００による遅れ電流が流れ、コンデンサＣＭが、それまで誘導性負荷４００のインダクタンスＬに蓄積されていた磁気エネルギーを（静電エネルギーに変換して）蓄積し始め、図３（ｂ）に示す充電状態になる。
この充電状態では、遅れ電流は、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れ、コンデンサＣＭを充電し、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ４を介して負荷に流れる。
【００３４】
遅れ電流が流れ終わると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は、図３（ｃ）に示す遮断状態になる。遮断状態では、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は遮断され、コンデンサＣＭは蓄積した静電エネルギーを保持する。
【００３５】
図３（ｃ）の遮断状態において、誘導性負荷４００に電力を再度供給したい場合、例えば、ユーザは、制御回路２００にオンを指示する。制御回路２００は、この指示に応答し、まず、逆導通型半導体スイッチＳＷ２とＳＷ３を同時にＯＮする。すると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は、図３（ｄ）に示す放電状態になる。すると、電流は、ＯＮになった逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を通り、誘導性負荷４００に流れる。また、直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が誘導性負荷４００を流れる。コンデンサＣＭから電荷が放電されたことによる電流が誘導性負荷４００を流れることによって、磁気エネルギーが回生される。
【００３６】
しかし、図３で示したように、（ａ）導通状態と（ｂ）充電状態において、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及び逆導通型半導体スイッチＳＷ４の逆導通時に、電流が逆導通型半導体スイッチを構成する逆導通のためのダイオードに流れることで、ドロップ電圧が生じ、電力損失が発生する。
【００３７】
実際に、図２に示す回路において、デューティ比が５０％、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３を特許文献１に記載の方法で制御した。結果、入力電力は４．５３Ｗで、出力電力は３．９６Ｗであった。入力電力と出力電力の差から、特許文献１に記載の方法で制御した場合の、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００での電力損失は０．５６Ｗであるとわかる。
【００３８】
以上が、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳの説明である。
【００３９】
次に、本実施形態に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を説明する。
磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、特許文献１に記載のフルブリッジ型ＭＥＲＳにおいて、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチのダイオードに電流が流れて、電力損失が発生する問題を解消したものである。
【００４０】
ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチのダイオードに電流が流れないようにするため、磁気エネルギー回生スイッチ装置１では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の制御方法を図４に示す制御方法に変更した。
図４は、コンデンサＣＭの電圧Ｖｃに対する逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦを示した図であり、横軸は時刻ｔｉｍｅである。なお、図４は、概念を示したものであり、横軸の単位を示していない。
【００４１】
導通する電流を時刻Ｔ１で遮断する場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３を時刻Ｔ１でＯＦＦし、遅れ電流がコンデンサに流れ終わる時刻Ｔ２で、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
遮断している電流を時刻Ｔ３で導通させる場合、時刻Ｔ３で逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３をＯＮし、コンデンサＣＭが放電し終わる時刻Ｔ４で逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。
【００４２】
図４に示す制御方法で、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４が制御されると、磁気エネルギー回生スイッチ装置１は、図５（ａ）〜（ｄ）に示す（ａ）導通状態，（ｂ）充電状態，（ｃ）遮断状態，（ｄ）放電状態の４つの状態を遷移する。
なお、図５の逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の表記において、電流の流れ方を理解しやすくするため、電流の流れる部分を実線で、流れない部分を点線で表記してある。また、理解を容易にするため、制御回路２００と、端子１０１，１０２と、直流電源３００と、インダクタンスＬと、抵抗Ｒは図示していない。
【００４３】
逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４がＯＮの場合、電流は（ａ）導通状態である。（ａ）導通状態において、電流は、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３と、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４と、の並列回路を流れる。
【００４４】
（ａ）導通状態時に、例えば、ユーザは制御回路２００に電流の遮断を指示したとする。制御回路２００はこの指示に応答して、まず逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３をＯＦＦする。逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＳＷ３がＯＦＦになると、誘導性負荷４００のインダクタンスＬによる遅れ電流が流れ、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は磁気エネルギーを蓄積する（ｂ）充電状態になる。
遅れ電流はＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１を流れ、コンデンサＣＭを充電する。コンデンサＣＭを流れる電流は、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４を通過し、誘導性負荷４００に流れる。
【００４５】
遅れ電流が全て流れ終わると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００が（ｃ）遮断状態になるとともに、制御回路２００は逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
（ｃ）遮断状態では、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は遮断され、コンデンサＣＭは蓄積した電荷を保持する。
【００４６】
（ｃ）遮断状態時に、例えばユーザが電流の導通を指示すると、制御回路２００は、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＮにする。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮになると、コンデンサＣＭの保持する電荷が放電され、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００は（ｄ）放電状態になる。
逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、フルブリッジ型ＭＥＲＳ１００を通過する電流は、ＯＮになった逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を通過し、誘導性負荷４００に流れる。直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が誘導性負荷４００に流れる。（ｄ）放電状態において、コンデンサＣＭから電荷が放電されたことによる電流が、誘導性負荷４００に流れることによって、磁気エネルギーが回生される。
【００４７】
コンデンサＣＭの放電が終わると、電流は、（ａ）導通状態になるとともに、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされる。逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされると、電流は再び、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ１及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ３と、ＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ２及びＯＮの逆導通型半導体スイッチＳＷ４との並列回路を流れる。
【００４８】
以上、図５を参照して説明した通り、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１では、電流が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４を構成するダイオードＤＳＷ１乃至４に流れることがない。よって、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４に逆導通の電流が流れてドロップ電圧が生じることはない。
【００４９】
実際に、図２で示した本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を用いた回路において、図５の（ｃ）遮断状態時に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＮし、１３マイクロ秒遅れて逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮした。その結果の、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄ，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒ，コンデンサの電圧Ｖｃ，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの関係は図６に示すようになった。
図６（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる電流である負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図６（ｂ）は、抵抗Ｒに印加される電圧である電圧Ｖｒ並びに、コンデンサＣＭの電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃの推移を示す図である。
図６（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。なお、１３マイクロ秒は、図２で示した回路において、コンデンサＣＭが蓄積した磁気エネルギーの回生が終わる概略の時間である。
【００５０】
時刻Ｔ１１において、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、負荷電流Ｉｌｏａｄが流れ出す。負荷電流Ｉｌｏａｄの変化に伴い、電圧Ｖｒが変化する。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、まず、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されるので、コンデンサ電圧Ｖｃが減少する。なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、直流電源３００から供給される電流に加え、コンデンサＣＭに蓄積された電荷が放電されたことに起因する電流が流れるため、誘導性負荷４００を流れる負荷電流Ｉｌｏａｄはオーバーシュートする。
コンデンサＣＭの放電が完了する時刻Ｔ１２において逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮすると、電圧Ｖｒは、約１０Ｖに収束する。直流電源３００が１０Ｖに対し、出力が１０Ｖであることからも、ＯＦＦの逆導通型半導体スイッチに電流が流れることによるドロップ電圧が生じていないことがわかる。
【００５１】
また、同様に、図２に示した本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１を用いた回路において、導通状態時のある時刻Ｔ２１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＦＦし、１３マイクロ秒後の時刻Ｔ２２に逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３をＯＦＦした。結果、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄ，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒ，コンデンサの電圧Ｖｃ，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの関係は図７（ａ）〜（ｃ）のようになった。
図７（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる電流である負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図７（ｂ）は、抵抗Ｒに印加される電圧である電圧Ｖｒ並びに、コンデンサＣＭの電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃの推移を示す図である。
図７（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。
【００５２】
時刻Ｔ２１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＦＦになると、負荷電流Ｉｌｏａｄは瞬時に遮断されるわけではなく、遅れ電流が流れていることがわかる。また、負荷電流Ｉｌｏａｄの変化に伴い電圧Ｖｒが変化している。逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦになると、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇していることからも、磁気エネルギーによる遅れ電流はコンデンサＣＭへ流れていることがわかる。
時刻Ｔ２１から１３マイクロ秒後の時刻Ｔ２２に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＦＦになった。しかし、コンデンサ電圧Ｖｃは０でなく、放電が完了していなかった。コンデンサＣＭが放電を完了するのは時刻Ｔ２２よりあとの時刻Ｔ２３であった。
【００５３】
以上、図６，７を参照して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３に対して１３マイクロ秒後に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４を制御する場合の、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄと，抵抗Ｒに印加される電圧Ｖｒと，コンデンサの電圧Ｖｃと，逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦとの関係を説明した。
【００５４】
次に、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の消費電力について説明する。
実際に、図１の回路において、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１をデューティ比が５０％、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御した場合の消費電力を測定した。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ４に流れる電流と印加される電圧を測定した。
なお、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３と逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４を制御する時間の差は、図６，７で説明した時間と同じ、１３マイクロ秒である。
結果得られる誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄと、逆導通型半導体スイッチＳＷ３の電流・電圧と、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの関係を図８に示す。
図８（ａ）は、誘導性負荷４００に流れる負荷電流Ｉｌｏａｄの推移を示す図である。
図８（ｂ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に流れる電流Ｉ３と、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に印加される電圧Ｖ３の推移を示す図である。なお、電圧Ｖ３の値は０．１倍してプロットしてある。
図８（ｃ）は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４のＯＮ・ＯＦＦの切り替えの推移を示す図である。
なお、スイッチは、デューティ比が５０％で、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御されているため、時刻Ｔ３３は時刻Ｔ３１の０．５ミリ秒後で、時刻Ｔ３４は時刻Ｔ３２の０．５ミリ秒後である。
【００５５】
まず、逆導通型半導体スイッチＳＷ３を流れる電流と印加される電圧の推移について説明する。
時刻Ｔ３１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３はＯＮされる。なお、時刻Ｔ３１以前は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３はＯＦＦなので、電圧Ｖ３が印加されるが、電流Ｉ３は流れない。時刻Ｔ３１に、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３にかかる電圧Ｖ３は、略０になり、逆導通型半導体スイッチＳＷ３には直流電源３００からの電流に加え、コンデンサＣＭに蓄えられていた電荷が流れる。
時刻Ｔ３２に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４がＯＮされると、電流は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１側と逆導通型半導体スイッチＳＷ２側に分流されるので、Ｉ３はほぼ半分になる。ただし、今回の場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４をＯＮするタイミングが速かったため、コンデンサＣＭが短絡され、時刻Ｔ３２のＩ３にノイズが発生した。
時刻Ｔ３３に逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に流れる電流Ｉ３は遮断される。また、遅れ電流がコンデンサＣＭに流れることにより、コンデンサＣＭが充電状態になり、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に印加される電圧Ｖ３が上昇する。
時刻Ｔ３４に逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＦＦされると、逆導通型半導体スイッチＳＷ２側に流れる電流も遮断されるため、逆導通型半導体スイッチＳＷ３には直流電源３００から約１０Ｖの電圧が印加される。
【００５６】
以上説明した通り、逆導通型半導体スイッチＳＷ３に電流が流れるのは、逆導通型半導体スイッチＳＷ３をＯＮしている期間のみである。よって、逆導通型半導体スイッチＳＷ３を電流が導通することによって消費される電力は、逆導通型半導体スイッチＳＷ３のＯＮ抵抗によって消費される電力のみである。ＯＮ抵抗で消費される電力は、ドロップ電圧による電力損失より小さく、消費電力は低減する。
実際にデューティ比が５０％で、周波数が１ｋＨｚの矩形波信号によって制御した場合の消費電力を測定した。結果、入力電力５．１０Ｗで、出力電力が５．０５Ｗであった。入力電力と出力電力の差から、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４に消費された電力は０．０５Ｗであるとわかる。
つまり、特許文献１に記載の方法で逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４を制御した場合、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の消費電力は０．５６Ｗであったのに対して、本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の消費電力は０．０５Ｗに低減された。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、磁気エネルギー回生スイッチにおいて、逆導通型半導体スイッチのドロップ電圧に起因する電力損失を回避しつつ、電流の導通・遮断を制御できるようになった。
【００５８】
尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。
【００５９】
例えば、上記実施形態では、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、パワーＭＯＳＦＥＴであるとして説明した。しかし、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４は、逆導電型のスイッチであればよく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ：Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）であってもよいし、電流の導通・遮断をＯＮ・ＯＦＦするスイッチとダイオードの組み合わせでも良い。
【００６０】
また、コンデンサＣＭは、有極性コンデンサであるとして説明した。しかし、コンデンサＣＭは、磁気エネルギーを吸収する容量があればよく、極性を持っていてもよい。例えば、コンデンサＣＭは、セラミックコンデンサや、プラスチックフィルムコンデンサであってもよい。
【００６１】
また、直流電源３００は出力１０Ｖの直流電源であると説明したが、電圧源は１０Ｖに限定されるわけではない。本発明に係る磁気エネルギー回生スイッチ装置１の耐性は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１乃至４の耐性に大きく依存する。
【００６２】
また、本実施形態では、端子１０１に直流電源３００を、端子１０２に誘導性負荷４００を接続した。しかし、逆に、端子１０２に直流電源３００を、端子１０１に誘導性負荷４００を接続することも可能である。
この場合、本実施形態とは逆に、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４のＯＮ・ＯＦＦに対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３のＯＮ・ＯＦＦを遅らせればよい。
【００６３】
また、本実施形態で、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３に対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ１を１３マイクロ秒遅らせて使用した。しかし、１３マイクロ秒に限られるわけでない。
逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３がＯＮされた後、コンデンサＣＭの電圧が略０になれば逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＮされればよい。また、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，３がＯＦＦされた後、誘導性負荷４００に流れる電流が略０になれば逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４がＯＦＦされればよい。
例えば、図９に示すように、電圧計５００でコンデンサＣＭの電圧を計測し、計測した電圧の情報を制御回路２００に出力し、電圧が略０になると制御回路２００が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＮする。
例えば、図１０に示すように、電流計６００で負荷電流を計測し、計測した電流の情報を制御回路２００に出力し、電流が略０になると制御回路２００が、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，４をＯＦＦする。
また、図１１に示すように、電圧計５００と電流計６００とを共に配置し、同様にその出力を従って逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを切り替えてよい。
なお。電流の向きが逆の場合は、逆導通型半導体スイッチＳＷ１，ＳＷ４に対して、逆導通型半導体スイッチＳＷ２，ＳＷ３を遅らせてＯＮ・ＯＦＦを切り替えればよい。
【００６４】
また、制御回路２００は、上述した制御をする回路として説明したが、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶手段を備えたマイクロコンコントローラ（以下、「マイコン」と呼称する。）などのコンピュータであってもよい。
特に、制御回路２００がマイコンである場合、マイコンの出力する１と０の信号に対して逆導通型半導体スイッチがＯＮ・ＯＦＦするように、逆導通型半導体スイッチとマイコンを組み合わせれば、マイコンの出力で逆導通型半導体スイッチのＯＮ・ＯＦＦを切り替えられるので、部品数が少なく済む。
この場合は、例えば、上述したゲート信号を出力するようなプログラムを、予めマイコンに記憶させればよい。
【００６５】
また、コンピュータに上述の制御を実行させるためのプログラムを、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｋ）などのコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、これを別のコンピュータにインストールし、上述の手段として動作させ、あるいは、上述の工程を実行させてもよい。
【００６６】
さらに、インターネット上のサーバ装置が有する外部記憶装置等にプログラムを格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロード等するものとしてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１ 磁気エネルギー回生スイッチ装置
１００ フルブリッジ型ＭＥＲＳ
２００ 制御回路
３００ 直流電源
４００ 誘導性負荷
５００ 電圧計
６００ 電流計
ＣＭ コンデンサ
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４ 逆導通型半導体スイッチ
ＤＳＷ１，ＤＳＷ２，ＤＳＷ３，ＤＳＷ４ ダイオード部
ＳＳＷ１，ＳＳＷ２，ＳＳＷ３，ＳＳＷ４ スイッチ部
ＧＳＷ１，ＧＳＷ２，ＧＳＷ３，ＧＳＷ４ ゲート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項２】
前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に前記誘導性負荷に流れる電流が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項３】
前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に前記コンデンサの電圧が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項４】
各前記ダイオードは、並列に接続される前記自己消弧型素子に内蔵される寄生ダイオードである、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項５】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチにおいて、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする磁気エネルギー回生スイッチ制御方法。
【請求項６】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のリアクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチの前記第１乃至４の自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御するためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにするステップと、
一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにするステップと、
を実行させるためのプログラム。
【請求項１】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチと、
各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項２】
前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に前記誘導性負荷に流れる電流が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項３】
前記制御手段は、一方の前記ペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に前記コンデンサの電圧が略０になると、他方の前記ペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項４】
各前記ダイオードは、並列に接続される前記自己消弧型素子に内蔵される寄生ダイオードである、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気エネルギー回生スイッチ装置。
【請求項５】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のインダクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチにおいて、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにすると、当該ペアをＯＮした後に他方のペアをＯＮにし、一方のペアをＯＦＦにすると、当該ペアをＯＦＦした後に他方のペアをＯＦＦにする、
ことを特徴とする磁気エネルギー回生スイッチ制御方法。
【請求項６】
直流電源と誘導性負荷の間に直列に挿入され、第１の交流端子には第１のダイオードのアノードと第２のダイオードのカソードが接続され、前記第１のダイオードのカソードには第３のダイオードのカソードとコンデンサの正極が接続され、前記第２のダイオードのアノードには第４のダイオードのアノードと前記コンデンサの負極が接続され、前記第３のダイオードのアノードと前記第４のカソードとが第２の交流端子に接続され、前記第１のダイオードに第１の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第２のダイオードに第２の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第３のダイオードに第３の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第４のダイオードに第４の自己消弧型素子が並列に接続され、各前記自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦが切り替わることによって、前記誘導性負荷のリアクタンスに蓄えられた磁気エネルギーを前記コンデンサで静電エネルギーとして蓄積・回生する磁気エネルギー回生スイッチの前記第１乃至４の自己消弧型素子のＯＮ・ＯＦＦを制御するためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記第１の自己消弧型素子と前記第４の自己消弧型素子とのペアと、前記第２の自己消弧型素子と前記第３の自己消弧型素子とのペアと、の二組のペアのうち、一方のペアをＯＮにした後に他方のペアをＯＮにするステップと、
一方のペアをＯＦＦにした後に他方のペアをＯＦＦにするステップと、
を実行させるためのプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−５０１４６（Ｐ２０１１−５０１４６Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５３９８（Ｐ２００９−１９５３９８）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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