JP2016119783A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング素子の損失を低減することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子を直列に接続した直列回路を複数備え、各直列回路を並列に接続してあり、各直列回路の一端を正側、他端を負側としてあり、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の接続点それぞれに一端を接続したフィルタ回路をさらに備え、フィルタ回路の他端を交流側としてある。第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタであり、バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続してあり、第2のスイッチング素子は、FETであり、FETのドレイン・ソース間にダイオードを逆並列に接続してある。【選択図】図1A power converter capable of reducing loss of a switching element is provided. A power converter includes a plurality of series circuits in which a first switching element and a second switching element are connected in series, and each series circuit is connected in parallel, and one end of each series circuit is connected to the positive side. The other end is a negative side, and further includes a filter circuit having one end connected to each connection point of the first switching element and the second switching element, and the other end of the filter circuit is an AC side. The first switching element is a bipolar transistor, and a diode is connected in antiparallel between the collector and emitter of the bipolar transistor, and the second switching element is an FET, and a diode is connected between the drain and source of the FET. Connected in antiparallel. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、双方に電力を変換する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that converts power to both.
近年、バッテリの充電時には外部から入力される交流を直流に変換し、交流電力を出力する場合には、バッテリからの直流を交流に変換する双方向の電力変換装置が注目されている。例えば、スイッチング素子を備える双方向DC/ACインバータが開示されている(特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art In recent years, bi-directional power conversion devices that convert direct current from a battery into alternating current when the alternating current input from the outside is converted into direct current and the alternating current power is output during battery charging have attracted attention. For example, a bidirectional DC / AC inverter including a switching element is disclosed (see Patent Document 1).
しかし、特許文献1の装置にあっては、全てのスイッチング素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)か、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のいずれか一方のみを使用している。しかし、スイッチング素子としてIGBTを使用した場合には、順方向にバイアスされた状態での損失が大きくなり、また、スイッチング素子としてMOSFETを使用した場合には、逆方向にバイアスされた状態での損失が大きくなる。 However, in the apparatus of Patent Document 1, only one of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as all switching elements. However, when an IGBT is used as a switching element, the loss in a forward biased state increases, and when a MOSFET is used as a switching element, the loss in a reverse biased state is increased. Becomes larger.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子の損失を低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the power converter device which can reduce the loss of a switching element.
本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子を直列に接続した直列回路を複数備え、各直列回路を並列に接続してあり、各直列回路の一端を正側、他端を負側としてあり、前記第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の接続点それぞれに一端を接続したフィルタ回路をさらに備え、該フィルタ回路の他端を交流側とした電力変換装置であって、前記第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタであり、該バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続してあり、前記第2のスイッチング素子は、FETであり、該FETのドレイン・ソース間にダイオードを逆並列に接続してある。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention includes a plurality of series circuits in which a first switching element and a second switching element are connected in series, and each series circuit is connected in parallel. One end is a positive side, the other end is a negative side, and further includes a filter circuit having one end connected to each of connection points of the first switching element and the second switching element, and the other end of the filter circuit is connected to the AC side. The first switching element is a bipolar transistor, a diode is connected in antiparallel between the collector and emitter of the bipolar transistor, and the second switching element is an FET. Yes, a diode is connected in antiparallel between the drain and source of the FET.
本発明によれば、スイッチング素子の損失を低減することができる。 According to the present invention, the loss of the switching element can be reduced.
[本願発明の実施形態の説明]
(1)本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子を直列に接続した直列回路を複数備え、各直列回路を並列に接続してあり、各直列回路の一端を正側、他端を負側としてあり、前記第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の接続点それぞれに一端を接続したフィルタ回路をさらに備え、該フィルタ回路の他端を交流側とした電力変換装置であって、前記第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタであり、該バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続してあり、前記第2のスイッチング素子は、FETであり、該FETのドレイン・ソース間にダイオードを逆並列に接続してある。
[Description of Embodiment of Present Invention]
(1) A power conversion device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of series circuits in which a first switching element and a second switching element are connected in series, and each series circuit is connected in parallel. The series circuit further includes a filter circuit in which one end is a positive side and the other end is a negative side, and one end is connected to each connection point of the first switching element and the second switching element, and the other end of the filter circuit is In the power conversion device on the AC side, the first switching element is a bipolar transistor, and a diode is connected in antiparallel between a collector and an emitter of the bipolar transistor, and the second switching element is FET, and a diode is connected in antiparallel between the drain and source of the FET.
電力変換装置は、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子を直列に接続した直列回路を複数備え、各直列回路を並列に接続してあり、各直列回路の一端を正側、他端を負側としてあり、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の接続点それぞれに一端を接続したフィルタ回路をさらに備え、フィルタ回路の他端を交流側としてある。すなわち、各直列回路の第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子によりブリッジ回路を構成してある。フィルタ回路は、例えば、キャパシタ及び複数のコイルで構成され、各コイルの一端を第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の接続点それぞれに接続し、コイルの他端を交流側とすることができる。また、各コイルの他端間にキャパシタを接続することができる。そして、第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタであり、バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続してある。第2のスイッチング素子は、FETであり、FETのドレイン・ソース間にダイオードを逆並列に接続してある。 The power conversion device includes a plurality of series circuits in which a first switching element and a second switching element are connected in series, and each series circuit is connected in parallel, with one end of each series circuit being a positive side and the other end being The filter circuit further includes a filter circuit having one end connected to each connection point of the first switching element and the second switching element, and the other end of the filter circuit serving as the AC side. That is, a bridge circuit is constituted by the first switching element and the second switching element of each series circuit. The filter circuit includes, for example, a capacitor and a plurality of coils, and one end of each coil is connected to each connection point of the first switching element and the second switching element, and the other end of the coil is an AC side. it can. A capacitor can be connected between the other ends of the coils. The first switching element is a bipolar transistor, and a diode is connected in antiparallel between the collector and emitter of the bipolar transistor. The second switching element is an FET, and a diode is connected in antiparallel between the drain and source of the FET.
バイポーラトランジスタ(以下、トランジスタとも称する)は、いわゆる少数キャリアを電気伝導に使用する少数キャリアデバイスであり、一般的に順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多い。一方、FET(Field Effect Transistor)は、少数キャリアを電気伝導に使用しない多数キャリアデバイスであり、寄生ダイオードが存在するため逆方向のスイッチング特性が良くなく、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多い。すなわち、トランジスタは、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少なく、FET(Field Effect Transistor)は、順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少ない。 A bipolar transistor (hereinafter also referred to as a transistor) is a minority carrier device that uses so-called minority carriers for electrical conduction, and generally has a large switching loss in a forward biased state. On the other hand, FET (Field Effect Transistor) is a majority carrier device that does not use minority carriers for electrical conduction, and because of the presence of parasitic diodes, switching characteristics in the reverse direction are not good, and switching loss in a state biased in the reverse direction. There are many. That is, the transistor has a small switching loss when biased in the reverse direction, and the FET (Field Effect Transistor) has a small switching loss when biased in the forward direction.
例えば、第1のスイッチング素子が逆方向のバイアスで使用され、第2のスイッチング素子が順方向のバイアスで使用される状態があるときは、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子のすべてをトランジスタ又はFETのいずれか一方で構成する場合に比べて、第1のスイッチング素子をトランジスタ(バイポーラトランジスタ)とし、第2のスイッチング素子をFETとすることにより、全体としての損失(スイッチング損失)を低減することができる。 For example, when there is a state where the first switching element is used with a reverse bias and the second switching element is used with a forward bias, all of the first switching element and the second switching element are used. Compared to the case of either transistor or FET, the first switching element is a transistor (bipolar transistor) and the second switching element is an FET, reducing the overall loss (switching loss). can do.
(2)本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、各直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オフにし、各直列回路の前記第2のスイッチング素子を商用周波数より高い所定周波数でオン/オフする制御部を備え、交流を直流に変換するようにしてある。 (2) The power conversion device according to the embodiment of the present invention always turns off the first switching element of each series circuit and turns on the second switching element of each series circuit at a predetermined frequency higher than a commercial frequency. A control unit for turning off / off is provided to convert alternating current into direct current.
制御部は、各直列回路の第1のスイッチング素子を常時オフにし、各直列回路の第2のスイッチング素子を商用周波数より高い所定周波数でオン/オフし、交流を直列に変換する。並列接続された直列回路を、第1直列回路、第2直列回路とする。第1直列回路及び第2直列回路は、それぞれトランジスタ(第1のスイッチング素子)とFET(第2のスイッチング素子)とを直列に接続した回路である。 The control unit always turns off the first switching element of each series circuit, turns on / off the second switching element of each series circuit at a predetermined frequency higher than the commercial frequency, and converts alternating current into series. The series circuit connected in parallel is referred to as a first series circuit and a second series circuit. The first series circuit and the second series circuit are circuits in which a transistor (first switching element) and an FET (second switching element) are connected in series, respectively.
交流の一方の半周期では、交流電流は、第1直列回路のトランジスタに逆並列に接続されたダイード、直流側及び第2直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードを流れる。また、交流の一方の半周期において、各FETをオンした場合には、第1直列回路のFET及び第2直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードを通じて電流が流れ、交流側のコイルに電気エネルギーが蓄積される。そして、交流の一方の半周期において、各FETをオフした場合には、コイルに蓄積された電気エネルギーにより、第1直列回路のトランジスタに逆並列に接続されたダイオード、直流側及び第2直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードに電流が流れる。交流の一方の半周期では、第1直列回路のトランジスタが逆方向のバイアスとなり、第1直列回路のFETは順方向のバイアスとなり、損失を低減することができる。 In one half cycle of alternating current, alternating current flows through a diode connected antiparallel to the transistors of the first series circuit, and a diode connected antiparallel to the DC side and the FETs of the second series circuit. In addition, when each FET is turned on in one half cycle of alternating current, current flows through a diode connected in antiparallel to the FET of the first series circuit and the FET of the second series circuit, and flows to the coil on the alternating current side. Electric energy is accumulated. When each FET is turned off in one half cycle of alternating current, the diode, the direct current side, and the second series circuit connected in reverse parallel to the transistor of the first series circuit by the electrical energy accumulated in the coil A current flows through a diode connected in reverse parallel to the FET. In one half cycle of alternating current, the transistor of the first series circuit becomes a reverse bias, and the FET of the first series circuit becomes a forward bias, thereby reducing the loss.
同様に、交流の他方の半周期では、交流電流は、第2直列回路のトランジスタに逆並列に接続されたダイード、直流側及び第1直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードを流れる。また、交流の他方の半周期において、各FETをオンした場合には、第2直列回路のFET及び第1直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードを通じて電流が流れ、交流側のコイルに電気エネルギーが蓄積される。そして、交流の他方の半周期において、各FETをオフした場合には、コイルに蓄積された電気エネルギーにより、第2直列回路のトランジスタに逆並列に接続されたダイオード、直流側及び第1直列回路のFETに逆並列に接続されたダイオードに電流が流れる。交流の他方の半周期では、第2直列回路のトランジスタが逆方向のバイアスとなり、第2直列回路のFETは順方向のバイアスとなり、損失を低減することができる。 Similarly, in the other half cycle of the alternating current, the alternating current flows through a diode connected in antiparallel to the transistor in the second series circuit, and a diode connected in antiparallel to the direct current side and the FET in the first series circuit. In addition, when each FET is turned on in the other half cycle of the alternating current, a current flows through a diode connected in reverse parallel to the FET of the second series circuit and the FET of the first series circuit, and flows to the coil on the alternating current side. Electric energy is accumulated. When each FET is turned off in the other half cycle of the alternating current, the diode, the direct current side, and the first serial circuit connected in reverse parallel to the transistor of the second series circuit by the electric energy accumulated in the coil A current flows through a diode connected in reverse parallel to the FET. In the other half cycle of the alternating current, the transistor of the second series circuit becomes the reverse bias, and the FET of the second series circuit becomes the forward bias, thereby reducing the loss.
(3)本発明の実施の形態に係る電力変換装置は、交流の一方の半周期にて、一の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オンとし、他の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オフにし、さらに前記一の直列回路の前記第2のスイッチング素子を常時オフにし、前記他の直列回路の前記第2のスイッチング素子を商用周波数より高い所定周波数でオン/オフし、交流の他方の半周期にて、前記一の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オフとし、前記他の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オンにし、さらに前記一の直列回路の前記第2のスイッチング素子を前記所定周波数でオン/オフし、前記他の直列回路の前記第2のスイッチング素子を常時オフする制御部を備え、直流を交流に変換するようにしてある。 (3) In the power converter according to the embodiment of the present invention, in one half cycle of alternating current, the first switching element of one series circuit is always turned on, and the first switching element of the other series circuit is turned on. Always turning off a switching element, further turning off the second switching element of the one series circuit, turning on / off the second switching element of the other series circuit at a predetermined frequency higher than a commercial frequency, In the other half cycle of the alternating current, the first switching element of the one series circuit is always turned off, the first switching element of the other series circuit is always turned on, and further, A controller that turns on and off the second switching element at the predetermined frequency and always turns off the second switching element of the other series circuit, and converts direct current to alternating current; That.
制御部は、交流の一方の半周期にて、第1直列回路(一の直列回路)のトランジスタを常時オンとし、第2直列回路(他の直列回路)のトランジスタを常時オフにし、さらに第1直列回路のFETを常時オフにし、第2直列回路のFETを商用周波数より高い所定周波数でオン/オフする。 The control unit always turns on the transistor of the first series circuit (one series circuit), always turns off the transistor of the second series circuit (the other series circuit) in one half cycle of the alternating current, The FET of the series circuit is always turned off, and the FET of the second series circuit is turned on / off at a predetermined frequency higher than the commercial frequency.
すなわち、第2直列回路のFETをオンした場合には、第1直列回路のトランジスタ、コイル、交流側及び第2直列回路のFETに電流が流れる。第2直列回路のFETをオフした場合には、コイルに同じ向きの電流を流そうとするので、第1直列回路のトランジスタ、コイル、交流側及び第2直列回路のトランジスタに逆並列されたダイオードに電流が流れる。交流の一方の半周期においては、第2直列回路のトランジスタが逆方向のバイアスとなり、第2直列回路のFETは順方向のバイアスとなり、損失を低減することができる。 That is, when the FET of the second series circuit is turned on, a current flows through the transistor, the coil, the AC side of the first series circuit, and the FET of the second series circuit. When the FET of the second series circuit is turned off, a current in the same direction is applied to the coil, so that the diode of the first series circuit, the coil, the AC side, and the diode reversely paralleled to the transistor of the second series circuit Current flows through In one half cycle of the alternating current, the transistor of the second series circuit becomes a reverse bias, and the FET of the second series circuit becomes a forward bias, thereby reducing the loss.
制御部は、交流の他方の半周期にて、第1直列回路(一の直列回路)のトランジスタを常時オフとし、第2直列回路(他の直列回路)のトランジスタを常時オンにし、さらに第1直列回路のFETを所定周波数でオン/オフし、第2直列回路のFETを常時オフし、直流を交流に変換する。 The control unit always turns off the transistor of the first series circuit (one series circuit), always turns on the transistor of the second series circuit (other series circuit) in the other half cycle of the alternating current, The FET of the series circuit is turned on / off at a predetermined frequency, the FET of the second series circuit is always turned off, and direct current is converted into alternating current.
すなわち、第1直列回路のFETをオンした場合には、第2直列回路のトランジスタ、コイル、交流側及び第1直列回路のFETに電流が流れる。第1直列回路のFETをオフした場合には、コイルに同じ向きの電流を流そうとするので、第2直列回路のトランジスタ、コイル、交流側及び第1直列回路のトランジスタに逆並列されたダイオードに電流が流れる。交流の他方の半周期においては、第1直列回路のトランジスタが逆方向のバイアスとなり、第1直列回路のFETは順方向のバイアスとなり、損失を低減することができる。 That is, when the FET of the first series circuit is turned on, a current flows through the transistor, the coil, the AC side of the second series circuit, and the FET of the first series circuit. When the FET of the first series circuit is turned off, the current in the same direction is applied to the coil, so that the diode of the second series circuit, the coil, the AC side, and the diode that is anti-parallel to the transistor of the first series circuit Current flows through In the other half cycle of the alternating current, the transistor of the first series circuit becomes a reverse bias, and the FET of the first series circuit becomes a forward bias, so that loss can be reduced.
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図1は本実施の形態の電力変換装置の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の電力変換装置は、交流側の端子1、直流側の端子2、第1直列回路10、第2直列回路20、フィルタ回路30、制御部40、平滑用のキャパシタ50、DC/DCコンバータ60などを備える。電力変換装置は、交流側の端子1に商用電源(50Hz、60Hzなどの商用周波数の電源)を接続して交流電力を供給した場合、交流を直流に変換することにより、直流側の端子2から所要の電圧の直流電力を出力し、例えば、バッテリ3を充電することができる。また、直流側の端子2にバッテリ3などの直流電源を接続して直流電力を供給した場合、直流を交流に変換することにより、交流側の端子1から交流電力を出力することができる。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings illustrating embodiments. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a circuit configuration of the power conversion device according to the present embodiment. The power conversion device of the present embodiment includes an AC terminal 1, a
第1直列回路10は、第1のスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタ11及び第2のスイッチング素子としてのFET(Field Effect Transistor)12を直列に接続した構成を有する。バイポーラトランジスタ11は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いることができる。また、FET12は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を用いることができる。なお、以下の説明では、簡便のため、バイポーラトランジスタを単にトランジスタと称する。より具体的には、トランジスタ11のエミッタとFET12のドレインとを接続してある。
The
また、第1のスイッチング素子は、トランジスタに限定されるものではなく、少数キャリアを電気伝導に使用する少数キャリアデバイスであればよい。また、第2のスイッチング素子は、FETに限定されるものではなく、少数キャリアを電気伝導に使用しない多数キャリアデバイスであればよい。 The first switching element is not limited to a transistor, and may be a minority carrier device that uses minority carriers for electrical conduction. The second switching element is not limited to the FET, and may be a majority carrier device that does not use minority carriers for electrical conduction.
同様に、第2直列回路20は、第1のスイッチング素子としてのトランジスタ21及び第2のスイッチング素子としてのFET22を直列に接続した構成を有する。より具体的には、トランジスタ21のエミッタとFET22のドレインとを接続してある。
Similarly, the
第1直列回路10及び第2直列回路20は並列に接続してある。すなわち、トランジスタ11、21それぞれのコレクタを直流側の正側の電路4に接続するとともに、FET12、22それぞれのソースを直流側の負側(例えば、接地レベル)の電路5に接続してある。これにより、トランジスタ11、21、FET12、22により、いわゆるブリッジ回路を構成している。また、電路4、5の間には、平滑用のキャパシタ50を接続してある。なお、以下、第1直列回路10及び第2直列回路20を纏めてブリッジ回路とも称する。
The
トランジスタ11、21それぞれのコレクタ・エミッタ間には、ダイオード(例えば、FRD:ファーストリカバリーダイオード)111、211を逆並列に接続してある。すなわち、各ダイオードのアノードをトランジスタのエミッタに接続し、カソードをコレクタに接続してある。なお、ダイオード111、211は、トランジスタ11、21に内蔵されるものでもよく、外付けのものでもよい。
Between the collectors and emitters of the
FET12、22それぞれのソース・ドレイン間には、ダイオード(例えば、ボディダイオード)121、221を逆並列に接続してある。すなわち、各ダイオードのアノードをFETのソースに接続し、カソードをドレインに接続してある。なお、ダイオード121、221は、FET12、22に内蔵されるものでもよく、外付けのものでもよい。
Between the sources and drains of the
フィルタ回路30は、コイル31、32、キャパシタ33などを備える。コイル31の一端は、トランジスタ11のエミッタとFET12のドレインとの接続点に接続してあり、コイル31の他端は、交流側の一方の端子1に接続してある。また、コイル32の一端は、トランジスタ21のエミッタとFET22のドレインとの接続点に接続してあり、コイル32の他端は、交流側の他方の端子1に接続してある。コイル31、32の他端の間にはキャパシタ33を接続してある。
The
制御部40は、トランジスタ11、21、FET12、22のスイッチングを制御する。具体的には、制御部40の出力端は、トランジスタ11、21それぞれのベース及びFET12、22それぞれのゲートに接続してあり、制御部40は、ベース信号及びゲート信号を出力端から出力する。
The
DC/DCコンバータ60は、直流電圧を昇圧及び降圧する機能を備える。
The DC /
トランジスタ11、21は、いわゆる少数キャリアを電気伝導に使用する少数キャリアデバイスであり、一般的に順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多く、寄生ダイオードがなく、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少ない。一方、FET12、22は、少数キャリアを電気伝導に使用しない多数キャリアデバイス(ユニポーラデバイス)であり、寄生ダイオードが存在するため逆方向のスイッチング特性が良くなく、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多く、順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少ない。
例えば、トランジスタ11、21が逆方向のバイアスで使用され、FET12、22が順方向のバイアスで使用される状態があるときは、ブリッジ回路を構成する4つのスイッチング素子のすべてをトランジスタ又はFETのいずれか一方で構成する場合に比べて、全体としての損失(スイッチング損失)を低減することができる。
For example, when the
次に、本実施の形態の電力変換装置の動作について説明する。図2は本実施の形態の電力変換装置により交流から直流に変換する場合の各スイッチング素子の動作を示す説明図である。図2において、交流の正の半周期は、交流側の端子1に正の半周期の電圧が印加される期間を示し、交流の負の半周期は、交流側の端子1に負の半周期の電圧が印加される期間を示す。 Next, operation | movement of the power converter device of this Embodiment is demonstrated. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of each switching element when converting from AC to DC by the power conversion device of the present embodiment. In FIG. 2, an AC positive half cycle indicates a period during which a positive half cycle voltage is applied to the AC side terminal 1, and an AC negative half cycle indicates a negative half cycle at the AC side terminal 1. The period during which the voltage is applied is shown.
まず、交流の正の半周期における動作について説明する。交流の正の半周期においては、トランジスタ11、21は常時オフとなるように制御され、FET12、22は所定周波数でオン/オフを繰り返すように制御される。所定周波数は、商用周波数(例えば、50Hz、60Hzなど)よりも高い周波数であって、例えば、数kHzから数十kHz程度とすることができる。
First, the operation in the positive half cycle of AC will be described. In the positive half cycle of the alternating current, the
図3は本実施の形態の電力変換装置の交流から直流に変換する場合(正の半周期)のブリッジ回路に流れる電流の様子を示す模式図である。図2において上述したように、交流の正の半周期においては、トランジスタ11、21は常時オフとなるように制御され、FET12、22は所定周波数でオン/オフを繰り返すように制御される。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of a current flowing in the bridge circuit in the case of converting from alternating current to direct current (positive half cycle) in the power conversion device of the present embodiment. As described above with reference to FIG. 2, in the positive half cycle of alternating current, the
交流の正(一方)の半周期では、交流電流は、コイル31、第1直列回路のトランジスタ11に逆並列に接続されたダイード111、直流側、第2直列回路のFET22に逆並列に接続されたダイオード221、コイル32を流れる。
In the positive (one) half cycle of the alternating current, the alternating current is connected in antiparallel to the
また、交流の正の半周期において、各FET12、22をオンした場合には、図3の実線で示す矢印の如く、コイル31、第1直列回路のFET12、第2直列回路のFET22に逆並列に接続されたダイオード221及びコイル32を通じて電流が流れ、交流側のコイル31、32に電気エネルギーが蓄積される。
Further, when the
そして、交流の正の半周期において、各FET12、22をオフした場合には、図3の破線で示す矢印の如く、コイル31、32に蓄積された電気エネルギーにより、コイル31、第1直列回路のトランジスタ11に逆並列に接続されたダイオード111、直流側、第2直列回路のFET22に逆並列に接続されたダイオード221及びコイル32に電流が流れる。
When the
交流の正の半周期では、第1直列回路のトランジスタ11が逆方向のバイアスとなり、トランジスタ11の損失を少なくすることができ、第1直列回路のFET12は順方向のバイアスとなり、FET12の損失を少なくすることができ、電力変換装置全体として損失を低減することができる。
In the positive half cycle of the alternating current, the
次に、交流の負の半周期における動作について説明する。図2に示すように、交流の負の半周期においても、正の半周期と同様に、トランジスタ11、21は常時オフとなるように制御され、FET12、22は所定周波数でオン/オフを繰り返すように制御される。
Next, the operation | movement in the negative half cycle of alternating current is demonstrated. As shown in FIG. 2, in the negative half cycle of the alternating current, as in the positive half cycle, the
図4は本実施の形態の電力変換装置の交流から直流に変換する場合(負の半周期)のブリッジ回路に流れる電流の様子を示す模式図である。交流の負(他方)の半周期では、交流電流は、コイル32、第2直列回路のトランジスタ21に逆並列に接続されたダイード211、直流側、第1直列回路のFET12に逆並列に接続されたダイオード121、コイル31を流れる。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of a current flowing through the bridge circuit when converting from alternating current to direct current (negative half cycle) in the power conversion device of the present embodiment. In the negative (other) half cycle of the alternating current, the alternating current is connected in reverse parallel to the
また、交流の負の半周期において、各FET12、22をオンした場合には、図4の実線で示す矢印の如く、コイル32、第2直列回路のFET22、第1直列回路のFET12に逆並列に接続されたダイオード121及びコイル31を通じて電流が流れ、交流側のコイル31、32に電気エネルギーが蓄積される。
Further, when the
そして、交流の負の半周期において、各FET12、22をオフした場合には、図4の破線で示す矢印の如く、コイル31、32に蓄積された電気エネルギーにより、コイル32、第2直列回路のトランジスタ21に逆並列に接続されたダイオード211、直流側、第1直列回路のFET12に逆並列に接続されたダイオード121及びコイル31に電流が流れる。
When the
交流の負の半周期では、第2直列回路のトランジスタ21が逆方向のバイアスとなり、トランジスタ21の損失を少なくすることができ、第2直列回路のFET22は順方向のバイアスとなり、FET22の損失を少なくすることができ、電力変換装置全体として損失を低減することができる。
In the negative half cycle of the alternating current, the
図5はトランジスタ及びFETのスイッチング損失の一例を示す説明図である。図5の例は、パラメータとして、入力電圧が400V、出力電圧が280V、出力電力が6.6kW、動作周波数が75kHzでスイッチングさせた場合の、トランジスタ及びFETの順方向バイアス時及び逆方向バイアス時のスイッチング損失の一例を示す。なお、トランジスタ及びFETのスイッチング損失の数値は、図5の例に限定されるものではないが、パラメータとして他の数値を用いた場合も、スイッチング損失の多少は図5の例と同様の傾向を有する。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of switching loss of a transistor and an FET. In the example of FIG. 5, when the input voltage is 400 V, the output voltage is 280 V, the output power is 6.6 kW, and the operating frequency is 75 kHz, the transistor and FET are forward biased and reverse biased. An example of the switching loss is shown. The numerical values of the switching losses of the transistors and FETs are not limited to the example of FIG. 5, but when other numerical values are used as parameters, the switching loss tends to be the same as the example of FIG. Have.
図5から分かるように、FETは、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多く、順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少ない。また、トランジスタは、順方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が多く、逆方向にバイアスされた状態でのスイッチング損失が少ない。これにより、逆方向にバイアスされるスイッチング素子にはトランジスタを用い、順方向にバイアスされるスイッチング素子にはFETを用いることにより、すべての素子をトランジスタ又はすべての素子をFETとする場合に比べて、全体としては損失を低減することができる。 As can be seen from FIG. 5, the FET has a large switching loss when biased in the reverse direction and a small switching loss when biased in the forward direction. In addition, the transistor has a large switching loss in a forward biased state and a small switching loss in a reverse biased state. Thus, transistors are used for switching elements that are biased in the reverse direction, and FETs are used for switching elements that are biased in the forward direction, so that all elements are transistors or all elements are FETs. As a whole, loss can be reduced.
図6は本実施の形態の電力変換装置の交流側の入力電流波形の一例を示す模式図である。図3及び図4で示したように、FET12、22は、所定周波数でオン/オフを繰り返すので、コイル31、32に流れる電流は、所定周波数で増減を繰り返す。図6において、符号Ilで示す波形はコイル31、32を流れる電流、すなわち交流側の入力電流を示す。そして、入力電流Ilの平均値は、符号Iaで示すように、交流側の端子1間に印加される入力電圧の波形の位相と同程度になる。これにより、力率を高くすることができる。なお、図6において、符号Ipで示す波形は、入力電流Ilのピーク値を表す。また、図6は電流波形を模式的に描いたものであり、実際の電流波形とは異なる。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of an input current waveform on the AC side of the power conversion device according to the present embodiment. As shown in FIGS. 3 and 4, the
次に、直流から交流に変換する場合について説明する。図7は本実施の形態の電力変換装置により直流から交流に変換する場合の各スイッチング素子の動作を示す説明図である。図7において、交流の正の半周期は、交流側の端子1から正の半周期の電圧が出力される期間を示し、交流の負の半周期は、交流側の端子1から負の半周期の電圧が出力される期間を示す。 Next, the case of converting from direct current to alternating current will be described. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the operation of each switching element when converting from direct current to alternating current by the power conversion device of the present embodiment. In FIG. 7, an AC positive half cycle indicates a period in which a positive half cycle voltage is output from the AC side terminal 1, and an AC negative half cycle indicates a negative half cycle from the AC side terminal 1. Indicates a period during which the voltage is output.
まず、交流の正の半周期における動作について説明する。交流の正(一方)の半周期においては、トランジスタ11は常時オン、トランジスタ21は常時オフとなるように制御され、FET12は常時オフ、FET22は所定周波数でオン/オフを繰り返すように制御される。所定周波数は、商用周波数(例えば、50Hz、60Hzなど)よりも高い周波数であって、例えば、数kHzから数十kHz程度とすることができる。
First, the operation in the positive half cycle of AC will be described. In the positive (one) half cycle of the alternating current, the
図8は本実施の形態の電力変換装置の直流から交流に変換する場合(正の半周期)のブリッジ回路に流れる電流の様子を示す模式図である。図7において上述したように、交流の正の半周期においては、トランジスタ11は常時オン、トランジスタ21は常時オフとなるように制御され、FET12は常時オフ、FET22は所定周波数でオン/オフを繰り返すように制御される。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of a current flowing through the bridge circuit in the case of converting from direct current to alternating current (positive half cycle) in the power conversion device of the present embodiment. As described above in FIG. 7, in the positive half cycle of alternating current, the
図8に示すように、交流の正の半周期において、第2直列回路のFET22をオンした場合には、図8の実線で示す矢印の如く、第1直列回路のトランジスタ11、コイル31、交流側、コイル32及び第2直列回路のFET22に電流が流れる。
As shown in FIG. 8, when the
そして、交流の正の半周期において、第2直列回路のFET22をオフした場合には、図8の破線で示す矢印の如く、コイル31、32に同じ向きの電流を流そうとするので、第1直列回路のトランジスタ11、コイル31、交流側、コイル32及び第2直列回路のトランジスタ21に逆並列されたダイオード211に電流が流れる。交流の正(一方)の半周期においては、第2直列回路のトランジスタ21が逆方向のバイアスとなり、トランジスタ21の損失を少なくすることができ、第2直列回路のFET22は順方向のバイアスとなり、FET22の損失を少なくすることができ、電力変換装置全体として損失を低減することができる。
Then, when the
次に、交流の負(他方)の半周期における動作について説明する。図7に示すように、交流の負の半周期においては、トランジスタ11は常時オフ、トランジスタ21は常時オンとなるように制御され、FET12は所定周波数でオン/オフを繰り返し、FET22は常時オフとなるように制御される。
Next, the operation | movement in the negative (other side) half cycle of alternating current is demonstrated. As shown in FIG. 7, in the negative half cycle of the alternating current, the
図9は本実施の形態の電力変換装置の直流から交流に変換する場合(負の半周期)のブリッジ回路に流れる電流の様子を示す模式図である。図9に示すように、交流の負の半周期において、第2直列回路のFET12をオンした場合には、図9の実線で示す矢印の如く、第2直列回路のトランジスタ21、コイル32、交流側、コイル31及び第1直列回路のFET12に電流が流れる。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a state of a current flowing through the bridge circuit in the case of converting from direct current to alternating current (negative half cycle) in the power conversion device of the present embodiment. As shown in FIG. 9, when the
そして、交流の負の半周期において、第1直列回路のFET12をオフした場合には、図9の破線で示す矢印の如く、コイル31、32に同じ向きの電流を流そうとするので、第2直列回路のトランジスタ21、コイル32、交流側、コイル31及び第1直列回路のトランジスタ11に逆並列されたダイオード111に電流が流れる。交流の負(他方)の半周期においては、第1直列回路のトランジスタ11が逆方向のバイアスとなり、トランジスタ11の損失を少なくすることができ、第1直列回路のFET12は順方向のバイアスとなり、FET12の損失を少なくすることができ、電力変換装置全体として損失を低減することができる。
Then, when the
上述のように、ブリッジ回路に使用するスイッチング素子をすべてIGBTなどのバイポーラトランジスタにすると、順方向でもスイッチング時の損失が多くなる。また、ブリッジ回路に使用するスイッチング素子をすべてMOSFETなどのユニポーラデバイスにすると、逆方向のスイッチング時の損失が大きくなり、また過大なサージが発生する。しかし、本実施の形態によれば、逆方向のスイッチング動作が行われるスッチング素子にバイポーラトランジスタを使用し、順方向のスイッチング動作が行われるスイッチング素子にFETを使用するので、電力変換装置全体として、スイッチング素子の損失を低減することができる。 As described above, if all the switching elements used in the bridge circuit are bipolar transistors such as IGBTs, the loss during switching increases even in the forward direction. Further, if all the switching elements used in the bridge circuit are unipolar devices such as MOSFETs, the loss at the time of switching in the reverse direction increases, and an excessive surge occurs. However, according to the present embodiment, a bipolar transistor is used as a switching element in which a reverse switching operation is performed, and an FET is used as a switching element in which a forward switching operation is performed. Loss of the switching element can be reduced.
以上に開示された実施の形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態及び実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての修正や変形を含むものと意図される。 The embodiments and examples disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims. .
1 交流側の端子
2 直流側の端子
3 バッテリ
4、5 電路
10 第1直列回路
20 第2直列回路
11、21 トランジスタ(第1のスイッチング素子)
12、22 FET(第2のスイッチング素子)
111、121、211、221 ダイオード
30 フィルタ回路
31、32 コイル
33、50 キャパシタ
40 制御部
60 DC/DCコンバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12, 22 FET (second switching element)
111, 121, 211, 221
Claims (3)
前記第1のスイッチング素子は、バイポーラトランジスタであり、該バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続してあり、
前記第2のスイッチング素子は、FETであり、該FETのドレイン・ソース間にダイオードを逆並列に接続してある電力変換装置。 A plurality of series circuits in which the first switching element and the second switching element are connected in series, each series circuit is connected in parallel, one end of each series circuit is the positive side, the other end is the negative side, A power conversion device further comprising a filter circuit having one end connected to each connection point of the first switching element and the second switching element, the other end of the filter circuit being an AC side;
The first switching element is a bipolar transistor, and a diode is connected in antiparallel between a collector and an emitter of the bipolar transistor,
The power switching device, wherein the second switching element is an FET, and a diode is connected in antiparallel between a drain and a source of the FET.
交流を直流に変換するようにしてある請求項1に記載の電力変換装置。 A controller that always turns off the first switching element of each series circuit and turns on / off the second switching element of each series circuit at a predetermined frequency higher than a commercial frequency;
The power conversion device according to claim 1, wherein AC is converted into DC.
交流の他方の半周期にて、前記一の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オフとし、前記他の直列回路の前記第1のスイッチング素子を常時オンにし、さらに前記一の直列回路の前記第2のスイッチング素子を前記所定周波数でオン/オフし、前記他の直列回路の前記第2のスイッチング素子を常時オフする制御部を備え、
直流を交流に変換するようにしてある請求項1に記載の電力変換装置。
In one half cycle of alternating current, the first switching element of one series circuit is always turned on, the first switching element of another series circuit is always turned off, and the first switching element of the one series circuit is further turned off. 2 is always turned off, and the second switching element of the other series circuit is turned on / off at a predetermined frequency higher than the commercial frequency,
In the other half cycle of the alternating current, the first switching element of the one series circuit is always turned off, the first switching element of the other series circuit is always turned on, and further, A controller that turns on / off the second switching element at the predetermined frequency and always turns off the second switching element of the other series circuit;
The power conversion device according to claim 1, wherein direct current is converted into alternating current.
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