JP4139893B2 - Inverter device and multiphase inverter device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主電源端子間に接続された電力用スイッチング素子からなるインバータ装置に関し、特に低圧側回路から高圧側回路に制御信号を高速に伝達する高耐圧レベルシフトアップ回路及び高圧側回路から低圧側回路に状態検出信号を高速に伝達する高耐圧レベルシフトダウン回路を備えたインバータ装置に関する。本発明は、例えば自動車用または家電用もしくは産業用のインバータ装置などに使用される。
【従来の技術】
従来、主電源端子間に直列接続された第1の電力用スイッチング素子(上アームスイッチング素子)と第2の電力用スイッチング用素子(下アームスイッチング素子)からなるインバータ装置において、上アームスイッチング素子を制御する制御信号を伝達するレベルシフト回路にはMOSトランジスタなどが用いられていた。このレベルシフト回路には、主電源電圧に加えてスイッチング時のサージ電圧が印加されるため高耐圧MOSトランジスタが用いられるが、高耐圧MOSトランジスタは高速な回路動作には向かない。このため耐圧の低いMOSトランジスタを何個か直列にカスケード接続して、回路に印加される電圧を分担する方式がある(例えば、特許文献1の「レベルシフト回路」を参照)。
【0002】
図10にその一例を示す。正電圧側電源端子121と負電圧側電源端子123との間にMOSトランジスタM2、M9及びM4が直列に接続され、MOSトランジスタM9のゲート端子には端子112から電源電圧Vddの半分の電圧が印加されている。同様にMOSトランジスタM1、M8及びM3も上記電源電圧端子間に直列に接続され、MOSトランジスタM8のゲート端子には端子112から電源電圧Vddの半分の電圧が印加されている。また、MOSトランジスタM5は、このレベルシフト回路の出力用MOSトランジスタである。MOSトランジスタM2がオンするとMOSトランジスM9もオンし、MOSトランジスM3のゲート端子はGNDレベルになる。この結果、MOSトランジスM3がオンしMOSトランジスM5のゲート端子がVddレベルとなり、MOSトランジスM5はオフする。一方、MOSトランジスM2がオフするとMOSトランジスM2、M9には電流が流れず、両素子のソース端子とドレイン端子にはVdd/2の電圧が均等に印加される。同時にMOSトランジスM1、M8はオンしているためMOSトランジスM5のゲート端子はGNDレベルとなり、MOSトランジスM5はオンする。この回路の場合、MOSトランジスM9が電源電圧Vddの半分の電圧にクランプするため、MOSトランジスM2の耐圧はMOSトランジスM9が無い場合に比べVddの半分でよい。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−205123号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、電力用スイッチング素子(この例ではIBGT)がスイッチングすると、インバータの出力端子には0Vから主電源電圧VBBまで変化するようなパルス電圧が印加される。このため上アーム電源電圧をVcとすると、本レベルシフト回路の電源VddはVcからVBB+Vcまで電圧変化する。MOSトランジスM2がオフしている場合、本電源Vddの電位が立ち下がると、MOSトランジスM9のゲートとソース間電圧が負バイアスになりゲート破壊することが考えられる。なぜなら、MOSトランジスM2がオフのとき、MOSトランジスM9ソースのインピータンスが高くなり、MOSトランジスM9ゲートの立ち下がり時間よりMOSトランジスM9のソースの立ち下がり時間が遅くなるためである。
【0005】
本発明の目的は、前記問題点をなくすことであって、電圧クランプ用MOSトランジスタのスイッチング動作の高速化と高耐圧特性を有するレベルシフト回路を備えたインバータ装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、電圧クランプ用MOSトランジスタのゲートとソース間に高速化手段を設ける。この高速化手段の具体例としては容量又は容量と抵抗の直列回路が考えられる。また、別の高速化手段としてMOSトランジスタのゲートにカソードを接続し、ソースにアノードを接続したダイオード又はツエナーダイオードが考えられる。
【0007】
上記の手段によれば、MOSトランジスタのゲートとソース間インピーダンスが下がるため電圧クランプ用MOSトランジスタのゲートの電圧変動に対してソース電位が追随する。この結果、スイッチングが高速化するとともに、ゲートとソース間電圧の負バイアスがなくなりゲート破壊を防げるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、このレベルシフト回路は電圧クランプ用MOSトランジスタの耐圧の2倍の電源電圧まで動作させることができる。
【0008】
また、上記の別の高速化手段によれば、MOSトランジスタのゲート電位がソース電位より下がっても、0.7V程度(ダイオードのVF)でダイオードがオンし、MOSトランジスタのゲートとソースは低インピーダンスになる。この結果、スイッチングが高速化するとともに、ゲートとソース間電圧の負バイアスがなくなりゲート破壊を防げるげるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、このレベルシフト回路は、電圧クランプ用MOSトランジスタの耐圧の2倍の電源電圧まで動作させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施例にかかるインバータ装置の構成を示すブロック図である。図1において、インバータ装置は、上アーム電力用スイッチング素子101、下アーム電力用スイッチング素子102、上アーム駆動装置103、下アーム駆動装置104、上アーム状態検出装置105、下アーム状態検出装置106、第1の抵抗107および第1のn型MOSトランジスタ108および第1の高速化手段109ならびに第2のn型MOSトランジスタ110からなるレベルシフトアップ装置125、第2の抵抗111および中点電位端子112ならび第3の抵抗113からなる中点電位電源(Vdd/2)126、第1のp型MOSトランジスタ114および第2のp型MOSトランジスタ116および第2の高速化手段115ならびに第4の抵抗117からなるレベルシフトダウン装置127、上アーム電源118、下アーム電源119、制御装置120、主電源の正電位端子121、インバータ出力端子122、GND端子123、Vdd端子124を、図示のように接続して構成される。
【0010】
上アーム駆動装置103は上アーム電力用スイッチング素子101を駆動する手段である。下アーム駆動装置104は下アーム電力用スイッチング素子102を駆動する手段である。上アーム状態検出装置105は上アーム電力用スイッチング素子101の動作状態などを監視する手段である。下アーム状態検出装置106は下アーム電力用スイッチング素子102の動作状態などを監視する手段である。第1の高速化手段109は第1のn型MOSトランジスタ108のゲートとソース間に接続され、ゲートの電位変動に追随するようにソース電位が変動するデバイスで構成される。第2の高速化手段115は第2のp型MOSトランジスタ116のゲートとソース間に接続され、ゲートの電位変動に追随するようにソース電位が変動するデバイスで構成される。GND端子123は主電源の負電位端子に接続される。Vdd端子124は上アーム電源118の正電位端子に接続される。
【0011】
図1では、上アーム電力用スイッチング素子101及び下アーム電力用スイッチング素子102をn型MOSトランジスタとしたが、その他の素子、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタでもよい。主電源の正電位端子121は、主電源の正電位VBに接続され、主電源の負電位端子123は主電源の負電位GNDに接続されている。尚、説明の都合上、GND端子123を接地(0V)とする。上アーム電源118の電位差をVUとし、インバータ出力端子122を基準とする。下アーム電源119の電位差をVLとし、主電源の負電位端子123を基準とする。第2の抵抗111と第3の抵抗113はVdd端子124とGND端子123との間に直列に接続され、各抵抗値は同じとすると中点電位端子112の電位はVdd/2となる。
【0012】
制御装置120は、上アーム電力用スイッチング素子101と下アーム電力用スイッチング素子102を同時にオンしないよう制御する。上アーム電力用スイッチング素子101がオンし、下アーム電力用スイッチング素子102がオフしているときはインバータ出力端子122の電位はVBとなるので、Vdd端子124の電位はVB+VUとなる。また、上アーム電力用スイッチング素子101がオフし、下アーム電力用スイッチング素子102がオンしているときはインバータ出力端子122の電位は0Vとなるので、Vdd端子124の電位はVUとなる。よって、Vdd端子124の電位はVUからVB+VUまで変化する。
【0013】
まず、上アームの各装置に関する動作を説明する。本発明のレベルシフトアップ装置125は、第1のn型MOSトランジスタ108、第2のn型MOSトランジスタ110、第1の抵抗107及び第1の高速化手段109で構成される。このインバータ装置では、制御装置120から上アーム電力用スイッチング素子101のオン、オフを制御する制御信号を上アームへ電圧変換する。この変換後の制御信号は、上アーム駆動装置103に入り、インバータ出力端子122を基準とする電位差VUのパルス信号に電圧増幅して上アーム電力用スイッチング素子101のゲート端子に印加される。
【0014】
また、本発明のレベルシフトダウン装置127は、第1のp型MOSトランジスタ114、第2のp型MOSトランジスタ116、第4の抵抗117及び第2の高速化手段115で構成される。このインバータ本装置では、上アーム状態検出装置105からの検出信号を下アーム側へ電圧変換し、制御装置120へ伝達する。尚、上アーム状態検出装置105は、上アーム電力用スイッチング素子101の過電流及び過温度、あるいは上アーム電源の過電圧及び不足電圧などの上アーム各装置状態を検出する。また、この検出出力は上アーム駆動装置103にも入り、過電流、過温度などの異常時には上アーム電力用スイッチング素子101を停止させる。
【0015】
次に、下アームの各装置に関する動作を説明する。制御装置120から下アーム電力用スイッチング素子102のオン、オフを制御する信号が下アーム駆動装置104に入り、GND端子123を基準とする電位差VLのパルス信号に電圧増幅して下アーム電力用スイッチング素子102のゲート端子に印加される。下アーム状態検出装置106は、下アーム電力用スイッチング素子102の過電流及び過温度、あるいは下アーム電源の過電圧及び不足電圧などの下アーム各装置状態を検出し、制御装置120へ伝達する。また、この検出出力は、下アーム駆動装置104にも入り、過電流、過温度などの異常時には下アーム電力用スイッチング素子102を停止させる。
【0016】
次に、レベルシフトアップ装置125の詳細な回路動作を説明する。説明の都合上、図1のレベルシフトアップ装置125を抜き出した図2を用いて説明する。
【0017】
図2は、本発明の第1の実施例にかかるレベルシフトアップ装置125の構成を説明する図である。この実施例では、図1の第1の高速化手段109を容量201と抵抗202の直列回路に置き換えている。図2において、端子204は信号入力端子、端子205は信号出力端子である。その他の構成要素は、図1のレベルシフトアップ装置と同じである。動作の説明上、パルス電圧源203をVdd端子124とGND端子123の間に接続する。尚、本パルス電圧のローレベルはVUとし、第1のn型MOSトランジスタ108、第2のn型MOSトランジスタ110が動作する電圧以上である。また、このパルス電圧のハイレベルはVU+VBとし、各MOSトランジスタの耐圧を超えない電圧とする。また、中点電位端子112の電位Vdd/2を発生させるため、Vdd端子124と中点電位端子112との間に抵抗206を接続し、更に中点電位端子124とGND端子123との間に抵抗207を接続する。
【0018】
まず、パルス電圧源203が一定電圧(ローレベル時VU又はハイレベル時VU+VB)のときの動作を説明する。信号入力端子204に第2のn型MOSトランジスタ110の閾値電圧を入力すると第2のn型MOSトランジスタ110がオンし、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位がグランドレベル付近まで下がる。すると、第1のn型MOSトランジスタ108がオンし、第1の抵抗107に電流が流れ、信号出力端子205とVdd端子124に電位差が発生する。一方、信号入力端子204に第2のn型MOSトランジスタ110の閾値電圧より小さい電圧を入力すると第2のn型MOSトランジスタ110がオフする。第1のn型MOSトランジスタ108と第2のn型MOSトランジスタ110が同一の電気特性だとすると、各MOSトランジスタのソース・ドレイン間にはパルス電源電圧Vddが均等に配分されるため、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は約Vdd/2(VU/2又はVU/2+VB/2)となる。よって、第1のn型MOSトランジスタ108がオフし、第1の抵抗107には電流が流れず、信号出力端子205とVdd端子124に電位差が発生しない。これにより、信号入力端子204に入力された電圧パルス信号がレベルシフトされ信号出力端子205から電圧パルス信号が出力される。
【0019】
次に、パルス電圧源203の電圧が立ち上がり時(ローレベルからハイレベル)及び立ち下がり時(ハイレベルからローレベル)の場合の過渡的動作を説明する。第2のn型MOSトランジスタ110がオンしている場合、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位はほぼグランドレベル付近である。よって、第1のn型MOSトランジスタ108はオンし、第1の抵抗107の両端に電位差が発生する。一方、第2のn型MOSトランジスタ110がオフしている場合、第1のn型MOSトランジスタ108のソースのインピーダンスは第2のn型MOSトランジスタ110のソース・ドレイン間の寄生容量程度しかなく、かなり高い。
【0020】
本発明の第1の高速化手段(本図では容量201と抵抗202)がない場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち上がるが、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は高インピーダンスのため遅れて立ち上がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソースとゲート電位差は広がる傾向にある。
【0021】
また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち下がるが、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は遅れて立ち下がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位がソース電位より低くなる領域が発生し(ゲート負バイアス)、第1のn型MOSトランジスタ108がゲート破壊する。
【0022】
これに対し、第1の高速化手段(容量201と抵抗202)がある場合、第1のn型MOSトランジスタ108のゲートとソース間インピーダンスが低くなる。(ゲートとソースはほぼ同電位)よって、本パルス電圧が立ち上がるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位とソース電位はほぼ同時に立ち上がる。また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位とソース電位はほぼ同時に立ち下がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位はゲート電位とほぼ同じVdd/2となり、前述のゲート破壊は起こらない。
【0023】
尚、この高速化手段は、容量201の容量値が大きいほど効果はあり、抵抗202の抵抗値が小さいほど効果はある。また、抵抗値がゼロオームの場合、つまり容量201のみの場合も同様の動作であり、同じ効果が得られる。
【0024】
以上の高速化手段によって、本発明のレベルシフトアップ装置125は、第1のn型MOSトランジスタ108のスイッチングが高速化するとともに、ゲート破壊を防止できるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、第1のn型MOSトランジスタ108の耐圧の2倍の電源電圧で動作させることができる。
【0025】
次に、レベルシフトダウン装置の詳細な回路動作を説明する。説明の都合上、図1のレベルシフトダウン装置127を抜き出した図3を用いて説明する。
【0026】
図3は、本発明の第1の実施例にかかるレベルシフトダウン装置127の構成を説明するブロック図である。本実施例では、図1の第2の高速化手段115を容量301と抵抗302の直列回路に置き換えている。図3において、端子304は信号入力端子、端子305は信号出力端子である。その他の構成要素は、図1のレベルシフトダウン装置127と同じである。動作の説明上、パルス電圧源203をVdd端子124とGND端子123の間に接続する。尚、本パルス電圧のローレベルはVUとし、第1のp型MOSトランジスタ114、第2のp型MOSトランジスタ116が動作する電圧以上である。また、本パルス電圧のハイレベルはVU+VBとし、各MOSトランジスタの耐圧を超えない電圧とする。また、中点電位端子112の電位Vdd/2を発生させるため、Vdd端子124と中点電位端子112との間に抵抗306を接続し、更に中点電位端子124とGND端子123との間に抵抗307を接続する。
【0027】
まず、パルス電圧源203が一定電圧(ローレベル時VU又はハイレベル時VU+VB)のときの動作を説明する。信号入力端子304に第1のp型MOSトランジスタ114の閾値電圧を入力すると、第1のp型MOSトランジスタ114がオンし、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位がVdd付近まで上がる。すると、第2のp型MOSトランジスタ116がオンし、第4の抵抗117に電流が流れ、信号出力端子305とGND端子123に電位差が発生する。
【0028】
一方、信号入力端子304に第1のp型MOSトランジスタ114の閾値電圧より小さい電圧を入力すると、第1のp型MOSトランジスタ114がオフする。第1のp型MOSトランジスタ114と第2のp型MOSトランジスタ116が同一の電気特性だとすると、各MOSトランジスタのソース・ドレイン間にはパルス電源電圧Vddが均等に配分されるため、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は約Vdd/2(VU/2又はVU/2+VB/2)となる。
【0029】
よって、第2のp型MOSトランジスタ116がオフし、第4の抵抗117には電流が流れず、信号出力端子305とGND端子123に電位差が発生しない。これにより、信号入力端子304に入力された電圧パルス信号がレベルシフトされ信号出力端子305から電圧パルス信号が出力される。
【0030】
次に、パルス電圧源203の電圧が立ち上がり時(ローレベルからハイレベル)及び立ち下がり時(ハイレベルからローレベル)の場合の過渡的動作を説明する。第1のp型MOSトランジスタ114がオンしている場合、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位はほぼVdd付近である。よって、第2のp型MOSトランジスタ116はオンし、第4の抵抗117の両端に電位差が発生する。一方、第1のp型MOSトランジスタ114がオフしている場合、第2のp型MOSトランジスタ116のソースのインピーダンスは、第1のp型MOSトランジスタ114のソース・ドレイン間の寄生容量程度しかなく、かなり高い。本発明の第2の高速化手段(本図では容量301と抵抗302)がない場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち上がるが、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は高インピーダンスのため遅れて立ち上がる。この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位がソース電位より高くなる領域が発生し(ゲート正バイアス)、第2のp型MOSトランジスタ116がゲート破壊する。
【0031】
また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち下がるが、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は遅れて立ち下がる。この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のソースとゲート電位差は広がる傾向にある。これに対し、第2の高速化手段(容量301と抵抗302)がある場合、第2のp型MOSトランジスタ116のゲートとソース間インピーダンスが低くなる。(ゲートとソースはほぼ同電位)よって、本パルス電圧が立ち上がるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位とソース電位はほぼ同時に立ち上がる。また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位とソース電位はほぼ同時に立ち下がる。
【0032】
この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は、ゲート電位とほぼ同じVdd/2となり、前述のゲート破壊は起こらない。尚、この高速化手段は容量301の容量値が大きいほど効果はあり、抵抗302の抵抗値が小さいほど効果はある。また、抵抗値がゼロオームの場合、つまり容量301のみの場合も同様の動作であり、同じ効果が得られる。
【0033】
以上の高速化手段によって、本発明のレベルシフトダウン装置127は、第2のp型MOSトランジスタ116のスイッチングが高速化するとともに、ゲート破壊を防止できるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、第2のp型MOSトランジスタ116の耐圧の2倍の電源電圧で動作させることができる。
【0034】
このように、図1に示すインバータ装置を適用すれば、レベルシフトアップ回路及びレベルシフトダウン回路の高速化が可能となり、回路内の電圧クランプ用MOSトランジスタのゲート破壊は起こらない。また、電圧クランプ用MOSトランジスタの耐圧は(VB+VU)/2で良い。
【0035】
図4は、本発明の第2の実施例にかかるレベルシフトアップ装置125のブロック図である。この実施例では、図1の第1の高速化手段109をツエナーダイオード401に置き換えている。本図において、端子402は信号入力端子、端子403は信号出力端子である。その他の構成要素は、図1のレベルシフトアップ装置と同じである。動作の説明上、パルス電圧源203をVdd端子124とGND端子123の間に接続する。尚、本パルス電圧のローレベルはVUとし、第1のn型MOSトランジスタ108、第2のn型MOSトランジスタ110が動作する電圧以上である。また、本パルス電圧のハイレベルはVU+VBとし、各MOSトランジスタの耐圧を超えない電圧とする。また、中点電位端子112の電位Vdd/2を発生させるため、Vdd端子124と中点電位端子112との間に抵抗404を接続し、更に中点電位端子124とGND端子123との間に抵抗405を接続する。
【0036】
まず、パルス電圧源203が一定電圧(ローレベル時VU又はハイレベル時VU+VB)のときの動作は、図1と同じである。
【0037】
次に、パルス電圧源203の電圧が立ち上がり時(ローレベルからハイレベル)及び立ち下がり時(ハイレベルからローレベル)の場合の過渡的動作を説明する。第2のn型MOSトランジスタ110がオンしている場合、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位はほぼグランドレベル付近である。よって、第1のn型MOSトランジスタ108はオンし、第1の抵抗107の両端に電位差が発生する。一方、第2のn型MOSトランジスタ110がオフしている場合、第1のn型MOSトランジスタ108のソースのインピーダンスは第2のn型MOSトランジスタ110のソース・ドレイン間の寄生容量程度しかなく、かなり高い。本発明の第1の高速化手段(本図ではツエナーダイオード401)がない場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち上がるが、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は高インピーダンスのため遅れて立ち上がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソースとゲート電位差は広がる傾向にある。
【0038】
また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち下がるが、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は遅れて立ち下がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位がソース電位より低くなる領域が発生し(ゲート負バイアス)、第1のn型MOSトランジスタ108がゲート破壊する。これに対し、第1の高速化手段(ツエナーダイオード401)がある場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち上がり、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は一瞬遅れて立ち上がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソースとゲート電位差は広がる傾向にあるが、ツエナー電圧VZでクランプされる。
【0039】
また、このパルス電圧が立ち下がりるとき第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位はほぼ同時に立ち下がり、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は一瞬遅れて立ち下がる。しかし、第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位がソース電位より0.7V程度(ツエナーダイオードのVF程度)下がると、本ツエナーダイオード401がオンして、第1のn型MOSトランジスタ108のゲート電位とソース電位間のインピーダンスが下がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は、ゲート電位とほぼ同じVdd/2(若干0.7V程度の差分はある)となり、前述のゲート破壊は起こらない。尚、本手段の場合、ダイオードでも同じゲート破壊防止の効果が得られる。
【0040】
以上の高速化手段によって、本発明のレベルシフトアップ装置は第1のn型MOSトランジスタ108のスイッチングが高速化するとともに、ゲート破壊を防止できるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、第1のn型MOSトランジスタ108の耐圧の2倍の電源電圧で動作させることができる。また、本実施例を集積回路化(IC化)した場合、高速化手段がツエナーダイオードであるため、図2のような容量の場合に比べてIC面積を低減できる。
【0041】
図5は、本発明の第2の実施例にかかるレベルシフトダウン装置のブロック図である。この実施例では、図1の第2の高速化手段115をツエナーダイオード501に置き換えている。図5において、端子502は信号入力端子、端子503は信号出力端子である。その他の構成要素は、図1のレベルシフトアップ装置127と同じである。動作の説明上、パルス電圧源203をVdd端子124とGND端子123の間に接続する。尚、本パルス電圧のローレベルはVUとし、第1のp型MOSトランジスタ114、第2のp型MOSトランジスタ116が動作する電圧以上である。また、本パルス電圧のハイレベルはVU+VBとし、各MOSトランジスタの耐圧の2倍の電圧を超えない電圧とする。また、中点電位端子112の電位Vdd/2を発生させるため、Vdd端子124と中点電位端子112との間に抵抗504を接続し、更に中点電位端子124とGND端子123との間に抵抗505を接続する。
【0042】
まず、パルス電圧源203が一定電圧(ローレベル時VU又はハイレベル時VU+VB)のときの動作は図1と同じである。
【0043】
次に、パルス電圧源203の電圧が立ち上がり時(ローレベルからハイレベル)及び立ち下がり時(ハイレベルからローレベル)の場合の過渡的動作を説明する。第1のp型MOSトランジスタ114がオンしている場合、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位はほぼVdd付近である。よって、第2のp型MOSトランジスタ116はオンし、第4の抵抗117の両端に電位差が発生する。一方、第1のp型MOSトランジスタ114がオフしている場合、第2のp型MOSトランジスタ116のソースのインピーダンスは第1のp型MOSトランジスタ114のソース・ドレイン間の寄生容量程度しかなく、かなり高い。
【0044】
本発明の第2の高速化手段(本図ではツエナーダイオード501)がない場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち上がるが、第1のn型MOSトランジスタ108のソース電位は高インピーダンスのため遅れて立ち上がる。この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位がソース電位より高くなる領域が発生し(ゲート正バイアス)、第2のp型MOSトランジスタ116がゲート破壊する。また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち下がるが、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は遅れて立ち下がる。この結果、第1のn型MOSトランジスタ108のソースとゲート電位差は広がる傾向にある。
【0045】
これに対し、第2の高速化手段(ツエナーダイオード501)がある場合、本パルス電圧が立ち上がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち上がり、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は一瞬遅れて立ち上がる。しかし、第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位がソース電位より0.7V程度(ツエナーダイオードのVF程度)上がると、本ツエナーダイオード501がオンして、第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位とソース電位間のインピーダンスが下がる。この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位はゲート電位とほぼ同じVdd/2(若干0.7V程度の差分はある)となり、前述のゲート破壊は起こらない。また、本パルス電圧が立ち下がりるとき第2のp型MOSトランジスタ116のゲート電位はほぼ同時に立ち下がり、第2のp型MOSトランジスタ116のソース電位は一瞬遅れて立ち下がる。この結果、第2のp型MOSトランジスタ116のソースとゲート電位差は広がる傾向にあるが、ツエナー電圧VZでクランプされる。尚、この高速化手段の場合、ダイオードでも同じゲート破壊防止の効果が得られる。
【0046】
以上の高速化手段によって、本発明のレベルシフトアップ装置は第2のp型MOSトランジスタ116のスイッチングが高速化するとともに、ゲート破壊を防止できるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、第2のp型MOSトランジスタ116の耐圧の2倍の電源電圧で動作させることができる。また、本実施例を集積回路化(IC化)した場合、高速化手段がツエナーダイオードであるため、図3のような容量の場合に比べてIC面積を低減できる。
【0047】
図6は本発明の第2の実施例にかかる手段を用いたインバータ装置のブロック図である。図6のインバータ装置の基本構成は図1とほぼ同じであるが、図1との違いは中点電位を発生させる中点電位電源126の構成である。図6では、第2の抵抗111の両端子に第1の容量601と第5の抵抗602の直列回路を接続し、第3の抵抗113の両端子に第2の容量603と第6の抵抗604の直列回路を接続した。この実施例は、低消費電力化のために第2の抵抗111と第3の抵抗113の抵抗値を大きくした場合に中点電位端子112の電位変化応答性を高速にすることが目的である。このインバータ装置を電源電圧VBが高い製品分野に適用する場合、低消費電力化のために第2の抵抗111と第3の抵抗113の抵抗値を大きくせざるを得ない。しかし、Vdd端子124がスイッチングすると、第2の抵抗111と第3の抵抗113のインピーダンスが高いため、中点電位端子112の電位変化が遅くなる。この結果、レベルシフトアップ装置125の第1のn型MOSトランジスタのゲート電位変化とレベルシフトダウン装置127の第2のp型MOSトランジスタのゲート電位変化が遅くなり、図2、図3、図4、図5で説明したようなゲート破壊が起こる。
【0048】
このため高速化手段として、第1の容量601、第5の抵抗602、第2の容量603と第6の抵抗604を追加した。尚、これら容量の容量値及び抵抗の抵抗値は第2の抵抗111及び第3の抵抗113のインピーダンスより低くなるよう決める。
【0049】
図6では、上アーム電力用スイッチング素子101及び下アーム電力用スイッチング素子102をn型MOSトランジスタとしたが、その他の素子、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタでもよい。主電源の正電位端子121は主電源の正電位VBに接続され、主電源の負電位端子123は主電源の負電位GNDに接続されている。尚、説明の都合上、GND端子123を接地(0V)とする。上アーム電源118の電位差をVUとし、インバータ出力端子122を基準とする。下アーム電源119の電位差をVLとし、主電源の負電位端子123を基準とする。制御装置120は上アーム電力用スイッチング素子101と下アーム電力用スイッチング素子102を同時にオンしないよう制御する。
【0050】
上アーム電力用スイッチング素子101がオンし、下アーム電力用スイッチング素子102がオフしているときはインバータ出力端子122の電位はVBとなるので、Vdd端子124の電位はVB+VUとなる。また、上アーム電力用スイッチング素子101がオフし、下アーム電力用スイッチング素子102がオンしているときはインバータ出力端子122の電位は0Vとなるので、Vdd端子124の電位はVUとなる。よって、Vdd端子124の電位はVUからVB+VUまで変化する。
【0051】
図6において、レベルシフトアップ装置125、レベルシフトダウン装置127、上アーム駆動装置103、下アーム駆動装置104、上アーム状態検出装置105及び下アーム状態検出装置106の動作は図1と同じであるが、中点電位電源126の動作が異なるので本電源の動作を説明する。
【0052】
まず、Vdd端子124が一定電圧(ローレベル時VU又はハイレベル時VU+VB)のとき、第2の抵抗111と第3の抵抗113の各抵抗値が同じとすると中点電位端子112の電位はVdd/2となる。(Vdd端子の電位がVUのときは中点電位端子の電位はVU/2、Vdd端子の電位がVB+VUのときは中点電位端子の電位はVB/2+VU/2となる。)尚、このときの動作は図1と同じである。
【0053】
次に、Vdd端子124の電位が立ち上がり時(ローレベルからハイレベル)及び立ち下がり時(ハイレベルからローレベル)の場合の過渡的動作を説明する。第1の容量601と第5の抵抗602の直列回路のインピーダンスが第2の抵抗111のインピーダンスより低く、且つ第2の容量603と第6の抵抗604のインピーダンスが第3の抵抗113のインピーダンスより低いため、Vdd端子124の電位が立ち上がると同時に中点電位端子112電位も立ち上がり、Vdd端子124の電位が立ち下がると同時に中点電位端子112の電位も立ち下がる。よって、本容量及び抵抗がない場合に比べて中点電位端子112の電位変化の応答性が高速になる。
【0054】
このように、図6に示すインバータ装置を適用すれば、低消費電力化のため第2の抵抗111及び第3の抵抗113の抵抗値を大きくした場合でも、中点電位電源の高速化とレベルシフトアップ回路及びレベルシフトダウン回路の高速化が可能となり回路内の電圧クランプ用MOSトランジスタのゲート破壊は起こらない。また、電圧クランプ用MOSトランジスタの耐圧は(VB+VU)/2で良い。
【0055】
図7は、本発明の第3の実施例にかかるインバータ装置のブロック図である。図7は、図1の単相インバータ装置を用いた三相インバータ装置の例である。
【0056】
三相インバータ装置は、第1の上アーム電力用スイッチング素子704、第1の上アーム還流用ダイオード705、第2の上アーム電力用スイッチング素子706、第2の上アーム還流用ダイオード707、第3の上アーム電力用スイッチング素子708、第3の上アーム還流用ダイオード709、第1の下アーム電力用スイッチング素子710、第1の下アーム還流用ダイオード711、第2の下アーム電力用スイッチング素子712、第2の下アーム還流用ダイオード713、第3の下アーム電力用スイッチング素子714、第3の下アーム還流用ダイオード715、第1の上アーム駆動装置716、第2の上アーム駆動装置717、第3の上アーム駆動装置718、第1の下アーム駆動装置719、第2の下アーム駆動装置720、第3の下アーム駆動装置721、第1の上アーム状態検出装置722、第2の上アーム状態検出装置723、第3の上アーム状態検出装置724、第1の下アーム状態検出装置725、第2の下アーム状態検出装置726、第3の下アーム状態検出装置727、第1の上アーム電源728、第2の上アーム電源729、第3の上アーム電源730、下アーム電源731、第1のレベルシフトアップ装置732、第2のレベルシフトアップ装置733、第3のレベルシフトアップ装置734、第1の抵抗735、第2の抵抗736、第3の抵抗737、第4の抵抗738、第5の抵抗739、第6の抵抗740、第1のレベルシフトダウン装置741、第2のレベルシフトダウン装置742、第3のレベルシフトダウン装置743、制御装置120を備えて構成される。
【0057】
端子701は第1のインバータ出力端子、端子702は第2のインバータ出力端子、端子703は第3のインバータ出力端子、端子121は主電源の正電位端子、端子123は主電源の負電位端子に接続されたGND端子、端子744は第1のVdd端子、端子745は第2のVdd端子、端子746は第3のVdd端子である。
【0058】
図7において、第1の上アーム電力用スイッチング素子704、第2の上アーム電力用スイッチング素子706、第3の上アーム電力用スイッチング素子708、第1の下アーム電力用スイッチング素子710、第2の下アーム電力用スイッチング素子712、第3の下アーム電力用スイッチング素子714をn型MOSトランジスタとしたが、その他の素子、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタでもよい。主電源の正電位端子121は、主電源の正電位VBに接続され、主電源の負電位端子123は主電源の負電位GNDに接続されている。尚、説明の都合上、GND端子123を接地(0V)とする。
【0059】
第1の抵抗735と第2の抵抗736は、第1のVdd端子744とGND端子123との間に直列に接続され、第1のレベルシフトアップ装置732と第1のレベルシフトダウン装置741に必要な電位Vdd1/2を発生させる。尚、第1のVdd端子744の電位をVdd1とする。
【0060】
第3の抵抗737と第4の抵抗738は、第2のVdd端子745とGND端子123との間に直列に接続され、第2のレベルシフトアップ装置733と第2のレベルシフトダウン装置742に必要な電位Vdd2/2を発生させる。尚、第2のVdd端子745の電位をVdd2とする。
【0061】
第5の抵抗739と第6の抵抗740は、第3のVdd端子746とGND端子123との間に直列に接続され、第3のレベルシフトアップ装置734と第3のレベルシフトダウン装置743に必要な電位Vdd3/2を発生させる。尚、第3のVdd端子746の電位をVdd3とする。
【0062】
本実施例は、図1の単相インバータを3個並列に接続した構成であり、各単相インバータ装置の動作は図1と同じである。制御装置120は、各単相インバータに制御信号を送り、各相の上アーム電力用スイッチング素子及び下アーム電力用スイッチング素子のオン、オフを制御する。また、制御装置120は各単相インバータ装置から上アーム状態検出装置及び下アーム状態検出装置の検出値を受け取り、各単相インバータ装置の制御パターンを設定する。
【0063】
図8は、本発明を用いたインバータ装置の第4の実施例である。図8は、図7の三相インバータ装置において、各相の駆動装置、状態検出装置、レベルシフトアップ装置、レベルシフトダウン装置、中点電位電源を集積回路化(モノリシックIC化)した例である。
【0064】
この実施例では、第1の上アーム駆動回路802、第1の上アーム状態検出回路803、第2の上アーム駆動回路804、第2の上アーム状態検出回路805、第3の上アーム駆動回路806、第3の上アーム状態検出回路807、第1の下アーム駆動回路808、第1の下アーム状態検出回路809、第2の下アーム駆動回路810、第2の下アーム状態検出回路811、第3の下アーム駆動回路812、第3の下アーム状態検出回路813、第1のレベルシフトアップ回路814、第1のレベルシフトダウン回路815、第2のレベルシフトアップ回路816、第2のレベルシフトダウン回路817、第3のレベルシフトアップ回路818、第3のレベルシフトダウン回路819、第1の中点電位電源820、第2の中点電位電源821、第3の中点電位電源822をモノリシックIC801に搭載している。
【0065】
モノリシックIC801には、第1の上アーム電源823、第2の上アーム電源824、第3の上アーム電源825、下アーム電源826が接続される。
【0066】
図8の動作は図7と同じである。本実施例の場合、IC化により部品点数が大幅に低減し低コスト化できる。
【0067】
図9のブロック図を用いて、本発明にかかるインバータ装置をモータへの適用した例を説明する。
【0068】
この実施例のインバータ装置901は、図7または図8のインバータ装置がこれに相当する。制御装置120によって制御されるインバータ装置901の第1のインバータ出力端子701、第2のインバータ出力端子702、第3のインバータ出力端子703に、三相モータ902が接続される。第1の電流検出装置903、第2の電流検出装置904、第3の電流検出装置905検出信号が制御装置120へ入力される。さらに、インバータ装置901の主電源の正電位端子121、主電源の負電位端子に接続されたGND端子123に、主電源906が接続される。
【0069】
インバータ装置901の第1のインバータ出力端子701を流れる出力電流は第1の電流検出装置903で検出され、制御装置120へ送られる。制御装置120はその検出値に応じた制御信号を本発明のインバータ装置901へ送る。その他の電流検出装置の動作も同様である。また、制御装置120は本発明のインバータ装置901から上アーム状態検出装置及び下アーム状態検出装置の検出値を受け取り、各単相インバータ装置の制御パターンを設定する。
【0070】
本適用例の場合、モータシステム全体の信頼性が向上するとともに、図8のようなIC化により部品点数が大幅に低減し低コスト化できる。
【0071】
【発明の効果】
本発明によれば、インバータ装置のレベルシフトアップ回路及びレベルシフトダウン回路の高速化が可能となり、回路内の電圧クランプ用MOSトランジスタのゲート破壊を防止できるためインバータ装置の信頼性が向上する。また、レベルシフトアップ回路及びレベルシフトダウン回路は電圧クランプ用MOSトランジスタの耐圧の2倍の電源電圧まで動作させることができるためインバータ装置の高耐圧化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を用いたインバータ装置の第1の実施例。
【図2】本発明のレベルシフトアップ装置の第1の実施例。
【図3】本発明のレベルシフトダウン装置の第1の実施例。
【図4】本発明のレベルシフトアップ装置の第2の実施例。
【図5】本発明のレベルシフトダウン装置の第2の実施例。
【図6】本発明を用いたインバータ装置の第2の実施例。
【図7】本発明を用いたインバータ装置の第3の実施例。
【図8】本発明を用いたインバータ装置の第4の実施例。
【図9】本発明インバータ装置のモータへの適用例。
【図10】従来のインバータ装置に用いられているレベルシフト回路の一例。
【符号の説明】
101 上アーム電力用スイッチング素子
102 下アーム電力用スイッチング素子
103 上アーム駆動装置
104 下アーム駆動装置
105 上アーム状態検出装置
106 下アーム状態検出装置
107 第1の抵抗
108 第1のn型MOSトランジスタ
109 第1の高速化手段(ゲートの電位変動に追随するようにソース電位が変動するデバイス)
110 第2のn型MOSトランジスタ
111 第2の抵抗
112 中点電位端子
113 第3の抵抗
114 第1のp型MOSトランジスタ
116 第2のp型MOSトランジスタ
115 第2の高速化手段(ゲートの電位変動dV/dtに追随するようにソース電位が変動するデバイス)
117 第4の抵抗
118 上アーム電源
119 下アーム電源
120 制御装置
121 主電源の正電位端子
122 インバータ出力端子
123 GND端子
124 Vdd端
125 レベルシフトアップ装置
126 中点電位電源(Vdd/2)
127 レベルシフトダウン装置
201 容量
202 抵抗
203 パルス電圧源
204 信号入力端子
205 信号出力端子
206 抵抗
207 抵抗
301 容量
302 抵抗
304 信号入力端子
305 信号出力端子
306 抵抗
307 抵抗
401 ツエナーダイオード
402 信号入力端子
403 信号出力端子
404 抵抗
405 抵抗
501 ツエナーダイオード
502 信号入力端子
503 信号出力端子
504 抵抗
505 抵抗
601 第1の容量
602 第5の抵抗
603 第2の容量
604 第6の抵抗
701 第1のインバータ出力端子
702 第2のインバータ出力端子
703 第3のインバータ出力端子
704 第1の上アーム電力用スイッチング素子
705 第1の上アーム還流用ダイオード
706 第2の上アーム電力用スイッチング素子
707 第2の上アーム還流用ダイオード
708 第3の上アーム電力用スイッチング素子
709 第3の上アーム還流用ダイオード
710 第1の下アーム電力用スイッチング素子
711 第1の下アーム還流用ダイオード
712 第2の下アーム電力用スイッチング素子
713 第2の下アーム還流用ダイオード
714 第3の下アーム電力用スイッチング素子
715 第3の下アーム還流用ダイオード
716 第1の上アーム駆動装置
717 第2の上アーム駆動装置
718 第3の上アーム駆動装置
719 第1の下アーム駆動装置
720 第2の下アーム駆動装置
721 第3の下アーム駆動装置
722 第1の上アーム状態検出装置
723 第2の上アーム状態検出装置
724 第3の上アーム状態検出装置
725 第1の下アーム状態検出装置
726 第2の下アーム状態検出装置
727 第3の下アーム状態検出装置
728 第1の上アーム電源
729 第2の上アーム電源
730 第3の上アーム電源
731 下アーム電源
732 第1のレベルシフトアップ装置
733 第2のレベルシフトアップ装置
734 第3のレベルシフトアップ装置
735 第1の抵抗
736 第2の抵抗
737 第3の抵抗
738 第4の抵抗
739 第5の抵抗
740 第6の抵抗
741 第1のレベルシフトダウン装置
742 第2のレベルシフトダウン装置
743 第3のレベルシフトダウン装置
744 第1のVdd端子
745 第2のVdd端子
746 第3のVdd端子
801 モノリシックIC
802 第1の上アーム駆動回路
803 第1の上アーム状態検出回路
804 第2の上アーム駆動回路
805 第2の上アーム状態検出回路
806 第3の上アーム駆動回路
807 第3の上アーム状態検出回路
808 第1の下アーム駆動回路
809 第1の下アーム状態検出回路
810 第2の下アーム駆動回路
811 第2の下アーム状態検出回路
812 第3の下アーム駆動回路
813 第3の下アーム状態検出回路
814 第1のレベルシフトアップ回
815 第1のレベルシフトダウン回路
816 第2のレベルシフトアップ回路
817 第2のレベルシフトダウン回路
818 第3のレベルシフトアップ回路
819 第3のレベルシフトダウン回路
820 第1の中点電位電源
821 第2の中点電位電源
822 第3の中点電位電源
823 第1の上アーム電源
824 第2の上アーム電源
825 第3の上アーム電源
826 下アーム電源
901 本発明のインバータ装置で図7または図8がこれに相当する
902 三相モータ
903 第1の電流検出装置
904 第2の電流検出装置
905 第3の電流検出装置
906 主電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device composed of a power switching element connected between main power supply terminals, and more particularly, a high voltage level shift-up circuit that transmits a control signal from a low voltage side circuit to a high voltage side circuit at high speed and a low voltage from the high voltage side circuit. The present invention relates to an inverter device including a high voltage level shift down circuit that transmits a state detection signal to a side circuit at high speed. The present invention is used for, for example, an inverter device for automobiles, home appliances or industrial use.
[Prior art]
Conventionally, in an inverter device including a first power switching element (upper arm switching element) and a second power switching element (lower arm switching element) connected in series between main power supply terminals, an upper arm switching element is A MOS transistor or the like has been used for a level shift circuit for transmitting a control signal to be controlled. In this level shift circuit, a high voltage MOS transistor is used because a surge voltage at the time of switching is applied in addition to the main power supply voltage, but the high voltage MOS transistor is not suitable for high-speed circuit operation. For this reason, there is a method in which several low-breakdown-voltage MOS transistors are cascaded in series to share the voltage applied to the circuit (see, for example, “Level Shift Circuit” in Patent Document 1).
[0002]
An example is shown in FIG. MOS transistors M2, M9 and M4 are connected in series between the positive voltage side
[0003]
[Patent Document 1]
JP 11-205123 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, when the power switching element (IBGT in this example) is switched, a pulse voltage that changes from 0 V to the main power supply voltage VBB is applied to the output terminal of the inverter. Therefore, when the upper arm power supply voltage is Vc, the power supply Vdd of this level shift circuit changes from Vc to VBB + Vc. When the MOS transistor M2 is off, when the potential of the main power supply Vdd falls, the voltage between the gate and the source of the MOS transistor M9 becomes a negative bias and the gate may be destroyed. This is because when the MOS transistor M2 is off, the impedance of the source of the MOS transistor M9 becomes high, and the fall time of the source of the MOS transistor M9 is delayed from the fall time of the gate of the MOS transistor M9.
[0005]
An object of the present invention is to eliminate the above-mentioned problems, and to provide an inverter device provided with a level shift circuit having high-speed switching operation and high breakdown voltage characteristics of a voltage clamping MOS transistor.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, high speed means is provided between the gate and the source of the voltage clamping MOS transistor. As a specific example of the speed-up means, a capacitor or a series circuit of a capacitor and a resistor can be considered. As another speed-up means, a diode or Zener diode in which the cathode is connected to the gate of the MOS transistor and the anode is connected to the source can be considered.
[0007]
According to the above means, since the impedance between the gate and the source of the MOS transistor is lowered, the source potential follows the voltage fluctuation of the gate of the voltage clamping MOS transistor. As a result, the switching speed is increased and the negative bias of the voltage between the gate and the source is eliminated and the gate breakdown is prevented, so that the reliability of the inverter device is improved. Further, this level shift circuit can be operated up to a power supply voltage twice the withstand voltage of the voltage clamping MOS transistor.
[0008]
Further, according to the above-described another speed-up means, even if the gate potential of the MOS transistor falls below the source potential, the diode is turned on at about 0.7 V (diode VF), and the gate and source of the MOS transistor have low impedance. become. As a result, the switching speed is increased, and the negative bias of the gate-source voltage is eliminated and the gate breakdown can be prevented, so that the reliability of the inverter device is improved. Further, the level shift circuit can be operated up to a power supply voltage that is twice the withstand voltage of the voltage clamping MOS transistor.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an inverter device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the inverter device includes an upper arm
[0010]
The upper
[0011]
In FIG. 1, the upper arm
[0012]
The
[0013]
First, operations related to each device of the upper arm will be described. The level shift-up
[0014]
The level shift down
[0015]
Next, operations related to each device of the lower arm will be described. A signal for controlling on / off of the lower arm
[0016]
Next, a detailed circuit operation of the level shift up
[0017]
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the level shift up
[0018]
First, the operation when the
[0019]
Next, a transient operation when the voltage of the
[0020]
Without the first speed-up means of the present invention (
[0021]
Also, when the pulse voltage falls, the gate potential of the first n-
[0022]
On the other hand, when there is the first speed-up means (
[0023]
This speed-up means is more effective as the capacitance value of the
[0024]
With the above speed-up means, the level shift up
[0025]
Next, a detailed circuit operation of the level shift down device will be described. For convenience of explanation, the level shift down
[0026]
FIG. 3 is a block diagram for explaining the configuration of the level shift down
[0027]
First, the operation when the
[0028]
On the other hand, when a voltage smaller than the threshold voltage of the first p-
[0029]
Therefore, the second p-
[0030]
Next, a transient operation when the voltage of the
[0031]
When the pulse voltage falls, the gate potential of the second p-
[0032]
As a result, the source potential of the second p-
[0033]
With the above speed-up means, the level shift down
[0034]
As described above, when the inverter device shown in FIG. 1 is applied, the level shift-up circuit and the level shift-down circuit can be speeded up, and gate breakdown of the voltage clamping MOS transistor in the circuit does not occur. The withstand voltage of the voltage clamping MOS transistor may be (VB + VU) / 2.
[0035]
FIG. 4 is a block diagram of the level shift up
[0036]
First, the operation when the
[0037]
Next, a transient operation when the voltage of the
[0038]
Also, when the pulse voltage falls, the gate potential of the first n-
[0039]
When this pulse voltage falls, the gate potential of the first n-
[0040]
With the above speed-up means, the level shift-up device of the present invention speeds up switching of the first n-
[0041]
FIG. 5 is a block diagram of a level shift down apparatus according to a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the second speed-up means 115 in FIG. 1 is replaced with a
[0042]
First, the operation when the
[0043]
Next, a transient operation when the voltage of the
[0044]
Without the second speed-up means (
[0045]
On the other hand, when there is the second speed-up means (Zener diode 501), the gate potential of the second p-
[0046]
With the above speed-up means, the level shift-up device of the present invention speeds up the switching of the second p-
[0047]
FIG. 6 is a block diagram of an inverter device using means according to the second embodiment of the present invention. The basic configuration of the inverter device of FIG. 6 is almost the same as that of FIG. 1, but the difference from FIG. 1 is the configuration of the midpoint
[0048]
For this reason, a
[0049]
In FIG. 6, the upper arm
[0050]
When the upper arm
[0051]
6, the operations of the level shift up
[0052]
First, when the
[0053]
Next, a transient operation when the potential of the
[0054]
As described above, when the inverter device shown in FIG. 6 is applied, even when the resistance values of the second resistor 111 and the
[0055]
FIG. 7 is a block diagram of an inverter device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is an example of a three-phase inverter device using the single-phase inverter device of FIG.
[0056]
The three-phase inverter device includes a first upper arm
[0057]
[0058]
In FIG. 7, a first upper arm
[0059]
The
[0060]
The
[0061]
The
[0062]
The present embodiment has a configuration in which three single-phase inverters of FIG. 1 are connected in parallel, and the operation of each single-phase inverter device is the same as that of FIG. The
[0063]
FIG. 8 shows a fourth embodiment of the inverter device using the present invention. FIG. 8 shows an example in which the driving device, the state detection device, the level shift up device, the level shift down device, and the midpoint potential power supply of each phase are integrated into an integrated circuit (monolithic IC) in the three-phase inverter device of FIG. .
[0064]
In this embodiment, a first upper
[0065]
The monolithic IC 801 is connected to a first upper
[0066]
The operation of FIG. 8 is the same as that of FIG. In the case of the present embodiment, the number of parts can be greatly reduced and the cost can be reduced by using an IC.
[0067]
An example in which the inverter device according to the present invention is applied to a motor will be described with reference to the block diagram of FIG.
[0068]
The
[0069]
The output current flowing through the first
[0070]
In the case of this application example, the reliability of the entire motor system is improved, and the number of parts can be greatly reduced and the cost can be reduced by using an IC as shown in FIG.
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to increase the speed of the level shift up circuit and the level shift down circuit of the inverter device, and it is possible to prevent gate breakdown of the voltage clamping MOS transistor in the circuit, thereby improving the reliability of the inverter device. Further, since the level shift up circuit and the level shift down circuit can be operated up to a power supply voltage that is twice the withstand voltage of the voltage clamping MOS transistor, the withstand voltage of the inverter device can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a first embodiment of an inverter device using the present invention.
FIG. 2 shows a first embodiment of the level shift up device of the present invention.
FIG. 3 shows a first embodiment of a level shift down apparatus according to the present invention.
FIG. 4 shows a second embodiment of the level shift up device of the present invention.
FIG. 5 shows a second embodiment of the level shift down apparatus of the present invention.
FIG. 6 shows a second embodiment of an inverter device using the present invention.
FIG. 7 shows a third embodiment of an inverter device using the present invention.
FIG. 8 shows a fourth embodiment of an inverter device using the present invention.
FIG. 9 shows an application example of the inverter device of the present invention to a motor.
FIG. 10 shows an example of a level shift circuit used in a conventional inverter device.
[Explanation of symbols]
101 Upper arm power switching element
102 Switching element for lower arm power
103 Upper arm drive device
104 Lower arm drive device
105 Upper arm state detection device
106 Lower arm state detection device
107 first resistor
108 First n-type MOS transistor
109 First speed-up means (device whose source potential fluctuates so as to follow the potential fluctuation of the gate)
110 Second n-type MOS transistor
111 Second resistor
112 Midpoint potential terminal
113 Third resistor
114 First p-type MOS transistor
116 Second p-type MOS transistor
115 Second speed-up means (device whose source potential fluctuates so as to follow gate potential fluctuation dV / dt)
117 fourth resistance
118 Upper arm power supply
119 Lower arm power supply
120 controller
121 Main power supply positive potential terminal
122 Inverter output terminal
123 GND terminal
124 Vdd end
125 level shift up device
126 Midpoint potential power supply (Vdd / 2)
127 Level shift down device
201 capacity
202 resistance
203 Pulse voltage source
204 Signal input terminal
205 Signal output terminal
206 Resistance
207 resistance
301 capacity
302 resistance
304 signal input terminal
305 Signal output terminal
306 resistance
307 resistance
401 Zener diode
402 Signal input terminal
403 Signal output terminal
404 resistance
405 resistance
501 Zener diode
502 Signal input terminal
503 Signal output terminal
504 resistance
505 resistance
601 first capacity
602 fifth resistor
603 second capacity
604 Sixth resistor
701 First inverter output terminal
702 Second inverter output terminal
703 Third inverter output terminal
704 First upper arm power switching element
705 First upper arm return diode
706 Second upper arm power switching element
707 Second upper arm return diode
708 Third upper arm power switching element
709 Third upper arm return diode
710 First lower arm power switching element
711 First lower arm return diode
712 Second lower arm power switching element
713 Second lower arm return diode
714 Third lower arm power switching element
715 Third lower arm return diode
716 First upper arm driving device
717 Second upper arm driving device
718 Third upper arm drive
719 First lower arm drive device
720 Second lower arm driving device
721 Third lower arm driving device
722 First upper arm state detection device
723 Second upper arm state detection device
724 Third upper arm state detection device
725 First lower arm state detection device
726 Second lower arm state detection device
727 Third lower arm state detection device
728 First upper arm power supply
729 Second upper arm power supply
730 Third upper arm power supply
731 Lower arm power supply
732 First level shift-up device
733 Second level shift up device
734 Third level shift up device
735 First resistor
736 Second resistance
737 Third resistor
738 Fourth resistor
739 5th resistor
740 Sixth resistor
741 First level shift down device
742 Second level shift down device
743 Third level shift down device
744 First Vdd terminal
745 Second Vdd terminal
746 Third Vdd terminal
801 Monolithic IC
802 First upper arm drive circuit
803 First upper arm state detection circuit
804 Second upper arm drive circuit
805 Second upper arm state detection circuit
806 Third upper arm drive circuit
807 Third upper arm state detection circuit
808 First lower arm drive circuit
809 First lower arm state detection circuit
810 Second lower arm drive circuit
811 Second lower arm state detection circuit
812 Third lower arm drive circuit
813 Third lower arm state detection circuit
814 First level upshift
815 First level shift down circuit
816 Second level shift up circuit
817 Second level shift down circuit
818 Third level shift-up circuit
819 Third level shift down circuit
820 First midpoint potential power supply
821 Second midpoint potential power supply
822 Third midpoint potential power supply
823 First upper arm power supply
824 Second upper arm power supply
825 Third upper arm power supply
826 Lower arm power supply
901 FIG. 7 or FIG. 8 corresponds to the inverter device of the present invention.
902 Three-phase motor
903 First current detection device
904 Second current detection device
905 Third current detection device
906 Main power supply
Claims (10)
前記レベルシフトアップ手段は、一方の端子が上アーム電源の高電位側に接続された第1の抵抗と、ドレインが第1の抵抗の他方の端子に接続されゲートが中点電位端子に接続された第1のnMOSトランジスタと、ドレインが第1のnMOSトランジスタのソースに接続されソースが主電源低電位端子に接続されゲートに制御手段の制御信号が入力された第2のnMOSトランジスタと、一方の端子が第1のnMOSトランジスタのゲートに接続され他方の端子が第1のnMOSトランジスタのソースに接続された第1の高速化手段からなり、前記レベルシフトダウン手段は、ソースが上アーム電源の高電位側に接続されゲートに上アーム状態検出手段の検出信号が入力された第1のpMOSトランジスタと、ソースが第1のpMOSトランジスタのドレインに接続されゲートが中点電位端子に接続された第2のpMOSトランジスタと、一方の端子が第2のpMOSトランジスタのドレインに接続され他方の端子が主電源用低電位端子に接続された第2の抵抗と、一方の端子が第2のpMOSトランジスタのゲートに接続され他方の端子が第2のpMOSトランジスタのソースに接続された第2の高速化手段からなることを特徴とするインバータ装置。High-arm terminal for main power supply, low-potential terminal for main power supply, output terminal connected to external load, switching for upper arm power with drain connected to high-potential terminal for main power supply and source connected to output terminal A lower arm power switching element having a drain connected to the output terminal and a source connected to the low potential terminal for main power, an upper arm driving means connected to a control terminal of the upper arm power switching element, Lower arm driving means connected to the control terminal of the arm power switching element, upper arm state detecting means for detecting the upper arm operating state, lower arm state detecting means for detecting the lower arm operating state, and control of the entire apparatus Control means for operating the upper arm power source with the lower arm side operated and the lower potential side connected to the output terminal, and the lower arm side operated with the lower potential side connected to the output terminal A lower arm power supply connected to the low potential terminal; a level shift up means connected between the high potential side of the upper arm power supply and the low potential side of the lower arm power supply to transmit the control signal of the control means to the upper arm drive means; Level shift down means connected between the high potential side of the upper arm power supply and the low potential side of the lower arm power supply for transmitting the detection signal of the upper arm state detection means to the control means; the high potential of the upper arm power supply and the lower arm It consists of a midpoint potential power supply that generates a low potential intermediate potential of the power supply and a midpoint potential terminal that is the output terminal of the midpoint potential power supply
In the level shift-up means, one terminal has a first resistor connected to the high potential side of the upper arm power supply, a drain connected to the other terminal of the first resistor, and a gate connected to the midpoint potential terminal. A first nMOS transistor, a second nMOS transistor having a drain connected to the source of the first nMOS transistor, a source connected to the main power supply low potential terminal, and a gate receiving a control signal of the control means; The level shift down means comprises a first speed-up means having a terminal connected to the gate of the first nMOS transistor and the other terminal connected to the source of the first nMOS transistor. A first pMOS transistor connected to the potential side and having a detection signal of the upper arm state detection means input to the gate, and a source connected to the first pMOS transistor A second pMOS transistor connected to the drain of the transistor and having a gate connected to the midpoint potential terminal, one terminal connected to the drain of the second pMOS transistor, and the other terminal connected to the low potential terminal for main power supply An inverter comprising: a second resistor; and a second speed-up means having one terminal connected to the gate of the second pMOS transistor and the other terminal connected to the source of the second pMOS transistor. apparatus.
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