JP7549748B2 - Gate driver for power semiconductor device and power conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体素子のゲート駆動装置及び電力変換装置に関する。 The present invention relates to a gate drive device for a power semiconductor element and a power conversion device.
複数個直列に接続された電力用半導体素子である半導体スイッチング素子の各々をオンオフするゲート駆動装置として種々のものが提案されている。Various gate drive devices have been proposed that turn on and off each of the semiconductor switching elements, which are power semiconductor elements connected in series.
例えば、複数個直列接続されアームを構成する電圧駆動型半導体素子と、前記各アーム内の複数個の当該電圧駆動型半導体素子各々のゲート端子にゲート信号を供給するゲート駆動回路と、からなる半導体スイッチ回路において、前記ゲート駆動回路と前記各アーム内の各々の電圧駆動型半導体素子のゲート端子とを接続するゲート線を互いに磁気結合させたことを特徴とする直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。For example, in a semiconductor switch circuit comprising a plurality of voltage-driven semiconductor elements connected in series to form arms, and a gate drive circuit that supplies gate signals to the gate terminals of each of the plurality of voltage-driven semiconductor elements in each arm, a control device for series-connected voltage-driven semiconductor elements is known, characterized in that gate lines connecting the gate drive circuit to the gate terminals of each of the voltage-driven semiconductor elements in each arm are magnetically coupled to each other (see, for example, Patent Document 1).
例えば、電力変換器の各アーム当り複数個直列に接続される電圧駆動型半導体素子をオン・オフ駆動する駆動回路において、前記各電圧駆動型半導体素子のコレクタとゲート間に、等価回路がコンデンサと巻線との直列回路からなり、前記巻線が隣り合う駆動回路間で磁気結合されるバランス回路をそれぞれ接続し、素子電圧のばらつきを抑制することを特徴とする電圧駆動型半導体素子の電圧ばらつき抑制方式が知られている(例えば、特許文献2参照。)。For example, in a drive circuit that turns on and off multiple voltage-driven semiconductor elements connected in series to each arm of a power converter, a voltage variation suppression method for voltage-driven semiconductor elements is known in which an equivalent circuit consisting of a series circuit of a capacitor and a winding is connected between the collector and gate of each voltage-driven semiconductor element, and a balance circuit in which the windings are magnetically coupled between adjacent drive circuits is connected to suppress variation in element voltage (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1(特許第4396036号公報)に記載された発明では、電圧駆動型半導体素子の各々ゲート線を磁気結合させて、電圧駆動型半導体素子がオンまたはオフする際に各ゲート線に流れる電流値が異なれば、その差分に応じてゲート線のインピーダンスを瞬時に変化させることで、各ゲート電流を一致させてスイッチングタイミングのばらつきを抑制させている。しかしながら、特許文献1(特許第4396036号公報)に記載された発明は、電圧駆動型半導体素子の各々のゲート閾値電圧(電圧駆動型半導体素子がオン動作し始めるゲートの電圧)が同一である場合はゲート電圧信号の遅延等によるゲート電圧の時間差を補正しオン動作あるいはオフ動作のスイッチングタイミングを揃える効果はあるものの、ゲート閾値電圧が異なる場合はその効果は小さい。多くの場合、ゲート閾値電圧は電圧駆動型半導体素子によってバラツキがあるので、オン動作及びオフ動作のスイッチングタイミングを揃える効果は乏しく、オン動作時及びオフ動作時における印加電圧の不均衡度が大きくなる。In the invention described in Patent Document 1 (JP Patent No. 4396036), the gate lines of the voltage-driven semiconductor element are magnetically coupled, and if the current values flowing through the gate lines differ when the voltage-driven semiconductor element is turned on or off, the impedance of the gate lines is instantly changed according to the difference, thereby matching the gate currents and suppressing the variation in switching timing. However, the invention described in Patent Document 1 (JP Patent No. 4396036) has the effect of correcting the time difference in gate voltage due to the delay of the gate voltage signal and matching the switching timing of the on operation or off operation when the gate threshold voltages (the gate voltages at which the voltage-driven semiconductor element starts to turn on) of the voltage-driven semiconductor elements are the same, but the effect is small when the gate threshold voltages are different. In many cases, the gate threshold voltage varies depending on the voltage-driven semiconductor element, so the effect of matching the switching timing of the on operation and the off operation is poor, and the imbalance of the applied voltage during the on operation and the off operation becomes large.
また、特許文献2(特許第4639687号公報)に記載された発明は、電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合にはオン動作あるいはオフ動作のスイッチングタイミングを揃える効果はあるものの、ゲート信号の伝達時間にバラツキがある場合にはオン動作及びオフ動作のスイッチングタイミングを揃える効果は乏しく、オン動作時及びオフ動作時における印加電圧の不均衡度が大きくなる。In addition, the invention described in Patent Document 2 (Patent Publication No. 4639687) is effective in aligning the switching timing of on or off operations when there is variation in the characteristics of the power semiconductor elements, but is not very effective in aligning the switching timing of on and off operations when there is variation in the transmission time of the gate signal, and the imbalance in the applied voltage during on and off operations becomes greater.
したがって、複数個直列に接続された電力用半導体素子のゲート駆動装置及びこれを備える電力変換装置においては、ゲート信号の伝達時間や電力用半導体素子の特性にバラツキがあっても、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃え、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡を抑制する技術が望まれている。 Therefore, in a gate drive device for multiple power semiconductor elements connected in series and a power conversion device equipped with the same, there is a need for technology that can align the switching timing for the on and off operations of each power semiconductor element, even if there is variation in the transmission time of the gate signal or the characteristics of the power semiconductor elements, and suppress imbalances in the voltages applied to the power semiconductor elements.
本開示の一態様によれば、複数個直列に接続された電力用半導体素子のゲート駆動装置は、電力用半導体素子の各々に対応して設けられ、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動電圧出力部と、ゲート駆動電圧出力部から出力されたゲート駆動電圧を対応する電力用半導体素子の各々のゲート端子に供給するゲート線と、ゲート線の各々を互いに磁気結合する磁気結合部と、電力用半導体素子の各々に対応して設けられ、当該電力用半導体素子についての電流流入端子とゲート端子との間に接続されるコンデンサと、を備える。According to one aspect of the present disclosure, a gate drive device for a plurality of power semiconductor elements connected in series includes a gate drive voltage output unit provided corresponding to each of the power semiconductor elements and outputting a gate drive voltage, a gate line that supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit to the gate terminal of each of the corresponding power semiconductor elements, a magnetic coupling unit that magnetically couples each of the gate lines to each other, and a capacitor provided corresponding to each of the power semiconductor elements and connected between the current inflow terminal and the gate terminal of the power semiconductor element.
ここで、上記ゲート駆動装置において、電力用半導体素子についての電流流出端子とゲート端子との間の寄生容量の値をC1、電流流入端子とゲート端子との間の寄生容量の値をC2としたとき、コンデンサは、Cx/(C1+C2)≧5×10-5を満たす容量値Cxを有してもよい。 Here, in the above-mentioned gate drive device, when the value of the parasitic capacitance between the current outflow terminal and the gate terminal of the power semiconductor element is C1 , and the value of the parasitic capacitance between the current inflow terminal and the gate terminal is C2 , the capacitor may have a capacitance value Cx that satisfies Cx /( C1 + C2 )≧5× 10-5 .
また、上記ゲート駆動装置において、電力用半導体素子についての電流流出端子とゲート端子との間の寄生容量の値をC1、電流流入端子と電流流出端子との間に印加される電圧をV1、ゲート端子と電流流出端子との間の最大許容で印加電圧をVmaxとしたとき、コンデンサは、Vmax/(V1-Vmax)×C1≧Cxを満たす容量値Cxを有してもよい。 Furthermore, in the above-mentioned gate drive device, when the value of the parasitic capacitance between the current outflow terminal and the gate terminal of the power semiconductor element is C1 , the voltage applied between the current inflow terminal and the current outflow terminal is V1 , and the maximum allowable applied voltage between the gate terminal and the current outflow terminal is Vmax , the capacitor may have a capacitance Cx that satisfies Vmax /( V1 - Vmax ) × C1 ≧ Cx .
また、上記ゲート駆動装置において、コンデンサの各々は、対応する電力用半導体素子に近接して配置されてもよい。 In addition, in the above gate drive device, each of the capacitors may be arranged in close proximity to a corresponding power semiconductor element.
また、上記ゲート駆動装置において、電力用半導体素子の各々は、同一の冷却器によって冷却されてもよい。 In addition, in the above gate drive device, each of the power semiconductor elements may be cooled by the same cooler.
また、上記ゲート駆動装置において、電力用半導体素子の電流流入端子は、ドレイン端子、コレクタ端子、またはアノード端子であってもよい。 In addition, in the above gate drive device, the current input terminal of the power semiconductor element may be a drain terminal, a collector terminal, or an anode terminal.
また、上記ゲート駆動装置において、電力用半導体素子の電流流出端子は、ソース端子、エミッタ端子、またはカソード端子であってもよい。 In addition, in the above gate drive device, the current output terminal of the power semiconductor element may be a source terminal, an emitter terminal, or a cathode terminal.
また、本開示の一態様によれば、電力変換装置は、上記ゲート駆動装置と、複数個直列に接続された電力用半導体素子と当該電力用半導体素子に対応するコンデンサとが設けられたアームを2個有し、電力用半導体素子のオンオフ動作に応じて電力変換動作を行う電力変換回路部と、電力変換回路部の電力変換動作を制御する電力変換制御部と、を備える。According to one aspect of the present disclosure, the power conversion device includes the gate drive device, a power conversion circuit unit having two arms each having a plurality of power semiconductor elements connected in series and capacitors corresponding to the power semiconductor elements, and performing power conversion operation in response to the on/off operation of the power semiconductor elements, and a power conversion control unit that controls the power conversion operation of the power conversion circuit unit.
ここで、上記電力変換装置において、電力用半導体素子の各々に対応して設けられ、当該電力用半導体素子についての電流流出端子とゲート端子との間に接続されるスイッチをさらに備えてもよい。Here, the power conversion device may further include a switch provided corresponding to each of the power semiconductor elements and connected between the current output terminal and the gate terminal of the power semiconductor element.
ここで、上記電力変換装置において、電力用半導体素子のオンオフ動作に関する1周期中における電力用半導体素子のオフ期間中に、当該オフ期間中にある電力用半導体素子が属するアームに設けられたスイッチのオン期間が少なくとも設けられるよう、スイッチのオンオフ動作を制御するスイッチ制御部をさらに備えてもよい。Here, the above power conversion device may further include a switch control unit that controls the on/off operation of the switch so that, during an off period of the power semiconductor element in one cycle related to the on/off operation of the power semiconductor element, there is at least an on period of the switch provided in the arm to which the power semiconductor element belongs that is in the off period.
ここで、上記電力変換装置において、スイッチのオン期間は、当該スイッチが属するアームとは異なるアームに設けられた電力用半導体素子のオン期間よりも長く、当該スイッチが属するアームに設けられた電力用半導体素子のオフ期間よりも短くてもよい。Here, in the above power conversion device, the on-period of the switch may be longer than the on-period of a power semiconductor element provided in an arm other than the arm to which the switch belongs, and shorter than the off-period of a power semiconductor element provided in the arm to which the switch belongs.
本開示の一態様によれば、複数個直列に接続された電力用半導体素子のゲート駆動装置及びこれを備える電力変換装置において、ゲート信号の伝達時間や電力用半導体素子の特性にバラツキがあっても、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃え、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡を抑制することができる。According to one aspect of the present disclosure, in a gate drive device for multiple power semiconductor elements connected in series and a power conversion device including the same, even if there is variation in the transmission time of the gate signal or the characteristics of the power semiconductor elements, the switching timing for the on and off operations of each of the power semiconductor elements can be aligned, thereby suppressing imbalances in the voltages applied to the power semiconductor elements.
以下図面を参照して、電力用半導体素子のゲート駆動装置及び電力変換装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図示される形態は実施をするための1つの例であり、これらの形態に限定されるものではない。 The gate drive device and power conversion device for power semiconductor elements will be described below with reference to the drawings. In each drawing, similar components are given similar reference symbols. In addition, the scale of these drawings has been appropriately changed to facilitate understanding. The illustrated forms are one example for carrying out the invention, and the invention is not limited to these forms.
本開示の各実施形態によるゲート駆動装置は、複数個直列に接続された電力用半導体素子をオンオフ駆動する。電力用半導体素子の例としては、MOSFET、IGBT、サイリスタ、GTO、トランジスタなどがある。MOSFETはその端子としてゲート端子、ドレイン端子及びソース端子を有する。IGBTはその端子としてゲート端子、コレクタ端子及びエミッタ端子を有する。トランジスタはその端子としてベース端子、コレクタ端子及びエミッタ端子を有する。サイリスタ及びGTOはその端子としてゲート端子、アノード端子及びカソード端子を有する。電力用半導体素子の「電流流入端子」は、MOSFETの「ドレイン端子」、IGBT及びトランジスタの「コレクタ端子」、サイリスタ及びGTOの「アノード端子」がそれぞれ対応する。電力用半導体素子の「電流流出端子」は、MOSFETの「ソース端子」、IGBT及びトランジスタの「エミッタ端子」、サイリスタ及びGTOの「カソード端子」がそれぞれ対応する。電力用半導体素子の「制御端子」は、MOSFET、IGBT、サイリスタ及びGTOの「ゲート端子」、トランジスタの「ベース端子」がそれぞれ対応する。 The gate drive device according to each embodiment of the present disclosure drives a plurality of power semiconductor elements connected in series to turn on and off. Examples of power semiconductor elements include MOSFETs, IGBTs, thyristors, GTOs, and transistors. MOSFETs have gate, drain, and source terminals as their terminals. IGBTs have gate, collector, and emitter terminals as their terminals. Transistors have base, collector, and emitter terminals as their terminals. Thyristors and GTOs have gate, anode, and cathode terminals as their terminals. The "current inflow terminals" of power semiconductor elements correspond to the "drain terminals" of MOSFETs, the "collector terminals" of IGBTs and transistors, and the "anode terminals" of thyristors and GTOs, respectively. The "current outflow terminals" of power semiconductor elements correspond to the "source terminals" of MOSFETs, the "emitter terminals" of IGBTs and transistors, and the "cathode terminals" of thyristors and GTOs, respectively. The "control terminal" of a power semiconductor element corresponds to the "gate terminal" of a MOSFET, an IGBT, a thyristor, and a GTO, and the "base terminal" of a transistor.
以下、一例として、電力用半導体素子がMOSFETで構成される場合について説明するが、IGBT、サイリスタ、GTO、あるいはトランジスタであっても本開示の各実施形態は適用可能である。また電力用半導体素子をIGBTで構成する場合は、電流流入端子である「ドレイン」は「コレクタ」に、電流流出端子である「ソース」は「エミッタ」にそれぞれ読み替えられて本開示の各実施形態が適用される。また電力用半導体素子をトランジスタで構成する場合は、制御端子である「ゲート」は「ベース」に、電流流入端子である「ドレイン」は「コレクタ」に、電流流出端子である「ソース」は「エミッタ」にそれぞれ読み替えられて本開示の各実施形態が適用される。また。電力用半導体素子をサイリスタあるいはGTOで構成する場合は、電流流入端子である「ドレイン」は「アノード」に、電流流出端子である「ソース」は「カソード」にそれぞれ読み替えられて本開示の各実施形態が適用される。 As an example, the power semiconductor element is described below as being composed of a MOSFET, but the embodiments of the present disclosure are applicable to IGBTs, thyristors, GTOs, or transistors. When the power semiconductor element is composed of an IGBT, the "drain" which is the current inflow terminal is replaced with the "collector" and the "source" which is the current outflow terminal is replaced with the "emitter", and the embodiments of the present disclosure are applied. When the power semiconductor element is composed of a transistor, the "gate" which is the control terminal is replaced with the "base", the "drain" which is the current inflow terminal is replaced with the "collector", and the "source" which is the current outflow terminal is replaced with the "emitter", and the embodiments of the present disclosure are applied. When the power semiconductor element is composed of a thyristor or GTO, the "drain" which is the current inflow terminal is replaced with the "anode" and the "source" which is the current outflow terminal is replaced with the "cathode", and the embodiments of the present disclosure are applied.
図1は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置を示す回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。 Figure 1 is a circuit diagram showing a gate driver according to one embodiment of the present disclosure. Hereinafter, components with the same reference symbols in different drawings have the same functions.
本開示の一実施形態によるゲート駆動装置1は、複数個直列に接続された電力用半導体素子をオンオフ駆動するものであるが、ここでは、一例として、2個直列に接続された電力用半導体素子QA及びQBをオンオフ駆動する例について説明する。
A
電力用半導体素子QAにはダイオードDAが逆並列に接続される。同様に、電力用半導体素子QBにはダイオードDBが逆並列に接続される。 A diode D A is connected in anti-parallel to the power semiconductor element Q A. Similarly, a diode D B is connected in anti-parallel to the power semiconductor element Q B.
ゲート駆動装置1は、ゲート駆動電圧出力部11-A及び11-Bと、ゲート線12-A及び12-Bと、磁気結合部13と、コンデンサ14-A及び14-Bとを備える。The
ゲート駆動電圧出力部11-Aは、電力用半導体素子QAに対応して設けられ、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vまたは負のゲート駆動電圧を出力する。ゲート駆動電圧出力部11-Bは、電力用半導体素子QBに対応して設けられ、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vまたは負のゲート駆動電圧を出力する。ゲート駆動電圧出力部11-Aおよび11-Bは、入力されるオンまたはオフ信号を絶縁あるいは電圧レベルを変換して、電力用半導体素子QA、QBに対応したゲート駆動電圧を出力する。なお、説明を簡明なものとするために、これ以降、ゲート信号のオフ信号は0Vのゲート駆動電圧が対応するものとして説明するが、ゲート信号のオフ信号は負のゲート駆動電圧であってもよい。 The gate drive voltage output section 11-A is provided corresponding to the power semiconductor element QA , and outputs a positive gate drive voltage (for example, 10V) corresponding to the on signal of the gate signal, and a 0V or negative gate drive voltage corresponding to the off signal of the gate signal. The gate drive voltage output section 11-B is provided corresponding to the power semiconductor element QB , and outputs a positive gate drive voltage (for example, 10V) corresponding to the on signal of the gate signal, and a 0V or negative gate drive voltage corresponding to the off signal of the gate signal. The gate drive voltage output sections 11-A and 11-B insulate or convert the voltage level of the input on or off signal, and output gate drive voltages corresponding to the power semiconductor elements QA and QB . For the sake of simplicity, hereinafter, the off signal of the gate signal will be described as corresponding to a gate drive voltage of 0V, but the off signal of the gate signal may be a negative gate drive voltage.
ゲート線12-Aは、ゲート駆動電圧出力部11-Aから出力されたゲート駆動電圧を、対応する電力用半導体素子QAの制御端子であるゲート端子21-Aに供給する。電力用半導体素子QAのゲート端子に正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QAはオンし、電力用半導体素子QAのゲート端子に0Vのゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QAはオフする。 The gate line 12-A supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit 11-A to a gate terminal 21-A which is the control terminal of the corresponding power semiconductor element Q A. When a positive gate drive voltage is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q A , the power semiconductor element Q A turns on, and when a gate drive voltage of 0 V is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q A , the power semiconductor element Q A turns off.
ゲート線12-Bは、ゲート駆動電圧出力部11-Bから出力されたゲート駆動電圧を、対応する電力用半導体素子QBの制御端子であるゲート端子21-Bに供給する。電力用半導体素子QBのゲート端子に正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QBはオンし、電力用半導体素子QBのゲート端子に0Vのゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QBはオフする。 The gate line 12-B supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit 11-B to a gate terminal 21-B which is the control terminal of the corresponding power semiconductor element Q B. When a positive gate drive voltage is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q B , the power semiconductor element Q B is turned on, and when a gate drive voltage of 0 V is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q B , the power semiconductor element Q B is turned off.
磁気結合部13は、ゲート線12-Aとゲート線12-Bとを磁気結合する。図2は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置における磁気結合部を例示する図である。磁気結合部13は、磁性体30を有する。磁性体30には、ゲート線12-A及び12-Bが巻き付けられる。例えば、図2に示すようにゲート電流Ig1が流れると、磁性体30に磁束Φ1が発生してゲート線12-Bを横切る。同様に、ゲート電流Ig2が流れると磁性体30に磁束Φ2が発生してゲート線12-Aを横切る。これによってゲート線12-Aとゲート線12-Bが磁気結合される。磁性体30へのゲート線12-Aの巻数N1と磁性体30へのゲート線12-Bの巻数N2を同じとして、ゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とが等しいときに|Φ1|=|Φ2|となるようにし、ゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とが逆極性のときにΦ1とΦ2とが逆極性となるようにする。
The
例えば電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとのオフ動作のタイミングが揃わず電力用半導体素子QAが電力用半導体素子QBよりも先にオフ動作をした場合、ゲート電流Ig1がゲート電流Ig2よりも先に流れ出したときに磁束Φ1と磁束Φ2とは等しくはならないため、磁性体30には|Φ1-Φ2|の磁束が発生し、磁気結合する。このときゲート線12-AにはインダクタンスL1が発生しゲート線12-BにはインダクタンスL2が発生し、これらインダクタンスL1及びL2は|Φ1-Φ2|に比例する。ゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とのアンバランス分が大きいほど、インダクタンスL1と及びL2も大きくなる。また、インダクタンスL1及びL2が増加するほど、ゲート線12-A及び12-Bのインピーダンスが増加するため、ゲート電流Ig1及びIg2が流れにくくなる。これにより、ゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とのアンバランス分に応じてゲート線12-A及び12-Bのインピーダンスが変化し、ゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とが一致するように動作させることができる。
For example, if the timing of the power semiconductor element QA and the power semiconductor element QB to turn off is not synchronized, and the power semiconductor element QA turns off before the power semiconductor element QB , when the gate current Ig1 flows out before the gate current Ig2 , the magnetic flux Φ1 and the magnetic flux Φ2 are not equal, so that a magnetic flux of |Φ1-Φ2| is generated in the
このように磁気結合部13には、電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとのオフ動作のタイミングが揃わなくてもゲート電流Ig1とゲート電流Ig2とが一致するように動作させる機能があるが、本開示の実施形態では、コンデンサ14-A及び14-Bを電力用半導体素子QA及びQBに対応して設けることにより、電力用半導体素子QA及びQBに対するゲート信号の伝達時間や2つの電力用半導体素子QA及びQBの特性にバラツキがあったとしても電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとのオンオフ動作のタイミングのずれをより確実に補正する。
In this way, the
コンデンサ14-Aは、電力用半導体素子QAに対応して設けられ、当該電力用半導体素子QAについての電流流入端子であるドレイン端子22-Aと制御端子であるゲート端子21-Aとの間に接続される。コンデンサ14-Bは、電力用半導体素子QBに対応して設けられ、当該電力用半導体素子QBについての電流流入端子であるドレイン端子22-Bと制御端子であるゲート端子21-Bとの間に接続される。 The capacitor 14-A is provided corresponding to the power semiconductor element Q A , and is connected between the drain terminal 22- A which is the current input terminal and the gate terminal 21-A which is the control terminal for the power semiconductor element Q A. The capacitor 14-B is provided corresponding to the power semiconductor element Q B , and is connected between the drain terminal 22-B which is the current input terminal and the gate terminal 21-B which is the control terminal for the power semiconductor element Q B.
ここで、一例として、電力用半導体素子QAが電力用半導体素子QBよりも早くオンオフの動作をしたときの磁気結合部13並びにコンデンサ14-A及び14-Bを介した電流の流れについて、図3~図5を参照して説明する。
Here, as an example, a current flow through the
図3は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置におけるゲート電流の流れ始めの状態を例示する図であり、図4は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置において図3の状態の後に電力用半導体素子QAが電力用半導体素子QBよりも先にオン動作した場合のゲート電流の流れを例示する図であり、図5は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置において図4の状態の後に電力用半導体素子QAが電力用半導体素子QBよりも先にオフ動作した場合のゲート電流の流れを例示する図である。 3 is a diagram illustrating a state where a gate current starts to flow in a gate drive device according to an embodiment of the present disclosure, FIG. 4 is a diagram illustrating a gate current flow in a gate drive device according to an embodiment of the present disclosure when the power semiconductor element QA is turned on before the power semiconductor element QB after the state of FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram illustrating a gate current flow in a gate drive device according to an embodiment of the present disclosure when the power semiconductor element QA is turned off before the power semiconductor element QB after the state of FIG. 4.
図3に示すように、例えばゲート駆動電圧出力部11-Aがゲート駆動電圧出力部11-Bよりも先にオンのゲート信号である正のゲート駆動電圧を出力すると、ゲート駆動電圧出力部11-Aから出力された電流IA1が磁気結合部13に流れることで電流IB1が誘発される。電流IA1により電力用半導体素子QAのゲート端子21-Aに正のゲート駆動電圧が印加されて電力用半導体素子QAがオンし、図4に示すようにコンデンサ14-Aを介して電流IA2が流れて磁気結合部13により電流IB2がさらに誘発され、この電流IB2により電力用半導体素子QBのゲート端子21-Bに正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QBのオン動作が電力用半導体素子QAの動作と揃うようにアシストされる。その後、ゲート駆動電圧出力部11-Aがゲート駆動電圧出力部11-Bよりも先にオフのゲート信号である0Vのゲート駆動電圧を出力すると、ゲート端子21-Aからゲート駆動電圧出力部11-Aに向かって流れる電流が磁気結合部13に流れることで電流が誘発される。電力用半導体素子QAのゲート端子21-Aの電圧は0Vになって電力用半導体素子QAはオフし、図5に示すように電力用半導体素子QAのドレイン端子からコンデンサ14-Aを経由して磁気結合部13に電流IA3が流れ、この電流IAにより電流IB3がさらに誘発されて電力用半導体素子QBのゲート端子21-Bの電圧は0Vになることで電力用半導体素子QBのオフ動作が電力用半導体素子QAの動作と揃うようにアシストされる。
3, for example, when the gate drive voltage output unit 11-A outputs a positive gate drive voltage that is an ON gate signal before the gate drive voltage output unit 11-B, the current I A1 output from the gate drive voltage output unit 11-A flows to the
上述のゲート駆動装置1は、複数個直列に接続された電力用半導体素子が設けられたアームが複数個直列に接続されて構成される電力変換装置においても、電力用半導体素子をオンオフ駆動することができる。The above-mentioned
図6は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置を備える電力変換装置を示す図である。また、図7は、図6に示す電力変換装置内に設けられるアームを示す回路図である。ここでは、一例として、2個直列接続された電力用半導体素子QA及びQBにてアーム50を構成する例について説明する。
Fig. 6 is a diagram showing a power conversion device including a gate driver according to an embodiment of the present disclosure. Fig. 7 is a circuit diagram showing an arm provided in the power conversion device shown in Fig. 6. Here, as an example, an example in which the
本開示の一実施形態による電力変換装置100は、上述のゲート駆動装置1と、複数個直列に接続された電力用半導体素子と当該電力用半導体素子に対応するコンデンサとが設けられたアーム50を4個有し、電力用半導体素子のオンオフ動作に応じて電力変換動作を行う電力変換回路部2と、電力変換回路部2の電力変換動作を制御する電力変換制御部3と、を備える。The
図7に示すように、アーム50は、例えば2個直列接続された電力用半導体素子QA及びQBと、電力用半導体素子QA及びQB の各々に対応するコンデンサ14-A及び14-Bとで構成される。電力用半導体素子QAのドレイン端子22-Aとゲート端子21-Aとの間にコンデンサ14-Aが接続される。電力用半導体素子QBのドレイン端子22-Bとゲート端子21-Bとの間にコンデンサ14-Bが接続される。電力用半導体素子QAのドレイン端子からは端子P1が引き出され、電力用半導体素子QBのソース端子からは端子P2が引き出されている。電力変換回路部2は、あるアーム50の端子P2が他のアーム50の端子P1に接続され、その接続点は負荷300の一方の端子に接続されている。図6に示す例では、2個のアーム50が直列に接続されて1個のレグ60を構成し、2個のレグ60で電力変換回路部2が構成される。
As shown in FIG. 7, the
直列に接続されたアーム50で構成されるレグ60には、直流電源200が接続される。また、レグ60内の直列に接続されたアーム50の間にある端子T1ともう一方のレグ60内の直列に接続されたアーム50の間にある端子T2との間には、負荷300が接続される。
A
アーム50に対応して、ゲート駆動装置1が設けられる。各アーム50内の電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBは、対応するゲート駆動装置1によってオンオフ駆動される。すなわち、ゲート駆動電圧出力部11-A及びゲート駆動電圧出力部11-Bは、ゲート駆動電圧をそれぞれ生成し、電力用半導体素子QA及びQBのゲート端子への印加電圧を制御する。
A
電力変換制御部3は、各ゲート駆動装置1内のゲート駆動電圧出力部11-A及び11-Bから出力されるゲート駆動電圧の大きさを制御するものである。すなわち、電力変換制御部3は、例えば正側端子T1から負荷300へ流れる電流の検出値iと制御目標値である電流指令i*との偏差がなくなるように、各ゲート駆動装置1内のゲート駆動電圧出力部11-A及び11-Bから正のゲート駆動電圧(例えば10V)または0Vのゲート駆動電圧を出力するよう制御するためのゲート指令信号を生成する。生成されたゲート指令信号はゲート駆動電圧出力部11-A及び11-Bへ送信される。これを受けてゲート駆動電圧出力部11-A及び11-Bは、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vのゲート駆動電圧を電力用半導体素子QA及びQBのゲート端子へ出力する。ゲート端子に印加されるゲート駆動電圧の大きさに応じて電力用半導体素子QA及びQBはオン動作及びオフ動作を行う。これにより、電力変換回路部2は、直流電源200から供給される直流電力を所望の電力に変換して負荷300へ供給する電力変換動作を行うことになる。
The power
電力変換装置100内には演算処理装置(プロセッサ)が設けられる。この演算処理装置は、電力変換制御部3及び後述するスイッチ制御部4を有する。演算処理装置が有する電力変換制御部3及びスイッチ制御部4は、例えば、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば、電力変換制御部3をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、当該機能を実現することができる。電力変換制御部3及びスイッチ制御部4の処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、電力変換制御部3及びスイッチ制御部4を、当該機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。An arithmetic processing device (processor) is provided within the
続いて、各電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間や各電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合におけるオン動作時及びオフ動作時の印加電圧の不均衡度について説明する。 Next, we will explain the degree of imbalance in the applied voltage during on and off operation when there is variation in the transmission time of the gate signal to each power semiconductor element and in the characteristics of each power semiconductor element.
図8Aは、2つの電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間や2つの電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合におけるオフ動作時の印加電圧の不均衡度の定義を説明する図であり、図8Bは、2つの電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間や2つの電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合におけるオン動作時の印加電圧の不均衡度の定義を説明する図である。 Figure 8A is a diagram explaining the definition of the imbalance in applied voltage during off operation when there is variation in the transmission time of a gate signal to two power semiconductor elements or in the characteristics of the two power semiconductor elements, and Figure 8B is a diagram explaining the definition of the imbalance in applied voltage during on operation when there is variation in the transmission time of a gate signal to two power semiconductor elements or in the characteristics of the two power semiconductor elements.
図8Aに示すように、電力用半導体素子QA及びQBのオフ時における現象として、電力用半導体素子QAのゲート電位を正のある電位から負のある電位にしたときに電力用半導体素子QAのドレイン-ソース間電圧が0[V]からVdsA[V]になり、電力用半導体素子QBのゲート電位を正のある電位から負のある電位にしたときに電力用半導体素子QBのドレイン-ソース間電圧が0[V]からVdsB[V]になったとする。このとき、オフ動作時の印加電圧の不均衡度をΔVdsoff[%]を式1のように定義する。
8A, as a phenomenon occurring when power semiconductor elements QA and QB are off, when the gate potential of power semiconductor element QA is changed from a certain positive potential to a certain negative potential, the drain-source voltage of power semiconductor element QA changes from 0 [V] to Vds A [V], and when the gate potential of power semiconductor element QB is changed from a certain positive potential to a certain negative potential, the drain-source voltage of power semiconductor element QB changes from 0 [V] to Vds B [V]. At this time, the imbalance of applied voltages during off operation is defined as ΔVds off [%] as shown in
また、図8Bに示すように、電力用半導体素子QA及びQBのゲート電位の負のある電位のときの電力用半導体素子QA及びQBがオフ状態のドレイン-ソース間電圧の平均値をVdsave[V]とし、電力用半導体素子QA及びQBのゲート電位を負のある電位から正のある電位にして電力用半導体素子QA及びQBのオンした時に発生するいずれか一方の電力用半導体素子のドレイン-ソース間電圧の跳ね上がりである最大上昇電圧とVdsave[V]との差をVp[V]としたとき、オン動作時の印加電圧の不均衡度をΔVdson[%]を式2のように定義する。
Furthermore, as shown in FIG. 8B , when the average value of the drain-source voltages of the power semiconductor elements QA and QB in the off state when the gate potentials of the power semiconductor elements QA and QB are at a certain negative potential is defined as Vds ave [V], and when the gate potentials of the power semiconductor elements QA and QB are changed from a certain negative potential to a certain positive potential to turn on the power semiconductor elements QA and QB , the difference between Vds ave [V] and a maximum rise voltage which is a jump in the drain-source voltage of either one of the power semiconductor elements that occurs and Vp [V] is defined as Vp [V], the imbalance of the applied voltages during the on operation is defined as ΔVds on [%] as shown in
ここで、ゲート線の磁気結合が無い場合、特許文献1(特許第4396036号公報)におけるゲート線の磁気結合がある場合、特許文献2(特許第4639687号公報)におけるゲート線の磁気結合及びコンデンサがある場合、及び本開示の一実施形態のそれぞれについての不均衡度を、図9~図11に示すシミュレーションにて比較検討する。3.3kV耐圧のSiC-MOSFET電力用半導体素子QA及びQBを直列に接続した場合に3.6kVの電圧を印加したとき750Aの電流が流れたものとしてシミュレーションを行った。また、シミュレーションでは、磁気結合部を構成するトランスの1次インダクタンス及び2次インダクタンスの各値を70μHとし、当該トランスの結合係数kを0.97とし、特許文献2(特許第4639687号公報)及び本開示の一実施形態において設けられるコンデンサの容量値Cxを220pFとしている。 Here, the imbalance degree for each of the cases where there is no magnetic coupling of the gate lines, the case where there is magnetic coupling of the gate lines in Patent Document 1 (JP Patent No. 4396036), the case where there is magnetic coupling of the gate lines and a capacitor in Patent Document 2 (JP Patent No. 4639687), and one embodiment of the present disclosure will be compared and examined in the simulations shown in Figures 9 to 11. A simulation was performed assuming that a current of 750 A flows when a voltage of 3.6 kV is applied when SiC-MOSFET power semiconductor elements Q A and Q B with a breakdown voltage of 3.3 kV are connected in series. In addition, in the simulation, each value of the primary inductance and secondary inductance of the transformer constituting the magnetic coupling part is set to 70 μH, the coupling coefficient k of the transformer is set to 0.97, and the capacitance value C x of the capacitor provided in Patent Document 2 (JP Patent No. 4639687) and one embodiment of the present disclosure is set to 220 pF.
図9は、電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間にバラツキがある場合における、ゲート線の磁気結合が無い形態、ゲート線の磁気結合がある特許文献1(特許第4396036号公報)による形態、ゲート線の磁気結合及びコンデンサがある特許文献2(特許第4639687号公報)による形態、及び本開示の一実施形態のそれぞれについての不均衡度についてのシミュレーション結果を比較例示する図である。 Figure 9 is a comparative example of simulation results regarding the degree of imbalance for a configuration in which there is no magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 1 (Patent Publication No. 4,396,036) in which there is magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 2 (Patent Publication No. 4,639,687) in which there is magnetic coupling of the gate lines and a capacitor, and one embodiment of the present disclosure, when there is variation in the transmission time of the gate signal to the power semiconductor element.
図9では、電力用半導体素子QAに対するゲート信号のオン信号が電力用半導体素子QBに対するゲート信号のオン信号よりも250ns早く出力され、電力用半導体素子QAに対するゲート信号のオフ信号が電力用半導体素子QBに対するゲート信号のオフ信号よりも250ns早く出力されたものとしてシミュレーションを行った。図9に示すように、電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間にバラツキがある場合は、本開示の一実施形態が、電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとでオン動作のタイミング及びオフ動作のタイミングを揃える効果が最も高いことが分かる。 In Fig. 9, a simulation was performed assuming that the gate signal ON signal for the power semiconductor element QA is output 250 ns earlier than the gate signal ON signal for the power semiconductor element QB , and the gate signal OFF signal for the power semiconductor element QA is output 250 ns earlier than the gate signal OFF signal for the power semiconductor element QB . As shown in Fig. 9, when there is variation in the transmission time of the gate signals to the power semiconductor elements, it can be seen that one embodiment of the present disclosure is most effective in aligning the timing of the ON operation and the timing of the OFF operation between the power semiconductor element QA and the power semiconductor element QB .
図10は、電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合における、ゲート線の磁気結合が無い形態、ゲート線の磁気結合がある特許文献1(特許第4396036号公報)による形態、ゲート線の磁気結合及びコンデンサがある特許文献2(特許第4639687号公報)による形態、及び本開示の一実施形態のそれぞれについての不均衡度についてのシミュレーション結果を比較例示する図である。 Figure 10 is a comparative example of simulation results regarding the degree of imbalance for a configuration in which there is no magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 1 (Patent Publication No. 4,396,036) in which there is magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 2 (Patent Publication No. 4,639,687) in which there is magnetic coupling of the gate lines and a capacitor, and one embodiment of the present disclosure, when there is variation in the characteristics of the power semiconductor elements.
図10では、電力用半導体素子QAが第1のゲート閾値電圧VthAを有し、電力用半導体素子QBが第1のゲート閾値電圧よりも高い第2のゲート閾値電圧VthBを有する場合(すなわちVthA<VthBである場合)についてシミュレーションを行った。図10に示すように、電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合は、本開示の一実施形態が、電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとでオン動作のタイミング及びオフ動作のタイミングを揃える効果が最も高いことが分かる。 10, a simulation was performed for a case where the power semiconductor element QA has a first gate threshold voltage VthA , and the power semiconductor element QB has a second gate threshold voltage VthB higher than the first gate threshold voltage (i.e., VthA < VthB ). As shown in FIG. 10, when there is variation in the characteristics of the power semiconductor elements, it can be seen that the embodiment of the present disclosure is most effective in aligning the timing of the ON operation and the timing of the OFF operation of the power semiconductor element QA and the power semiconductor element QB .
図11は、電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間にバラツキがありなおかつ電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合における、ゲート線の磁気結合が無い形態、ゲート線の磁気結合がある特許文献1(特許第4396036号公報)による形態、ゲート線の磁気結合及びコンデンサがある特許文献2(特許第4639687号公報)による形態、及び本開示の一実施形態のそれぞれについての不均衡度についてのシミュレーション結果を比較例示する図である。 Figure 11 is a comparative example showing simulation results of the degree of imbalance for a configuration in which there is no magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 1 (Patent Publication No. 4,396,036) in which there is magnetic coupling of the gate lines, a configuration according to Patent Document 2 (Patent Publication No. 4,639,687) in which there is magnetic coupling of the gate lines and a capacitor, and one embodiment of the present disclosure, when there is variation in the transmission time of the gate signal to the power semiconductor element and variation in the characteristics of the power semiconductor element.
図11では、電力用半導体素子QAが第1のゲート閾値電圧VthAを有し、電力用半導体素子QBが第1のゲート閾値電圧よりも高い第2のゲート閾値電圧VthBを有する場合(すなわちVthA<VthBである場合)において、電力用半導体素子QBに対するゲート信号のオン信号が電力用半導体素子QAに対するゲート信号のオン信号よりも250ns早く出力され、電力用半導体素子QBに対するゲート信号のオフ信号が電力用半導体素子QAに対するゲート信号のオフ信号よりも250ns早く出力されたものとしてシミュレーションを行った。図11に示すように、電力用半導体素子に対するゲート信号の伝達時間にバラツキがありなおかつ電力用半導体素子の特性にバラツキがある場合は、本開示の一実施形態が、電力用半導体素子QAと電力用半導体素子QBとでオン動作のタイミング及びオフ動作のタイミングを揃える効果が最も高いことが分かる。 11, in the case where the power semiconductor element QA has a first gate threshold voltage VthA and the power semiconductor element QB has a second gate threshold voltage VthB higher than the first gate threshold voltage (i.e., VthA < VthB ), a simulation was performed assuming that the ON signal of the gate signal for the power semiconductor element QB is output 250 ns earlier than the ON signal of the gate signal for the power semiconductor element QA , and the OFF signal of the gate signal for the power semiconductor element QB is output 250 ns earlier than the OFF signal of the gate signal for the power semiconductor element QA . As shown in FIG. 11, when there is variation in the transmission time of the gate signal to the power semiconductor elements and there is variation in the characteristics of the power semiconductor elements, it can be seen that one embodiment of the present disclosure is most effective in aligning the timing of the ON operation and the timing of the OFF operation between the power semiconductor element QA and the power semiconductor element QB .
このように、本開示の一実施形態によれば、複数個直列に接続された電力用半導体素子のゲート駆動装置及びこれを備える電力変換装置において、ゲート信号の伝達時間や電力用半導体素子の特性にバラツキがあっても、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃え、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡を抑制することができる。Thus, according to one embodiment of the present disclosure, in a gate drive device for multiple power semiconductor elements connected in series and a power conversion device including the same, even if there is variation in the transmission time of the gate signal or the characteristics of the power semiconductor elements, the switching timing for the on and off operations of each of the power semiconductor elements can be aligned, thereby suppressing imbalances in the voltages applied to the power semiconductor elements.
続いて、本開示の一実施形態において電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサについて、より詳細に説明する。Next, we will provide a more detailed description of the capacitor that is provided in correspondence with the power semiconductor element in one embodiment of the present disclosure.
図12は、MOSFETの寄生容量を説明する回路図である。一般に、電力用半導体素子の各端子間には寄生容量が存在する。図12に示すように、例えばMOSFETにおいては、ソース端子とゲート端子との間に寄生容量Cgsが存在し、ドレイン端子とゲート端子との間に寄生容量Cdgが存在し、ドレイン端子とソース端子との間に寄生容量Cdsが存在する。 Fig. 12 is a circuit diagram for explaining the parasitic capacitance of a MOSFET. In general, parasitic capacitance exists between each terminal of a power semiconductor element. As shown in Fig. 12, for example, in a MOSFET, a parasitic capacitance Cgs exists between the source terminal and the gate terminal, a parasitic capacitance Cdg exists between the drain terminal and the gate terminal, and a parasitic capacitance Cds exists between the drain terminal and the source terminal.
図13は、電力用半導体素子の電流容量と電力用半導体素子の寄生容量との関係を説明する図である。一般に、電力用半導体素子は、電流容量や耐電圧に応じて寄生容量が変化する。すなわち、電力用半導体素子の電流容量が増大すると、電力用半導体素子の半導体チップ面積は増大するので、寄生容量の値は大きくなる。例えば、電力用半導体素子の電流容量が「1」であるときの寄生容量の値を「1」としたとき、電力用半導体素子の電流容量がその4倍となると半導体チップ面積は4倍になるので寄生容量の値も4倍になる。 Figure 13 is a diagram explaining the relationship between the current capacity of a power semiconductor element and the parasitic capacitance of the power semiconductor element. In general, the parasitic capacitance of a power semiconductor element changes depending on the current capacity and withstand voltage. In other words, when the current capacity of a power semiconductor element increases, the semiconductor chip area of the power semiconductor element increases, and the value of the parasitic capacitance becomes larger. For example, if the parasitic capacitance value is "1" when the current capacity of a power semiconductor element is "1", if the current capacity of the power semiconductor element becomes four times that, the semiconductor chip area will become four times larger, and the parasitic capacitance value will also become four times larger.
電力用半導体素子であるMOSFETのドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値をCx[F]とする。MOSFETのドレイン端子とソース端子との間に印加されるドレイン-ソース間電圧Vds[V]は分圧され、ゲート端子とのソース端子との間に式3に示すようなゲート-ソース間電圧Vgs1[V]が現れる。
The capacitance of a capacitor provided between the drain terminal and gate terminal of a MOSFET, which is a power semiconductor element, is assumed to be C x [F]. The drain-source voltage V ds [V] applied between the drain terminal and source terminal of the MOSFET is divided, and a gate-source voltage V gs1 [V] appears between the gate terminal and the source terminal as shown in
MOSFETのドレイン-ソース間電圧Vds[V]が大きい場合(例えば1800V)、ドレイン端子とゲート端子との間の寄生容量の値Cdg[F]はCx[F]と比較して小さい値となり、ドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]は、ゲート-ソース間電圧Vgs1[V]に影響を与える程度の大きさが必要であるため、式3の分子における値Cdg[F]を無視する。ゲート端子とソース端子との間の寄生容量の値Cgs[F]は、ドレイン端子とゲート端子との間の寄生容量の値Cdg[F]及びドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]と比較して大きな値となるため、式3の分母における値Cdg[F]及びCx[F]は無視できる。一方で、ゲート端子とソース端子との間の寄生容量の値Cgs[F]とドレイン端子とゲート端子との間の寄生容量の値Cdg[F]との和は、一般にMOSFETのデータシートに規定される入力容量Ciss[F]に相当することから、式3の分母は、ドレイン端子とゲート端子との間の寄生容量の値Cdg[F]とゲート端子とソース端子との間の寄生容量の値Cgs[F]との和とする。ゲート-ソース間電圧Vgs[V]は、ドレインーソース間電圧Vds[V]の変化に従い影響を受ける。その影響の度合いは、式3に示すMOSFETの寄生容量の値とドレイン端子とゲート端子との間に設けられたコンデンサの容量値Cx[V]との比で決まる。したがって、本開示の実施形態では、式3に準じて、MOSFETのドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]は式4で表される値Cx
*(以下、「容量比Cx
*」と称する。)に一般化する。
When the drain-source voltage V ds [V] of the MOSFET is large (for example, 1800 V), the parasitic capacitance value C dg [F] between the drain terminal and the gate terminal is small compared to C x [F], and the capacitance value C x [F] of the capacitor provided between the drain terminal and the gate terminal needs to be large enough to affect the gate-source voltage V gs1 [V], so the value C dg [F] in the numerator of
MOSFETのドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]を式4に示すように一般化された容量比Cx
*で表すことで、直列接続されたMOSFETのオンオフ動作において、MOSFETの仕様が様々であっても、印加電圧の不均衡度ΔVdsoffまたはΔVdsonとドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]との関係を一意的に示すことができる。
By expressing the capacitance value C x [F] of the capacitor provided between the drain terminal and gate terminal of a MOSFET as a generalized capacitance ratio C x * as shown in
図14は、異なる仕様の電力用半導体素子の電流容量と入力容量Cissとの関係を例示する図である。図14では、参考として、1.2kV-SiCダイオード/SiC-MOSFET及び1.2kV-SiCダイオード/Si-IGBTパワーモジュールの各々の電流容量とCiss(IGBTの場合は入力容量Cies)との関係を示している。MOSFETの電流容量に比例してCissの値が変化することがわかる。電流容量の仕様によってCissの値が異なることから、電流容量仕様の異なるMOSFETは、好適なドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]が異なる。しかし、一般化された容量比Cx *で表すことで、電流容量値が違うMOSFETの印加電圧の不均衡度ΔVdsoffまたはΔVdsonとドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの容量値Cx[F]との関係を統一して表すことができる。 FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the current capacity and the input capacitance Ciss of power semiconductor elements of different specifications. In FIG. 14, for reference, the relationship between the current capacity and Ciss (input capacitance Cies in the case of IGBT) of each of the 1.2 kV-SiC diode/SiC-MOSFET and 1.2 kV-SiC diode/Si-IGBT power modules is shown. It can be seen that the value of Ciss changes in proportion to the current capacity of the MOSFET. Since the value of Ciss differs depending on the current capacity specification, MOSFETs with different current capacity specifications have different capacitance values Cx [F] of the capacitor provided between the suitable drain terminal and gate terminal. However, by expressing it as a generalized capacitance ratio Cx * , the relationship between the imbalance degree ΔVds off or ΔVds on of the applied voltage of MOSFETs with different current capacity values and the capacitance value Cx [F] of the capacitor provided between the drain terminal and the gate terminal can be unified.
ここで、本開示の一実施形態において電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量値の好適な範囲について説明する。Here, we explain the preferred range of capacitance values of the capacitors provided corresponding to the power semiconductor elements in one embodiment of the present disclosure.
まず、電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量値の下限値について、MOSFETを例にとり説明する。First, we will explain the lower limit of the capacitance value of a capacitor that is provided corresponding to a power semiconductor element, using a MOSFET as an example.
図15は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置により、ゲート閾値電圧が異なる2つの電力用半導体素子を駆動する場合において電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量比Cx *と印加電圧の不均衡度との関係を示す図である。なお、図15では、3.3kVSiCのMOSFETパワーモジュールに対応して設けられるコンデンサの容量比Cx *に当該コンデンサの容量の値Cx[pF]を併記している。 15 is a diagram showing the relationship between the capacitance ratio C x * of the capacitors provided corresponding to the power semiconductor elements and the imbalance degree of the applied voltage when two power semiconductor elements having different gate threshold voltages are driven by a gate driver according to an embodiment of the present disclosure. In FIG. 15, the capacitance value C x [pF] of the capacitor is also shown in addition to the capacitance ratio C x * of the capacitor provided corresponding to a 3.3 kV SiC MOSFET power module.
図15より、コンデンサの容量比Cx
*を大きくすればするほどオフ動作時の印加電圧の不均衡度ΔVdsoffを抑制することができ、コンデンサの容量比Cx
*が5×10-5以上からその効果は顕著になることがわかる。よって、本開示の実施形態では、例えば式5で表されるように、印加電圧の不均衡度の抑制の顕著な効果(例えば10%以上改善)を発揮するコンデンサの容量比Cx
*の下限値を5×10-5に定めてもよい。
15, it can be seen that the larger the capacitance ratio C x * of the capacitors is, the more the applied voltage imbalance ΔVds off during off operation can be suppressed, and the effect becomes significant when the capacitance ratio C x * of the capacitors is 5×10 -5 or more. Therefore, in an embodiment of the present disclosure, as represented by, for example,
これをコンデンサの容量値Cx[pF]に換算すると、例えば、3.3kVSiCのMOSFETパワーモジュールの場合のコンデンサの容量値Cxは10pF以上、1.2kVSiCのMOSFETパワーモジュール(入力容量Cissが34nF)の場合のCxは1.7pF以上に設定することで、ゲート線の磁気結合が無い従来の形態に比べて10%以上、印加電圧の不均衡度を改善することができる。 Converting this to a capacitor capacitance value Cx [pF], for example, by setting the capacitor capacitance value Cx to 10 pF or more in the case of a 3.3 kV SiC MOSFET power module, and Cx to 1.7 pF or more in the case of a 1.2 kV SiC MOSFET power module (input capacitance Ciss is 34 nF), it is possible to improve the imbalance of applied voltages by 10% or more compared to a conventional configuration in which there is no magnetic coupling of the gate lines.
続いて、電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量値の上限値について、MOSFETを例にとり説明する。 Next, we will explain the upper limit of the capacitance value of a capacitor that is provided corresponding to a power semiconductor element, using a MOSFET as an example.
MOSFETのドレイン-ソース間電圧Vds[V]が印加されている状態において、ゲート端子が不定(開放状態)になってしまった場合、ゲート端子には式6に示すような電圧Vgs2[V]が印加される。 When a drain-source voltage V ds [V] is applied to a MOSFET and the gate terminal becomes unstable (open state), a voltage V gs2 [V] as shown in Equation 6 is applied to the gate terminal.
一般に、MOSFETのデータシートには、ゲート-ソース間電圧Vgs[V]が過電圧になることで故障を発生させないために上限値Vgsmaxが定められている。この上限値Vgsmaxを式6のVgs2に設定すると式7が導き出せる。 Generally, in a data sheet for a MOSFET, an upper limit V gsmax is defined to prevent breakdown due to the gate-source voltage V gs [V] becoming an overvoltage. If this upper limit V gsmax is set to V gs2 in Equation 6, Equation 7 can be derived.
ドレイン-ソース間電圧Vds[V]が高い領域においてCdg[F]は小さく、無視できるとし、式7をコンデンサの容量値Cx[F]について解くと式8が得られる。 In a region where the drain-source voltage V ds [V] is high, C dg [F] is small and can be ignored, and equation 7 is solved for the capacitance value C x [F] of the capacitor to obtain equation 8.
このようにコンデンサの容量値Cx[F]については式8で示されるような上限値が存在する。 In this way, there is an upper limit to the capacitance value C x [F] of the capacitor as shown in Equation 8.
例えば、ゲート駆動装置1で駆動する電力用半導体素子を3.3kV/750A-AllSiCのMOSFETパワーモジュールで構成する場合、Vgsmax=20V、Vds=1650V(=3.3kV/2)、Cgs=200nF(1.65kV)とすると、当該MOSFETに対応して設けられるコンデンサの上限値は2.45nFとなる。
For example, if the power semiconductor element driven by the
また例えば、ゲート駆動装置1で駆動する電力用半導体素子を1.2kV/400A-AllSiCのMOSFETパワーモジュールで構成する場合、Vgsmax=20V、Vds=600V(=1.2kV/2)、Cgs=32nF(600V)とすると、当該MOSFETに対応して設けられるコンデンサの上限値は 1.10nFとなる。
For example, if the power semiconductor element driven by the
このように、本開示の一実施形態においてMOSFETに対応して設けられるコンデンサの容量値Cx[F]については、式5を満たすような下限値が存在し、式8を満たすような上限値が存在する。IGBT、サイリスタ、GTO、トランジスタについてもMOSFETと同様に、各端子間に寄生容量が存在する。よって、電力用半導体素子がIGBT、サイリスタ、GTO、あるいはトランジスタで構成される場合であっても、当該電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量値についてはMOSFETと同様に下限値及び上限値が存在する。
Thus, in one embodiment of the present disclosure, the capacitance value C x [F] of the capacitor provided corresponding to the MOSFET has a lower limit that satisfies
MOSFETについて規定した式5を一般化すると式9となり、MOSFETについて規定した式8を一般化すると式10となる。式9及び式10において、電力用半導体素子についての電流流出端子とゲート端子との間の寄生容量の値をC1[F](MOSFETのCgs[F]が対応)とし、電流流入端子とゲート端子との間の寄生容量の値をC2[F](MOSFETのCdg[F]が対応)とし、電流流入端子と電流流出端子との間に印加される電圧をV1[V](MOSFETのVds[V]が対応)とし、ゲート端子と電流流出端子との間の最大許容印加電圧をVmax[V](MOSFETのVgsmax[V]が対応)としている。
このように、本開示の一実施形態において電力用半導体素子に対応して設けられるコンデンサの容量値Cx[F]については、式9を満たすような下限値が存在し、式10を満たすような上限値が存在する。
In this way, for the capacitance value C x [F] of the capacitor provided corresponding to the power semiconductor element in one embodiment of the present disclosure, there exists a lower limit value that satisfies
以上の通り、2個直列に接続された電力用半導体素子をオンオフ駆動する例について説明したが、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置1は、3個以上直列に接続された電力用半導体素子であってもオンオフ駆動することができる。As described above, an example of turning on and off two power semiconductor elements connected in series has been described, but the
図16は、本開示の一実施形態による3個直列に接続された電力用半導体素子をオンオフ駆動するゲート駆動装置を示す回路図である。一例として、3個直列に接続された電力用半導体素子QA、QB及びQCをオンオフ駆動する例について説明する。 16 is a circuit diagram showing a gate driver for turning on and off three power semiconductor elements connected in series according to an embodiment of the present disclosure. As an example, an example of turning on and off three power semiconductor elements QA , QB , and QC connected in series will be described.
電力用半導体素子QAにはダイオードDAが逆並列に接続される。同様に、電力用半導体素子QBにはダイオードDBが逆並列に接続され、電力用半導体素子QCにはダイオードDCが逆並列に接続される。 A diode D A is connected in anti-parallel to the power semiconductor element Q A. Similarly, a diode D B is connected in anti-parallel to the power semiconductor element Q B , and a diode D C is connected in anti-parallel to the power semiconductor element Q C.
ゲート駆動装置1は、ゲート駆動電圧出力部11-A、11-B及び11-Cと、ゲート線12-A、12-B及び12-Cと、磁気結合部13と、コンデンサ14-A、14-B及び14-Cとを備える。The
ゲート駆動電圧出力部11-Aは、電力用半導体素子QAに対応して設けられ、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vのゲート駆動電圧を出力する。ゲート駆動電圧出力部11-Bは、電力用半導体素子QBに対応して設けられ、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vのゲート駆動電圧を出力する。ゲート駆動電圧出力部11-Cは、電力用半導体素子QCに対応して設けられ、ゲート信号のオン信号に対応する正のゲート駆動電圧(例えば10V)、及びゲート信号のオフ信号に対応する0Vのゲート駆動電圧を出力する。 The gate drive voltage output section 11-A is provided corresponding to the power semiconductor element QA , and outputs a positive gate drive voltage (e.g., 10V) corresponding to an on-signal of a gate signal, and a gate drive voltage of 0V corresponding to an off-signal of a gate signal. The gate drive voltage output section 11-B is provided corresponding to the power semiconductor element QB , and outputs a positive gate drive voltage (e.g., 10V) corresponding to an on-signal of a gate signal, and a gate drive voltage of 0V corresponding to an off-signal of a gate signal. The gate drive voltage output section 11-C is provided corresponding to the power semiconductor element QC , and outputs a positive gate drive voltage (e.g., 10V) corresponding to an on-signal of a gate signal, and a gate drive voltage of 0V corresponding to an off-signal of a gate signal.
ゲート線12-Aは、ゲート駆動電圧出力部11-Aから出力されたゲート駆動電圧を、対応する電力用半導体素子QAの制御端子であるゲート端子21-Aに供給する。電力用半導体素子QAのゲート端子に正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QAはオンし、電力用半導体素子QAのゲート端子に0Vのゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QAはオフする。 The gate line 12-A supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit 11-A to a gate terminal 21-A which is the control terminal of the corresponding power semiconductor element Q A. When a positive gate drive voltage is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q A , the power semiconductor element Q A turns on, and when a gate drive voltage of 0 V is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q A, the power semiconductor element Q A turns off.
ゲート線12-Bは、ゲート駆動電圧出力部11-Bから出力されたゲート駆動電圧を、対応する電力用半導体素子QBの制御端子であるゲート端子21-Bに供給する。電力用半導体素子QBのゲート端子に正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QBはオンし、電力用半導体素子QBのゲート端子に0Vのゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QBはオフする。 The gate line 12-B supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit 11-B to a gate terminal 21-B which is the control terminal of the corresponding power semiconductor element Q B. When a positive gate drive voltage is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q B , the power semiconductor element Q B is turned on, and when a gate drive voltage of 0 V is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q B , the power semiconductor element Q B is turned off.
ゲート線12-Cは、ゲート駆動電圧出力部11-Cから出力されたゲート駆動電圧を、対応する電力用半導体素子QCの制御端子であるゲート端子21-Cに供給する。電力用半導体素子QCのゲート端子に正のゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QCはオンし、電力用半導体素子QCのゲート端子に0Vのゲート駆動電圧が印加されることで電力用半導体素子QCはオフする。 The gate line 12-C supplies the gate drive voltage output from the gate drive voltage output unit 11-C to a gate terminal 21-C which is the control terminal of the corresponding power semiconductor element Q C. When a positive gate drive voltage is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q C , the power semiconductor element Q C turns on, and when a gate drive voltage of 0 V is applied to the gate terminal of the power semiconductor element Q C , the power semiconductor element Q C turns off.
磁気結合部13は、ゲート線12-Aとゲート線12-Bとを磁気結合し、ゲート線12-Bとゲート線12-Cとを磁気結合する。
The
コンデンサ14-Aは、電力用半導体素子QAに対応して設けられ、当該電力用半導体素子QAについての電流流入端子であるドレイン端子22-Aと制御端子であるゲート端子21-Aとの間に接続される。コンデンサ14-Bは、電力用半導体素子QBに対応して設けられ、当該電力用半導体素子QBについての電流流入端子であるドレイン端子22-Bと制御端子であるゲート端子21-Bとの間に接続される。コンデンサ14-Cは、電力用半導体素子QCに対応して設けられ、当該電力用半導体素子QCについての電流流入端子であるドレイン端子22-Cと制御端子であるゲート端子21-Cとの間に接続される。 The capacitor 14-A is provided corresponding to the power semiconductor element QA , and is connected between the drain terminal 22-A which is the current inflow terminal for the power semiconductor element QA , and the gate terminal 21-A which is the control terminal. The capacitor 14-B is provided corresponding to the power semiconductor element QB , and is connected between the drain terminal 22-B which is the current inflow terminal for the power semiconductor element QB, and the gate terminal 21-B which is the control terminal. The capacitor 14-C is provided corresponding to the power semiconductor element QC , and is connected between the drain terminal 22-C which is the current inflow terminal for the power semiconductor element QC , and the gate terminal 21-C which is the control terminal.
このように、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置1は、複数個直列に接続された電力用半導体素子の個数と同じ個数のゲート駆動電圧出力部、ゲート線及びコンデンサを設け、磁気結合部にてゲート線の各々について互いに磁気結合させる構成を有する。本開示の一実施形態によれば、電力用半導体素子についてゲート信号の伝達時間や電力用半導体素子の特性にバラツキがあっても、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃え、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡を抑制することができる。Thus, the
続いて、本開示の一実施形態の変形例について説明する。一例として、2個直列に接続された電力用半導体素子QA及びQBをオンオフ駆動する例について説明するが、3個以上直列に接続された電力用半導体素子をオンオフ駆動する場合であっても本変形例は適用可能である。 Next, a modified example of an embodiment of the present disclosure will be described. As an example, an example in which two power semiconductor elements QA and QB connected in series are turned on and off will be described, but this modified example can also be applied to a case in which three or more power semiconductor elements connected in series are turned on and off.
本変形例を説明するに先立ち、本開示の実施形態のように電力用半導体素子に対応してコンデンサを設けることにより発生し得る電源短絡の可能性について説明する。Before explaining this modified example, we will explain the possibility of a power supply short circuit occurring when a capacitor is provided in correspondence with a power semiconductor element as in the embodiment of the present disclosure.
図17は、本開示の一実施形態において2個直列接続された電力用半導体素子を有するアームにより構成されるレグを示す回路図である。また、図18Aは、図17に示すレグ内の各アームにおける電力用半導体素子への印加電圧を例示する図であり、図18Bは、図17に示すレグ内の各電力用半導体素子のゲート-ソース間電圧を例示する図である。 Figure 17 is a circuit diagram showing a leg formed by an arm having two power semiconductor elements connected in series in one embodiment of the present disclosure. Also, Figure 18A is a diagram illustrating the voltages applied to the power semiconductor elements in each arm in the leg shown in Figure 17, and Figure 18B is a diagram illustrating the gate-source voltages of each power semiconductor element in the leg shown in Figure 17.
図17に示すように、例えば2個直列接続された電力用半導体素子QA及びQBと、電力用半導体素子QA及びQBの各々に対応するコンデンサ14-A及び14-Bとで構成されるアームを2個直列することで構成されるレグ60において、端子T1から負荷300の方向に負荷電流ILOADが流れ出ていたとする。図18A及び図18Bに示すように、電力用半導体素子QCのゲート-ソース間電圧Vgs-bt1及び電力用半導体素子QDのゲート-ソース間電圧Vgs-bt2が例えば負の電圧V(-)に固定され、ダイオードDC及びDDを介して電流が流れている状態において、電力用半導体素子QA及びQBがオン動作すると、ダイオードDC及びDDを介して流れる電流は減少し電力用半導体素子QA及びQBを流れる電流が増加する。ダイオードDC及びDDを介して流れる電流がゼロになると、下アーム50-2の印加電圧Vbtが上昇し、上アーム50-1の印加電圧Vupが下降する。この印加電圧の変化により、コンデンサ14-C及び14-Dを介して電流が流れ込むと、磁気結合部13の寄生インダクタンスLrやゲート抵抗Rgに起電圧が発生し、電力用半導体素子QCのゲート-ソース間電圧Vgs-bt1及び電力用半導体素子QDのゲート-ソース間電圧Vgs-bt2が上昇する。この電圧上昇が大きいと、電力用半導体素子QCのゲート-ソース間電圧Vgs-bt1及び電力用半導体素子QDのゲート-ソース間電圧Vgs-bt2が電力用半導体素子QC及び電力用半導体素子QDのゲート閾値電圧を超えて誤ってオン動作してしまう可能性がある。この誤動作により電力用半導体素子QA、QB、QC及びQDの全てがオンした状態となると、レグ60の上側電位Vpと下側電位0Vとが短絡する。
As shown in Fig. 17, for example, in a
そこで、本変形例では、電力用半導体素子のゲート端子とソース端子との間にスイッチを設け、当該スイッチが属するアームとは異なるアームに設けられた電力用半導体素子がオンの期間そのスイッチをオンし、これにより、印加電圧の変化によるゲート-ソース間電圧の持ち上がりを防止してレグ60の上側電位Vpと下側電位0Vとの短絡を回避する。Therefore, in this modified example, a switch is provided between the gate terminal and source terminal of the power semiconductor element, and the switch is turned on during the period when a power semiconductor element provided in an arm other than the arm to which the switch belongs is on, thereby preventing a rise in the gate-source voltage due to changes in the applied voltage and avoiding a short circuit between the upper potential Vp of
図19Aは、本開示の一実施形態の変形例によるゲート駆動装置を示す回路図である。図19Bは、本開示の一実施形態の変形例によるゲート駆動装置内に設けられるスイッチをMOSFETで構成した場合を示す回路図である。本変形例によれば、ゲート駆動装置1は、電力用半導体素子QAについての電流流出端子であるソース端子23-Aと制御端子であるゲート端子21-Aとの間に接続されるスイッチSWAと、スイッチSWAのオンオフを制御するスイッチ制御部4とさらに備える。図19Bに示す例では、スイッチSWAをnチャネル型MOSFETで構成したが、他の半導体スイッチング素子で構成してもよい。図19A及び図19Bに示す例では、スイッチ制御部4をゲート駆動電圧出力部11-A内に設けたが、ゲート駆動電圧出力部11-Aの外部にスイッチ制御部4を設けてもよい。
FIG. 19A is a circuit diagram showing a gate driver according to a modified example of an embodiment of the present disclosure. FIG. 19B is a circuit diagram showing a case where a switch provided in a gate driver according to a modified example of an embodiment of the present disclosure is configured with a MOSFET. According to this modified example, the
図19A及び図19Bに示す例では電力用半導体素子QAに対応するスイッチSWAのみ示したが、スイッチは複数の電力用半導体素子の各々に対応して設けられる。図20は、本開示の一実施形態の変形例において2個直列接続された電力用半導体素子を有するアームにより構成されるレグを備える電力変換装置を示す回路図である。 19A and 19B, only a switch SW A corresponding to the power semiconductor element Q A is shown, but a switch is provided corresponding to each of a plurality of power semiconductor elements. Fig. 20 is a circuit diagram showing a power conversion device including a leg constituted by an arm having two power semiconductor elements connected in series in a modified example of an embodiment of the present disclosure.
図20に示すように、例えば2個直列接続された電力用半導体素子QA及びQB並びに電力用半導体素子QA及びQBの各々に対応するコンデンサ14-A及び14-Bを有する上アーム50-1と、2個直列接続された電力用半導体素子QC及びQD並びに電力用半導体素子QC及びQDの各々に対応するコンデンサ14-C及び14-Dを有する下アーム50-2とが2個直列されてレグ60が構成される。電力用半導体素子QAについてのソース端子23-Aとゲート端子21-Aとの間にスイッチSWAが接続される。電力用半導体素子QBについてのソース端子23-Bとゲート端子21-Bとの間にスイッチSWBが接続される。電力用半導体素子QCについてのソース端子23-Cとゲート端子21-Cとの間にスイッチSWCが接続される。電力用半導体素子QDについてのソース端子23-Dとゲート端子21-Dとの間にスイッチSWDが接続される。なお、図20に示す例では、一例としてスイッチSWA、SWB、SWc、及びSWDをnチャネル型MOSFETで構成する。nチャネル型MOSFETは、正の電圧(オン信号)がゲート端子に印加されるとオン動作する。
As shown in Fig. 20, for example, an upper arm 50-1 having two serially connected power semiconductor elements QA and QB and capacitors 14-A and 14-B corresponding to the power semiconductor elements QA and QB , respectively, and a lower arm 50-2 having two serially connected power semiconductor elements QC and QD and capacitors 14-C and 14- D corresponding to the power semiconductor elements QC and QD , respectively, are connected in series to form a
図20の示す例では、スイッチSWA、SWB、SWc、及びSWDのオンオフを制御するスイッチ制御部4は、電力変換制御部3内に設けられる。スイッチ制御部4は、電力用半導体素子のオンオフ動作に関する1周期中における電力用半導体素子のオフ期間中、当該オフ期間中の電力用半導体素子が属するアームに設けられたスイッチをオンするよう制御する。具体例について図21A及び図21Bを参照して説明する。
In the example shown in Fig. 20, a
図21Aは、図20に示す電力変換器内の上アーム内の電力用半導体素子がオンして下アーム内の電力用半導体素子がオフする場合におけるスイッチ制御部の動作を説明する図である。また、図21Bは、図20に示す電力変換器内の上アーム内の電力用半導体素子がオフして下アーム内の電力用半導体素子がオンする場合におけるスイッチ制御部の動作を説明する図である。なお、電力用半導体素子のオンオフ切替え時の回路短絡を避けるため各ゲート信号にはデッドタイムが設けられる。 Figure 21A is a diagram explaining the operation of the switch control unit when the power semiconductor element in the upper arm in the power converter shown in Figure 20 is turned on and the power semiconductor element in the lower arm is turned off. Also, Figure 21B is a diagram explaining the operation of the switch control unit when the power semiconductor element in the upper arm in the power converter shown in Figure 20 is turned off and the power semiconductor element in the lower arm is turned on. Note that a dead time is provided for each gate signal to avoid a short circuit when switching the power semiconductor elements on and off.
スイッチ制御部4は、電力用半導体素子のオンオフ動作に関する1周期中における電力用半導体素子のオフ期間中に、当該オフ期間中にある電力用半導体素子が属するアームに設けられたスイッチのオン期間が少なくとも設けられるよう、スイッチのオンオフ動作を制御する。スイッチのオン期間は、当該スイッチが属するアームとは異なるアームに設けられた電力用半導体素子のオン期間よりも長く、当該スイッチが属するアームに設けられた電力用半導体素子のオフ期間よりも短くなるように制御される。The
例えば、図21Aに示すように、上アーム50-1内の電力用半導体素子QA及びQBに対するゲート信号Gate_1がオン期間中、下アーム50-2内の電力用半導体素子QC及びQDに対するゲート信号Gate_2がオフ期間であるとする。図21Aに示す例では、スイッチ制御部4は、電力用半導体素子QC及びQDのオンオフ動作に関するゲート信号Gate_2の1周期中における電力用半導体素子QC及びQDのオフ期間中に、当該オフ期間中にある電力用半導体素子QC及びQDが属する下アーム50-2に設けられたスイッチSWC及びSWDのオン期間が少なくとも設けられるよう、スイッチSWC及びSWDのオンオフ動作を制御する。スイッチSWC及びSWDのオン期間は、当該スイッチSWC及びSWDが属する下アーム50-2とは異なる上アーム50-1に設けられた電力用半導体素子QA及びQBのオン期間よりも長く、当該スイッチSWC及びSWDが属する下アーム50-2に設けられた電力用半導体素子QC及びQDのオフ期間よりも短くなるように制御される。
For example, as shown in Fig. 21A, it is assumed that while a gate signal Gate_1 for power semiconductor elements QA and QB in the upper arm 50-1 is in an on period, a gate signal Gate_2 for power semiconductor elements QC and QD in the lower arm 50-2 is in an off period. In the example shown in Fig. 21A, the
また例えば、図21Bに示すように、下アーム50-2内の電力用半導体素子QC及びQDに対するゲート信号Gate_2がオン期間中、上アーム50-1内の電力用半導体素子QA及びQBに対するゲート信号Gate_1がオフ期間であるとする。図21Bに示す例では、スイッチ制御部4は、電力用半導体素子QA及びQBのオンオフ動作に関するゲート信号Gate_1の1周期中における電力用半導体素子QA及びQBのオフ期間中に、当該オフ期間中にある電力用半導体素子QA及びQBが属する上アーム50-1に設けられたスイッチSWA及びSWBのオン期間が少なくとも設けられるよう、スイッチSWA及びSWBのオンオフ動作を制御する。スイッチSWA及びSWBのオン期間は、当該スイッチSWA及びSWBが属する上アーム50-1とは異なる下アーム50-2に設けられた電力用半導体素子QC及びQDのオン期間よりも長く、当該スイッチSWA及びSWBが属する上アーム50-1に設けられた電力用半導体素子QA及びQBのオフ期間よりも短くなるように制御される。
21B, for example, while a gate signal Gate_2 for power semiconductor elements QC and QD in the lower arm 50-2 is in an on period, a gate signal Gate_1 for power semiconductor elements QA and QB in the upper arm 50-1 is in an off period. In the example shown in Fig. 21B, the
このように、本変形例では、電力用半導体素子のゲート端子とソース端子との間にスイッチを設け、当該スイッチが属するアームとは異なるアームに設けられた電力用半導体素子がオンの期間そのスイッチをオンし、これにより、印加電圧の変化によるゲート-ソース間電圧の持ち上がりを防止してレグ60の上側電位Vpと下側電位0Vとの短絡を回避する。In this manner, in this modified example, a switch is provided between the gate and source terminals of a power semiconductor element, and the switch is turned on during the period when a power semiconductor element provided in an arm other than the arm to which the switch belongs is on, thereby preventing a rise in the gate-source voltage due to changes in the applied voltage and avoiding a short circuit between the upper potential Vp of
続いて、本開示の一実施形態及び変形例におけるMOSFETのドレイン端子とゲート端子との間に設けられるコンデンサの配置場所の例について説明する。Next, we will explain examples of the placement of a capacitor between the drain terminal and gate terminal of a MOSFET in one embodiment and a modified example of the present disclosure.
コンデンサの各々は、電力用半導体素子の各々に対応して設けられるが、コンデンサの一方の端子と電力用半導体素子のゲート端子との間の接続配線や、コンデンサのもう一方の端子と電力用半導体素子のドレイン端子との間の接続配線が長いと、大きな寄生インピーダンスが発生してしまう。図3~図5を参照して説明したようにコンデンサに流れ込む電流により電力用半導体素子のオンオフ動作のタイミングを補正していることから、寄生インピーダンスが大きいとタイミング補正の効果が少なくなってしまう。そこで、コンデンサの各々は、対応する前記電力用半導体素子に近接して配置されるようにする。図22Aは、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置におけるコンデンサの配置例を示す透過斜視図である。図22Aでは、一例として1つの電力用半導体素子を有するパワーモジュール42を示している。例えば図22Aに示すように、コンデンサ14が実装されたプリント基板41が、電力用半導体素子を有するパワーモジュール42に隣接して配置される。その際、コンデンサ14を、対応するパワーモジュール42内の電力用半導体素子に近接して配置する(例えば直上、直下、または真横に配置する)ことで、コンデンサ14の一方の端子と電力用半導体素子のゲート端子との間の接続配線、及びコンデンサ14のもう一方の端子と電力用半導体素子のソース端子との間の接続配線ができるだけ短くなるようにする。これにより、寄生インピーダンスを小さくすることができる。図22Aでは、電力用半導体素子がMOSFETである場合を示したが、図22Bは、電力用半導体素子としてIGBTを有するパワーモジュールを例示する斜視図である。例えば電力用半導体素子がIGBTである場合、パワーモジュール42には、IGBTのゲート端子21とコレクタ端子22とエミッタ端子23とが設けられている。コンデンサ14の一方の端子とIGBTのゲート端子21との間の接続配線、及びコンデンサ14のもう一方の端子とIGBTのコレクタ端子22との間の接続配線ができるだけ短くなるように、コンデンサ14を、対応するパワーモジュール42のIGBTに近接して配置する。Each of the capacitors is provided corresponding to each of the power semiconductor elements, but if the connection wiring between one terminal of the capacitor and the gate terminal of the power semiconductor element, or the connection wiring between the other terminal of the capacitor and the drain terminal of the power semiconductor element, is long, a large parasitic impedance will be generated. As described with reference to Figures 3 to 5, the timing of the on/off operation of the power semiconductor element is corrected by the current flowing into the capacitor, so if the parasitic impedance is large, the effect of the timing correction will be reduced. Therefore, each of the capacitors is arranged close to the corresponding power semiconductor element. Figure 22A is a transparent perspective view showing an example of the arrangement of capacitors in a gate drive device according to an embodiment of the present disclosure. Figure 22A shows a
続いて、本開示の一実施形態及び変形例において電力用半導体素子に印加される電圧の抑制効果をより一層高めることができる冷却器の設置について説明する。Next, we will explain the installation of a cooler that can further enhance the effect of suppressing the voltage applied to the power semiconductor element in one embodiment and variant of the present disclosure.
図23は、本開示の一実施形態によるゲート駆動装置に設けられる冷却器を例示する斜視図である。 Figure 23 is an oblique view illustrating a cooler provided in a gate drive device according to one embodiment of the present disclosure.
電力用半導体素子は、オンオフ動作時における自己発熱により温度が上昇する。よって、例えば設計上の制約や電力用半導体素子の配置位置によって、電力変換装置において電力用半導体素子ごとに温度差が生じる場合がある。電力用半導体素子の温度が上昇するとゲート閾値電圧が低下する。電力用半導体素子間に温度差があると、ゲート閾値電圧にバラツキが生じ、オン動作時及びオフ動作時における印加電圧の不均衡度が大きくなる。そこで、電力用半導体素子の各々が、同一の冷却器5によって冷却されるようにすることで、電力用半導体素子間の温度差を抑えてゲート閾値電圧にバラツキが生じないようにし、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃え、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡をより確実に抑制する。The temperature of the power semiconductor elements rises due to self-heating during on/off operation. Therefore, for example, due to design constraints or the placement position of the power semiconductor elements, temperature differences may occur between the power semiconductor elements in the power conversion device. When the temperature of the power semiconductor elements rises, the gate threshold voltage decreases. If there is a temperature difference between the power semiconductor elements, the gate threshold voltage will vary, and the imbalance of the applied voltage during on operation and off operation will increase. Therefore, by cooling each of the power semiconductor elements by the
図23に示す例では、コンデンサ14-Aが実装されたプリント基板41-Aが、電力用半導体素子を有するパワーモジュール42-Aに隣接して配置され、コンデンサ14-Bが実装されたプリント基板41-Bが、電力用半導体素子を有するパワーモジュール42-Bに隣接して配置される。パワーモジュール42-A及び42-Bは、同一の冷却器5の上に配置されており、パワーモジュール42-A及び42-Bに対して冷却器5によって同様の冷却効果が得られるようにする。冷却器5の例としては、例えばヒートシンク、ヒートパイプ、風冷式熱交換器、水冷式熱交換器などがある。
In the example shown in Figure 23, a printed circuit board 41-A on which a capacitor 14-A is mounted is disposed adjacent to a power module 42-A having a power semiconductor element, and a printed circuit board 41-B on which a capacitor 14-B is mounted is disposed adjacent to a power module 42-B having a power semiconductor element. The power modules 42-A and 42-B are disposed on the
以上説明したように、本開示の一実施形態及び変形例によれば、ゲート線におけるゲート信号の伝達時間や電力用半導体素子の特性にバラツキがあったとしても、電力用半導体素子の各々のオン動作及びオフ動作についてのスイッチングタイミングを揃えることができ、電力用半導体素子に印加される電圧の不均衡を抑制することができる。As described above, according to one embodiment and variant of the present disclosure, even if there is variation in the transmission time of the gate signal on the gate line or in the characteristics of the power semiconductor elements, the switching timing for the on and off operations of each of the power semiconductor elements can be aligned, and imbalances in the voltages applied to the power semiconductor elements can be suppressed.
1 ゲート駆動装置
2 電力変換回路部
3 電力変換制御部
4 スイッチ制御部
5 冷却器
11-A、11-B、11-C、11-D ゲート駆動電圧出力部
12-A、12-B。12-C ゲート線
13 磁気結合部
14、14-A、14-B、14-C、14-D コンデンサ
21、21-A、21-B、21-C、21-D ゲート端子
22 コレクタ端子
22-A、22-B、22-C、22-D ドレイン端子
23 エミッタ端子
23-A、23-B、23-C、23-D ソース端子
30 磁性体
41、41-A、41-B プリント基板
42 パワーモジュール
50 アーム
50-1 上アーム
50-2 下アーム
60 レグ
100 電力変換装置
200 直流電源
300 負荷
DA、DB、DC、DD ダイオード
Lr 寄生インダクタンス
P1、P2 端子
QA、QB、QC、QD 電力用半導体素子
Rg ゲート抵抗
SWA、SWB、SWC、SWD スイッチ
T1、T2 端子
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
前記電力用半導体素子の各々に対応して設けられ、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動電圧出力部と、
前記ゲート駆動電圧出力部から出力された前記ゲート駆動電圧を対応する前記電力用半導体素子の各々のゲート端子に供給するゲート線と、
前記ゲート線の各々を互いに磁気結合する磁気結合部と、
前記電力用半導体素子の各々に対応して設けられ、当該電力用半導体素子についての電流流入端子と前記ゲート端子との間に接続されるコンデンサと、
を備える、ゲート駆動装置。 A gate driver for a plurality of power semiconductor devices connected in series, comprising:
a gate drive voltage output section provided corresponding to each of the power semiconductor devices and configured to output a gate drive voltage;
a gate line for supplying the gate driving voltage output from the gate driving voltage output unit to a gate terminal of each of the corresponding power semiconductor devices;
a magnetic coupling portion that magnetically couples the gate lines to each other;
a capacitor provided in correspondence with each of the power semiconductor elements and connected between a current input terminal and the gate terminal of the power semiconductor element;
A gate drive device comprising:
前記コンデンサは、
The capacitor is
前記コンデンサは、
The capacitor is
複数個直列に接続された前記電力用半導体素子と当該電力用半導体素子に対応する前記コンデンサとが設けられたアームを2個有し、前記電力用半導体素子のオンオフ動作に応じて電力変換動作を行う電力変換回路部と、
前記電力変換回路部の電力変換動作を制御する電力変換制御部と、
を備える、電力変換装置。 A gate driver according to any one of claims 1 to 7;
a power conversion circuit section including two arms each including a plurality of power semiconductor elements connected in series and a capacitor corresponding to the power semiconductor elements, the power conversion circuit section performing a power conversion operation in response to an on/off operation of the power semiconductor elements;
a power conversion control unit that controls a power conversion operation of the power conversion circuit unit;
A power conversion device comprising:
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|---|---|---|---|
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