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JP7799583B2 - Power Conversion Device - Google Patents
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JP7799583B2 - Power Conversion Device - Google Patents

Power Conversion Device

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JP7799583B2
JP7799583B2 JP2022135932A JP2022135932A JP7799583B2 JP 7799583 B2 JP7799583 B2 JP 7799583B2 JP 2022135932 A JP2022135932 A JP 2022135932A JP 2022135932 A JP2022135932 A JP 2022135932A JP 7799583 B2 JP7799583 B2 JP 7799583B2
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Description

本開示は、電力変換装置に関する。 This disclosure relates to a power conversion device.

従来の電力変換装置には、半導体スイッチング素子をサージ電圧から保護するため、同半導体スイッチング素子のコレクタ端子とゲート端子との間に、アクティブクランプ回路が設けられている。このアクティブクランプ回路は、ダイオード、ツェナーダイオード、及び抵抗が直列に接続されてできている。従来の電力変換装置では、アクティブクランプ回路を流れる電流が閾値を超える状態が所定時間連続したとき、アクティブクランプ回路内のツェナーダイオードが異常であると判定される(例えば、特許文献1)。 In conventional power conversion devices, an active clamp circuit is provided between the collector and gate terminals of a semiconductor switching element to protect the element from surge voltages. This active clamp circuit is made up of a diode, a Zener diode, and a resistor connected in series. In conventional power conversion devices, when the current flowing through the active clamp circuit exceeds a threshold for a predetermined period of time, the Zener diode in the active clamp circuit is determined to be abnormal (see, for example, Patent Document 1).

特開2019-135884号公報JP 2019-135884 A

アクティブクランプ回路には、ツェナーダイオードに代えて、コンデンサを採用することもできる。しかし、コンデンサの劣化は、電流の変化として現れにくい。従って、ツェナーダイオードに代えてコンデンサを用いたアクティブクランプ回路が、従来の電力変換装置に適用される場合、上記のような異常判定方法では、アクティブクランプ回路内のコンデンサの異常を適切に判定することは困難である。 Instead of Zener diodes, active clamp circuits can also use capacitors. However, capacitor degradation is less likely to manifest as a change in current. Therefore, when an active clamp circuit using a capacitor instead of a Zener diode is applied to a conventional power conversion device, it is difficult to properly determine an abnormality in the capacitor within the active clamp circuit using the abnormality detection method described above.

本開示は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、サージ電圧抑制回路内のコンデンサの異常を適切に検出することができる電力変換装置を得ることを目的とする。 This disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a power conversion device that can properly detect abnormalities in capacitors within a surge voltage suppression circuit.

本開示に係る電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧を負荷に出力するインバータを備え、インバータは、制御端子、高電位側端子、及び低電位側端子を有しており、制御端子へ入力される制御信号に基づいて、高電位側端子から低電位側端子に流れる電流を制御する半導体スイッチング素子、パルス駆動回路から制御端子へ制御信号を供給するためのバッファ回路、高電位側端子とバッファ回路との間に設けられており、半導体スイッチング素子のターンオフ動作時において、高電位側端子と低電位側端子との間に発生するオフサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路、サージ電圧抑制回路の異常を検出する異常検出回路、及びインバータ内の電圧を分圧することにより、基準電圧を生成する基準電圧生成回路を有しており、サージ電圧抑制回路は、フィードバックコンデンサ、逆流防止ダイオード、及びフィードバック抵抗を有しており、フィードバックコンデンサ、逆流防止ダイオード、及びフィードバック抵抗は直列に接続されており、逆流防止ダイオードは、高電位側端子からバッファ回路に向かって電流が流れる向きに配置されており、フィードバック抵抗は、サージ電圧抑制回路を流れるフィードバック電流を電圧に変換してバッファ回路に与え、異常検出回路は、フィードバックコンデンサと逆流防止ダイオードとの接続点における電圧である接続点電圧と、基準電圧とを比較することにより異常を検出する。 The power conversion device according to the present disclosure includes an inverter that converts DC voltage to AC voltage and outputs the converted AC voltage to a load. The inverter has a control terminal, a high-potential side terminal, and a low-potential side terminal. The inverter includes a semiconductor switching element that controls the current flowing from the high-potential side terminal to the low-potential side terminal based on a control signal input to the control terminal, a buffer circuit that supplies a control signal from the pulse drive circuit to the control terminal, a surge voltage suppression circuit that is provided between the high-potential side terminal and the buffer circuit and that suppresses the off-surge voltage that occurs between the high-potential side terminal and the low-potential side terminal when the semiconductor switching element is turned off, an abnormality detection circuit that detects an abnormality in the surge voltage suppression circuit, and a power supply voltage regulator within the inverter. The surge voltage suppression circuit has a feedback capacitor, a backflow prevention diode, and a feedback resistor. The feedback capacitor, backflow prevention diode, and feedback resistor are connected in series. The backflow prevention diode is positioned so that current flows from the high-potential terminal toward the buffer circuit. The feedback resistor converts the feedback current flowing through the surge voltage suppression circuit into a voltage and supplies it to the buffer circuit. The abnormality detection circuit detects abnormalities by comparing the connection point voltage, which is the voltage at the connection point between the feedback capacitor and the backflow prevention diode, with the reference voltage.

本開示に係る電力変換装置によれば、サージ電圧抑制回路内のコンデンサの異常を適切に検出することができる。 The power conversion device disclosed herein can properly detect abnormalities in the capacitors within the surge voltage suppression circuit.

実施の形態1に係る電力変換装置の概略を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing an outline of a power conversion device according to a first embodiment; 図1の半導体スイッチング素子にそれぞれ適用されるアクティブクランプ回路の構成図である。2 is a configuration diagram of an active clamp circuit applied to each of the semiconductor switching elements of FIG. 1. 半導体スイッチング素子のターンオフ動作時におけるアクティブクランプ回路の動作を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining the operation of the active clamp circuit during the turn-off operation of the semiconductor switching element. 半導体スイッチング素子のターンオン動作時におけるアクティブクランプ回路の動作を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining the operation of the active clamp circuit during the turn-on operation of the semiconductor switching element. アクティブクランプ回路が正常であるときの第1容量値、第2容量値、第1抵抗値、及び第2抵抗値を示した図である。10 is a diagram showing a first capacitance value, a second capacitance value, a first resistance value, and a second resistance value when the active clamp circuit is normal; FIG. アクティブクランプ回路が正常であるときのアクティブクランプ回路の動作を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining the operation of the active clamp circuit when the active clamp circuit is normal. 第2容量値が異常値を示すときの第1容量値、第2容量値、第1抵抗値、及び第2抵抗値を示した図である。10 is a diagram showing the first capacitance value, the second capacitance value, the first resistance value, and the second resistance value when the second capacitance value indicates an abnormal value; FIG. 第2容量値が異常値を示すときのアクティブクランプ回路の動作を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining the operation of the active clamp circuit when the second capacitance value indicates an abnormal value. 第2抵抗値が異常値を示すときの第1容量値、第2容量値、第1抵抗値、及び第2抵抗値を示した図である。10 is a diagram showing a first capacitance value, a second capacitance value, a first resistance value, and a second resistance value when the second resistance value indicates an abnormal value; FIG. 第2抵抗値が異常値を示すときのアクティブクランプ回路の動作を説明するためのタイムチャートである。10 is a time chart for explaining the operation of the active clamp circuit when the second resistance value indicates an abnormal value.

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置10の概略を示す構成図である。電力変換装置10は、昇降圧コンバータ20、第1インバータ30、及び第2インバータ40を備えている。電力変換装置10には、高圧バッテリー11、負荷としての発電機12、及び負荷としての電動モータ13が接続されている。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1.
1 is a schematic diagram illustrating a power conversion device 10 according to embodiment 1. The power conversion device 10 includes a step-up/step-down converter 20, a first inverter 30, and a second inverter 40. The power conversion device 10 is connected to a high-voltage battery 11, a generator 12 as a load, and an electric motor 13 as a load.

高圧バッテリー11は、直流電圧を発生するとともに、直流電力を蓄電することができる。発電機12は、三相交流発電機である。電動モータ13は、三相交流モータである。 The high-voltage battery 11 generates DC voltage and can store DC power. The generator 12 is a three-phase AC generator. The electric motor 13 is a three-phase AC motor.

昇降圧コンバータ20は、第1リアクトル21、第2リアクトル22、4つの半導体スイッチング素子23a、24a、25a、26a、第1平滑コンデンサ27、及び第2平滑コンデンサ28を有している。 The step-up/step-down converter 20 has a first reactor 21, a second reactor 22, four semiconductor switching elements 23a, 24a, 25a, and 26a, a first smoothing capacitor 27, and a second smoothing capacitor 28.

4つの半導体スイッチング素子23a、24a、25a、及び26aの各素子には、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)が用いられている。また、4つの半導体スイッチング素子23a、24a、25a、及び26aのドレイン端子とソース端子との間には、ボディーダイオード23b、24b、25b、及び26bがそれぞれ逆並列接続されている。 Each of the four semiconductor switching elements 23a, 24a, 25a, and 26a uses a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Furthermore, body diodes 23b, 24b, 25b, and 26b are connected in anti-parallel between the drain and source terminals of the four semiconductor switching elements 23a, 24a, 25a, and 26a, respectively.

第1リアクトル21の一端は、高圧バッテリー11の正極側端子と接続されており、第1リアクトル21の他端は、半導体スイッチング素子23aのソース端子及び半導体スイッチング素子24aのドレイン端子と接続されている。 One end of the first reactor 21 is connected to the positive terminal of the high-voltage battery 11, and the other end of the first reactor 21 is connected to the source terminal of the semiconductor switching element 23a and the drain terminal of the semiconductor switching element 24a.

第2リアクトル22の一端は、高圧バッテリー11の正極側端子と接続されており、第2リアクトル22の他端は、半導体スイッチング素子25aのソース端子及び半導体スイッチング素子26aのドレイン端子と接続されている。 One end of the second reactor 22 is connected to the positive terminal of the high-voltage battery 11, and the other end of the second reactor 22 is connected to the source terminal of the semiconductor switching element 25a and the drain terminal of the semiconductor switching element 26a.

半導体スイッチング素子23aのドレイン端子及び半導体スイッチング素子25aのドレイン端子は、高圧側母線15に接続されている。半導体スイッチング素子24aのソース端子及び半導体スイッチング素子26aのソース端子は、低圧側母線16に接続されている。 The drain terminal of semiconductor switching element 23a and the drain terminal of semiconductor switching element 25a are connected to the high-voltage side bus 15. The source terminal of semiconductor switching element 24a and the source terminal of semiconductor switching element 26a are connected to the low-voltage side bus 16.

第1平滑コンデンサ27は、高圧バッテリー11の正極側端子と負極側端子との間に接続されている。第2平滑コンデンサ28は、高圧側母線15と低圧側母線16との間に接続されている。 The first smoothing capacitor 27 is connected between the positive and negative terminals of the high-voltage battery 11. The second smoothing capacitor 28 is connected between the high-voltage bus 15 and the low-voltage bus 16.

昇降圧コンバータ20は、4つの半導体スイッチング素子23a、24a、25a、及び26aを用いて、高圧バッテリー11からの直流電圧を昇圧し、第1インバータ30及び第2インバータ40に印加する。また、昇降圧コンバータ20は、4つの半導体スイッチング素子23a、24a、25a、及び26aを用いて、第1インバータ30からの直流電圧を降圧し、高圧バッテリー11に印加する。 The buck-boost converter 20 uses four semiconductor switching elements 23a, 24a, 25a, and 26a to boost the DC voltage from the high-voltage battery 11 and apply it to the first inverter 30 and the second inverter 40. The buck-boost converter 20 also uses four semiconductor switching elements 23a, 24a, 25a, and 26a to step down the DC voltage from the first inverter 30 and apply it to the high-voltage battery 11.

第1インバータ30は、6つの半導体スイッチング素子31a、32a、33a、34a、35a、及び36aを有している。6つの半導体スイッチング素子31a、32a、33a、34a、35a、及び36aの各素子には、Si-IGBT(Silicon Carbide-Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている。 The first inverter 30 has six semiconductor switching elements 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, and 36a. Each of the six semiconductor switching elements 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, and 36a uses a Si-IGBT (Silicon Carbide-Insulated Gate Bipolar Transistor).

また、6つの半導体スイッチング素子31a、32a、33a、34a、35a、及び36aのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、ボディーダイオード31b、32b、33b、34b、35b、及び36bがそれぞれ逆並列接続されている。 In addition, body diodes 31b, 32b, 33b, 34b, 35b, and 36b are connected in anti-parallel between the collector terminals and emitter terminals of the six semiconductor switching elements 31a, 32a, 33a, 34a, 35a, and 36a, respectively.

半導体スイッチング素子31a、33a、及び35aの各コレクタ端子は、高圧側母線15と接続されている。半導体スイッチング素子32a、34a、及び36aの各エミッタ端子は、低圧側母線16と接続されている。 The collector terminals of semiconductor switching elements 31a, 33a, and 35a are connected to the high-voltage bus 15. The emitter terminals of semiconductor switching elements 32a, 34a, and 36a are connected to the low-voltage bus 16.

半導体スイッチング素子31aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子32aのコレクタ端子と接続されている。半導体スイッチング素子33aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子34aのコレクタ端子と接続されている。半導体スイッチング素子35aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子36aのコレクタ端子と接続されている。 The emitter terminal of semiconductor switching element 31a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 32a. The emitter terminal of semiconductor switching element 33a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 34a. The emitter terminal of semiconductor switching element 35a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 36a.

半導体スイッチング素子31aと半導体スイッチング素子32aとの接続点は、発電機12のU相端子と接続されている。半導体スイッチング素子33aと半導体スイッチング素子34aとの接続点は、発電機12のV相端子と接続されている。半導体スイッチング素子35aと半導体スイッチング素子36aとの接続点は、発電機12のW相端子と接続されている。 The connection point between semiconductor switching element 31a and semiconductor switching element 32a is connected to the U-phase terminal of generator 12. The connection point between semiconductor switching element 33a and semiconductor switching element 34a is connected to the V-phase terminal of generator 12. The connection point between semiconductor switching element 35a and semiconductor switching element 36a is connected to the W-phase terminal of generator 12.

第2インバータ40は、6つの半導体スイッチング素子41a、42a、43a、44a、45a、及び46aを有している。6つの半導体スイッチング素子41a、42a、43a、44a、45a、及び46aの各素子には、Si-IGBTが用いられている。 The second inverter 40 has six semiconductor switching elements 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, and 46a. Each of the six semiconductor switching elements 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, and 46a uses a Si-IGBT.

また、6つの半導体スイッチング素子41a、42a、43a、44a、45a、及び46aのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、ボディーダイオード41b、42b、43b、44b、45b、及び46bがそれぞれ逆並列接続されている。 In addition, body diodes 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, and 46b are connected in anti-parallel between the collector terminals and emitter terminals of the six semiconductor switching elements 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, and 46a, respectively.

半導体スイッチング素子41a、43a、及び45aの各コレクタ端子は、高圧側母線15と接続されている。半導体スイッチング素子42a、44a、及び46aの各エミッタ端子は、低圧側母線16と接続されている。 The collector terminals of semiconductor switching elements 41a, 43a, and 45a are connected to the high-voltage bus 15. The emitter terminals of semiconductor switching elements 42a, 44a, and 46a are connected to the low-voltage bus 16.

半導体スイッチング素子41aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子42aのコレクタ端子と接続されている。半導体スイッチング素子43aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子44aのコレクタ端子と接続されている。半導体スイッチング素子45aのエミッタ端子は、半導体スイッチング素子46aのコレクタ端子と接続されている。 The emitter terminal of semiconductor switching element 41a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 42a. The emitter terminal of semiconductor switching element 43a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 44a. The emitter terminal of semiconductor switching element 45a is connected to the collector terminal of semiconductor switching element 46a.

半導体スイッチング素子41aと半導体スイッチング素子42aとの接続点は、電動モータ13のU相端子と接続されている。半導体スイッチング素子43aと半導体スイッチング素子44aとの接続点は、電動モータ13のV相端子と接続されている。半導体スイッチング素子45aと半導体スイッチング素子46aとの接続点は、電動モータ13のW相端子と接続されている。 The connection point between semiconductor switching element 41a and semiconductor switching element 42a is connected to the U-phase terminal of electric motor 13. The connection point between semiconductor switching element 43a and semiconductor switching element 44a is connected to the V-phase terminal of electric motor 13. The connection point between semiconductor switching element 45a and semiconductor switching element 46a is connected to the W-phase terminal of electric motor 13.

図2は、図1の第2インバータ40の半導体スイッチング素子41a~46aにそれぞれ適用されるアクティブクランプ回路の構成図である。図2には、第2インバータ40中の一部の半導体スイッチング素子41a及び42aが示されており、残りの半導体スイッチング素子43a~46aは省略されている。 Figure 2 is a schematic diagram of an active clamp circuit applied to each of the semiconductor switching elements 41a to 46a of the second inverter 40 in Figure 1. Figure 2 shows some of the semiconductor switching elements 41a and 42a in the second inverter 40, while the remaining semiconductor switching elements 43a to 46a are omitted.

第2インバータ40は、半導体スイッチング素子42aに対応して、バッファ回路50、サージ電圧抑制回路としてのアクティブクランプ回路60、異常検出回路70及び基準電圧生成回路80を有している。なお、図2において、半導体スイッチング素子41aに対するアクティブクランプ回路、異常検出回路、及び基準電圧生成回路は、半導体スイッチング素子42aに対する各回路と同様であるため、省略されている。 The second inverter 40 has a buffer circuit 50, an active clamp circuit 60 as a surge voltage suppression circuit, an abnormality detection circuit 70, and a reference voltage generation circuit 80 corresponding to the semiconductor switching element 42a. Note that in Figure 2, the active clamp circuit, abnormality detection circuit, and reference voltage generation circuit for the semiconductor switching element 41a are omitted because they are similar to the respective circuits for the semiconductor switching element 42a.

高圧側母線15と低圧側母線16との間に直流電源100が接続されている。この直流電源100は、図1の昇降圧コンバータ20に相当している。直流電源100の出力電圧、即ち、母線電圧はVpnである。 A DC power supply 100 is connected between the high-voltage bus 15 and the low-voltage bus 16. This DC power supply 100 corresponds to the step-up/step-down converter 20 in Figure 1. The output voltage of the DC power supply 100, i.e., the bus voltage, is Vpn.

バッファ回路50は、第2インバータ40外部のパルス駆動回路90と、半導体スイッチング素子42aの制御端子としてのゲート端子Gとの間に挿入されている。バッファ回路50は、第1トランジスタ51、第2トランジスタ52、ゲートオン抵抗53、及びゲートオフ抵抗54を有している。バッファ回路50には、低圧電源Vccから電力が供給されている。パルス駆動回路90は、バッファ回路50を介して、ゲート端子Gに制御信号としてのゲート指令パルス電圧を出力する。 The buffer circuit 50 is inserted between a pulse drive circuit 90 external to the second inverter 40 and the gate terminal G, which serves as the control terminal of the semiconductor switching element 42a. The buffer circuit 50 includes a first transistor 51, a second transistor 52, a gate-on resistor 53, and a gate-off resistor 54. Power is supplied to the buffer circuit 50 from the low-voltage power supply Vcc. The pulse drive circuit 90 outputs a gate command pulse voltage as a control signal to the gate terminal G via the buffer circuit 50.

アクティブクランプ回路60は、半導体スイッチング素子42aのターンオフ動作時において、同素子42aの高電位側端子としてのコレクタ端子Cと、同素子42aの低電位側端子としてのエミッタ端子Eとの間に発生するオフサージ電圧を抑制する。オフサージ電圧は、第2インバータ40内の配線インダクタンスLと、半導体スイッチング素子42aのコレクタ電流Icの変化量di/dtとの積L×di/dtとして計算される。アクティブクランプ回路60は、コレクタ端子Cとバッファ回路50との間に設けられている。 The active clamp circuit 60 suppresses the off-surge voltage that occurs between the collector terminal C, which serves as the high-potential terminal of the semiconductor switching element 42a, and the emitter terminal E, which serves as the low-potential terminal of the semiconductor switching element 42a, when the element 42a is turned off. The off-surge voltage is calculated as the product L x di/dt of the wiring inductance L within the second inverter 40 and the change di/dt in the collector current Ic of the semiconductor switching element 42a. The active clamp circuit 60 is located between the collector terminal C and the buffer circuit 50.

アクティブクランプ回路60は、第1フィードバックコンデンサ61a、第2フィードバックコンデンサ61b、第1バランス抵抗62a、第2バランス抵抗62b、逆流防止ダイオード63、第1フィードバック抵抗64a、第2フィードバック抵抗64b、クランプコンデンサ65、逆阻止ダイオード66、及び放電抵抗67を有している。アクティブクランプ回路60において、第1フィードバックコンデンサ61a、第2フィードバックコンデンサ61b、逆流防止ダイオード63、第1フィードバック抵抗64a、及び第2フィードバック抵抗64bは、この順に、直列に接続されている。 The active clamp circuit 60 includes a first feedback capacitor 61a, a second feedback capacitor 61b, a first balancing resistor 62a, a second balancing resistor 62b, a backflow prevention diode 63, a first feedback resistor 64a, a second feedback resistor 64b, a clamp capacitor 65, a reverse blocking diode 66, and a discharge resistor 67. In the active clamp circuit 60, the first feedback capacitor 61a, the second feedback capacitor 61b, the backflow prevention diode 63, the first feedback resistor 64a, and the second feedback resistor 64b are connected in series in this order.

第1フィードバックコンデンサ61aは、コレクタ端子Cと接続されている。第2フィードバック抵抗64bは、パルス駆動回路90と接続されている。第1フィードバック抵抗64aと第2フィードバック抵抗64bとの間の点が、バッファ回路50の中点としての入力端子と接続されている。 The first feedback capacitor 61a is connected to the collector terminal C. The second feedback resistor 64b is connected to the pulse drive circuit 90. The point between the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b is connected to the input terminal, which serves as the midpoint of the buffer circuit 50.

第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bは、半導体スイッチング素子42aのコレクタ-エミッタ間電圧Vceの変化量dv/dtに応じたフィードバック電流Ifbを発生する。ここで、第1フィードバックコンデンサ61aの容量値を第1容量値C1とし、第2フィードバックコンデンサ61bの容量値を第2容量値C2とする。 The first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b generate a feedback current Ifb that corresponds to the change dv/dt in the collector-emitter voltage Vce of the semiconductor switching element 42a. Here, the capacitance value of the first feedback capacitor 61a is the first capacitance value C1, and the capacitance value of the second feedback capacitor 61b is the second capacitance value C2.

また、第1フィードバックコンデンサ61aと第2フィードバックコンデンサ61bとの合成容量の容量値を合成容量値C0とすると、フィードバック電流Ifbは、合成容量値C0とコレクタ-エミッタ間電圧Vceの変化量dv/dtとの積C0×dv/dtにより表される。本実施の形態では、第1容量値C1と第2容量値C2とは、互いに等しい値として設計されている。例えば、第1容量値C1及び第2容量値C2は、100pFである。 Furthermore, if the combined capacitance of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b is represented by combined capacitance C0, the feedback current Ifb is expressed as the product C0 x dv/dt of combined capacitance C0 and the change in collector-emitter voltage Vce (dv/dt). In this embodiment, the first capacitance C1 and the second capacitance C2 are designed to be equal. For example, the first capacitance C1 and the second capacitance C2 are 100 pF.

第1バランス抵抗62aは、第1フィードバックコンデンサ61aと並列に接続されている。第2バランス抵抗62bは、第2フィードバックコンデンサ61bと並列に接続されている。第1バランス抵抗62a及び第2バランス抵抗62bは、第1フィードバックコンデンサ61aへの印加電圧と第2フィードバックコンデンサ61bへの印加電圧とが均等に配分されるように設けられている。第1バランス抵抗62aの抵抗値を第1抵抗値R1とし、第2バランス抵抗62bの抵抗値を第2抵抗値R2とする。 The first balancing resistor 62a is connected in parallel with the first feedback capacitor 61a. The second balancing resistor 62b is connected in parallel with the second feedback capacitor 61b. The first balancing resistor 62a and the second balancing resistor 62b are arranged so that the voltage applied to the first feedback capacitor 61a and the voltage applied to the second feedback capacitor 61b are evenly distributed. The resistance value of the first balancing resistor 62a is the first resistance value R1, and the resistance value of the second balancing resistor 62b is the second resistance value R2.

逆流防止ダイオード63は、コレクタ端子Cからバッファ回路50に向かって電流が流れる向きに配置されている。逆流防止ダイオード63としては、ショットキーバリアダイオードが用いられる。一般的に、ショットキーバリアダイオードの接合容量は、PN接合ダイオードの接合容量よりも大きい。例えば、半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時における逆流防止ダイオード63の接合容量は、数百pFである。 The backflow prevention diode 63 is positioned so that current flows from the collector terminal C toward the buffer circuit 50. A Schottky barrier diode is used as the backflow prevention diode 63. Generally, the junction capacitance of a Schottky barrier diode is larger than that of a PN junction diode. For example, the junction capacitance of the backflow prevention diode 63 when the semiconductor switching element 42a is turned on is several hundred pF.

従って、半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時における逆流防止ダイオード63の接合容量の容量値は、第1容量値C1及び第2容量値C2と同じオーダーである。 Therefore, the capacitance value of the junction capacitance of the backflow prevention diode 63 when the semiconductor switching element 42a is turned on is on the same order as the first capacitance value C1 and the second capacitance value C2.

第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bは、フィードバック電流Ifbを電圧に変換してバッファ回路50に与える。より具体的に述べると、第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bは、フィードバック電流Ifbに応じて、バッファ回路50の中点電圧Vmidを変化させる。中点電圧Vmidは、バッファ回路50の入力端子の電圧である。 The first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b convert the feedback current Ifb into a voltage and provide it to the buffer circuit 50. More specifically, the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b change the midpoint voltage Vmid of the buffer circuit 50 in accordance with the feedback current Ifb. The midpoint voltage Vmid is the voltage at the input terminal of the buffer circuit 50.

クランプコンデンサ65は、第1フィードバック抵抗64aの一端と、接地端子との間に接続されている。第1フィードバック抵抗64aの一端は、逆流防止ダイオード63のカソードと接続されている。クランプコンデンサ65は、アクティブクランプ回路60によるフィードバックのタイミングを調整する。 The clamp capacitor 65 is connected between one end of the first feedback resistor 64a and the ground terminal. One end of the first feedback resistor 64a is connected to the cathode of the backflow prevention diode 63. The clamp capacitor 65 adjusts the timing of feedback by the active clamp circuit 60.

クランプコンデンサ65を設けることにより、半導体スイッチング素子42aのゲートがオンする最適なタイミングでオフサージ電圧のフィードバック動作をかけることが可能となり、半導体スイッチング素子42aのスイッチング損失の増加を抑制することができる。 By providing a clamp capacitor 65, it is possible to apply feedback to the off-surge voltage at the optimal timing when the gate of the semiconductor switching element 42a turns on, thereby suppressing an increase in switching loss of the semiconductor switching element 42a.

逆阻止ダイオード66は、コレクタ端子Cから接地端子に向かって流れる電流を阻止する向きに配置されている。逆阻止ダイオード66としては、ショットキーバリアダイオードが用いられる。逆阻止ダイオード66は、逆流防止ダイオード63と同等の特性を有している。 The reverse-blocking diode 66 is oriented so as to block current flow from the collector terminal C toward the ground terminal. A Schottky barrier diode is used as the reverse-blocking diode 66. The reverse-blocking diode 66 has the same characteristics as the backflow prevention diode 63.

逆阻止ダイオード66及び放電抵抗67は、接続点CTと接地端子との間において、互いに直列に接続されている。逆阻止ダイオード66及び放電抵抗67は、放電回路を構成している。つまり、アクティブクランプ回路60は、放電回路を有している。この放電回路は、半導体スイッチング素子42aがターンオフ動作からターンオン動作へ移行した場合、逆流防止ダイオード63の印加電圧が過大とならないように設けられている。 The reverse-blocking diode 66 and discharge resistor 67 are connected in series between the connection point CT and the ground terminal. The reverse-blocking diode 66 and discharge resistor 67 form a discharge circuit. In other words, the active clamp circuit 60 has a discharge circuit. This discharge circuit is provided to prevent the voltage applied to the reverse-current prevention diode 63 from becoming excessive when the semiconductor switching element 42a transitions from a turn-off operation to a turn-on operation.

ところで、一般的に、オフサージ電圧とスイッチングオフ損失とは、トレードオフの関係にある。一般的に、ゲートオフ抵抗の抵抗値を小さくすると、オフサージ電圧の変化量dv/dtが大きくなるため、オフサージ電圧は、大きくなってしまう。しかし、アクティブクランプ回路60が適用されることにより、オフサージ電圧がクランプされるため、オフサージ電圧の増大を抑えつつ、スイッチングオフ損失を低減することが可能となる。 Generally, there is a trade-off between off-surge voltage and switching-off loss. Generally, when the resistance value of the gate-off resistor is reduced, the change in off-surge voltage dv/dt increases, resulting in a higher off-surge voltage. However, by using the active clamp circuit 60, the off-surge voltage is clamped, making it possible to reduce switching-off loss while suppressing increases in off-surge voltage.

なお、抵抗42cは、半導体スイッチング素子42aのセルフターンオンを防止するための抵抗である。 Resistor 42c is a resistor used to prevent self-turn-on of semiconductor switching element 42a.

異常検出回路70は、コンパレータ71及び検出信号生成回路72を有している。異常検出回路70は、接続点電圧Vctと、基準電圧Vrefとを比較することにより異常を検出する。接続点電圧Vctは、第2フィードバックコンデンサ61bと逆流防止ダイオード63との間における接続点CTの電圧である。基準電圧Vrefは、基準電圧生成回路80により生成される電圧である。接続点電圧Vctは、合成容量値C0と、ターンオン動作時における逆流防止ダイオード63の接合容量との比に基づいて決定される。 The abnormality detection circuit 70 includes a comparator 71 and a detection signal generation circuit 72. The abnormality detection circuit 70 detects abnormalities by comparing the connection point voltage Vct with a reference voltage Vref. The connection point voltage Vct is the voltage at the connection point CT between the second feedback capacitor 61b and the backflow prevention diode 63. The reference voltage Vref is a voltage generated by the reference voltage generation circuit 80. The connection point voltage Vct is determined based on the ratio of the combined capacitance value C0 to the junction capacitance of the backflow prevention diode 63 during turn-on operation.

コンパレータ71は、接続点電圧Vctと基準電圧Vrefとを比較し、比較された結果を検出信号生成回路72に出力する。 The comparator 71 compares the connection point voltage Vct with the reference voltage Vref and outputs the comparison result to the detection signal generation circuit 72.

検出信号生成回路72は、コンパレータ71から出力された比較結果に基づいて、異常検出信号Vmfを生成し、生成された異常検出信号を、図示しない制御部に出力する。制御部は、例えば、ECU(Electronic Control Unit)である。 The detection signal generation circuit 72 generates an abnormality detection signal Vmf based on the comparison result output from the comparator 71 and outputs the generated abnormality detection signal to a control unit (not shown). The control unit is, for example, an ECU (Electronic Control Unit).

例えば、検出信号生成回路72は、接続点電圧Vctが基準電圧Vrefを上回った場合、ハイレベルの信号を異常検出信号VmfとしてECUに出力する。また、検出信号生成回路72は、接続点電圧Vctが基準電圧Vref以下である場合、ハイレベルの信号とは異なるローレベルの信号を異常検出信号VmfとしてECUに出力する。なお、異常検出信号Vmfの論理は反転していてもよい。 For example, when the connection point voltage Vct exceeds the reference voltage Vref, the detection signal generation circuit 72 outputs a high-level signal to the ECU as the abnormality detection signal Vmf. Furthermore, when the connection point voltage Vct is equal to or lower than the reference voltage Vref, the detection signal generation circuit 72 outputs a low-level signal, different from the high-level signal, to the ECU as the abnormality detection signal Vmf. The logic of the abnormality detection signal Vmf may be inverted.

ECUは、異常検出信号Vmfがローレベルの信号である場合、アクティブクランプ回路60が正常であると判定する。一方、ECUは、異常検出信号Vmfがハイレベルの信号である場合、即ち、異常検出回路70が基準電圧Vrefを上回る電圧を検出した場合、アクティブクランプ回路60が異常であると判定する。アクティブクランプ回路60が異常であると判定された場合、ECUは、第2インバータ40内のすべての半導体スイッチング素子41a~46aに対するゲート指令パルス電圧をゼロにする。即ち、ECUは、第2インバータ40内のすべての半導体スイッチング素子41a~46aの動作を停止させる。 If the abnormality detection signal Vmf is a low-level signal, the ECU determines that the active clamp circuit 60 is normal. On the other hand, if the abnormality detection signal Vmf is a high-level signal, that is, if the abnormality detection circuit 70 detects a voltage higher than the reference voltage Vref, the ECU determines that the active clamp circuit 60 is abnormal. If the active clamp circuit 60 is determined to be abnormal, the ECU sets the gate command pulse voltage for all semiconductor switching elements 41a to 46a in the second inverter 40 to zero. In other words, the ECU stops the operation of all semiconductor switching elements 41a to 46a in the second inverter 40.

基準電圧生成回路80は、第1分割抵抗81、第2分割抵抗82、及び第3分割抵抗83を有している。基準電圧生成回路80は、高圧側母線15と低圧側母線16との間に設けられている。第1分割抵抗81、第2分割抵抗82、及び第3分割抵抗83は、この順に高圧側母線15から低圧側母線16に向かって直列に接続されている。基準電圧Vrefは、第2分割抵抗82と第3分割抵抗83との間の電圧である。本実施の形態において、第1分割抵抗81、第2分割抵抗82、及び第3分割抵抗83の各抵抗値は、基準電圧Vrefが4.0Vとなるように設定されている。 The reference voltage generation circuit 80 has a first dividing resistor 81, a second dividing resistor 82, and a third dividing resistor 83. The reference voltage generation circuit 80 is arranged between the high-voltage side bus 15 and the low-voltage side bus 16. The first dividing resistor 81, the second dividing resistor 82, and the third dividing resistor 83 are connected in series in this order from the high-voltage side bus 15 to the low-voltage side bus 16. The reference voltage Vref is the voltage between the second dividing resistor 82 and the third dividing resistor 83. In this embodiment, the resistance values of the first dividing resistor 81, the second dividing resistor 82, and the third dividing resistor 83 are set so that the reference voltage Vref is 4.0 V.

図3は、半導体スイッチング素子42aのターンオフ動作時におけるアクティブクランプ回路60の動作を説明するためのタイムチャートである。図3には、半導体スイッチング素子42aのゲート-エミッタ間電圧Vge、半導体スイッチング素子42aのコレクタ-エミッタ間電圧Vce、及び半導体スイッチング素子42aのコレクタ電流Icが示されている。 Figure 3 is a time chart illustrating the operation of the active clamp circuit 60 when the semiconductor switching element 42a is turned off. Figure 3 shows the gate-emitter voltage Vge of the semiconductor switching element 42a, the collector-emitter voltage Vce of the semiconductor switching element 42a, and the collector current Ic of the semiconductor switching element 42a.

半導体スイッチング素子42aのゲート-エミッタ間電圧Vgeは、以下、単にゲート電圧Vgeと表される。半導体スイッチング素子42aのコレクタ-エミッタ間電圧Vceは、以下、単にコレクタ電圧Vceと表される。 The gate-emitter voltage Vge of the semiconductor switching element 42a will be referred to simply as the gate voltage Vge below. The collector-emitter voltage Vce of the semiconductor switching element 42a will be referred to simply as the collector voltage Vce below.

時刻t1において、パルス駆動回路90からのゲート指令パルス電圧が低下するのに伴い、ゲート電圧Vgeが低下し始める。これにより、コレクタ電流Icが低下し始めるとともに、コレクタ電圧Vceが上昇し始める。フィードバック電流Ifb=C0×dv/dtに応じて、バッファ回路50の中点電圧Vmidが上昇し、半導体スイッチング素子42aのゲートが再度オンになる。 At time t1, as the gate command pulse voltage from the pulse drive circuit 90 decreases, the gate voltage Vge begins to decrease. As a result, the collector current Ic begins to decrease and the collector voltage Vce begins to increase. In response to the feedback current Ifb = C0 × dv/dt, the midpoint voltage Vmid of the buffer circuit 50 increases, and the gate of the semiconductor switching element 42a turns on again.

これにより、コレクタ電流Icが流れ、コレクタ電流Icの変化量di/dtが低減される。その結果、オフサージ電圧を含むコレクタ電圧Vceが母線電圧Vpnにクランプされる。その後、時刻t2において、コレクタ電流Icがゼロとなり、コレクタ電圧Vceは一定値となる。 This causes the collector current Ic to flow, reducing the change di/dt in the collector current Ic. As a result, the collector voltage Vce, including the off-surge voltage, is clamped to the bus voltage Vpn. After that, at time t2, the collector current Ic becomes zero, and the collector voltage Vce becomes a constant value.

図4は、半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時におけるアクティブクランプ回路60の動作を説明するためのタイムチャートである。図4には、ゲート指令パルス電圧Vdrv、接続点電圧Vct、中点電圧Vmid、ゲート電圧Vge、コレクタ電圧Vce、及びコレクタ電流Icが示されている。 Figure 4 is a time chart illustrating the operation of the active clamp circuit 60 when the semiconductor switching element 42a is turned on. Figure 4 shows the gate command pulse voltage Vdrv, the connection point voltage Vct, the midpoint voltage Vmid, the gate voltage Vge, the collector voltage Vce, and the collector current Ic.

時刻t3において、ゲート指令パルス電圧Vdrvが立ち上がると、ゲート寄生容量への電荷の充電が開始され、ゲート電圧Vgeが上昇し始める。ゲート寄生容量は、半導体スイッチング素子42aのゲート端子Gに寄生している容量である。 At time t3, when the gate command pulse voltage Vdrv rises, charging of the gate parasitic capacitance begins, and the gate voltage Vge begins to rise. The gate parasitic capacitance is the capacitance parasitic on the gate terminal G of the semiconductor switching element 42a.

また、時刻t3において、ゲート指令パルス電圧Vdrv=15Vが、第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bに印加されるため、接続点電圧Vctは、フィードバック電圧Vfbだけ持ち上げられる。フィードバック電圧Vfbは、第1フィードバック抵抗64aの抵抗値及び第2フィードバック抵抗64bの抵抗値の和と、出力電流値との積により決まる電圧である。出力電流は、第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bを流れる電流である。 Furthermore, at time t3, a gate command pulse voltage Vdrv = 15 V is applied to the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b, and the connection point voltage Vct is increased by the feedback voltage Vfb. The feedback voltage Vfb is a voltage determined by the product of the sum of the resistance values of the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b and the output current value. The output current is the current flowing through the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b.

また、時刻t3において、中点電圧Vmidは、第2フィードバック抵抗64bの抵抗値と出力電流値との積により決まる電圧分だけ持ち上げられるが、その後、ターンオン直前の電圧に戻る。 Also, at time t3, the midpoint voltage Vmid is raised by a voltage determined by the product of the resistance value of the second feedback resistor 64b and the output current value, but then returns to the voltage immediately before turn-on.

時刻t3以降、ゲート電圧Vgeは、ゲート電圧Vgeの最大値である15Vとなるまで、緩やかに増加する。この間、ゲート寄生容量は充電され続けている。ゲート電圧Vgeの増加に応じて、接続点電圧Vctも緩やかに増加する。時刻t3は、ゲート充電期間の開始時点である。 After time t3, the gate voltage Vge gradually increases until it reaches its maximum value of 15 V. During this time, the gate parasitic capacitance continues to charge. As the gate voltage Vge increases, the node voltage Vct also gradually increases. Time t3 marks the start of the gate charging period.

時刻t4において、ゲート電圧Vgeがゲート閾値電圧Vthに達すると、半導体スイッチング素子42aがオン状態となり、コレクタ電流Icが流れ始める。これにより、コレクタ端子Cとエミッタ端子Eとの間の抵抗が減少し、コレクタ電圧Vceが低下し始める。時刻t4は、ゲート電圧Vgeがゲート閾値電圧Vthに達する第1時点である。 At time t4, when the gate voltage Vge reaches the gate threshold voltage Vth, the semiconductor switching element 42a turns on and the collector current Ic begins to flow. This reduces the resistance between the collector terminal C and the emitter terminal E, and the collector voltage Vce begins to decrease. Time t4 is the first time point at which the gate voltage Vge reaches the gate threshold voltage Vth.

また、コレクタ電圧Vceの低下に伴って、第1フィードバックコンデンサ61aに蓄積されている電荷及び第2フィードバックコンデンサ61bに蓄積されている電荷が放電することにより、接続点電圧Vctが低下し始める。電荷の放電の時定数は、合成容量値C0と放電抵抗67の抵抗値との積によって決定される。 Furthermore, as the collector voltage Vce decreases, the charge stored in the first feedback capacitor 61a and the charge stored in the second feedback capacitor 61b are discharged, causing the connection point voltage Vct to begin to decrease. The time constant for the charge discharge is determined by the product of the combined capacitance value C0 and the resistance value of the discharge resistor 67.

時刻t5において、ゲート電圧Vgeは、電圧一定期間となるミラー期間に到達し、その後、駆動電圧最大値15Vに到達する。 At time t5, the gate voltage Vge reaches the Miller period, which is a period of constant voltage, and then reaches the maximum drive voltage of 15 V.

図5は、アクティブクランプ回路60が正常であるときの第1容量値C1、第2容量値C2、第1抵抗値R1、及び第2抵抗値R2を示した図である。第1容量値C1及び第2容量値C2は、いずれも100pFである。第1抵抗値R1及び第2抵抗値R2は、いずれも1MΩである。 Figure 5 shows the first capacitance value C1, second capacitance value C2, first resistance value R1, and second resistance value R2 when the active clamp circuit 60 is normal. The first capacitance value C1 and second capacitance value C2 are both 100 pF. The first resistance value R1 and second resistance value R2 are both 1 MΩ.

図6は、アクティブクランプ回路60が正常であるときのアクティブクランプ回路60の動作を説明するためのタイムチャートである。図6には、接続点電圧Vct、ゲート電圧Vge、ゲート電流Ig、コレクタ電流Ic、及びコレクタ電圧Vceが示されている。 Figure 6 is a time chart illustrating the operation of the active clamp circuit 60 when the active clamp circuit 60 is operating normally. Figure 6 shows the connection point voltage Vct, gate voltage Vge, gate current Ig, collector current Ic, and collector voltage Vce.

アクティブクランプ回路60が正常であるとき、ターンオン動作時における接続点電圧Vctは、時刻t4、即ち、第1時点において最大となり、この場合、3.7Vとなる。 When the active clamp circuit 60 is operating normally, the connection point voltage Vct during turn-on operation reaches its maximum at time t4, i.e., the first point in time, and in this case is 3.7 V.

時刻t3から時刻t4、即ち、第1時点までの期間におけるコレクタ電圧Vceは比較的安定しているため、この期間の接続点電圧Vctもまた、比較的安定している。また、この期間の接続点電圧Vctは、第1容量値C1又は第2容量値C2の変化を反映している。そのため、時刻t3から第1時点である時刻t4までの期間が、異常検出タイミングの有効期間に設定される。 Because the collector voltage Vce is relatively stable from time t3 to time t4, i.e., the period up to the first point in time, the connection point voltage Vct during this period is also relatively stable. Furthermore, the connection point voltage Vct during this period reflects changes in the first capacitance value C1 or the second capacitance value C2. Therefore, the period from time t3 to time t4, which is the first point in time, is set as the valid period for the abnormality detection timing.

異常検出回路70は、有効期間における接続点電圧Vctの最大値と、基準電圧Vrefとを比較する。上述したように、基準電圧Vrefは4.0Vに設定されている。よって、この場合、ターンオン動作時における接続点電圧Vctの最大値は、基準電圧Vrefよりも小さい。従って、異常検出回路70は、アクティブクランプ回路60の異常を検出しない。 The abnormality detection circuit 70 compares the maximum value of the connection point voltage Vct during the valid period with the reference voltage Vref. As described above, the reference voltage Vref is set to 4.0 V. Therefore, in this case, the maximum value of the connection point voltage Vct during turn-on operation is smaller than the reference voltage Vref. Therefore, the abnormality detection circuit 70 does not detect an abnormality in the active clamp circuit 60.

時刻t5以降のミラー期間においては、半導体スイッチング素子42aのコレクタ-エミッタ間にコレクタ電流Icが流れることでコレクタ電圧Vceが低下している期間となるため、接続点電圧Vctは不安定となり易い。従って、ミラー期間は、異常検出タイミングの無効期間に設定される。 During the mirror period from time t5 onwards, the collector voltage Vce drops due to the collector current Ic flowing between the collector and emitter of the semiconductor switching element 42a, making the connection point voltage Vct prone to instability. Therefore, the mirror period is set to a period during which the abnormality detection timing is disabled.

図7は、第2容量値C2が異常値を示すときの第1容量値C1、第2容量値C2、第1抵抗値R1、及び第2抵抗値R2を示した図である。第1容量値C1は、100pFである。第2容量値C2は、80pFであり、正常値である100pFから20%低下している。第1抵抗値R1及び第2抵抗値R2は、いずれも1MΩである。 Figure 7 shows the first capacitance value C1, second capacitance value C2, first resistance value R1, and second resistance value R2 when the second capacitance value C2 indicates an abnormal value. The first capacitance value C1 is 100 pF. The second capacitance value C2 is 80 pF, which is 20% lower than the normal value of 100 pF. The first resistance value R1 and second resistance value R2 are both 1 MΩ.

図8は、第2容量値C2が異常値を示すときのアクティブクランプ回路60の動作を説明するためのタイムチャートである。第2容量値C2が80pFであるとき、ターンオフ動作時において、コレクタ電圧Vceは、正常にクランプされなくなり、コレクタ電圧Vceにオフサージ電圧が発生する。 Figure 8 is a timing chart illustrating the operation of the active clamp circuit 60 when the second capacitance value C2 indicates an abnormal value. When the second capacitance value C2 is 80 pF, the collector voltage Vce is no longer clamped properly during the turn-off operation, and an off-surge voltage occurs in the collector voltage Vce.

このように、第2容量値C2が低下した場合、コレクタ電圧Vceの変化量dv/dtとコンデンサ容量とにより決定されるフィードバック電流が小さくなるため、オフサージ電圧のクランプ量も小さくなる。そのため、第1容量値C1と第2容量値C2と逆流防止ダイオード63の接合容量との容量比により決定される接続点電圧Vctの最大値は、ターンオン動作時において基準電圧Vrefを超過し、4.3Vとなる。 In this way, when the second capacitance value C2 decreases, the feedback current, which is determined by the change in collector voltage Vce dv/dt and the capacitor capacitance, decreases, and the amount of off-surge voltage clamping also decreases. Therefore, the maximum value of the connection point voltage Vct, which is determined by the capacitance ratio between the first capacitance value C1, the second capacitance value C2, and the junction capacitance of the backflow prevention diode 63, exceeds the reference voltage Vref during turn-on operation and becomes 4.3 V.

異常検出回路70は、ターンオン動作時における接続点電圧Vctの最大値と、基準電圧Vrefとを比較する。この場合、ターンオン動作時における接続点電圧Vctの最大値は、基準電圧Vrefよりも大きい。従って、異常検出回路70は、アクティブクランプ回路60の異常を検出する。 The abnormality detection circuit 70 compares the maximum value of the connection point voltage Vct during turn-on operation with the reference voltage Vref. In this case, the maximum value of the connection point voltage Vct during turn-on operation is greater than the reference voltage Vref. Therefore, the abnormality detection circuit 70 detects an abnormality in the active clamp circuit 60.

図9は、第2抵抗値R2が異常値を示すときの第1容量値C1、第2容量値C2、第1抵抗値R1、及び第2抵抗値R2を示した図である。第1容量値C1及び第2容量値C2は、いずれも100pFである。第1抵抗値R1は、1MΩである。第2抵抗値R2は、800kΩであり、正常値である1MΩから20%低下している。 Figure 9 shows the first capacitance value C1, second capacitance value C2, first resistance value R1, and second resistance value R2 when the second resistance value R2 indicates an abnormal value. The first capacitance value C1 and second capacitance value C2 are both 100 pF. The first resistance value R1 is 1 MΩ. The second resistance value R2 is 800 kΩ, which is 20% lower than the normal value of 1 MΩ.

図10は、第2抵抗値R2が異常値を示すときのアクティブクランプ回路60の動作を説明するためのタイムチャートである。第2抵抗値R2が800kΩであるとき、ターンオフ動作時において、コレクタ電圧Vceは、正常にクランプされなくなり、コレクタ電圧Vceにオフサージ電圧が発生する。 Figure 10 is a timing chart illustrating the operation of the active clamp circuit 60 when the second resistance value R2 indicates an abnormal value. When the second resistance value R2 is 800 kΩ, the collector voltage Vce is no longer clamped properly during the turn-off operation, and an off-surge voltage occurs in the collector voltage Vce.

このように、第2抵抗値R2が低下した場合、(コレクタ電圧Vceのうち、)第1フィードバックコンデンサ61aの両端に印加される電圧と、第2フィードバックコンデンサ61bの両端に印加される電圧とのバランスが崩れることにより、フィードバック電流Ifbが小さくなる。これにより、オフサージ電圧のクランプ量も小さくなる。そのため、バランス抵抗の抵抗値R1とR2との抵抗比により決定される接続点電圧Vctの最大値は、ターンオン動作時において基準電圧Vrefを超過し、4.1Vとなる。 In this way, when the second resistance value R2 decreases, the balance between the voltage applied across the first feedback capacitor 61a and the voltage applied across the second feedback capacitor 61b (of the collector voltage Vce) is disrupted, causing the feedback current Ifb to decrease. This also reduces the amount of off-surge voltage clamping. As a result, the maximum value of the connection point voltage Vct, determined by the resistance ratio of the balancing resistors R1 and R2, exceeds the reference voltage Vref during turn-on operation and becomes 4.1 V.

このように、第2バランス抵抗62bが劣化した場合も、第2フィードバックコンデンサ61bが劣化した場合と同様に、アクティブクランプ回路60が正常に動作しなくなる。また、ターンオン動作時における接続点電圧Vctは、第1バランス抵抗62a及び第2バランス抵抗62bの少なくともいずれか1つの抵抗値の変化に応じて変化する。 As such, if the second balancing resistor 62b deteriorates, the active clamp circuit 60 will no longer operate normally, just as it would if the second feedback capacitor 61b deteriorated. Furthermore, the connection point voltage Vct during turn-on operation changes in response to changes in the resistance value of at least one of the first balancing resistor 62a and the second balancing resistor 62b.

異常検出回路70は、ターンオン動作時における接続点電圧Vctの最大値と、基準電圧Vrefとを比較する。この場合、ターンオン動作時における接続点電圧Vctの最大値は、基準電圧Vrefよりも大きい。従って、異常検出回路70は、アクティブクランプ回路60の異常を検出する。 The abnormality detection circuit 70 compares the maximum value of the connection point voltage Vct during turn-on operation with the reference voltage Vref. In this case, the maximum value of the connection point voltage Vct during turn-on operation is greater than the reference voltage Vref. Therefore, the abnormality detection circuit 70 detects an abnormality in the active clamp circuit 60.

このように、実施の形態1に係る電力変換装置は、第2インバータ40を備えている。第2インバータ40は、直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧を電動モータ13に出力する。第2インバータ40は、半導体スイッチング素子42a、バッファ回路50、アクティブクランプ回路60、異常検出回路70、及び基準電圧生成回路80を有している。 As such, the power conversion device according to embodiment 1 includes a second inverter 40. The second inverter 40 converts DC voltage into AC voltage and outputs the converted AC voltage to the electric motor 13. The second inverter 40 includes a semiconductor switching element 42a, a buffer circuit 50, an active clamp circuit 60, an abnormality detection circuit 70, and a reference voltage generation circuit 80.

半導体スイッチング素子42aは、ゲート端子G、コレクタ端子C、及びエミッタ端子Eを有しており、ゲート端子Gへ入力されるゲート指令パルス電圧に基づいて、コレクタ電流Icを制御する。コレクタ電流Icは、コレクタ端子Cからエミッタ端子Eに流れる電流である。 The semiconductor switching element 42a has a gate terminal G, a collector terminal C, and an emitter terminal E, and controls the collector current Ic based on the gate command pulse voltage input to the gate terminal G. The collector current Ic is a current that flows from the collector terminal C to the emitter terminal E.

バッファ回路50は、パルス駆動回路90からゲート端子Gへ制御信号を供給するための回路である。 The buffer circuit 50 is a circuit that supplies a control signal from the pulse drive circuit 90 to the gate terminal G.

アクティブクランプ回路60は、コレクタ端子Cとバッファ回路50との間に設けられており、半導体スイッチング素子42aのターンオフ動作時において、オフサージ電圧を抑制する。オフサージ電圧は、コレクタ端子Cとエミッタ端子Eとの間に発生する電圧である。異常検出回路70は、アクティブクランプ回路60の異常を検出する。基準電圧生成回路80は、第2インバータ40の母線電圧Vpnを分圧することにより、基準電圧Vrefを生成する。 The active clamp circuit 60 is provided between the collector terminal C and the buffer circuit 50 and suppresses off-surge voltage when the semiconductor switching element 42a is turned off. The off-surge voltage is the voltage generated between the collector terminal C and the emitter terminal E. The abnormality detection circuit 70 detects abnormalities in the active clamp circuit 60. The reference voltage generation circuit 80 generates a reference voltage Vref by dividing the bus voltage Vpn of the second inverter 40.

アクティブクランプ回路60は、第1フィードバックコンデンサ61a、第2フィードバックコンデンサ61b、逆流防止ダイオード63、第1フィードバック抵抗64a、及び第2フィードバック抵抗64bを有している。第1フィードバックコンデンサ61a、第2フィードバックコンデンサ61b、逆流防止ダイオード63、第1フィードバック抵抗64a、及び第2フィードバック抵抗64bは、直列に接続されている。逆流防止ダイオード63は、コレクタ端子Cからバッファ回路50に向かって電流が流れる向きに配置されている。第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bは、アクティブクランプ回路60を流れるフィードバック電流Ifbを電圧に変換してバッファ回路50に与える。 The active clamp circuit 60 has a first feedback capacitor 61a, a second feedback capacitor 61b, a backflow prevention diode 63, a first feedback resistor 64a, and a second feedback resistor 64b. The first feedback capacitor 61a, the second feedback capacitor 61b, the backflow prevention diode 63, the first feedback resistor 64a, and the second feedback resistor 64b are connected in series. The backflow prevention diode 63 is positioned so that current flows from the collector terminal C toward the buffer circuit 50. The first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b convert the feedback current Ifb flowing through the active clamp circuit 60 into a voltage and provide it to the buffer circuit 50.

異常検出回路70は、接続点電圧Vctと、基準電圧Vrefとを比較することによりアクティブクランプ回路60の異常を検出する。接続点電圧Vctは、第2フィードバックコンデンサ61bと逆流防止ダイオード63との接続点における電圧である。 The abnormality detection circuit 70 detects an abnormality in the active clamp circuit 60 by comparing the connection point voltage Vct with a reference voltage Vref. The connection point voltage Vct is the voltage at the connection point between the second feedback capacitor 61b and the backflow prevention diode 63.

コンデンサの劣化による異常は、コンデンサの容量低下として現れることが多い。第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの少なくともいずれか一方の容量が低下した場合、容量の低下の度合いに応じて、接続点電圧Vctが変化する。従って、接続点電圧Vctの変化を検出することにより、第1フィードバックコンデンサ61aの異常及び第2フィードバックコンデンサ61bの異常の少なくともいずれか一方、即ち、アクティブクランプ回路60の異常を検出することができる。従って、本実施の形態に係る電力変換装置10によれば、アクティブクランプ回路60内の第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの少なくともいずれか一方の異常を適切に検出することができる。 Abnormalities due to capacitor degradation often manifest as a decrease in the capacitor's capacitance. When the capacitance of at least one of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b decreases, the connection point voltage Vct changes depending on the degree of capacitance decrease. Therefore, by detecting changes in the connection point voltage Vct, it is possible to detect an abnormality in at least one of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b, i.e., an abnormality in the active clamp circuit 60. Therefore, the power conversion device 10 according to this embodiment can appropriately detect an abnormality in at least one of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b in the active clamp circuit 60.

従って、オフサージ電圧抑制効果が損なわれ、スイッチングオフ損失が増加することにより、半導体スイッチング素子42aが破壊されることを防止することができる。その結果、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。 This prevents the semiconductor switching element 42a from being destroyed due to a loss of off-surge voltage suppression effect and an increase in switching-off loss. As a result, the reliability of the power conversion device can be improved.

また、接続点電圧Vctは、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの合成容量と、半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時における逆流防止ダイオード63の接合容量との比に基づいて決定される。 In addition, the connection point voltage Vct is determined based on the ratio of the combined capacitance of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b to the junction capacitance of the backflow prevention diode 63 when the semiconductor switching element 42a is turned on.

これによれば、半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時において、第1容量値C1及び第2容量値C2の少なくともいずれか一方の変化が、接続点電圧Vctの変化として検出される。従って、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの異常をより適切に検出することができる。つまり、これによれば、アクティブクランプ回路60を構成する部品の特性の変化による異常の兆候を接続点電圧Vctの変化に応じて検出することができる。 As a result, when the semiconductor switching element 42a is turned on, a change in at least one of the first capacitance value C1 and the second capacitance value C2 is detected as a change in the connection point voltage Vct. Therefore, abnormalities in the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b can be more appropriately detected. In other words, this makes it possible to detect signs of abnormalities due to changes in the characteristics of the components that make up the active clamp circuit 60 in response to changes in the connection point voltage Vct.

また、異常検出回路70による接続点電圧Vctの検出タイミングは、ターンオン動作時において、ゲート充電期間中のタイミングであり、具体的には、半導体スイッチング素子42aがオンして、コレクタ電流Icが流れ始めてからコレクタ電圧Vceが低下し始めるゲート閾値電圧Vthまでのタイミングである。 Furthermore, the timing at which the abnormality detection circuit 70 detects the connection point voltage Vct is during the gate charging period during turn-on operation, specifically, the timing from when the semiconductor switching element 42a turns on and the collector current Ic begins to flow until the collector voltage Vce begins to decrease to the gate threshold voltage Vth.

ゲート充電期間中の接続点電圧Vctは、ゲート電圧Vgeがゲート閾値電圧Vthを超えるまで、ゲート電圧Vgeの増加とともに増加する。ゲート充電期間中の接続点電圧Vctの増加の程度は、第1容量値C1が低下するほど大きくなる。同様に、ゲート充電期間中の接続点電圧Vctの増加の程度は、第2容量値C2が低下するほど大きくなる。従って、ゲート充電期間中のタイミングにおいて、接続点電圧Vctを検出することにより、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの異常をより適切に検出することができる。 During the gate charging period, the connection point voltage Vct increases as the gate voltage Vge increases until the gate voltage Vge exceeds the gate threshold voltage Vth. The degree of increase in the connection point voltage Vct during the gate charging period increases as the first capacitance value C1 decreases. Similarly, the degree of increase in the connection point voltage Vct during the gate charging period increases as the second capacitance value C2 decreases. Therefore, by detecting the connection point voltage Vct at a timing during the gate charging period, abnormalities in the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b can be more appropriately detected.

また、ゲート充電期間中において、ゲート充電期間の開始時点である時刻t3からゲート電圧Vgeがゲート閾値電圧Vthに達する第1時点である時刻t4までの期間を検出タイミングの有効期間とし、第1時点よりも後のミラー期間を検出タイミングの無効期間とする。ミラー期間は、ゲート端子Gの電圧が一定となる期間である。 Furthermore, during the gate charging period, the period from time t3, which is the start of the gate charging period, to time t4, which is the first time point at which the gate voltage Vge reaches the gate threshold voltage Vth, is considered to be the valid period of detection timing, and the mirror period after the first time point is considered to be the invalid period of detection timing. The mirror period is the period during which the voltage at the gate terminal G is constant.

時刻t3からゲート電圧Vgeがゲート閾値電圧Vthに達するまでの時刻t4までの期間は、接続点電圧Vctが増加している期間である。この期間における接続点電圧Vctは、第1容量値C1又は第2容量値C2の変化を反映している。また、ミラー期間においては、コレクタ電圧Vceの変動が比較的大きいため、接続点電圧Vctが不安定となり易い。従って、これによれば、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bの異常を精度よく検出することができる。 The connection point voltage Vct increases from time t3 to time t4, when the gate voltage Vge reaches the gate threshold voltage Vth. During this period, the connection point voltage Vct reflects changes in the first capacitance value C1 or the second capacitance value C2. Furthermore, during the mirror period, fluctuations in the collector voltage Vce are relatively large, making the connection point voltage Vct prone to instability. Therefore, this allows for accurate detection of abnormalities in the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b.

また、アクティブクランプ回路60は、放電回路を更に有している。放電回路は、逆阻止ダイオード66及び放電抵抗67により構成されている。逆阻止ダイオード66及び放電抵抗67は、接続点CTと接地端子との間において直列に接続されている。逆阻止ダイオード66は、コレクタ端子Cから接地端子に向かって流れる電流を阻止する向きに配置されている。 The active clamp circuit 60 also includes a discharge circuit. The discharge circuit is composed of a reverse-blocking diode 66 and a discharge resistor 67. The reverse-blocking diode 66 and the discharge resistor 67 are connected in series between the connection point CT and the ground terminal. The reverse-blocking diode 66 is oriented so as to block current flowing from the collector terminal C toward the ground terminal.

このように、逆阻止ダイオード66と放電抵抗67とを直列に接続することにより、放電抵抗67として、より耐圧の低い抵抗を用いることができる。 In this way, by connecting the reverse blocking diode 66 and the discharge resistor 67 in series, a resistor with a lower voltage resistance can be used as the discharge resistor 67.

また、アクティブクランプ回路60は、クランプコンデンサ65を更に有している。クランプコンデンサ65は、第1フィードバック抵抗64aの一端と接地端子との間に接続されているコンデンサである。第1フィードバック抵抗64aの一端は、逆流防止ダイオード63と接続している。 The active clamp circuit 60 also includes a clamp capacitor 65. The clamp capacitor 65 is connected between one end of the first feedback resistor 64a and the ground terminal. One end of the first feedback resistor 64a is connected to the backflow prevention diode 63.

これによれば、ターンオフ動作時におけるアクティブクランプ回路60のフィードバック応答性を損ねることなく、アクティブクランプ回路60によってコレクタ電圧Vceをクランプするタイミングを遅らせることができる。その結果、ゲートオンのタイミングに合わせて、コレクタ電圧Vceをクランプさせることができるため、スイッチングオフ損失を低減することができる。 This allows the timing at which the active clamp circuit 60 clamps the collector voltage Vce to be delayed without impairing the feedback responsiveness of the active clamp circuit 60 during turn-off operation. As a result, the collector voltage Vce can be clamped in accordance with the gate-on timing, thereby reducing switching-off losses.

また、異常検出回路70が基準電圧Vrefを上回る電圧を検出した場合、第2インバータ40内の半導体スイッチング素子41a~46aの動作を停止させる制御部を更に備えている。 The system also includes a control unit that stops the operation of the semiconductor switching elements 41a to 46a in the second inverter 40 when the abnormality detection circuit 70 detects a voltage that exceeds the reference voltage Vref.

これによれば、第2インバータ40内のすべての半導体スイッチング素子を保護することができる。 This allows all semiconductor switching elements in the second inverter 40 to be protected.

また、アクティブクランプ回路60は、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bを有している。アクティブクランプ回路60は、第1バランス抵抗62a及び第2バランス抵抗62bを更に有している。第1バランス抵抗62aは、第1フィードバックコンデンサ61aと並列に接続されている。第2バランス抵抗62bは、第2フィードバックコンデンサ61bを並列に接続されている。接続点電圧Vctは、第1バランス抵抗62aの抵抗値の変化又は第2バランス抵抗62bの抵抗値の変化に応じて変化する。 The active clamp circuit 60 also has a first feedback capacitor 61a and a second feedback capacitor 61b. The active clamp circuit 60 further has a first balancing resistor 62a and a second balancing resistor 62b. The first balancing resistor 62a is connected in parallel with the first feedback capacitor 61a. The second balancing resistor 62b is connected in parallel with the second feedback capacitor 61b. The connection point voltage Vct changes in response to changes in the resistance value of the first balancing resistor 62a or the resistance value of the second balancing resistor 62b.

これによれば、第1抵抗値R1及び第2抵抗値R2の少なくともいずれか一方が変化した場合であっても、アクティブクランプ回路60の異常として検出され得る。つまり、これによれば、アクティブクランプ回路60を構成する部品の特性の変化による異常の兆候を接続点電圧Vctの変化に応じて検出することができる。 As a result, even if at least one of the first resistance value R1 and the second resistance value R2 changes, this can be detected as an abnormality in the active clamp circuit 60. In other words, this makes it possible to detect signs of an abnormality due to a change in the characteristics of the components that make up the active clamp circuit 60 based on changes in the connection point voltage Vct.

なお、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bと、逆流防止ダイオード63と、第1フィードバック抵抗64a及び第2フィードバック抵抗64bとの順は、実施の形態1の例に限定されない。 Note that the order of the first feedback capacitor 61a, the second feedback capacitor 61b, the backflow prevention diode 63, and the first feedback resistor 64a and the second feedback resistor 64b is not limited to that shown in embodiment 1.

また、逆阻止ダイオード66は、必ずしも、逆流防止ダイオード63と同等の特性を有していなくてもよい。 Furthermore, the reverse blocking diode 66 does not necessarily have to have the same characteristics as the reverse current prevention diode 63.

また、クランプコンデンサ65は、必ずしも必要ではない。 Also, the clamp capacitor 65 is not necessarily required.

また、逆阻止ダイオード66は必ずしも必要ではない。 Also, the reverse blocking diode 66 is not necessarily required.

また、実施の形態1において、オフサージ電圧を含むコレクタ電圧Vceは、母線電圧Vpnにクランプされていたが、クランプされる電圧は、システム上の最大遮断電圧以下であればよい。最大遮断電圧とは、過電圧保護又は過電流保護時において、ハード遮断を行った場合の遮断電圧のことである。 In addition, in embodiment 1, the collector voltage Vce, including the off-surge voltage, was clamped to the bus voltage Vpn, but the clamped voltage need only be equal to or less than the maximum cut-off voltage of the system. The maximum cut-off voltage is the cut-off voltage when hard cut-off is performed during overvoltage protection or overcurrent protection.

また、実施の形態1においては、フィードバックコンデンサとして用いられるコンデンサの耐圧が考慮された結果、第1フィードバックコンデンサ61aと第2フィードバックコンデンサ61bとが直列に接続された構成となっている。コンデンサの耐圧が許容されるのであれば、フィードバックコンデンサは1つでも構わない。また、フィードバックコンデンサが1つである場合には、バランス抵抗は不要である。 In addition, in embodiment 1, the voltage resistance of the capacitors used as feedback capacitors was taken into consideration, and as a result, the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b are connected in series. If the voltage resistance of the capacitors is acceptable, a single feedback capacitor is sufficient. Furthermore, if there is only one feedback capacitor, a balancing resistor is not required.

また、アクティブクランプ回路60は、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bに代えて、高耐圧のアバランシェダイオードを有していてもよい。この場合、接続点電圧Vctは、アバランシェダイオードの接合容量と半導体スイッチング素子42aのターンオン動作時における逆流防止ダイオード63の接合容量との比に基づいて決定される。 The active clamp circuit 60 may also include a high-voltage avalanche diode instead of the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b. In this case, the connection point voltage Vct is determined based on the ratio of the junction capacitance of the avalanche diode to the junction capacitance of the backflow prevention diode 63 when the semiconductor switching element 42a is turned on.

一般的に、アバランシェダイオードは、実施の形態1において、第1フィードバックコンデンサ61a及び第2フィードバックコンデンサ61bとして用いられているコンデンサとくらべて耐圧が高い。従って、第1フィードバックコンデンサ61a、第2フィードバックコンデンサ61b、第1バランス抵抗62a、及び第2バランス抵抗62bを1つのアバランシェダイオードに置き換えることができる。これにより、アクティブクランプ回路60の構成部品を削減することができる。 In general, avalanche diodes have a higher withstand voltage than the capacitors used as the first feedback capacitor 61a and the second feedback capacitor 61b in embodiment 1. Therefore, the first feedback capacitor 61a, the second feedback capacitor 61b, the first balancing resistor 62a, and the second balancing resistor 62b can be replaced with a single avalanche diode. This allows for a reduction in the number of components in the active clamp circuit 60.

また、アクティブクランプ回路60の一端は、バッファ回路50の入力側に接続されていたが、バッファ回路50の出力側に接続されてもよい。具体的に述べると、アクティブクランプ回路60の一端は、第1トランジスタ51とゲートオン抵抗53との間に接続されてもよい。 Furthermore, one end of the active clamp circuit 60 was connected to the input side of the buffer circuit 50, but it may also be connected to the output side of the buffer circuit 50. Specifically, one end of the active clamp circuit 60 may be connected between the first transistor 51 and the gate-on resistor 53.

また、基準電圧Vrefを生成するための第2インバータ40内の電圧として、ターンオン動作時において、コレクタ電圧Vceが低下し始める時刻、即ち、時刻t4におけるコレクタ電圧Vceが用いられてもよい。時刻t4におけるコレクタ電圧Vceは、他の期間と比べて安定している。 Furthermore, the collector voltage Vce at time t4, when the collector voltage Vce begins to decrease during the turn-on operation, may be used as the voltage within the second inverter 40 for generating the reference voltage Vref. The collector voltage Vce at time t4 is stable compared to other periods.

また、アクティブクランプ回路60が異常であると判定された場合、ECUは、電動モータ13の動作をパワーセーブ動作へ移行させることにより、半導体スイッチング素子41a~46aが破壊することを防止してもよい。パワーセーブ動作とは、電動モータ13の駆動電流を制限することにより、電動モータ13のトルク及び回転数を制限する動作である。 Furthermore, if it is determined that the active clamp circuit 60 is abnormal, the ECU may prevent damage to the semiconductor switching elements 41a-46a by switching the operation of the electric motor 13 to power saving mode. Power saving mode is an operation that limits the torque and rotation speed of the electric motor 13 by limiting the drive current of the electric motor 13.

つまり、異常検出回路70が基準電圧Vrefを上回る電圧を検出した場合、ECUは、電動モータ13のトルク及び回転数を制限してもよい。これによれば、第2インバータ40内のすべての半導体スイッチング素子41a~46aを保護することができる。 In other words, if the abnormality detection circuit 70 detects a voltage exceeding the reference voltage Vref, the ECU may limit the torque and rotation speed of the electric motor 13. This protects all of the semiconductor switching elements 41a to 46a in the second inverter 40.

また、第2インバータ40の半導体スイッチング素子42a以外の半導体スイッチング素子41a、及び43a~46aに設けられているアクティブクランプ回路も同様に説明される。さらに、第1インバータ30の各半導体スイッチング素子31a~36aに設けられているアクティブクランプ回路も同様に説明される。 The active clamp circuits provided in the semiconductor switching elements 41a and 43a to 46a other than the semiconductor switching element 42a of the second inverter 40 are also described in the same manner. The active clamp circuits provided in the semiconductor switching elements 31a to 36a of the first inverter 30 are also described in the same manner.

また、実施の形態1では、半導体スイッチング素子31a~36a及び41a~46aとして、Si-IGBTが用いられていたが、これらの半導体スイッチング素子は、Si半導体に限定されることはなく、ワイドバンドギャップ半導体が用いられてもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、Si半導体とくらべて、高耐圧であり、放熱性に優れ、且つ高速スイッチング動作が可能である。 In addition, in embodiment 1, Si-IGBTs were used as the semiconductor switching elements 31a to 36a and 41a to 46a, but these semiconductor switching elements are not limited to Si semiconductors and may also be wide bandgap semiconductors. Wide bandgap semiconductors have higher breakdown voltages, superior heat dissipation properties, and are capable of high-speed switching operations compared to Si semiconductors.

ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、SiC(Silicon Carbide)系材料、GaN(Gallium Nitride)系材料、及びダイヤモンド系材料が用いられる。ダイヤモンド系材料は、ワイドバンドギャップ半導体の中でも、絶縁耐圧及び熱伝導率が最も高い材料である。 Examples of wide bandgap semiconductors that can be used include SiC (Silicon Carbide)-based materials, GaN (Gallium Nitride)-based materials, and diamond-based materials. Diamond-based materials have the highest dielectric strength and thermal conductivity of all wide bandgap semiconductors.

SiC-MOSFET(Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)は、Si-IGBTとくらべて、高速スイッチング動作が可能である。そのため、SiC-MOSFETを用いたインバータにアクティブクランプ回路60が適用された場合、ターンオフ動作時におけるオフサージ電圧とスイッチング損失とのトレードオフの関係が、より適切に設計され得る。 SiC-MOSFETs (Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) are capable of faster switching operations than Si-IGBTs. Therefore, when an active clamp circuit 60 is applied to an inverter using SiC-MOSFETs, the trade-off relationship between off-surge voltage and switching loss during turn-off operation can be more appropriately designed.

このように、半導体スイッチング素子42aは、次世代ワイドバンドギャップ半導体により構成されてもよい。これによれば、より高速なスイッチング動作が可能となるため、ターンオフ動作時に発生するオフサージ電圧とスイッチングオフ損失とをより適切に配分することができる。 In this way, the semiconductor switching element 42a may be constructed from a next-generation wide bandgap semiconductor. This enables faster switching operations, allowing for a more appropriate distribution of the off-surge voltage generated during turn-off operations and switching-off losses.

また、実施の形態1において、図1の電力変換装置10は、あくまで例示であり、アクティブクランプ回路は、電力変換装置10の半導体スイッチング素子31a~36a及び41a~46aへの適用に限定されない。 Furthermore, in embodiment 1, the power conversion device 10 in FIG. 1 is merely an example, and the active clamp circuit is not limited to application to the semiconductor switching elements 31a to 36a and 41a to 46a of the power conversion device 10.

また、本開示は、様々な例示的な実施の形態、及び実施例が記載されているが、1つ又は複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は、特定の実施の形態への適用に限られるのではなく、単独で、又は様々な変形例及び組合せにより実施の形態へ適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例及び組合せが、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合、又は省略する場合、更には、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 Furthermore, while the present disclosure describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various modifications and combinations. Therefore, countless modifications and combinations not illustrated are contemplated within the scope of the technology disclosed in this specification. For example, this includes cases in which at least one component is modified, added, or omitted, and even cases in which at least one component is extracted and combined with components of another embodiment.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 The above describes preferred embodiments, etc., but the present invention is not limited to the above-described embodiments, etc., and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments, etc., without departing from the scope of the claims.

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 The various aspects of this disclosure are summarized below as appendices.

(付記1)
直流電圧を交流電圧に変換し、変換された前記交流電圧を負荷に出力するインバータを備え、
前記インバータは、
制御端子、高電位側端子、及び低電位側端子を有しており、前記制御端子へ入力される制御信号に基づいて、前記高電位側端子から前記低電位側端子に流れる電流を制御する半導体スイッチング素子、
パルス駆動回路から前記制御端子へ前記制御信号を供給するためのバッファ回路、
前記高電位側端子と前記バッファ回路との間に設けられており、前記半導体スイッチング素子のターンオフ動作時において、前記高電位側端子と前記低電位側端子との間に発生するオフサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路、
前記サージ電圧抑制回路の異常を検出する異常検出回路、及び
前記インバータ内の電圧を分圧することにより、基準電圧を生成する基準電圧生成回路
を有しており、
前記サージ電圧抑制回路は、フィードバックコンデンサ、逆流防止ダイオード、及びフィードバック抵抗を有しており、
前記フィードバックコンデンサ、前記逆流防止ダイオード、及び前記フィードバック抵抗は直列に接続されており、
前記逆流防止ダイオードは、前記高電位側端子から前記バッファ回路に向かって電流が流れる向きに配置されており、
前記フィードバック抵抗は、前記サージ電圧抑制回路を流れるフィードバック電流を電圧に変換して前記バッファ回路に与え、
前記異常検出回路は、前記フィードバックコンデンサと前記逆流防止ダイオードとの接続点における電圧である接続点電圧と、前記基準電圧とを比較することにより前記異常を検出する
電力変換装置。
(付記2)
前記接続点電圧は、前記フィードバックコンデンサの容量と、前記半導体スイッチング素子のターンオン動作時における前記逆流防止ダイオードの接合容量との比に基づいて決定される
付記1に記載の電力変換装置。
(付記3)
前記異常検出回路による前記接続点電圧の検出タイミングは、前記ターンオン動作時において、前記制御端子の寄生容量を充電する期間であるゲート充電期間中のタイミングである
付記2に記載の電力変換装置。
(付記4)
前記ゲート充電期間中において、前記ゲート充電期間の開始時点から前記制御端子の電圧がゲート閾値電圧に達する第1時点までの期間を前記検出タイミングの有効期間とし、前記第1時点よりも後のミラー期間を前記検出タイミングの無効期間とし、
前記ミラー期間は、前記制御端子の電圧が一定となる期間である
付記3に記載の電力変換装置。
(付記5)
前記サージ電圧抑制回路は、放電回路を更に有しており、
前記放電回路は、逆阻止ダイオード及び放電抵抗により構成されており、
前記逆阻止ダイオード及び前記放電抵抗は、前記接続点と接地端子との間において直列に接続されており、
前記逆阻止ダイオードは、前記高電位側端子から前記接地端子に向かって流れる電流を阻止する向きに配置されている
付記1から付記4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記6)
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバック抵抗の一端と接地端子との間に接続されているコンデンサであるクランプコンデンサを更に有している
付記1から付記5までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記7)
前記半導体スイッチング素子は、次世代ワイドバンドギャップ半導体により構成されている
付記1から付記6までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記8)
前記異常検出回路が前記基準電圧を上回る電圧を検出した場合、前記インバータ内の前記半導体スイッチング素子の動作を停止させる制御部を更に備えている
付記1から付記7までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記9)
前記異常検出回路が前記基準電圧を上回る電圧を検出した場合、前記インバータの負荷としてのモータのトルク及び回転数を制限する制御部を更に備えている
付記1から付記8までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記10)
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバックコンデンサとして、複数のコンデンサを有しており、前記複数のコンデンサとそれぞれ並列に接続されている複数のバランス抵抗を更に有しており、
前記接続点電圧は、前記複数のバランス抵抗の抵抗値の変化に応じて変化する
付記2から付記9までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
(付記11)
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバックコンデンサに代えて、高耐圧のアバランシェダイオードを有しており、
前記接続点電圧は、前記アバランシェダイオードの接合容量と前記半導体スイッチング素子のターンオン動作時における前記逆流防止ダイオードの接合容量との比に基づいて決定される
付記1に記載の電力変換装置。
(Appendix 1)
an inverter that converts a DC voltage into an AC voltage and outputs the converted AC voltage to a load;
The inverter is
a semiconductor switching element having a control terminal, a high potential side terminal, and a low potential side terminal, and controlling a current flowing from the high potential side terminal to the low potential side terminal based on a control signal input to the control terminal;
a buffer circuit for supplying the control signal from the pulse driver circuit to the control terminal;
a surge voltage suppression circuit provided between the high potential side terminal and the buffer circuit, for suppressing an off-surge voltage generated between the high potential side terminal and the low potential side terminal during a turn-off operation of the semiconductor switching element;
an abnormality detection circuit that detects an abnormality in the surge voltage suppression circuit; and a reference voltage generation circuit that generates a reference voltage by dividing the voltage in the inverter,
the surge voltage suppression circuit includes a feedback capacitor, a backflow prevention diode, and a feedback resistor;
the feedback capacitor, the backflow prevention diode, and the feedback resistor are connected in series;
the backflow prevention diode is disposed in a direction in which a current flows from the high potential side terminal toward the buffer circuit,
the feedback resistor converts a feedback current flowing through the surge voltage suppression circuit into a voltage and supplies the voltage to the buffer circuit;
The abnormality detection circuit detects the abnormality by comparing a connection point voltage, which is a voltage at a connection point between the feedback capacitor and the backflow prevention diode, with the reference voltage.
(Appendix 2)
The power conversion device according to claim 1, wherein the connection point voltage is determined based on a ratio between a capacitance of the feedback capacitor and a junction capacitance of the blocking diode during a turn-on operation of the semiconductor switching element.
(Appendix 3)
The power conversion device according to claim 2, wherein the timing at which the abnormality detection circuit detects the connection point voltage is during a gate charging period during which a parasitic capacitance of the control terminal is charged during the turn-on operation.
(Appendix 4)
During the gate charging period, a period from a start point of the gate charging period to a first point in time at which the voltage of the control terminal reaches a gate threshold voltage is defined as a valid period of the detection timing, and a mirror period after the first point in time is defined as an invalid period of the detection timing,
The power conversion device according to claim 3, wherein the mirror period is a period during which the voltage of the control terminal is constant.
(Appendix 5)
the surge voltage suppression circuit further includes a discharge circuit;
the discharge circuit is composed of a reverse blocking diode and a discharge resistor,
the reverse blocking diode and the discharge resistor are connected in series between the connection point and a ground terminal,
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 4, wherein the reverse blocking diode is disposed in a direction to block current flowing from the high potential side terminal toward the ground terminal.
(Appendix 6)
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 5, wherein the surge voltage suppression circuit further includes a clamp capacitor that is a capacitor connected between one end of the feedback resistor and a ground terminal.
(Appendix 7)
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 6, wherein the semiconductor switching element is configured by a next-generation wide bandgap semiconductor.
(Appendix 8)
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 7, further comprising: a control unit that stops operation of the semiconductor switching elements in the inverter when the abnormality detection circuit detects a voltage exceeding the reference voltage.
(Appendix 9)
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 1 to Supplementary Note 8, further comprising a control unit that limits a torque and a rotation speed of a motor serving as a load of the inverter when the abnormality detection circuit detects a voltage exceeding the reference voltage.
(Appendix 10)
the surge voltage suppression circuit includes a plurality of capacitors as the feedback capacitor, and further includes a plurality of balancing resistors connected in parallel with the plurality of capacitors, respectively;
The power conversion device according to any one of Supplementary Note 2 to Supplementary Note 9, wherein the connection point voltage changes in accordance with a change in resistance value of the plurality of balancing resistors.
(Appendix 11)
the surge voltage suppression circuit has a high-voltage avalanche diode instead of the feedback capacitor,
The power conversion device according to claim 1, wherein the connection point voltage is determined based on a ratio of a junction capacitance of the avalanche diode to a junction capacitance of the blocking diode during a turn-on operation of the semiconductor switching element.

40 第2インバータ(インバータ)、42a 半導体スイッチング素子、50 バッファ回路、60 アクティブクランプ回路(サージ電圧抑制回路)、61a 第1フィードバックコンデンサ(フィードバックコンデンサ)、61b 第2フィードバックコンデンサ(フィードバックコンデンサ)、62a 第1バランス抵抗(バランス抵抗)、62b 第2バランス抵抗(バランス抵抗)、63 逆流防止ダイオード、64a 第1フィードバック抵抗(フィードバック抵抗)、64b 第2フィードバック抵抗(フィードバック抵抗)、65 クランプコンデンサ、66 逆阻止ダイオード、67 放電抵抗、70 異常検出回路、80 基準電圧生成回路、90 パルス駆動回路、C コレクタ端子(高電位側端子)、E エミッタ端子(低電位側端子)、G ゲート端子(制御端子)、Ifb フィードバック電流、Vct 接続点電圧、Vpn 母線電圧、Vref 基準電圧、Vth ゲート閾値電圧。 40 second inverter (inverter), 42a semiconductor switching element, 50 buffer circuit, 60 active clamp circuit (surge voltage suppression circuit), 61a first feedback capacitor (feedback capacitor), 61b second feedback capacitor (feedback capacitor), 62a first balancing resistor (balancing resistor), 62b second balancing resistor (balancing resistor), 63 reverse current prevention diode, 64a first feedback resistor (feedback resistor), 64b second feedback resistor (feedback resistor), 65 clamp capacitor, 66 reverse blocking diode, 67 discharge resistor, 70 abnormality detection circuit, 80 reference voltage generation circuit, 90 pulse drive circuit, C collector terminal (high potential side terminal), E emitter terminal (low potential side terminal), G gate terminal (control terminal), Ifb feedback current, Vct connection point voltage, Vpn bus voltage, Vref reference voltage, Vth gate threshold voltage.

Claims (11)

直流電圧を交流電圧に変換し、変換された前記交流電圧を負荷に出力するインバータを備え、
前記インバータは、
制御端子、高電位側端子、及び低電位側端子を有しており、前記制御端子へ入力される制御信号に基づいて、前記高電位側端子から前記低電位側端子に流れる電流を制御する半導体スイッチング素子、
パルス駆動回路から前記制御端子へ前記制御信号を供給するためのバッファ回路、
前記高電位側端子と前記バッファ回路との間に設けられており、前記半導体スイッチング素子のターンオフ動作時において、前記高電位側端子と前記低電位側端子との間に発生するオフサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制回路、
前記サージ電圧抑制回路の異常を検出する異常検出回路、及び
前記インバータ内の電圧を分圧することにより、基準電圧を生成する基準電圧生成回路
を有しており、
前記サージ電圧抑制回路は、フィードバックコンデンサ、逆流防止ダイオード、及びフィードバック抵抗を有しており、
前記フィードバックコンデンサ、前記逆流防止ダイオード、及び前記フィードバック抵抗は直列に接続されており、
前記逆流防止ダイオードは、前記高電位側端子から前記バッファ回路に向かって電流が流れる向きに配置されており、
前記フィードバック抵抗は、前記サージ電圧抑制回路を流れるフィードバック電流を電圧に変換して前記バッファ回路に与え、
前記異常検出回路は、前記フィードバックコンデンサと前記逆流防止ダイオードとの接続点における電圧である接続点電圧と、前記基準電圧とを比較することにより前記異常を検出する
電力変換装置。
an inverter that converts a DC voltage into an AC voltage and outputs the converted AC voltage to a load;
The inverter is
a semiconductor switching element having a control terminal, a high potential side terminal, and a low potential side terminal, and controlling a current flowing from the high potential side terminal to the low potential side terminal based on a control signal input to the control terminal;
a buffer circuit for supplying the control signal from the pulse driver circuit to the control terminal;
a surge voltage suppression circuit provided between the high potential side terminal and the buffer circuit, for suppressing an off-surge voltage generated between the high potential side terminal and the low potential side terminal during a turn-off operation of the semiconductor switching element;
an abnormality detection circuit that detects an abnormality in the surge voltage suppression circuit; and a reference voltage generation circuit that generates a reference voltage by dividing the voltage in the inverter,
the surge voltage suppression circuit includes a feedback capacitor, a backflow prevention diode, and a feedback resistor;
the feedback capacitor, the backflow prevention diode, and the feedback resistor are connected in series;
the backflow prevention diode is disposed in a direction in which a current flows from the high potential side terminal toward the buffer circuit,
the feedback resistor converts a feedback current flowing through the surge voltage suppression circuit into a voltage and supplies the voltage to the buffer circuit;
The abnormality detection circuit detects the abnormality by comparing a connection point voltage, which is a voltage at a connection point between the feedback capacitor and the backflow prevention diode, with the reference voltage.
前記接続点電圧は、前記フィードバックコンデンサの容量と、前記半導体スイッチング素子のターンオン動作時における前記逆流防止ダイオードの接合容量との比に基づいて決定される
請求項1に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , wherein the connection point voltage is determined based on a ratio between a capacitance of the feedback capacitor and a junction capacitance of the blocking diode during a turn-on operation of the semiconductor switching element.
前記異常検出回路による前記接続点電圧の検出タイミングは、前記ターンオン動作時において、前記制御端子の寄生容量を充電する期間であるゲート充電期間中のタイミングである
請求項2に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 2 , wherein the timing at which the abnormality detection circuit detects the node voltage is during a gate charging period during which a parasitic capacitance of the control terminal is charged during the turn-on operation.
前記ゲート充電期間中において、前記ゲート充電期間の開始時点から前記制御端子の電圧がゲート閾値電圧に達する第1時点までの期間を前記検出タイミングの有効期間とし、前記第1時点よりも後のミラー期間を前記検出タイミングの無効期間とし、
前記ミラー期間は、前記制御端子の電圧が一定となる期間である
請求項3に記載の電力変換装置。
During the gate charging period, a period from a start point of the gate charging period to a first point in time at which the voltage of the control terminal reaches a gate threshold voltage is defined as a valid period of the detection timing, and a mirror period after the first point in time is defined as an invalid period of the detection timing,
The power conversion device according to claim 3 , wherein the mirror period is a period during which the voltage of the control terminal is constant.
前記サージ電圧抑制回路は、放電回路を更に有しており、
前記放電回路は、逆阻止ダイオード及び放電抵抗により構成されており、
前記逆阻止ダイオード及び前記放電抵抗は、前記接続点と接地端子との間において直列に接続されており、
前記逆阻止ダイオードは、前記高電位側端子から前記接地端子に向かって流れる電流を阻止する向きに配置されている
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
the surge voltage suppression circuit further includes a discharge circuit;
the discharge circuit is composed of a reverse blocking diode and a discharge resistor,
the reverse blocking diode and the discharge resistor are connected in series between the connection point and a ground terminal,
The power conversion device according to claim 1 , wherein the reverse blocking diode is disposed in a direction that blocks current flowing from the high potential side terminal toward the ground terminal.
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバック抵抗の一端と接地端子との間に接続されているコンデンサであるクランプコンデンサを更に有している
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , wherein the surge voltage suppression circuit further includes a clamp capacitor connected between one end of the feedback resistor and a ground terminal.
前記半導体スイッチング素子は、次世代ワイドバンドギャップ半導体により構成されている
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , wherein the semiconductor switching elements are made of next-generation wide bandgap semiconductors.
前記異常検出回路が前記基準電圧を上回る電圧を検出した場合、前記インバータ内の前記半導体スイッチング素子の動作を停止させる制御部を更に備えている
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1 , further comprising a control unit that stops operation of the semiconductor switching elements in the inverter when the abnormality detection circuit detects a voltage that exceeds the reference voltage.
前記異常検出回路が前記基準電圧を上回る電圧を検出した場合、前記インバータの負荷としてのモータのトルク及び回転数を制限する制御部を更に備えている
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
5. The power conversion device according to claim 1, further comprising a control unit that limits a torque and a rotation speed of a motor serving as a load of the inverter when the abnormality detection circuit detects a voltage exceeding the reference voltage.
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバックコンデンサとして、複数のコンデンサを有しており、前記複数のコンデンサとそれぞれ並列に接続されている複数のバランス抵抗を更に有しており、
前記接続点電圧は、前記複数のバランス抵抗の抵抗値の変化に応じて変化する
請求項2から請求項4までのいずれか1項に記載の電力変換装置。
the surge voltage suppression circuit includes a plurality of capacitors as the feedback capacitor, and further includes a plurality of balancing resistors connected in parallel with the plurality of capacitors, respectively;
The power conversion device according to claim 2 , wherein the connection point voltage changes in accordance with a change in resistance value of the plurality of balancing resistors.
前記サージ電圧抑制回路は、前記フィードバックコンデンサに代えて、高耐圧のアバランシェダイオードを有しており、
前記接続点電圧は、前記アバランシェダイオードの接合容量と前記半導体スイッチング素子のターンオン動作時における前記逆流防止ダイオードの接合容量との比に基づいて決定される
請求項1に記載の電力変換装置。
the surge voltage suppression circuit has a high-voltage avalanche diode instead of the feedback capacitor,
The power conversion device according to claim 1 , wherein the connection point voltage is determined based on a ratio between a junction capacitance of the avalanche diode and a junction capacitance of the blocking diode during a turn-on operation of the semiconductor switching element.
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