DE102022124840A1

DE102022124840A1 - Antriebsvorrichtung, antriebsverfahren und leistungswandlervorrichtung

Info

Publication number: DE102022124840A1
Application number: DE102022124840.2A
Authority: DE
Inventors: Hiromu Takubo; Ryoga Kiguchi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2023-04-27
Also published as: CN116015029A; US20230130625A1

Abstract

Nach der vorliegenden Offenbarung wird die Verschlechterung von SiC-MOSFETs unterdrückt. Eine Antriebsvorrichtung schaltet zwischen einem ersten SiC-MOSFET und einem zweiten SiC-MOSFET, die in Reihe verbunden sind, um, wobei dazwischen eine Totzeit bereitgestellt ist, während der dem ersten SiC-MOSFET und dem zweiten SiC-MOSFET ein AUS-Zustand befohlen wird. Diese Antriebsvorrichtung weist eine erste Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine erste Mittelspannung einzurichten, die höher als eine erste negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine erste Schwellenspannung für den ersten SiC-MOSFET ist; und eine zweite Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine zweite Mittelspannung einzurichten, die höher als eine zweite negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine zweite Schwellenspannung für den zweiten SiC-MOSFET ist, auf.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Diese Offenbarung betrifft eine Antriebsvorrichtung, ein Antriebsverfahren und eine Leistungswandlervorrichtung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Herkömmlich gibt es eine Leistungswandlerschaltung, bei der zwei in Reihe verbundene Schaltelemente parallel an eine Gleichstromversorgung angeschlossen sind. Wie in dem nachstehenden Patentdokument 1 beschrieben ist, spannt eine solche Leistungswandlervorrichtung bekanntermaßen die beiden Gate-Spannungen der beiden Schaltelemente in die negative Richtung vor, so dass sich die Schaltelemente während eines Totzeitraums nicht zu der gleichen Zeit einschalten.
DOKUMENTE DER VERWANDTEN TECHNIK
PATENTDOKUMENT
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-51049
Ein SiC-MOSFET weist das Problem auf, dass sich seine Eigenschaften verschlechtern, wenn in der Body-Diode ein Strom fließt. Wenn das Antriebsverfahren des Patentdokuments 1 auf das Antreiben eines SiC-MOSFET angewendet wird, könnte während der Totzeit ein Strom in die Body-Diode des SiC-MOSFET fließen und die Verschlechterung des SiC-MOSFET voranschreiten.
Die vorliegende Erfindung stellt daher eine Antriebsvorrichtung und ein Antriebsverfahren, wobei die Verschlechterung eines SiC-MOSFET unterdrückt wird, und eine Leistungswandlervorrichtung, die die Antriebsvorrichtung aufweist, bereit.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Antriebsvorrichtung bereit. Diese Antriebsvorrichtung schaltet zwischen einem ersten SiC-MOSFET (Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und einem zweiten SiC-MOSFET, die in Reihe verbunden sind, um, wobei dazwischen eine Totzeit bereitgestellt ist, während der dem ersten SiC-MOSFET und dem zweiten SiC-MOSFET ein AUS-Zustand befohlen wird. Die Antriebsvorrichtung weist eine erste Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine erste Mittelspannung einzurichten die höher als eine erste negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine erste Schwellenspannung für den ersten SiC-MOSFET ist; und eine zweite Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine zweite Mittelspannung einzurichten, die höher als eine zweite negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine zweite Schwellenspannung für den zweiten SiC-MOSFET ist, auf. Außerdem wird eine Leistungswandlervorrichtung, die die obige Antriebsvorrichtung aufweist, bereitgestellt.
Nach der vorliegenden Offenbarung kann die Verschlechterung eines SiC-MOSFET unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Aufbau einer Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb nach einem Antriebsvorfahren eines Vergleichsbeispiels zeigt;
3 ist ein Diagramm, das beispielhafte Eigenschaften einer Body-Diode eines SiC-MOSFET zeigt;
4 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb nach einem ersten Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das einen ersten beispielhaften Aufbau einer Antriebsvorrichtung, die in eine Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt;
6 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb durch eine Antriebsvorrichtung mit dem Aufbau von 5 zeigt;
7 ist ein Diagramm, das einen zweiten beispielhaften Aufbau der Antriebsvorrichtung, die in die Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt;
8 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Betriebswellenform beim Anhalten des Betriebs zeigt;
9 ist ein Zeitdiagramm, das einen Betrieb nach einem zweiten Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
10 ist ein Diagramm, das einen dritten beispielhaften Aufbau der Antriebsvorrichtung, die in die Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine Ausführungsform beschrieben werden.
1 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Aufbau einer Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform zeigt. Die in 1 gezeigte Leistungswandlervorrichtung 101 kann ein Inverter sein, der Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, oder kann ein Wandler sein, der Gleichstrom in Gleichstrom umwandelt. Beispielsweise ist die Leistungswandlervorrichtung 101 ein Inverter, der eine Gleichstromleistung, die von einer Gleichstromversorgung 400 geliefert wird, in eine Wechselstromleistung, die einer Last 300 wie etwa einem Motor geliefert werden soll, umwandelt. Die Leistungswandlervorrichtung 101 weist eine Steuervorrichtung 10, eine Antriebsvorrichtung 20, einen oberen Arm Q1, einen unteren Arm Q2 und die Gleichstromversorgung 400 auf.
1 zeigt Arme für eine Phase, wobei der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 in Reihe verbunden sind, und eine Antriebsvorrichtung 20 für eine Phase, um die Arme anzutreiben. Wenn die Leistungswandlervorrichtung 101 zum Bespiel ein Inverter ist, der eine dreiphasige Wechselstromleistung mit den Phasen U, V und W erzeugt, weist die Leistungswandlervorrichtung 101 Arme für drei Phasen mit dem gleichen Aufbau wie die in 1 gezeigten Arme und eine Antriebsvorrichtung für drei Phasen mit dem gleichen Aufbau wie die in 1 gezeigte Antriebsvorrichtung 20 auf. Der Verbindungspunkt zwischen dem oberen Arm Q1 an der High-Side und dem unteren Arm Q2 an der Low-Side ist mit der Last 300 verbunden.
Die Antriebsvorrichtung 20 schaltet Befehlssignalen Q1sig und Q2sig, die von der Steuervorrichtung 10 geliefert werden, folgend zwischen dem oberen Arm Q1 und dem unteren Arm Q2 um, wobei dazwischen eine Totzeit zum Abschalten des oberen Arms Q1 und des unteren Arms Q2, die in Reihe verbunden sind, besteht. Das Befehlssignal Q1sig ist ein Steuersignal, das den EIN- oder AUS-Zeitraum des oberen Arms Q1 befiehlt. Das Steuersignal Q2sig ist ein Steuersignal, das den EIN- oder AUS-Zeitraum des unteren Arms Q2 befiehlt. Die Antriebsvorrichtung 20 weist eine erste Antriebsschaltung 21 und eine zweite Antriebsschaltung 22 auf.
Die erste Antriebsschaltung 21 treibt den oberen Arm Q1 gemäß den Befehlssignalen Q1sig und Q2sig an. Die erste Antriebsschaltung 21 schaltet eine Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 zu einer ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P oder einer ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N um. Die zweite Antriebsschaltung 22 treibt den unteren Arm Q2 gemäß den Befehlssignalen Q1sig und Q2sig an. Die zweite Antriebsschaltung 22 schaltet eine Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 zu eine zweiten positiven Stromversorgungsspannung V2P oder einer zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N um.
Der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 sind beides SiC-MOSFETs mit einem Gate, einer Source und einem Drain. SiC ist Siliziumcarbid, und MOSFET ist eine Abkürzung für einen Metalloxidfilm-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Ein SiC-MOSFET weist einen Kanalteil zwischen der Source und dem Drain auf, und weist eine Body-Diode auf, in der die Richtung von der Source zu dem Drain die Vorwärtsrichtung ist. Der obere Arm Q1 ist ein Beispiel für den ersten SiC-MOSFET. Der untere Arm Q2 ist ein Beispiel für den zweiten SiC-MOSFET.
Als nächstes wird der Betrieb der Leistungswandlervorrichtung 101, wenn das durch die Antriebsvorrichtung 20 vorgenommene Antriebsverfahren verwendet wird, um die Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase (zum Beispiel den Arm der U-Phase) anzutreiben, beschrieben werden. Es ist zu beachten, dass die Leistungswandlervorrichtung 101 für die anderen beiden Phasen (zum Beispiel die V-Phase und die W-Phase) als die nachstehend beschriebene auf die gleiche Weise arbeitet und die folgende Beschreibung des Betriebs der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase gleichermaßen auch für den Betrieb für die anderen beiden Phasen gilt.
Zum Vergleich mit dem Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung wird zunächst ein Antriebsverfahren nach einem Vergleichsbeispiel beschrieben werden.
2 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb nach dem Antriebsverfahren des Vergleichsbeispiels zeigt. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung von 2 zur Vereinfachung der Erklärung die Referenzcodes und Bezugszeichen der in 1 gezeigten Leistungswandlervorrichtung 101 verwendet werden. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase in vier Betriebe, und zwar einen Modus MD1, einen Modus MD2, einen Modus MD3 und einen Modus MD4, unterteilt.
Bei dem Betrieb von Modus MD1 von einem Zeitpunkt t1 zu einem Zeitpunkt t2 nimmt das Befehlssignal Q1sig den H-Pegel und das Befehlssignal Q2sig den L-Pegel an. Folglich weist die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 die gleiche Spannung wie eine erste positive Stromversorgungsspannung V1P und die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die gleiche Spannung wie eine zweite negative Stromversorgungsspannung V2N auf.
Dies versetzt den oberen Arm Q1 in den EIN-Zustand und den unteren Arm Q2 in den AUS-Zustand, und in der U-Phasen-Spule der Last 300 fließt ein Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 als Ausgangsstrom Iu. Als Ergebnis davon nimmt der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 zu und auch der Ausgangsstrom Iu allmählich zu. Außerdem nimmt der Ausgangsstrom Iu einen positiven Wert an. In dem Modus MD1 befindet sich der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand, so dass der Wert eines Drain-Stroms ID2 0 [A] beträgt.
Als nächstes wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu dem Zeitpunkt t2 von dem Modus MD1 zu dem Modus MD2. Der Modus MD2 ist ein Modus, in dem der obere Arm Q1 zur Bereitstellung einer ersten Totzeit DT1 von dem EIN-Zustand zu dem AUS-Zustand umgeschaltet wird und der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 beide in den AUS-Zustand versetzt werden. Die erste Totzeit DT1 ist ein Zeitraum, um zu verhindern, dass sich der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 beide gleichzeitig in dem EIN-Zustand befinden und ein Durchgangsstrom zwischen dem oberen Arm Q1 und dem unteren Arm Q2 fließt.
Bei dem Betrieb von Modus MD2 weist die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 nach dem Spiegelzeitraum die gleiche Spannung wie die erste negative Stromversorgungsspannung V1N auf und weist die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die gleiche Spannung wie die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N auf. Folglich wechselt der obere Arm Q1 von dem EIN-Zustand in den AUS-Zustand und behält der untere Arm Q2 seinen AUS-Zustand bei. Somit befinden sich der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 beide in dem AUS-Zustand.
Zu dieser Zeit fließt ein Freilaufstrom, der durch die in den unteren Arm Q2 eingebaute Body-Diode fließt, als Ausgangsstrom Iu zu der Last 300. Da dieser Freilaufstrom ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält. Dieser Freilaufstrom ist ein Strom, der durch die in den unteren Arm Q2 eingebaute Body-Diode verläuft, und entspricht einem Drain-Strom ID2, der von der Source zu dem Drain des unteren Arms Q2 fließt. Andererseits gelangt in dem Modus MD2 der obere Arm Q1 in den AUS-Zustand, so dass der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 bis auf 0 [A] abnimmt.
Anschließend wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu einem Zeitpunkt t3 von dem Modus MD2 zu dem Modus MD3. Der Modus MD3 ist ein Modus, in dem der untere Arm Q2 von dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand wechselt, und in dem sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2 ein Freilaufstrom fließt.
In dem Modus MD3 wird das Befehlssignal Q2sig von dem L-Pegel zu dem H-Pegel umgekehrt. An das Gate des unteren Arms Q2 wird die zweite positive Stromversorgungsspannung V2P angelegt, und an die Source des unteren Arms Q2 wird ein Bezugspotential M angelegt, so dass die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die zweite positive Stromversorgungsspannung V2P wird. Als Ergebnis davon wird eine Vorwärtsvorspannung an die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 ausgegeben, so dass der untere Arm Q2 von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand wechselt. Wenn der untere Arm Q2 in den EIN-Zustand gelangt, fließt der Freilaufstrom sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2. Folglich sind in dem unteren Arm Q2 in dem Modus MD3 der EIN-Widerstand des Kanalteils und der EIN-Widerstand der Body-Diode parallel verbunden und wird der Widerstand niedriger als jener des Modus MD2, in dem der Freilaufstrom nur in der Body-Diode allein fließt. Es ist zu beachten, dass in dem Modus MD3 der obere Arm Q1 in dem AUS-Zustand verbleibt.
Da der Freilaufstrom in dem Modus MD3 so wie in dem Modus MD2 ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nähert sich der Stromwert des Freilaufstroms allmählich 0 [A]. Als Ergebnis davon nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält.
Anschließend wechselt der Modus M3 zu einem Zeitpunkt t4 zu dem Modus MD4. Der Modus MD4 ist ein Modus, in dem ähnlich wie in dem oben beschriebenen Modus MD2 der untere Arm Q2 zur Bereitstellung einer zweiten Totzeit DT2 von dem EIN-Zustand zu dem AUS-Zustand umgeschaltet wird und der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 beide in den AUS-Zustand versetzt werden. Die zweite Totzeit DT2 ist ein Zeitraum, um eine Situation zu verhindern, in der der obere Arm Q1 und der untere Arm Q2 gleichzeitig in den EIN-Zustand gelangen und zwischen dem oberen Arm Q1 und dem unteren Arm Q2 ein Durchgangsstrom fließt.
Bei dem Betrieb von Modus MD4 weist die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 nach dem Spiegelzeitraum die gleiche Spannung wie die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N auf, und weist die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 die gleiche Spannung wie die erste negative Stromversorgungsspannung V1N auf. Folglich wechselt der untere Arm Q2 von dem EIN-Zustand zu dem AUS-Zustand und bleibt der obere Arm Q1 in dem AUS-Zustand. Somit gelangt sowohl der obere Arm Q1 als auch der untere Arm Q2 in den AUS-Zustand.
Zu dieser Zeit fließt ein Freilaufstrom, der durch die in den unteren Arm Q2 eingebaute Body-Diode fließt, als Ausgangsstrom Iu in der Last 300. Da dieser Freilaufstrom ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält. Auch in dem Modus MD4 gelangt der obere Arm Q1 in den AUS-Zustand, so dass der Drain-Strom ID1 des oberen Arms bei 0 [A] behalten wird. Andererseits ist dieser Freilaufstrom ein Strom, der durch die in den unteren Arm Q2 eingebaute Body-Diode verläuft, und entspricht einem Drain-Strom ID2, der von der Source zu dem Drain des unteren Arms Q2 fließt.
Anschließend wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu dem Zeitpunkt t5 von dem Modus MD4 zu dem Modus MD1. Wie oben beschrieben wurde, gelangt in diesem Modus MD1 der obere Arm in den EIN-Zustand, während der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand verbleibt.
In diesem Modus MD1 wird das Befehlssignal Q1sig von dem L-Pegel zu dem H-Pegel umgekehrt und behält das Befehlssignal Q2sig den L-Pegel bei. Folglich wechselt der obere Arm Q1 von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand, fällt die Drain-Source-Spannung VDS1 des oberen Arms Q1 von der ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P auf „0“ und steigt der Drain-Strom ID1 von null in die positive Richtung (die Richtung von dem Drain zu der Source) an.
An der Low-Side wird andererseits, während der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand verbleibt, durch das Einschalten des oberen Arms Q1 in dem unteren Arm Q2 eine hohe dv/dt erzeugt (das heißt, steigt die Drain-Source-Spannung scharf an) und fließt ein Rückstrom aufgrund der hohen dv/dt in die Body-Diode des unteren Arms. Nach dem Abklingen des Rückstroms wird der Drain-Strom ID2 null.
Doch wie zuvor beschrieben wurde, kann während der Totzeiten DT1 und DT2 durch den Freilaufstrom, der nur in der Body-Diode des unteren Arms Q2 fließt, eine Verschlechterung des unteren Arms Q2, bei dem es sich um einen SiC-MOSFET handelt, verursacht werden. Außerdem ist auch die EIN-Spannung (die Vorwärtsspannung) der Body-Diode verhältnismäßig hoch und könnte als Faktor zur Vergrößerung des Verlusts des unteren Arms Q2 dienen.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Eigenschaften der Body-Diode eines SiC-MOSFET zeigt. Die Drain-Source-Spannung (die Spannung über die Body-Diode) an der waagerechten Achse von 3 gibt die von der Source her gesehene Spannung an dem Drain an und ist daher durch einen negativen Wert dargestellt. Wenn die Gate-Source-Spannung erhöht wird, nimmt die Drain-Source-Spannung (die Spannung über die Body-Diode) ab, so dass der Verlust abnimmt. Bei dem oben beschriebenen Antriebsverfahren von 2 wird während der Totzeiten eine umgekehrte Vorspannung (eine negative Stromversorgungsspannung) zwischen dem Gate und der Source angelegt, was einen erheblichen Verlust mit sich bringt. Das Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung konzentriert sich auf diesen Punkt und richtet die Spannung (die Gate-Spannung), die zwischen dem Gate und der Source eines SiC-MOSFET angelegt werden soll, während der Totzeiten auf eine Mittelspannung ein, die höher als die negative Stromversorgungsspannung und niedriger als die Schwellenspannung für den SiC-MOSFET ist. Als Ergebnis davon nimmt die EIN-Spannung (die Vorwärtsspannung) der Body-Diode ab, so dass der Verlust der Body-Diode verringert wird, und kann die Verschlechterung des SiC-MOSFET unterdrückt werden.
4 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb nach einem ersten Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung zeigt. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung von 4 zur Vereinfachung der Erklärung die Referenzcodes und Bezugszeichen der in 1 gezeigten Leistungswandlervorrichtung 101 verwendet werden. Wie in 4 gezeigt ist, ist der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase in vier Betriebe, und zwar den Modus MD1, den Modus MD2, den Modus MD3 und den Modus MD4, unterteilt.
Bei dem Betrieb von Modus MD1 von dem Zeitpunkt t1 zu dem Zeitpunkt t2 nimmt das Befehlssignal Q1sig den H-Pegel und das Befehlssignal Q2sig den L-Pegel an. Folglich weist die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 die gleiche Spannung wie die erste positive Stromversorgungsspannung V1P und die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die gleiche Spannung wie die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N auf.
Dies versetzt den oberen Arm Q1 in den EIN-Zustand und den unteren Arm Q2 in den AUS-Zustand, und in der U-Phasen-Spule der Last 300 fließt der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 als Ausgangsstrom Iu. Als Ergebnis davon nimmt der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 zu und auch der Ausgangsstrom Iu allmählich zu. Außerdem nimmt der Ausgangsstrom Iu einen positiven Wert an. In dem Modus MD1 befindet sich der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand, so dass der Wert des Drain-Stroms ID2 0 [A] beträgt.
Somit wird in dem Modus MD1 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 durch die erste Antriebsschaltung 21 auf die erste positive Stromversorgungsspannung V1P eingerichtet und die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 durch die zweite Antriebsschaltung 22 auf die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N eingerichtet.
Im Anschluss daran wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu dem Zeitpunkt t2 von dem Modus MD1 zu dem Modus MD2. Der Modus MD2 ist ein Modus zur Bereitstellung der ersten Totzeit DT1. Die erste Totzeit DT1 ist ein Zeitraum, der unmittelbar nach dem Zeitraum, in dem durch das Befehlssignal Q1sig ein EIN-Zustand für den oberen Arm Q1 befohlen wird, und unmittelbar vor dem Zeitraum, in dem durch das Befehlssignal Q2sig ein EIN-Zustand für den unteren Arm Q2 befohlen wird, liegt.
Bei dem Betrieb von Modus MD2 wird die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 nach dem Spiegelzeitraum die erste Mittelspannung VM1 und die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die zweite Mittelspannung VM2. Die erste Mittelspannung VM1 ist eine Spannung, die höher als die erste negative Stromversorgungsspannung V1N und niedriger als die erste Schwellenspannung für den oberen Arm Q1 ist, und beträgt bei dem Beispiel, das in 4 gezeigt ist, null Volt. Die zweite Mittelspannung VM2 ist eine Spannung, die höher als die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N und niedriger als die zweite Schwellenspannung für den unteren Arm Q2 ist, und beträgt bei dem Beispiel, das in 4 gezeigt ist, null Volt.
Zu dieser Zeit beträgt die zweite Mittelspannung VM2 null, so dass sich der Kanalteil des unteren Arms Q2 geringfügig öffnet. Als Ergebnis davon fließt der Kreisstrom (der Freilaufstrom), der in dem Modus MD2 fließt, sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2. Folglich sind in dem unteren Arm Q2 in dem Modus MD2 der EIN-Widerstand des Kanalteils und der EIN-Widerstand der Body-Diode parallel verbunden. Als Ergebnis davon nimmt die Drain-Source-Spannung des unteren Arms Q2 ab, so dass der Verlust des unteren Arms Q2 abnimmt. Und da ein gleichgerichteter Strom (der Freilaufstrom) zwischen der Body-Diode und dem Kanalteil nebengeschlossen ist, nimmt der Stromfluss in der Body-Diode im Verhältnis ab und kann daher der Fortschritt der Verschlechterung aufgrund des Stroms, der in der Body-Diode fließt, unterdrückt werden.
Der Freilaufstrom, der in dem Modus MD2 durch den Kanalteil und die Body-Diode des unteren Arms Q2 fließt, fließt als Ausgangsstrom Iu zu der Last 300. Da dieser Freilaufstrom ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält. Dieser Freilaufstrom ist ein Strom, der durch den Kanalteil und die Body-Diode des unteren Arms Q2 verläuft, und entspricht dem Drain-Strom ID2, der von der Source zu dem Drain des unteren Arms Q2 fließt. Andererseits gelangt der obere Arm Q1 in dem Modus MD2 in den AUS-Zustand und nimmt daher der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 auf 0 [A] ab.
Wie oben beschrieben wurde, ändert die erste Antriebsschaltung 21 in dem Modus MD2 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 am Beginn der ersten Totzeit DT1 von der ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P zu der ersten Mittelspannung VM1. Andererseits ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 am Beginn der ersten Totzeit DT1 von der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N zu der zweiten Mittelspannung VM2.
Anschließend wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu dem Zeitpunkt t3 von dem Modus MD2 zu dem Modus MD3. Der Modus MD3 ist ein Modus, in dem der untere Arm Q2 von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand wechselt und in dem sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2 ein Freilaufstrom fließt.
In dem Modus MD3 wird das Befehlssignal Q2sig von dem L-Pegel zu dem H-Pegel umgekehrt. An das Gate des unteren Arms Q2 wird die zweite positive Stromversorgungsspannung V2P angelegt, und an die Source des unteren Arms Q2 wird ein Bezugspotential M angelegt, so dass die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 die zweite positive Stromversorgungsspannung V2P wird. Als Ergebnis davon wird eine Vorwärtsvorspannung an die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 ausgegeben, so dass der untere Arm Q2 von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand wechselt. Wenn der untere Arm Q2 in den EIN-Zustand gelangt, fließt der Freilaufstrom sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2. Folglich sind in dem unteren Arm Q2 in dem Modus MD3 der EIN-Widerstand des Kanalteils und der EIN-Widerstand der Body-Diode parallel verbunden und wird der Widerstand niedriger als jeder des Modus MD2, in dem der Freilaufstrom nur in der Body-Diode allein fließt. Es ist zu beachten, dass in dem Modus MD3 der obere Arm Q1 in dem AUS-Zustand verbleibt.
Da der Freilaufstrom in dem Modus MD3 so wie in dem Modus MD2 ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nähert sich der Stromwert des Freilaufstroms allmählich 0 [A]. Als Ergebnis davon nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält.
Somit ändert die erste Antriebsschaltung die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 in dem Modus MD3 am Ende der ersten Totzeit DT1 von der ersten Mittelspannung VM1 zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N. Andererseits ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 am Ende der ersten Totzeit DT1 von der zweiten Mittelspannung VM2 zu der zweiten positiven Stromversorgungsspannung V2P.
Anschließend wechselt der Modus MD3 zu dem Zeitpunkt t4 zu dem Modus MD4. Der Modus MD4 ist ähnlich wie der oben beschriebene Modus MD2 ein Modus zur Bereitstellung der zweiten Totzeit DT2. Die zweite Totzeit DT2 ist ein Zeitraum, der unmittelbar nach dem Zeitraum, in dem durch das Befehlssignal Q2sig ein EIN-Zustand für den unteren Arm Q2 befohlen wird, und unmittelbar vor dem Zeitraum, in dem durch das Befehlssignal Q1sig ein EIN-Zustand für den oberen Arm Q1 befohlen wird, liegt.
Bei dem Betrieb von Modus MD4 wird die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 nach dem Spiegelzeitraum die zweite Mittelspannung VM2 und wird die Gate-Source-Spannung des oberen Arms Q1 die erste Mittelspannung VM1. Die erste Mittelspannung VM1 ist eine Spannung, die höher als die erste negative Stromversorgungsspannung V1N und niedriger als die erste Schwellenspannung für den oberen Arm Q1 ist, und beträgt bei dem Beispiel, das in 4 gezeigt ist, null Volt. Die zweite Mittelspannung VM2 ist eine Spannung, die höher als die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N und niedriger als die zweite Schwellenspannung für den unteren Arm Q2 ist, und beträgt bei dem Beispiel, das in 4 gezeigt ist, null Volt.
Zu dieser Zeit beträgt die zweite Mittelspannung VM2 null, so dass sich der Kanalteil des unteren Arms Q2 geringfügig öffnet. Als Ergebnis davon fließt der Kreisstrom (der Freilaufstrom), der in dem Modus MD4 fließt, sowohl in dem Kanalteil als auch in der Body-Diode des unteren Arms Q2. Folglich sind in dem unteren Arm Q2 in dem Modus MD4 der EIN-Widerstand des Kanalteils und der EIN-Widerstand der Body-Diode parallel verbunden. Als Ergebnis davon nimmt die Drain-Source-Spannung des unteren Arms Q2 ab, so dass der Verlust des unteren Arms Q2 abnimmt. Und da ein gleichgerichteter Strom (der Freilaufstrom) zwischen der Body-Diode und dem Kanalteil nebengeschlossen ist, nimmt der Stromfluss in der Body-Diode im Verhältnis ab und kann daher der Fortschritt der Verschlechterung aufgrund des Stroms, der in der Body-Diode fließt, unterdrückt werden.
Der Freilaufstrom, der in dem Modus MD4 durch den Kanalteil und die Body-Diode des unteren Arms Q2 fließt, fließt als Ausgangsstrom Iu zu der Last 300. Da dieser Freilaufstrom ein Strom ist, der auf der Induktivität der Last 300 und dergleichen beruht, nimmt der Ausgangsstrom Iu allmählich ab, während er einen positiven Wert behält. Dieser Freilaufstrom ist ein Strom, der durch den Kanalteil und die Body-Diode des unteren Arms Q2 verläuft, und entspricht dem Drain-Strom ID2, der von der Source zu dem Drain des unteren Arms Q2 fließt. Andererseits gelangt der obere Arm Q1 in dem Modus MD4 in den AUS-Zustand und nimmt daher der Drain-Strom ID1 des oberen Arms Q1 auf 0 [A] ab.
Wie oben beschrieben wurde, ändert die erste Antriebsschaltung 21 in dem Modus MD4 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 am Beginn der zweiten Totzeit DT2 von der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N zu der ersten Mittelspannung VM1. Andererseits ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 am Beginn der ersten Totzeit DT1 von der zweiten positiven Stromversorgungsspannung V2P zu der zweiten Mittelspannung VM2.
Anschließend wechselt der Schaltbetrieb der Leistungswandlervorrichtung 101 für eine Phase zu dem Zeitpunkt t5 von dem Modus MD4 zu dem Modus MD1. In diesem Modus MD1 gelangt wie zuvor beschrieben der obere Arm Q1 in den EIN-Zustand, während der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand verbleibt.
In diesem Modus MD1 wird das Befehlssignal Q1sig von dem L-Pegel zu dem H-Pegel umgekehrt und behält das Befehlssignal Q2sig den L-Pegel bei. Folglich wechselt der obere Arm Q1 von dem AUS-Zustand zu dem EIN-Zustand, fällt die Drain-Source-Spannung VDS1 des oberen Arms Q1 von der ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P auf „0“ und steigt der Drain-Strom ID1 von null in die positive Richtung (die Richtung von dem Drain zu der Source) an.
An der Low-Side wird andererseits, während der untere Arm Q2 in dem AUS-Zustand verbleibt, durch das Einschalten des oberen Arms Q1 in dem unteren Arm Q2 eine hohe dv/dt erzeugt (das heißt, steigt die Drain-Source-Spannung scharf an) und fließt ein Rückstrom aufgrund der hohen dv/dt in die Body-Diode des unteren Arms. Nach dem Abklingen des Rückstroms wird der Drain-Strom ID2 null.
Wie oben beschrieben wurde, ändert die erste Antriebsschaltung 21 in dem Modus MD1 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 am Ende der zweiten Totzeit DT2 von der ersten Mittelspannung VM1 zu der ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P. Andererseits ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 am Ende der zweiten Totzeit DT2 von der zweiten Mittelspannung VM2 zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N.
Als nächstes wird ein genauerer beispielhafter Aufbau der Antriebsvorrichtung beschrieben werden.
5 ist ein Diagramm, das einen ersten beispielhaften Aufbau der Antriebsvorrichtung, die in die Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt. Die erste Antriebsschaltung 21 weist eine erste Totzeitdetektionsschaltung 30 auf, die auf Basis der Befehlsinhalte der Befehlssignale Q1sig und Q2sig die Totzeiten DT1 und DT2 detektiert. Die zweite Antriebsschaltung 22 weist eine zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 auf, die auf Basis der Befehlsinhalte der Befehlssignale Q1sig und Q2sig die Totzeiten DT1 und DT2 detektiert.
Die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 weist Signalisolierelemente 31 und 32, eine Umkehrschaltung 33 und ein Exklusiv-ODER-Gatter 34 auf. Die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 weist Signalisolierelemente 41 und 42, eine Umkehrschaltung 43 und ein Exklusiv-ODER-Gatter 44 auf. Jedes Signalisolierelement ist eine Schaltung, die eigegebene Befehlssignale überträgt und ausgibt, und ist beispielsweise ein Optokoppler. Jede Umkehrschaltung kehrt die Logik eines Eingangssignals um und gibt das sich ergebende Signal aus. Das Exklusiv-ODER-Gatter gibt das exklusive ODER von zwei eingegebenen Logikpegeln aus.
Außerdem weist die erste Antriebsschaltung 21 eine erste Gate-Antriebsschaltung 35 auf, die den oberen Arm Q1 unter Benutzung der durch die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 detektierten Totzeiten antreibt. Die zweite Antriebsschaltung 22 weist eine zweite Gate-Antriebsschaltung 45 auf, die den unteren Arm Q2 unter Benutzung der durch die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 detektierten Totzeiten antreibt.
Die erste Gate-Antriebsschaltung 35 weist Widerstände RG1P, RG1N und RG1M und Schalter P1sw, N1sw und M1sw auf. Die zweite Gate-Antriebsschaltung 45 weist Widerstände RG2P, RG2N und RG2M und Schalter P2sw, N2sw und M2sw auf.
Die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 schaltet den Schalter M1sw nur während jedes detektierten Zeitraums von Totzeiten DT1 und DT2 ein. Als Ergebnis davon legt die erste Gate-Antriebsschaltung 35 die erste Mittelspannung VM1, die einen Spannungswert von im Wesentlichen null aufweist, an das Gate des oberen Arms Q1 an.
Die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 schaltet den Schalter M2sw nur während jedes detektierten Zeitraums von Totzeiten DT1 und DT2 ein. Als Ergebnis davon legt die zweite Gate-Antriebsschaltung 45 die zweite Mittelspannung VM2, die einen Spannungswert von im Wesentlichen null aufweist, an das Gate des unteren Arms Q2 an.
Es ist zu beachten, dass die Antriebsschaltung 20 die Totzeiten DT1 und DT2 dann, wenn eine vorab bekannte Totzeit besteht, unter Verwendung einer One-Shot-Schaltung oder dergleichen schätzen kann.
6 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb einer Antriebsschaltung mit dem Aufbau von 5 zeigt. Der Schalter Plsw für die Ausgabe der ersten positiven Stromversorgungsspannung V1P wird im Einklang mit dem von der Steuervorrichtung 10 eingegebenen Befehlssignal Q1sig ein- und ausgeschaltet. Der Schalter M1sw für die Ausgabe der ersten Mittelspannung VM1 arbeitet während der Totzeiten. Der Schalter M1sw wird gemäß dem exklusiven ODER von Q1sig und dem umgekehrten Signal von Q2sig ein- und ausgeschaltet. Der Schalter N1sw für die Ausgabe der ersten negativen Stromversorgungsspannung wird im Einklang mit dem von der Steuervorrichtung 10 eingegebenen Befehlssignal Q2sig ein- und ausgeschaltet. Da er auf diese Weise arbeitet, kann der Schalter N1sw während Totzeiten die erste Mittelspannung VM1 an das Gate des oberen Arms Q1 anlegen. Was den unteren Arm Q2 betrifft, ermöglicht der gleiche Betrieb wie in 6, dass während Totzeiten die zweite Mittelspannung VM2 an das Gate des unteren Arms Q2 angelegt wird.
7 ist ein Diagramm, das einen zweiten beispielhaften Aufbau einer Antriebsvorrichtung, die in die Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt. Die Antriebsvorrichtung 20, die in 7 gezeigt ist, weist eine Gate-Antriebsschaltung auf, die sich von jener der in 7 gezeigten Antriebsvorrichtung 20 unterscheidet. In 7 weist die erste Antriebsschaltung 21 eine erste Gate-Antriebsschaltung 36 auf, die den oberen Arm Q1 unter Benutzung der durch die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 detektierten Totzeiten antreibt. Die zweite Antriebsschaltung 22 weist eine zweite Gate-Antriebsschaltung 46 auf, die den unteren Arm Q2 unter Benutzung der durch die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 detektierten Totzeiten antreibt.
Die erste Gate-Antriebsschaltung 36 weist Widerstände RG1P, RG1N, RG1Ma und RG1Mb und Schalter P1sw, N1sw, M1sw und M11sw auf. Die zweite Gate-Antriebsschaltung 46 weist Widerstände RG2P, RG2N, RG2Ma und RG2Mb und Schalter P2sw, N2sw, M2sw und M22sw auf.
Die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 schaltet die Schalter M1sw und M11sw nur während jedes detektierten Zeitraums von Totzeiten DT1 und DT2 ein. Als Ergebnis davon teilt die erste Gate-Antriebsschaltung 36 die Summe des absoluten Werts der ersten positiven Stromversorgungsspannung und des absoluten Werts der ersten negativen Stromversorgungsspannung durch den Widerstand RG1Ma und den Widerstand RG1Mb in die erste Mittelspannung VM1 und legt diesen Spannungswert an das Gate des oberen Arms Q1 an.
Die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 schaltet die Schalter M2sw und M22sw nur während jedes detektierten Zeitraums von Totzeiten DT1 und DT2 ein. Als Ergebnis davon teilt die zweite Gate-Antriebsschaltung 46 die Summe des absoluten Werts der ersten positiven Stromversorgungsspannung und des absoluten Werts der ersten negativen Stromversorgungsspannung durch den Widerstand RG2Ma und den Widerstand RG2Mb in die zweite Mittelspannung VM2 und legt diesen Spannungswert an das Gate des unteren Arms Q2 an.
Nach dem Aufbau, der in 7 gezeigt ist, kann die erste Gate-Antriebsschaltung 36 während Totzeiten nicht nur eine erste Mittelspannung VM1 mit einem Spannungswert von null, sondern auch eine erste Mittelspannung VM1 mit einem positiven oder negativen Spannungswert an den oberen Arm Q1 anlegen. Ebenso kann die zweite Gate-Antriebsschaltung 46 während Totzeiten nicht nur eine zweite Mittelspannung VM2 mit einem Spannungswert von null, sondern auch eine zweite Mittelspannung VM2 mit einem positiven oder negativen Spannungswert an den unteren Arm Q2 anlegen.
Beispielsweise kann die erste Mittelspannung VM1 eine positive Spannung sein, die höher als null und niedriger als die erste Schwellenspannung für den oberen Arm Q41 ist. Die zweite Mittelspannung VM2 kann eine positive Spannung sein, die höher als null und niedriger als die zweite Schwellenspannung für den unteren Arm Q2 ist. Als Ergebnis davon wird die Mittelspannung, die während Totzeiten angelegt wird, ein positiver Wert, bei dem sich der Arm nicht einschaltet. Folglich nimmt auch der Stromfluss in dem Kanalteil geringfügig zu, nimmt die Gate-Source-Spannung des Arms ab, wird der Verlust verringert und der Fortschritt der Verschlechterung unterdrückt.
Beispielsweise kann die erste Mittelspannung VM1 eine negative Spannung sein, die höher als die erste negative Stromversorgungsspannung V1N und niedriger als null ist. Die zweite Mittelspannung VM2 kann eine negative Spannung sein, die höher als die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N und niedriger als null ist. Als Ergebnis davon wird die Mittelspannung, die während Totzeiten angelegt wird, eine negative Spannung, bei der sich der Arm nicht einschaltet. Folglich ist es möglich, zu verhindern, dass die Arme während Totzeiten unbeabsichtigt aufgrund von Rauschen oder dergleichen eingeschaltet werden.
Als nächstes werden nachstehend ein Antriebsverfahren (ein zweites Antriebsverfahren), sobald der Betrieb anhält (beide Befehlssignale Q1sig und Q2sig AUS lauten), und ein beispielhafter Aufbau (ein dritter beispielhafter Aufbau) der Antriebsvorrichtung, die dieses zweite Antriebsverfahren ausführt, beschrieben werden.
8 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Betriebswellenform, sobald der Betrieb anhält, zeigt. Normalerweise wird nach der Totzeit DT2 durch das Befehlssignal Q1sig ein EIN-Befehl für den oberen Arm Q1 eingegeben (siehe 4). Doch wenn zum Beispiel die Bedingungen für das Anhalten des Betriebs erfüllt sind und die Steuervorrichtung 100 den Betrieb mittendrin anhält, kann kein EIN-Befehl für den oberen Arm Q1 durch das Befehlssignal Q1sig eingegeben werden (siehe 8). Folglich wird die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 bei der ersten Mittelspannung VM1 (im Fall von 8 null) gehalten und die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 bei der zweiten Mittelspannung VM2 (im Fall von 8 null) gehalten. In diesem Fall wird nach dem Zeitpunkt t5 keine umgekehrte Vorspannung zwischen dem Gate und der Source des oberen Arms Q1 oder zwischen dem Gate und der Source des unteren Arms Q2 angelegt und könnte es daher zu einer Fehlfunktion (zum Beispiel einem fälschlichen Einschalten) des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 aufgrund von Rauschen oder dergleichen kommen. Obwohl 8 ein Szenario zeigt, bei dem der Betrieb nach dem Beginn der zweiten Totzeit DT2 anhält, könnte es gleichermaßen zu einer Fehlfunktion (zum Beispiel einem fälschlichen Einschalten) des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 aufgrund von Rauschen oder dergleichen kommen, wenn der Betrieb nach dem Beginn der ersten Totzeit DT1 anhält.
9 ist ein Zeitdiagramm, das den Betrieb nach dem zweiten Antriebsverfahren der vorliegenden Offenbarung zeigt. 9 stellt ein Szenario dar, bei dem der Betrieb nach der Zeit t4, das heißt, wenn die Totzeit DT2 beginnt, anhält. Es ist zu beachten, dass in der folgenden Beschreibung von 9 die Referenzcodes und Bezugszeichen der in 1 gezeigten Leistungswandlervorrichtung 101 verwendet werden. Außerdem werden in der folgenden Beschreibung des zweiten Antriebsverfahrens durch Bezugnahme auf die obige Beschreibung gleiche Inhalte wie bei dem ersten Antriebsverfahren weggelassen werden.
Wenn eingegebene AUS-Befehle sowohl für den oberen Arm Q1 als auch den unteren Arm Q2 über eine Zeit, die für eine Totzeit DT festgelegt ist, hinausgehen, setzt die erste Antriebsvorrichtung 21 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 von der ersten Mittelspannung VM1 (bei diesem Beispiel null) auf die erste negative Stromversorgungsspannung V1N (siehe den Zeitpunkt t6). Der AUS-Befehl für den oberen Arm Q1 ist ein AUS-Befehl für den oberen Arm Q1 durch das Befehlssignal Q1sig. Der AUS-Befehl für den unteren Arm Q2 ist ein AUS-Befehl für den unteren Arm Q2 durch das Befehlssignal Q2sig. Andererseits setzt die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 von der zweiten Mittelspannung (bei diesem Beispiel null) auf die zweite negative Stromversorgungsspannung V2N (siehe den Zeitpunkt t6), wenn eingegebene AUS-Befehle sowohl für den oberen Arm Q1 als auch den unteren Arm Q2 über die Zeit, die für eine Totzeit DT festgelegt ist, hinausgehen.
Als Ergebnis davon wird dann, wenn nach dem Ablauf der Zeit, die für die Totzeit DT festgelegt ist, kein EIN-Befehl für den oberen Arm Q1 oder den unteren Arm Q2 eingegeben wird, eine umgekehrte Vorspannung zwischen dem Gate und der Source des oberen Arms Q1 und zwischen dem Gate und der Source des unteren Arms Q2 angelegt. Als Ergebnis davon kann die Möglichkeit, dass es zu einer Fehlfunktion (zum Beispiel einem fälschlichen Einschalten) des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 aufgrund von Rauschen oder dergleichen kommt, verringert werden.
Die Zeit, die für eine Totzeit DT festgelegt ist, ist eine vorherbestimmte Schwellenzeitspanne, um der Antriebsvorrichtung 20 zu gestatten, zu bestimmen, ob die Länge der durch die Befehlssignale Q1sig und Q2sig bestimmten Totzeit DT gut ist, oder nicht. Obwohl die Zeit, die für eine Totzeit DT festgelegt ist, eine Schwellenzeitspanne ist, die von der ersten Totzeit DT1 und der zweiten Totzeit DT2 gemeinsam verwendet wird, können die Zeit, die für die erste Totzeit DT1 festgelegt ist, und die Zeit, die für die zweite Totzeit DT2 festgelegt ist, unterschiedliche Schwellenzeitspannen sein.
Auch, wenn eine Totzeit DT über eine vorherbestimmte Wartezeit WT hinausgeht, kann die erste Antriebsschaltung 21 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 von der ersten Mittelspannung VM1 (bei diesem Beispiel null) zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N ändern (siehe den Zeitpunkt t6). Andererseits kann die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 von der zweiten Mittelspannung VM2 (bei diesem Beispiel null) zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N ändern (siehe den Zeitpunkt t6), wenn eine Totzeit DT über die vorherbestimmte Wartezeit WT hinausgeht.
Als Ergebnis davon wird für einen bestimmten Zeitraum, der durch die Wartezeit WT bestimmt wird, die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 bei der ersten Mittelspannung VM1 behalten und die Gate-Source-Spannung VGS2 des unteren Arms Q2 bei der zweiten Mittelspannung VM2 behalten. Wenn eine Last 300 mit einer Induktivität wie etwa ein Elektromotor angeschlossen ist, wenn der Betrieb anhält, fließt für einen bestimmten Zeitraum ein Freilaufstrom in der Body-Diode des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2. Bei dem zweiten Antriebsverfahren wird die Gate-Source-Spannung während des Zeitraums, in dem der Strom durch die Body-Diode zurückkehrt, bei einer Mittelspannung behalten, so dass die EIN-Spannung (die Vorwärtsspannung) der Body-Diode abnimmt. Als Ergebnis davon wird der Verlust der Body-Diode verringert und kann die Verschlechterung des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 unterdrückt werden.
Zum Beispiel messen in 9 die erste Antriebsschaltung 21 und die zweite Antriebsschaltung 22 die Zeit, die vergangen ist, seit der Zeitraum, für den ein EIN-Zustand für den unteren Arm Q2 befohlen wurde, zu dem Zeitpunkt t4 geendet hat. Wenn dieser Messwert für die vergangene Zeit eine vorherbestimmte Wartezeit WT erreicht, ohne dass ein EIN-Befehl für den oberen Arm Q1 eingegeben wird, ändert die erste Antriebsschaltung 21 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 von der ersten Mittelspannung VM1 zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N. Wenn der Messwert für die vergangene Zeit eine vorherbestimmte Wartezeit WT erreicht, ohne dass ein EIN-Befehl für den oberen Arm Q1 eingegeben wird, ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 von der zweiten Mittelspannung VM2 zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N. Dadurch kann die Verschlechterung des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 unterdrückt werden.
Ebenso, was aber in 9 nicht explizit dargestellt ist, messen die erste Antriebsschaltung 21 und die zweite Antriebsschaltung 22 die Zeit, die vergangen ist, seit der Zeitraum, für den ein EIN-Zustand für den oberen Arm Q1 befohlen wurde, zu dem Zeitpunkt t2 geendet hat. Wenn dieser Messwert für die vergangene Zeit eine vorherbestimmte Wartezeit WT erreicht, ohne dass ein EIN-Befehl für den unteren Arm Q2 eingegeben wird, ändert die erste Antriebsschaltung 21 die Gate-Spannung des oberen Arms Q1 von der ersten Mittelspannung VM1 zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N. Wenn der Messwert für die vergangene Zeit eine vorherbestimmte Wartezeit WT erreicht, ohne dass ein EIN-Befehl für den unteren Arm Q2 eingegeben wird, ändert die zweite Antriebsschaltung 22 die Gate-Spannung des unteren Arms Q2 von der zweiten Mittelspannung VM2 zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N. Dadurch kann die Verschlechterung des oberen Arms Q1 oder des unteren Arms Q2 unterdrückt werden.
10 ist ein Diagramm, das einen dritten beispielhaften Aufbau der Antriebsvorrichtung, die in die Leistungswandlervorrichtung nach einer Ausführungsform aufgenommen ist, zeigt. Bei der Beschreibung des dritten beispielhaften Aufbaus, der in 10 gezeigt ist, werden gleiche Aufbauten wie bei dem ersten beispielhaften Aufbau, der in 5 gezeigt ist, durch Bezugnahme auf die obige Beschreibung weggelassen werden. Der dritte beispielhafte Aufbau, der in 10 gezeigt ist, zeigt einen beispielhaften Schaltungsaufbau der Antriebsvorrichtung, der das oben beschriebene zweite Antriebsverfahren ausführt. Der Schaltungsaufbau der Antriebsvorrichtung, der das zweite Antriebsverfahren ausführt, ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
Verglichen mit dem ersten beispielhaften Aufbau weist die erste Totzeitdetektionsschaltung 30 ferner eine Wartezeitschaltung 37, ein Exklusiv-ODER-Gatter 38 und ein ODER-Gatter 39 auf.
Die Wartezeitschaltung 37 ist eine Verzögerungsschaltung, die das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters 34, das den Schalter M1sw zum Anlegen der ersten Mittelspannung VM1 einschaltet, um eine Wartezeit WT verzögert und das sich ergebende Signal ausgibt. Das Exklusiv-ODER-Gatter 38 treibt den Schalter M1sw durch das exklusive ODER des Ausgangssignals des Exklusiv-ODER-Gatters 34 und des Ausgangssignals der Wartezeitschaltung 37 an. Das ODER-Gatter 39 treibt den Schalter N1sw zum Ausgeben der umgekehrten Vorspannung durch das ODER des Ausgangssignals des Signalisolierelements 32 und des Ausgangssignals der Wartezeitschaltung 37 an. Die auf diese Weise aufgebaute erste Antriebsschaltung 21 kann den Schalter M1sw ausschalten und den Schalter N1sw einschalten, wenn von dem Beginn einer Totzeit DT bis zu der Zeit, zu der die Wartezeit WT abläuft, kein EIN-Befehl durch das Befehlssignal Q1sig oder Q2sig eingegeben wird. Als Ergebnis davon kann die Gate-Source-Spannung VGS1 des oberen Arms Q1 von der ersten Mittelspannung VM1 zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung V1N geändert werden, wenn die Wartezeit WT ohne Eingang eines EIN-Befehls durch das Befehlssignal Q1sig oder Q2sig abläuft.
Verglichen mit dem ersten beispielhaften Aufbau weist die zweite Totzeitdetektionsschaltung 40 ferner eine Wartezeitschaltung 37, ein Exklusiv-ODER-Gatter 48 und ein ODER-Gatter 49 auf.
Die Wartezeitschaltung 47 ist eine Verzögerungsschaltung, die das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Gatters 44, das den Schalter M2sw zum Anlegen der zweiten Mittelspannung VM2 um eine Wartezeit WT verzögert und das sich ergebende Signal ausgibt. Das Exklusiv-ODER-Gatter 48 treibt den Schalter Ms2sw durch das exklusive ODER des Ausgangssignals des Exklusiv-Oder-Gatters 44 und des Ausgangssignals der Wartezeitschaltung 47 an. Das ODER-Gatter 49 treibt den Schalter N2sw zum Ausgeben der umgekehrten Vorspannung durch das ODER des Ausgangssignals des Signalisolierelements 42 und des Ausgangssignals der Wartezeitschaltung 47 an. Die auf diese Weise aufgebaute zweite Antriebsschaltung 22 kann den Schalter M2sw ausschalten und den Schalter N2sw einschalten, wenn von dem Beginn einer Totzeit DT bis zu der Zeit, zu der die Wartezeit WT abläuft, kein EIN-Befehl durch das Befehlssignal Q1sig oder Q2sig eingegeben wird. Als Ergebnis davon kann die Gate-Source-Spannung VGS1 des unteren Arms Q2 von der zweiten Mittelspannung VM2 zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung V2N geändert werden, wenn die Wartezeit WT ohne Eingang eines EIN-Befehls durch das Befehlssignal Q1sig oder Q2sig abläuft.
Obwohl oben Ausführungsformen beschrieben wurden, ist die Technik der vorliegenden Offenbarung keineswegs auf die obigen Ausführungsformen beschränkt. Es sind verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen wie etwa Kombinationen mit einigen oder allen anderen Ausführungsformen oder Ersetzungen dadurch möglich.
Und obwohl bei den obigen Ausführungsformen eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben der Elemente einer Schaltung mit zwei Ebenen, bei der ein oberer Arm Q1 und ein unterer Arm Q2 als Arme für eine Phase in Reihe verbunden sind, beschrieben wurde, kann die Technik der vorliegenden Offenbarung auf Antriebsvorrichtungen zum Antreiben der Elemente einer Schaltung mit mehreren Ebenen mit Ausgangsspannungsebenen von 3 oder höher angewendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Steuervorrichtung
20: Antriebsvorrichtung
21: erste Antriebsschaltung
22: zweite Antriebsschaltung
30: erste Totzeitdetektionsschaltung
31, 32: Signalisolierelement
33: Umkehrschaltung
34: Exklusiv-ODER-Gatter
35, 36: erste Gate-Antriebsschaltung
40: zweite Totzeitdetektionsschaltung
41,: 42 Signalisolierelement
43: Umkehrschaltung
44: Exklusiv-ODER-Gatter
45, 46: zweite Gate-Antriebsschaltung
101: Leistungswandlervorrichtung
300: Last
400: Gleichstromversorgung

Claims

Antriebsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, zwischen einem ersten SiC-MOSFET (Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und einem zweiten SiC-MOSFET, die in Reihe verbunden sind, umzuschalten, wobei die Antriebsvorrichtung so ausgebildet ist, dass zwischen einem Zeitpunkt (t2), zu dem der erste SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, und einem Zeitpunkt (t3), zu dem der zweite SiC-MOSFET von AUS zu EIN umgeschaltet wird, und/oder so ausgebildet ist, dass zu oder nach einem Zeitpunkt (t4), zu dem der zweite SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, eine Totzeit (DT1, DT2) bereitgestellt ist, während der dem ersten SIC-MOSFET und dem zweiten SiC-MOSFET ein AUS-Zustand befohlen wird, wobei die Antriebsvorrichtung umfasst: eine erste Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine erste Mittelspannung einzurichten, die höher als eine erste negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine erste Schwellenspannung für den ersten SiC-MOSFET ist; und eine zweite Antriebsschaltung, die dazu ausgelegt ist, die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine zweite Mittelspannung einzurichten, die höher als eine zweite negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine zweite Schwellenspannung für den zweiten SiC-MOSFET ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Totzeit eine erste Totzeit (DT1) ist, die zu einem Zeitpunkt (t2), zu dem der erste SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, beginnt und zu einem Zeitpunkt (t3), zu dem der zweite SiC-MOSFET von AUS zu EIN umgeschaltet wird, endet, wobei die erste Antriebsschaltung die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET am Beginn der ersten Totzeit von einer ersten positiven Stromversorgungsspannung zu der ersten Mittelspannung ändert und die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET am Ende der ersten Totzeit von der ersten Mittelspannung zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung ändert, und wobei die zweite Antriebsschaltung die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET am Beginn der ersten Totzeit von der zweiten negativen Stromversorgungsspannung zu der zweiten Mittelspannung ändert und die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET am Ende der ersten Totzeit von der zweiten Mittelspannung zu einer zweiten positiven Stromversorgungsspannung ändert.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Totzeit eine zweite Totzeit (DT2) ist, die zu einem Zeitpunkt (t4), zu dem der zweite SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, beginnt und zu einem Zeitpunkt (t5), zu dem der erste SiC-MOSFET von AUS zu EIN umgeschaltet wird, endet, wobei die erste Antriebsschaltung die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET am Beginn der zweiten Totzeit von der ersten negativen Stromversorgungsspannung zu der ersten Mittelspannung ändert und die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET am Ende der zweiten Totzeit von der ersten Mittelspannung zu der ersten positiven Stromversorgungsspannung ändert, und wobei die zweite Antriebsschaltung die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET am Beginn der zweiten Totzeit von der zweiten positiven Stromversorgungsspannung zu der zweiten Mittelspannung ändert und die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET am Ende der zweiten Totzeit von der zweiten Mittelspannung zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung ändert.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens eine aus der ersten Mittelspannung und der zweiten Mittelspannung null Volt beträgt.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Mittelspannung eine positive Spannung ist, die höher als null und niedriger als die erste Schwellenspannung ist, und wobei die zweite Mittelspannung eine positive Spannung ist, die höher als null und niedriger als die zweite Schwellenspannung ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Mittelspannung eine negative Spannung ist, die höher als die erste negative Stromversorgungsspannung und niedriger als null Volt ist, und wobei die zweite Mittelspannung eine negative Spannung ist, die höher als die zweite negative Stromversorgungsspannung und niedriger als null Volt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei die erste Antriebsschaltung die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET von der ersten Mittelspannung zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung ändert, wenn eingegebene AUS-Befehle sowohl für den ersten SiC-MOSFET als auch für den zweiten SiC-MOSFET über eine festgelegte Zeit der Totzeit hinausgehen, wobei die zweite Antriebsschaltung die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET von der zweiten Mittelspannung zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung ändert, wenn die eingegebenen AUS-Befehle sowohl für den ersten SiC-MOSFET als auch für den zweiten SiC-MOSFET über die festgelegte Zeit der Totzeit hinausgehen.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Antriebsschaltung die Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET von der ersten Mittelspannung zu der ersten negativen Stromversorgungsspannung ändert, wenn die Totzeit über eine vorherbestimmte Wartezeit hinausgeht, und wobei die zweite Antriebsschaltung die Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET von der zweiten Mittelspannung zu der zweiten negativen Stromversorgungsspannung ändert, wenn die Totzeit über die vorherbestimmte Wartezeit hinausgeht.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wartezeit einen Zeitraum enthält, in dem ein Strom durch eine Body-Diode des ersten SiC-MOSFET oder des zweiten SiC-MOSFET zurückkehrt.
Antriebsverfahren zum Umschalten zwischen einem ersten SiC-MOSFET (Siliziumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) und einem zweiten SiC-MOSFET, die in Reihe verbunden sind, wobei die Antriebsvorrichtung so ausgebildet ist, dass zwischen einem Zeitpunkt (t2), zu dem der erste SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, und einem Zeitpunkt (t3), zu dem der zweite SiC-MOSFET von AUS zu EIN umgeschaltet wird, und/oder so ausgebildet ist, dass zu oder nach einem Zeitpunkt (t4), zu dem der zweite SiC-MOSFET von EIN zu AUS umgeschaltet wird, eine Totzeit (DT1, DT2) bereitgestellt ist, während der dem ersten SIC-MOSFET und dem zweiten SiC-MOSFET ein AUS-Zustand befohlen wird, wobei das Antriebsverfahren ein Einrichten einer Gate-Spannung des ersten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine erste Mittelspannung, die höher als eine erste negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine erste Schwellenspannung für den ersten SiC-MOSFET ist; und ein Einrichten einer Gate-Spannung des zweiten SiC-MOSFET während der Totzeit auf eine zweite Mittelspannung, die höher als eine zweite negative Stromversorgungsspannung und niedriger als eine zweite Schwellenspannung für den zweiten SiC-MOSFET ist, umfasst.
Leistungswandlervorrichtung, aufweisend die Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.