JP2002165439A - スイッチ回路 - Google Patents

スイッチ回路

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JP2002165439A
JP2002165439A JP2001279451A JP2001279451A JP2002165439A JP 2002165439 A JP2002165439 A JP 2002165439A JP 2001279451 A JP2001279451 A JP 2001279451A JP 2001279451 A JP2001279451 A JP 2001279451A JP 2002165439 A JP2002165439 A JP 2002165439A
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turned
switching
loss
timing
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JP2001279451A
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Takahide Iida
隆英 飯田
Osamu Izuhara
修 伊豆原
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Toyota Industries Corp
Toyota Motor Corp
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Toyota Industries Corp
Toyota Motor Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】少なくとも大電流領域におけるスイッチング素
子のトータル損失を低減させて、その小型化を可能にし
たスイッチ回路を提供する。 【解決手段】電流をオン、オフ制御するためのスイッチ
ング手段14が、互いに損失特性の異なる2つのスイッ
チング素子であるIGBT14aとFET14bとを並
列接続した構成を有する。スイッチング損失はIGBT
14aよりもFET14bの方が小さく、定常損失はI
GBT14aの方がFET14bよりも小さい。スイッ
チング手段14のターンオン時には、IGBT14aの
オンタイミングをFET14bのオンタイミングよりも
遅くし、一方、スイッチング手段14のターンオフ時に
は、FET14bのオフタイミングをIGBT14aの
オフタイミングよりも遅くすることで、スイッチング損
失をFET14bの方に負担させ、定常損失をIGBT
14aの方に負担させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力用の半導体ス
イッチング素子を用いた、例えば昇圧チョッパ回路やイ
ンバータ回路等に適用されるスイッチ回路に係り、特に
は、その損失低減のための改良に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば昇圧チョッパ回路やインバータ回
路は、電流のスイッチングを行うためのスイッチ回路を
含んでいるが、近年、そのようなスイッチ回路には、電
力用半導体スイッチング素子として、IGBT(Insulat
ed Gate Bipolar Transistor)やFET(Field Effect T
ransistor) が多く使用されている。
【0003】図4は、IGBTを用いた従来の一般的な
昇圧チョッパ回路の回路図であり、この昇圧チョッパ回
路は、コイル1、ダイオード2、コンデンサ3、及びス
イッチング素子4から構成されており、スイッチング素
子4としてIGBTを用いている。この回路では、スイ
ッチング素子4を所定サイクルでオン、オフさせること
により、入力側の直流電圧源(例えばバッテリ等)5の
電圧を昇圧して出力側の負荷6に与える。
【0004】図5(a)及び(b)は、図4に示した昇
圧チョッパ回路において、スイッチング素子(IGB
T)4のゲートに制御信号Sを入力した時におけるスイ
ッチング素子4のコレクタ−エミッタ間電圧VCE及び
コレクタ電流IC の変化を示す図である。
【0005】すなわち、図5(a)に示す制御信号Sを
スイッチング素子4のゲートに入力すると、図5(b)
に示すように、まず、制御信号Sの立ち上がり(オン)
により、電圧VCEが低下すると同時に電流IC がゼ
ロから上昇を開始し、このようなターンオン時の過渡期
を経て、スイッチング素子4が完全にオン状態となる。
このオン状態においては、電圧VCEはほぼゼロ近傍の
一定値を維持し、一方、電流IC は徐々に上昇してい
く。
【0006】その後、制御信号Sの立ち下がり(オフ)
により、電圧VCEが上昇していくと同時に電流IC
が減少し始め、このようなターンオフ時の過渡期を経
て、スイッチング素子4が完全にオフ状態となる。この
オフ状態においては、電圧VCEはスイッチング素子4
のターンオン前の電圧値よりも大きな電圧値に昇圧さ
れ、一方、電流IC はゼロに維持される。
【0007】なお、スイッチング素子4として、IGB
Tの代わりにFET(MOSFET)を使用した場合に
おける、そのドレイン−ソース間電圧VDS及びドレイ
ン電流ID の変化を、図5(b)と対応させて図5
(c)に示す。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】一般に、スイッチング
素子による損失は、図5(b)、(c)に示したような
波形における電圧と電流とを掛け合わせたエリアの大き
さで表すことができ、具体的には、スイッチングのター
ンオン時及びターンオフ時のエリアP1、P3;P1
1、P13に相当する損失である「スイッチング損失」
と、スイッチング素子がオン状態にある時のエリアP
2;P12 に相当する損失である「定常損失」とに分
類される。
【0009】ここで、スイッチング損失は、スイッチン
グ速度に起因する。図5(b)と図5(c)とを対比し
て見れば明らかなように、スイッチング速度はFETの
方がIGBTよりも速く、よって、FETのスイッチン
グ損失(P11+P13)の方がIGBTのスイッチン
グ損失(P1+P3)よりも小さい。
【0010】一方、定常損失は、IGBTではオン電圧
に起因し、FETではオン抵抗に起因する。そのため、
図5(b)と図5(c)とを対比して見れば明らかなよ
うに、特に大電流領域では、IGBTの定常損失(P
2)の方がFETの定常損失(P12)よりも小さい。
【0011】そして、トータルの損失(スイッチング損
失と定常損失の合計)を考えてみた場合、特に大電流領
域(例えば100Aクラス)では、IGBTの方がFE
Tよりも損失が小さいため、近年はIGBTの使用が急
増している。しかしながら、IGBTの損失自体(特に
スイッチング損失)は決して少なくないため、その損失
によって発生する熱も大きい。そのため、上記熱による
IGBT自体の温度上昇を抑えるべく、そのパッケージ
を大型化したり、或いは、大型の冷却手段(ヒートシン
ク)を設けなければならない、といった問題が生じてい
た。
【0012】なお、上述したような損失特性の相違は、
IGBTとFETの間においてのみ存在するわけではな
く、一般にバイポーラ型スイッチング素子とモノポーラ
型スイッチング素子との間にほぼ同様に存在する。本発
明は、上記従来の問題点に鑑み、少なくとも大電流領域
におけるスイッチング素子のトータル損失を低減させ
て、その小型化を可能にしたスイッチ回路を提供するこ
とを課題とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の通り構成する。すなわち、本発明
は、電力用半導体スイッチング素子からなるスイッチン
グ手段を備え、このスイッチング手段のオン、オフによ
り電流のオン、オフ制御を行うスイッチ回路において、
上記スイッチング手段が、IGBT等のバイポーラ型ス
イッチング素子と、FET等のモノポーラ型スイッチン
グ素子とを並列接続した構成を有するようにし、上記2
つのスイッチング素子のオン、オフタイミングを互いに
適宜ずらすようにしたものである。この場合のずらすタ
イミングは、以下の通りである。
【0014】すなわち、上記スイッチング手段のターン
オン時には、上記バイポーラ型スイッチング素子のオン
タイミングを上記モノポーラ型スイッチング素子のオン
タイミングよりも遅くなるようにずらし、一方、上記ス
イッチング手段のターンオフ時には、上記モノポーラ型
スイッチング素子のオフタイミングを上記バイポーラ型
スイッチング素子のオフタイミングよりも遅くなるよう
にずらす。
【0015】このようにした場合、スイッチング手段が
ターンオンする時には、まず、スイッチング損失の小さ
なモノポーラ型スイッチング素子が先にオンし、その後
に(すなわち、モノポーラ型スイッチング素子のドレイ
ン−ソース間電圧がほぼゼロとなった状態で)、スイッ
チング損失の大きなバイポーラ型スイッチング素子がオ
ンすることになる。また、スイッチング手段がターンオ
フする時には、モノポーラ型スイッチング素子がオン状
態のままで(すなわち、モノポーラ型スイッチング素子
のドレイン−ソース間電圧がほぼゼロの状態のまま
で)、まず、スイッチング損失の大きなバイポーラ型ス
イッチング素子が先にオフし、その後に、スイッチング
損失の小さなモノポーラ型スイッチング素子がオフする
ことになる。
【0016】よって、バイポーラ型スイッチング素子が
オン、オフする際には、必ずモノポーラ型スイッチング
素子のドレイン−ソース間電圧がほぼゼロ(すなわち、
バイポーラ型スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間
電圧もほぼゼロ)となっているため、いわゆるゼロ電圧
スイッチとなり、バイポーラ型スイッチング素子にはス
イッチング損失がほとんど発生しない。従って、スイッ
チング手段全体の実質的なスイッチング損失はモノポー
ラ型スイッチング素子のみが負担することになり、その
結果、非常に小さなスイッチング損失で済むことにな
る。
【0017】一方、バイポーラ型スイッチング素子がオ
ンしてからオフするまでの期間は、パイポーラ型スイッ
チング素子とモノポーラ型スイッチング素子の両方がオ
ン状態にあるが、この期間(定常状態)中は、特に大電
流領域においてオン抵抗の小さなバイポーラ型スイッチ
ング素子の方にほとんどの電流が流れる。そのため、ス
イッチング手段全体の実質的な定常損失はバイポーラ型
スイッチング素子のみが負担することになり、その結
果、非常に小さな定常損失で済むことになる。
【0018】このように、本発明によれば、損失特性の
異なる2つのタイプのスイッチング素子のオン、オフタ
イミングを適宜制御することで、スイッチング損失と定
常損失とをそれぞれ損失の小さな方のスイッチング素子
に負担させるようにしたので、スイッチング手段全体の
トータル損失が極力抑えられる。
【0019】ここで、各スイッチングのオン、オフタイ
ミングは、特に、以下のように制御するのがより望まし
い。例えば、スイッチング手段のターンオン時には、モ
ノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオンした時点
で(すなわち、モノポーラ型スイッチング素子のドレイ
ン−ソース間電圧がほぼ完全にゼロとなった時点で)、
バイポーラ型スイッチング素子をオンさせるのが望まし
い。このようにすることで、ターンオン時のスイッチン
グ損失が一層低減される。
【0020】同様に、スイッチング手段のターンオフ時
には、バイポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオフ
した時点で(すなわち、バイポーラ型スイッチング素子
のコレクタ電流がほぼ完全にゼロになった時点で)、モ
ノポーラ型スイッチング素子をオフさせるのが望まし
い。このようにすることで、ターンオフ時のスイッチン
グ損失が一層低減される。
【0021】ここで、例えば100Aクラス等の大電流
領域について考えた場合には、前述したように、バイポ
ーラ型スイッチング素子の方にほとんどの電流が流れる
ことで、定常損失はバイポーラ型スイッチング素子のみ
が負担することになり、モノポーラ型スイッチング素子
にかかる定常損失をほとんど無視することができる。そ
のため、上述したオン、オフタイミングの制御は、主に
そのような大電流領域において適用されるのが望まし
い。一方、例えば10Aクラス等の低電流領域では、モ
ノポーラ型スイッチング素子にかかる定常損失が無視で
きなくなるため、そのような低電流領域にまで所望の効
果を拡大するには、以下のようにオン、オフタイミング
を制御することが望ましい。
【0022】すなわち、上記スイッチング手段のターン
オン時には、上記モノポーラ型スイッチング素子を一旦
オンさせ、続いて、このモノポーラ型スイッチング素子
のオンタイミングよりも遅いタイミングで上記バイポー
ラ型スイッチング素子をオンさせた後、このバイポーラ
型スイッチング素子のオンタイミングよりも遅いタイミ
ングで上記モノポーラ型スイッチング素子をオフさせる
ようにし、一方、上記スイッチング手段のターンオフ時
には、オフ状態にあった上記モノポーラ型スイッチング
素子を一旦オンさせ、続いて、このモノポーラ型スイッ
チング素子のオンタイミングよりも遅いタイミングで上
記バイポーラ型スイッチング素子をオフさせた後、この
バイポーラ型スイッチング素子のオフタイミングよりも
遅いタイミングで上記モノポーラ型スイッチング素子を
オフさせるようにする。
【0023】このように制御すれば、スイッチング手段
のターンオン時には、スイッチング損失の小さなモノポ
ーラ型スイッチング素子が先にオンした後に、スイッチ
ング損失の大きなバイポーラ型スイッチング素子がオン
し、一方、スイッチング手段のターンオフ時には、モノ
ポーラ型スイッチング素子がオン状態となってから、ス
イッチング損失の大きなバイポーラ型スイッチング素子
が先にオフし、その後に、スイッチング損失の小さなモ
ノポーラ型スイッチング素子がオフする。このように、
スイッチング手段のターンオン時及びターンオフ時に
は、先に述べたオン、オフタイミングの場合と同様な動
作が行われることにより、同様にスイッチング損失の低
減を図ることが可能となる。
【0024】一方、スイッチング手段のターンオン時に
は、バイポーラ型スイッチング素子がオンした後にモノ
ポーラ型スイッチング素子をオフ状態に戻すようにし、
また、スイッチング手段のターンオフ時には、そのオフ
状態にあるモノポーラ型スイッチング素子をオンしてか
らバイポーラ型スイッチング素子をオフするように制御
する。そのため、スイッチング手段がターンオンしてか
らターンオフするまでの期間は、定常損失の小さなバイ
ポーラ型スイッチング素子のみがオン状態となり、定常
損失の大きなモノポーラ型スイッチング素子はオフ状態
を維持する。よって、スイッチング手段全体の定常損失
は、バイポーラ型スイッチング素子のみが完全に負担す
ることになり、低電流領域であっても大電流領域であっ
ても、非常に小さな定常損失が実現される。
【0025】ここで、各スイッチングのオン、オフタイ
ミングは、特に、以下のように制御するのが一層望まし
い。例えば、スイッチング手段のターンオン時には、モ
ノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオンした時点
でバイポーラ型スイッチング素子をオンさせ、その後、
このバイポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオンし
た時点でモノポーラ型スイッチング素子をオフさせるの
が望ましい。このようにすることで、ターンオン時のス
イッチング損失が一層低減されると共に、定常損失をも
極力低減することが可能となる。
【0026】同様に、スイッチング手段のターンオフ時
には、モノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオン
した時点でバイポーラ型スイッチング素子をオフさせ、
その後、このバイポーラ型スイッチング素子がほぼ完全
にオフした時点でモノポーラ型スイッチング素子をオフ
させるのが望ましい。このようにすることで、ターンオ
フ時のスイッチング損失が一層低減されると共に、定常
損失をも極力低減することが可能となる。
【0027】なお、本発明をもっと広い概念でとらえた
場合、必ずしもバイポーラ型スイッチング素子とモノポ
ーラ型スイッチング素子との組合せである必要はなく、
すなわち、スイッチング損失が大きく定常損失の小さな
第1の半導体スイッチング素子と、スイッチング損失が
小さく定常損失の大きな第2の半導体スイッチング素子
との組合せであれば、前述の課題を解決可能である。し
かも、単に2つのスイッチング素子の組合せに限定され
るものではなく、必要に応じて、損失特性の互いに異な
る3つ以上のスイッチング素子を組み合わせた構成であ
ってもよい。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。 <本発明の第1の実施の形態>図1は、本発明の第1の
実施の形態を適用した昇圧チョッパ回路の回路図であ
る。ここでは、昇圧チョッパ回路として、例えば100
Aクラスの大電流用のものを考えている。
【0029】この昇圧チョッパ回路は、コイル11、コ
ンデンサ12、ダイオード13、及びスイッチング手段
14から構成されている。そして、スイッチング手段1
4は、互いに損失特性の異なる2つのスイッチング素子
であるIGBT14aとFET14bとを並列接続した
構成からなっている。ここで、スイッチング損失はIG
BT14aよりもFET14bの方が小さく、定常損失
はIGBT14aの方がFET14bよりも小さい。こ
のことは、特に大電流領域において顕著である。
【0030】この回路では、スイッチング手段14を構
成するIGBT14aとFET14bとを、そのオン、
オフタイミングを適宜ずらしながら所定サイクルでオ
ン、オフさせることにより、入力側の直流電圧源(例え
ばバッテリ等)15の電圧を昇圧して出力側の負荷16
に与える。
【0031】ここで、上記オン、オフタイミングの制御
について、図2を用いて詳しく説明する。なお、この制
御は、不図示の制御手段で生成された制御信号A、Bを
IGBT14aとFET14bの各ゲートに入力するこ
とにより行う。図2は、図1に示した昇圧チョッパ回路
において、IGBT14aとFET14bの各ゲートに
それぞれ制御信号A、Bを入力した時における、スイッ
チング手段14全体の両出力端子a、b間の電圧Vab
及びそこに流れる電流Iabの変化を示す図である。な
お、電圧Vabは、IGBT14aのコレクタ−エミッ
タ間電圧VCE及びFET14bのドレイン−ソース間
電圧VDSに等しく、また、電流Iabは、IGBT1
4aのコレクタ電流IC とFET14bのドレイン電
流ID との合計に等しい。
【0032】スイッチング手段14をオン、オフ制御す
る場合、IGBT14aのゲートには、図2(a)に示
す制御信号Aを与え、一方、FET14bのゲートに
は、図2(b)に示す制御信号Bを与える。これによ
り、電圧Vab及び電流Iabは図2(c)のように変
化する。このことについて、以下に、より具体的に説明
する。
【0033】まず、スイッチング手段14をオンさせる
場合には、制御信号Bを立ち上げることで、スイッチン
グ損失の小さな(つまり、スイッチング速度の速い)F
ET14bを先にオンさせる。すると、この時点ではI
GBT14aがまだオフ状態にあるため、FET14b
のスイッチング特性に従って電圧Vabが急速に低下す
ると同時に、電流Iabがゼロから急速に上昇し、この
ようなターンオン時の過渡期を経て、FET14bがほ
ぼ完全にオン状態となる。
【0034】そして、FET14bがほぼ完全にオンし
た時点で、制御信号Aを立ち上げることにより、スイッ
チング損失の大きなIGBT14aをオンさせる。この
時、FET14bがほぼ完全にオンしているため、FE
T14bのオン抵抗に起因する電圧Vabがほぼゼロと
なっており、いわゆるゼロ電圧スイッチとなるため、I
GBT14aにはスイッチング損失がほとんど発生しな
い。従って、スイッチング手段14全体の実質的なスイ
ッチング損失はFET14bのみが負担することにな
り、その結果、ターンオン時のスイッチング損失を非常
に小さく抑えることができる。
【0035】このようにしてIGBT14aとFET1
4bの両方がオン状態になると、その期間(定常状態)
中は、特に大電流領域においてオン抵抗の小さなIGB
T14aの方にほとんどの電流が流れる。そのため、こ
の定常状態では、電圧Vab及び電流IabはIGBT
14aの定常損失特性に従って変化し、すなわち、IG
BT14aのオン電圧及びFET14bのオン抵抗に起
因する電圧Vabはほぼゼロ近傍の一定値を維持し、一
方、電流Iabは徐々に上昇していく。このことから、
スイッチング手段14全体の実質的な定常損失はIGB
T14aのみが負担することになり、その結果、定常損
失を非常に小さく抑えることができる。
【0036】その後、スイッチング手段14をオフさせ
る場合には、制御信号Aを立ち下げることで、スイッチ
ング損失の大きなIGBT14aを先にオフさせる。す
ると、この時点ではFET14bがまだオン状態にある
ため、IGBT14aがオフしても、電圧Vab及び電
流Iabは急激に変化することはせずに、FET14b
の定常損失特性にほぼ従って徐々に上昇していく程度で
ある。よって、この時も、IGBT14aはほぼゼロ電
圧スイッチとなり、IGBT14aにはスイッチング損
失がほとんど発生しない。
【0037】そして、IGBT14aがそのターンオフ
時の過渡期を経てほぼ完全にオフした時点(すなわち、
IGBT14aのコレクタ電流がほぼゼロになった時
点)で、制御信号Bを立ち下げることにより、スイッチ
ング損失の小さなFET14bをオフさせる。これによ
り、FET14bのスイッチング特性に従って、電圧V
abがターンオン前の電圧値よりも大きな電圧値まで急
速に昇圧されると同時に、電流Iabが急速に減少して
ゼロとなる。従って、ターンオフ時にも、スイッチング
手段14全体の実質的なスイッチング損失はFET14
bのみが負担することになり、その結果、ターンオフ時
のスイッチング損失を非常に小さく抑えることができ
る。
【0038】このように、第1の実施の形態によれば、
損失特性の異なる2つのタイプのスイッチング素子(I
GBT14aとFET14b)のオン、オフタイミング
を適宜制御することで、スイッチング損失と定常損失と
をそれぞれ損失の小さな方のスイッチング素子に負担さ
せるようにしたので、特に大電流領域においてスイッチ
ング手段14全体のトータル損失を極力抑えることがで
きる。
【0039】この点は図2(c)と図5(b)及び
(c)とを比較すれば明らかであり、すなわち、図2
(c)に示す第1の実施の形態におけるスイッチング損
失に相当するエリアP21及びP23の面積は、図5
(c)におけるFETのスイッチング損失に相当するエ
リアP11及びP13の面積にほぼ等しく、また、図2
(c)に示す本実施の形態における定常損失に相当する
エリアP22の面積は、図5(b)におけるIGBTの
定常損失に相当するエリアP2 の面積にほぼ等しい。
よって、IGBTとFETとをそれぞれ個別に使用した
場合と比べて、トータル損失(P21+P22+P2
3)を著しく低減できることがわかる。
【0040】このようにスイッチング手段14のトータ
ル損失を低減させることができるので、その損失によっ
て発生する熱量も低減され、その結果、スイッチング素
子のパッケージの大型化やその冷却手段(ヒートシン
ク)の大型化を極力避けることができる。 <本発明の第2の実施の形態>本発明の第2の実施の形
態は、図1に示したものと同一構成の昇圧チョッパ回路
に適用されるが、ここでは、昇圧チョッパ回路として、
例えば10Aクラスの低電流用のものから100Aクラ
スの大電流用のものまで広範囲に考えている。なお、こ
こでは、昇圧チョッパ回路の構成についての説明を省略
する。
【0041】図3は、図1に示した昇圧チョッパ回路に
おいて、IGBT14aとFET14bの各ゲートに、
第2の実施の形態に係る制御信号A、Bをそれぞれ入力
した時における、スイッチング手段14全体の両出力端
子a、b間の電圧Vab及びそこに流れる電流Iabの
変化を示す図である。
【0042】スイッチング手段14をオン、オフ制御す
る場合、IGBT14aのゲートには、図3(a)に示
す制御信号Aを与え、一方、FET14bのゲートに
は、図3(b)に示す制御信号Bを与える。これによ
り、電圧Vab及び電流Iabは図3(c)のように変
化する。この制御について、以下に、より具体的に説明
する。
【0043】まず、スイッチング手段14をターンオン
させる場合には、制御信号Bを立ち上げることで、スイ
ッチング損失の小さなFET14bを先にオンさせる。
すると、この時点ではIGBT14aがまだオフ状態に
あるため、FET14bのスイッチング特性に従って電
圧Vabが急速に低下すると同時に、電流Iabがゼロ
から急速に上昇し、このようなターンオン時の過渡期を
経て、FET14bがほぼ完全にオン状態となる。
【0044】そして、FET14bがほぼ完全にオンし
た時点、すなわち電圧Vabがほぼゼロとなった時点
で、制御信号Aを立ち上げることにより、スイッチング
損失の大きなIGBT14aをオンさせる。この時、F
ET14bがほぼ完全にオンしているため、電圧Vab
がほぼゼロとなっており、いわゆるゼロ電圧スイッチと
なるため、IGBT14aにはスイッチング損失がほと
んど発生しない。従って、スイッチング手段14全体の
実質的なスイッチング損失はFET14bのみが負担す
ることになり、その結果、ターンオン時のスイッチング
損失を非常に小さく抑えることができる。この点は、先
に説明した第1の実施の形態と同様である。
【0045】第2の実施の形態では、その後更に、IG
BT14aの上記オンのタイミングよりも遅いタイミン
グで、望ましくはIGBT14aがほぼ完全にオンした
時点で、制御信号Bを立ち下げることにより、一旦オン
状態となっているFET14bをオフ状態に戻す。
【0046】このようにして、スイッチング手段14の
ターンオン後は、定常損失の小さなIGBT14aのみ
がオン状態を維持する。すると、その期間(定常状態)
中は、IGBT14aに全ての電流が流れるため、電圧
Vab及び電流IabはIGBT14aの定常損失特性
に従って変化し、すなわち、電圧Vabはほぼゼロ近傍
の一定値を維持し、一方、電流Iabは徐々に上昇して
いく。このことから、スイッチング手段14全体の定常
損失はIGBT14aのみが完全に負担することにな
り、その結果、大電流領域であっても低電流領域であっ
ても、定常損失を非常に小さく抑えることができる。
【0047】その後、スイッチング手段14をターンオ
フさせる場合には、まず制御信号Bを立ち上げること
で、それまでオフ状態にあったFET14bを一旦オン
させる。この時は、IGBT14aが既にオン状態にあ
るので、電圧Vab及び電流Iabはほとんど定常状態
時の変化を維持する。
【0048】続いて、FET14bの上記オンのタイミ
ングよりも遅いタイミングで、望ましくはFET14b
がほぼ完全にオンした時点で、制御信号Aを立ち下げる
ことで、スイッチング損失の大きなIGBT14aをオ
フさせる。すると、この時点ではFET14bが既にオ
ン状態にあるため、IGBT14aがオフしても、電圧
Vab及び電流Iabは急激に変化することはせずに、
FET14bの定常損失特性にほぼ従って徐々に上昇し
ていく程度である。よって、この時も、IGBT14a
はほぼゼロ電圧スイッチとなり、IGBT14aにはス
イッチング損失がほとんど発生しない。
【0049】そして、IGBT14aがそのターンオフ
時の過渡期を経てほぼ完全にオフした時点で、制御信号
Bを立ち下げることにより、スイッチング損失の小さな
FET14bをオフさせる。これにより、FET14b
のスイッチング特性に従って、電圧Vabがターンオン
前の電圧値よりも大きな電圧値まで急速に昇圧されると
同時に、電流Iabが急速に減少してゼロとなる。従っ
て、ターンオフ時にも、スイッチング手段14全体の実
質的なスイッチング損失はFET14bのみが負担する
ことになり、その結果、ターンオフ時のスイッチング損
失を非常に小さく抑えることができる。この点も、第1
の実施の形態と同様である。
【0050】このように、第2の実施の形態によれば、
損失特性の異なる2つのタイプのスイッチング素子(I
GBT14aとFET14b)のオン、オフタイミング
を適宜制御することで、スイッチング損失と定常損失と
をそれぞれ損失の小さな方のスイッチング素子に負担さ
せるようにしたので、大電流領域のみならず、低電流領
域においてもスイッチング手段14全体のトータル損失
(図3(c)中のP31+P32+P33)を極力抑え
ることができる。すなわち、第2の実施の形態によれ
ば、第1の実施の形態により主に大電流領域で期待でき
る効果を、低電流領域にまで広範囲に拡大することがで
きる。 <その他の実施の形態>本発明は、上記実施の形態に限
定されるものではなく、請求項に記載した本発明の主旨
を逸脱しない範囲内において、種々の構成を採用可能で
ある。例えば、以下のような構成変更も可能である。
【0051】(1)上記の実施の形態では、図2
(a)、(b)や図3(a)、(b)に明らかなよう
に、ターンオン時には制御信号Aのオンタイミングを制
御信号Bのオンタイミングよりも若干遅らせているが、
これらを同時タイミングとしてもかまわない。すなわ
ち、本来、スイッチング速度はIGBTよりもFETの
方が速いため、制御信号A及びBのオンタイミングを同
時にしても、スイッチング素子の実質的なオンタイミン
グはIGBTよりもFETの方が速くなり、ほぼ同様な
作用が期待できる。勿論、ターンオフ時における制御信
号A及びBのオフタイミングは同時であってはいけな
い。
【0052】なお、請求項の中で用いた「オンタイミン
グ」及び「オフタイミング」という語句は、制御信号の
オン、オフタイミングではなく、スイッチング素子自体
が実際にオン、オフするタイミングを意味している。 (2)上記の実施の形態では、ターンオン時には、FE
Tがほぼ完全にオンした時点でIGBTをオンさせ、一
方、ターンオフ時には、IGBTがほぼ完全にオフした
時点でFETをオフさせるようにしており、このように
制御することが望ましいが、本発明はこれに限定されな
い。すなわち、各スイッチング素子のオン、オフのタイ
ミングをどの程度ずらすのかは、各素子において発生す
るスイッチング損失と定常損失とを考慮し、それらのト
ータル損失ができるだけ小さくなるように適宜設定され
ればよい。
【0053】(3)スイッチング手段としては、IGB
TとFETとの組合せが望ましいが、本発明はこれに限
定されるものではない。すなわち、前述したように、I
GBTとFETとの間に存在する損失特性の相違は、一
般に、バイポーラ型スイッチング素子とモノポーラ型ス
イッチング素子との間にほぼ同様に存在しているため、
スイッチング手段としては、バイポーラ型スイッチング
素子とモノポーラ型スイッチング素子との多くの組合せ
の中から、互いに適当な損失特性を持ち合わせたもの同
士を適宜採用可能である。
【0054】本発明を更に広くとらえれば、バイポーラ
型スイッチング素子とモノポーラ型スイッチング素子と
の組合せに限定されるものでもなく、すなわち、スイッ
チング損失が大きく定常損失の小さな第1の半導体スイ
ッチング素子と、スイッチング損失が小さく定常損失の
大きな第2の半導体スイッチング素子とを適宜組み合わ
せることで、同様な作用が期待できる。勿論、3個以上
のスイッチング素子を並列接続したものも本発明の範囲
内である。
【0055】なお、使用可能なスイッチング素子として
は、IGBTやFETの他にも、通常のバイポーラトラ
ンジスタ、SIT、サイリスタ等、各種のものが考えら
れる。 (4)上記実施の形態では、昇圧チョッパ回路を一例と
して説明したが、本発明は、その他にも降圧チョッパ回
路やインバータ回路等、電流をオン、オフ制御するスイ
ッチ回路を含んだ各種回路に適用可能である。
【0056】
【発明の効果】本発明によれば、損失特性の異なるスイ
ッチング素子を並列接続し、そのオン、オフのタイミン
グを適宜ずらして、それぞれの優れている方の損失特性
を使用可能としたことにより、全体の損失を極力低減さ
せることができ、その結果、スイッチング素子及びその
冷却手段の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を適用した昇圧チョ
ッパ回路の回路図である。
【図2】図1に示した昇圧チョッパ回路において、IG
BT14aとFET14bの各ゲートに、本発明の第1
の実施の形態に係る制御信号A、Bをそれぞれ入力した
時における、スイッチング手段14全体の両出力端子
a、b間の電圧Vab及びそこに流れる電流Iabの変
化を示す図である。
【図3】図1に示した昇圧チョッパ回路において、IG
BT14aとFET14bの各ゲートに、本発明の第2
の実施の形態に係る制御信号A、Bをそれぞれ入力した
時における、スイッチング手段14全体の両出力端子
a、b間の電圧Vab及びそこに流れる電流Iabの変
化を示す図である。
【図4】IGBTを用いた従来の一般的な昇圧チョッパ
回路の回路図である。
【図5】図4に示した従来の昇圧チョッパ回路におい
て、スイッチング素子(IGBT)4のゲートに制御信
号Sを入力した時における、スイッチング素子4のコレ
クタ−エミッタ間電圧VCE及びコレクタ電流IC の
変化を示す図である。
【符号の説明】
11 コイル 12 コンデンサ 13 ダイオード 14 スイッチング手段 14a IGBT 14b FET
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊豆原 修 愛知県刈谷市豊田町2丁目1番地 株式会 社豊田自動織機内 Fターム(参考) 3K072 AC20 BA03 CA16 CB04 CB05 GA01 GA02 GA10 GB03 HB03 5H730 AA10 AA14 AA15 AA16 BB14 BB57 DD03 DD04 DD32 FG01

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力用半導体スイッチング素子からなる
    スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のオン、
    オフにより電流のオン、オフ制御を行うスイッチ回路に
    おいて、 前記スイッチング手段が、バイポーラ型スイッチング素
    子とモノポーラ型スイッチング素子とを並列接続した構
    成を有し、 前記スイッチング手段のターンオン時には、前記バイポ
    ーラ型スイッチング素子のオンタイミングを前記モノポ
    ーラ型スイッチング素子のオンタイミングよりも遅く
    し、 前記スイッチング手段のターンオフ時には、前記モノポ
    ーラ型スイッチング素子のオフタイミングを前記バイポ
    ーラ型スイッチング素子のオフタイミングよりも遅くす
    る、 ことを特徴とするスイッチ回路。
  2. 【請求項2】 前記スイッチング手段のターンオン時に
    は、前記モノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオ
    ンした時点で、前記バイポーラ型スイッチング素子をオ
    ンさせることを特徴とする請求項1記載のスイッチ回
    路。
  3. 【請求項3】 前記スイッチング手段のターンオフ時に
    は、前記バイポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオ
    フした時点で、前記モノポーラ型スイッチング素子をオ
    フさせることを特徴とする請求項1又は2記載のスイッ
    チ回路。
  4. 【請求項4】 電力用半導体スイッチング素子からなる
    スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のオン、
    オフにより電流のオン、オフ制御を行うスイッチ回路に
    おいて、 前記スイッチング手段が、バイポーラ型スイッチング素
    子とモノポーラ型スイッチング素子とを並列接続した構
    成を有し、 前記スイッチング手段のターンオン時には、前記モノポ
    ーラ型スイッチング素子を一旦オンさせ、該モノポーラ
    型スイッチング素子のオンタイミングよりも遅いタイミ
    ングで前記バイポーラ型スイッチング素子をオンさせた
    後、該バイポーラ型スイッチング素子のオンタイミング
    よりも遅いタイミングで前記モノポーラ型スイッチング
    素子をオフさせるようにし、 前記スイッチング手段のターンオフ時には、オフ状態に
    あった前記モノポーラ型スイッチング素子を一旦オンさ
    せ、該モノポーラ型スイッチング素子のオンタイミング
    よりも遅いタイミングで前記バイポーラ型スイッチング
    素子をオフさせた後、該バイポーラ型スイッチング素子
    のオフタイミングよりも遅いタイミングで前記モノポー
    ラ型スイッチング素子をオフさせるようにする、 ことを特徴とするスイッチ回路。
  5. 【請求項5】 前記スイッチング手段のターンオン時に
    は、前記モノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオ
    ンした時点で前記バイポーラ型スイッチング素子をオン
    させ、その後、該バイポーラ型スイッチング素子がほぼ
    完全にオンした時点で前記モノポーラ型スイッチング素
    子をオフさせることを特徴とする請求項4記載のスイッ
    チ回路。
  6. 【請求項6】 前記スイッチング手段のターンオフ時に
    は、前記モノポーラ型スイッチング素子がほぼ完全にオ
    ンした時点で前記バイポーラ型スイッチング素子をオフ
    させ、その後、該バイポーラ型スイッチング素子がほぼ
    完全にオフした時点で前記モノポーラ型スイッチング素
    子をオフさせることを特徴とする請求項4又は5記載の
    スイッチ回路。
  7. 【請求項7】 前記バイポーラ型スイッチング素子がI
    GBTであり、前記モノポーラ型スイッチング素子がF
    ETである請求項1乃至6のいずれか1項に記載のスイ
    ッチ回路。
  8. 【請求項8】 電力用半導体スイッチング素子からなる
    スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のオン、
    オフにより電流のオン、オフ制御を行うスイッチ回路に
    おいて、 前記スイッチング手段が、少なくとも、スイッチング損
    失が大きく定常損失の小さな第1の半導体スイッチング
    素子と、スイッチング損失が小さく定常損失の大きな第
    2の半導体スイッチング素子とを並列接続した構成を有
    し、 前記スイッチング手段のターンオン時には、前記第1の
    半導体スイッチング素子のオンタイミングを前記第2の
    半導体スイッチング素子のオンタイミングよりも遅く
    し、 前記スイッチング手段のターンオフ時には、前記第2の
    半導体スイッチング素子のオフタイミングを前記第1の
    半導体スイッチング素子のオフタイミングよりも遅くす
    る、 ことを特徴とするスイッチ回路。
  9. 【請求項9】 電力用半導体スイッチング素子からなる
    スイッチング手段を備え、該スイッチング手段のオン、
    オフにより電流のオン、オフ制御を行うスイッチ回路に
    おいて、 前記スイッチング手段が、少なくとも、スイッチング損
    失が大きく定常損失の小さな第1の半導体スイッチング
    素子と、スイッチング損失が小さく定常損失の大きな第
    2の半導体スイッチング素子とを並列接続した構成を有
    し、 前記スイッチング手段のターンオン時には、前記第2の
    半導体スイッチング素子を一旦オンさせ、該第2の半導
    体スイッチング素子のオンタイミングよりも遅いタイミ
    ングで前記第1の半導体スイッチング素子をオンさせた
    後、該第1の半導体スイッチング素子のオンタイミング
    よりも遅いタイミングで前記第2の半導体スイッチング
    素子をオフさせるようにし、 前記スイッチング手段のターンオフ時には、オフ状態に
    あった前記第2の半導体スイッチング素子を一旦オンさ
    せ、該第2の半導体スイッチング素子のオンタイミング
    よりも遅いタイミングで前記第1の半導体スイッチング
    素子をオフさせた後、該第1の半導体スイッチング素子
    のオフタイミングよりも遅いタイミングで前記第2の半
    導体スイッチング素子をオフさせるようにする、 ことを特徴とするスイッチ回路。
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