JP2005312117A

JP2005312117A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2005312117A
Application number: JP2004122695A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Akashi; 憲彦明石; Akinori Nishizawa; 昭則西沢
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-04-19
Filing date: 2004-04-19
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子のゲート端子とエミッタ端子の間にコンデンサを切り替えることによって、放射性ノイズを増加させることなくスイッチング損失を低減させる電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体スイッチング素子１と、スイッチング素子１と逆並列接続されているフリーホイールダイオードと、半導体スイッチング素子１を駆動するためのゲートドライバ６と、該当ゲートドライバ６の間に接続してあるゲート抵抗と、スイッチング素子１のスイッチング電流波形を検出するため電流センサ７と、検出された電流波形信号を受けスイッチ１１を制御するための制御回路５と、ゲート端子２とエミッタ端子４の間の電圧変化率を変えるためのスイッチ１１と、スイッチ１１のスイッチングのタイミングを変えるためのコンデンサ１０などで構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ(絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)などの半導体スイッチング素子で構成され、スイッチング途中にゲート端子とエミッタ端子の間のコンデンサを切り替えることによって、放射性ノイズを増加させることなくスイッチング損失を低減する電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置は、半導体スイッチング素子を利用するインバータシステムにおいて、例えば、スイッチング素子であるＩＧＢＴなどのスイッチング電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）を小さくすることによって、インバータシステムから発生する放射性のノイズを抑制している。しかし、スイッチング電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）を小さくすると、スイッチング損失が増大する。このように、放射性のノイズとスイッチング損失はトレードオフの関係にある。

そこで、下記特許文献である特開平９‐５１０６８号公報においては、ＩＧＢＴに加わる電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）および電流の変化率の絶対値（｜ｄｉ／ｄｔ｜）を調整するため、半導体装置の外部に、ＩＧＢＴのゲート端子と駆動回路のゲート端子間に接続されるゲート抵抗を設け、あるいはＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子の間に接続されるコンデンサを設けている。

特開平９−５１０６８号公報

上記のような従来の回路構成では、半導体装置外部にＩＧＢＴのゲート端子と駆動回路のゲート端子間のゲート抵抗またはＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子の間のコンデンサの値を大きくすると放射性ノイズは低減できるが、スイッチング損失が増加する。

逆に、ＩＧＢＴのゲート端子と駆動回路のゲート端子間のゲート抵抗またはＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子の間のコンデンサの値を小さくするとスイッチング損失は低減できるが、放射性ノイズは増加する。このように放射性ノイズとスイッチング損失とのトレードオフの問題は解決できなかった。

本発明の目的は、スイッチング素子である、例えば、ＩＧＢＴのスイッチング途中にＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子の間のコンデンサ容量を切り替えることによって、放射性ノイズを増加させることなくスイッチング損失を低減することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動するためのゲートドライバと、
半導体スイッチング素子と上記ゲートドライバの間に接続されたゲート抵抗と、
半導体スイッチング素子のスイッチング信号を検出するためのセンサと、
半導体スイッチング素子のゲート端子とエミッタ端子の間に接続されたコンデンサと、
上記コンデンサを導通させるためにコンデンサと直列に接続されたスイッチと、
上記センサからの検出信号を受け上記スイッチを制御するための制御回路と、を備えることを特徴とする。

特に、上記センサとしてスイッチング素子のコレクタ端子とエミッタ端子あるいはゲート端子とエミッタ端子の間に電圧センサを設ける、または、半導体スイッチング素子により発生する放射性ノイズを検出するため、スイッチング素子の近辺にループコイルを備えることもできる。

本発明によれば、半導体スイッチング素子のスイッチング中にゲート端子とエミッタ端子の間のコンデンサ容量を変えることにより、電力変換装置のスイッチング時に発生する放射性ノイズとスイッチング損失の両方を低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態による電力変換装置の回路図である。図１に示すように、電力変換装置は、半導体スイッチング素子１と、半導体スイッチング素子１を駆動するためのゲートドライバ６と、半導体スイッチング素子１とゲートドライバ６の間に接続してあるゲート抵抗８，９と、半導体スイッチング素子１のエミッタ端子４とアースとの間に接続され、スイッチング電流波形を検出するための電流センサ７と、該当電流センサ７から検出された電流波形信号を受け下記の各スイッチ１１を制御する制御回路５と、半導体スイッチング素子１のスイッチング中にゲート端子２とエミッタ端子４の間に接続され、両端子間の電圧変化率を変えるためのコンデンサ１０，１０と、上記のコンデンサ１０，１０を導通させるためスイッチ１１とコンデンサ１０，１０にそれぞれ直列接続されて構成される。

半導体スイッチング素子１は、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタや絶縁ゲート・バイポーラトランジスタなどで構成され、ゲートドライバ６からのゲート信号によって、後段に接続される負荷（図示せず）に流れる電源をオンまたはオフする。

電流センサ７は、例えば、電流母線の周囲に配置されたコアの一部にギャップを設け、このギャップ内に配置したホール素子により、被検出電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換するホール電流センサと出力に負荷抵抗を接続することにより、被検出電流に比例した出力を得る方式および非接触で検出可能なカレントトランスフォーマーなどで構成され、半導体スイッチング素子１に流れる電流を検知して、その電流の大きさに応じた電圧信号を制御回路の方に入力する。

制御回路５は、例えば、スイッチ１１としてのトランジスタを駆動するために構成されたアンプ回路で構成し電流センサ７からの信号によってタイミング信号およびパルス幅信号を出力し、各スイッチ１１のオンタイミングおよびオン時間を制御する。

ゲート抵抗８，９は、例えば、固定抵抗または可変抵抗を用い、ゲートドライバ端子側に設けた外部ゲート抵抗８と半導体スイッチング素子１のゲート端子に設けた内部ゲート抵抗９とを直列した構成とし、スイッチング素子のパッケージ（図示せず）の内部に配置する。

また、半導体スイッチング素子の仕様によっては電力変換装置を上記のようにスイッチング素子１のゲート端子側に接続される内部ゲート抵抗９なしで、ゲートドライバ６側に接続される外部ゲート抵抗８だけで構成することもできる。

ゲート／エミッタ間コンデンサ１０、１０は内部ゲート抵抗９およびスイッチ１１、１１を介して半導体スイッチング素子１のゲート端子２とエミッタ端子４の間に並列に接続される。ゲート／エミッタ間コンデンサ１０、１０とスイッチ１１、１１は半導体スイッチング素子１のゲート端子２とエミッタ端子４の間に並列に複数個接続してもよい。

このような構成にすれば、半導体スイッチング素子１のスイッチングを電流センサ７によって検出し、制御回路５がスイッチ１１、１１を個別に、あるいは複数個同時に制御することにより、半導体スイッチング素子１のスイッチング中に半導体スイッチング素子１のゲート端子２とエミッタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値を変えることができる。

半導体スイッチング素子１のスイッチング時の放射性ノイズが発生するタイミングは半導体スイッチング素子１がオンする初期であるため半導体スイッチング素子１がオンするタイミングで制御回路５の制御信号により並列に連結されたスイッチ１１、１１をオン状態にする。したがって、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を大きくすることにより、半導体スイッチング素子１に印加される電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）および半導体スイッチング素子１に流れる電流変化率の絶対値（｜ｄｉ／ｄｔ｜）を小さくでき、電力変換装置から発生するスイッチング放射性ノイズを抑制することができる。

さらに、半導体スイッチング素子１がオンするタイミングを電流センサ７で検知し、スイッチ１１、１１をまたはどちらか一つだけをオフし、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を小さくすることにより、半導体スイッチング素子１に印加される電圧変化率の絶対値および半導体スイッチング素子１に流れる電流変化率の絶対値を大きくでき、電力変換装置のスイッチング損失を低減することも可能となる。

図２は、半導体スイッチング素子がオンするときの出力電圧波形で、横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示したもので、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量が大きい場合Ａ、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量が小さい場合Ｂ、およびゲート端子２とエミッタ端子４のコンデンサ容量を制御した場合Ｃでの、半導体スイッチング素子１がオンするときのコレクタ端子３とエミッタ端子４の間の電圧波形である。

まず、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量が小さい場合Ｂは、コンデンサ容量が大きい場合Ａと比べてコレクタ端子３とエミッタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）は大きく、このため半導体スイッチング素子のスイッチングのとき放射性ノイズは大きくなるが、スイッチング損失は小さくなる。

逆に、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量が大きい場合Ａは、コンデンサ容量が小さい場合Ｂと比べてコレクタ端子３とエミッタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）は小さく、このため半導体スイッチング素子のスイッチングのとき、放射性ノイズは小さいが、スイッチング損失は大きくなる。

また、図１に示す構成によって、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を半導体スイッチング素子１のスイッチング中に制御回路５によって制御される複数個のスイッチ１１、１１をオンまたはオフ制御した場合Ｃ、コレクタ端子３とエミッタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値（｜ｄｖ／ｄｔ｜）をスイッチング前半は小さくし、スイッチング後半は大きくすることができる。

すなわち、スイッチング前半はスイッチ１１，１１をオンし、スイッチング後半はオフすることにより半導体スイッチング素子のスイッチング時の放射性ノイズは、ゲート端子２とエミッタ端子４のコンデンサ容量が大きい場合Ａと同程度となり，さらにスイッチング損失はゲート端子２とエミッタ端子４のコンデンサ容量が大きい場合Ｂよりも小さくなるため、スイッチング放射性ノイズとスイッチング損失が小さくなる。

実施の形態２．
図３は、本発明の第２実施形態の電流センサを持つ回路図である。本実施形態では、図１に示した電力変換装置の電圧センサに代えて中で半導体スイッチング素子のコレクタ端子３の側に接続され、スイッチング電流をセンシングする電流センサ７を設け、半導体スイッチング素子のコレクタ端子３側の電流を検出するように回路を構成する。

このような構成により、制御回路５がスイッチ１１、１１を制御することにより、半導体スイッチング素子１のスイッチング中に半導体スイッチング素子１のゲート端子２とコレクタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値を変えて、実施例１のように電力変換装置から発生するスイッチング放射性ノイズ及びスイッチング損失を低減することが可能である。

実施の形態３．
図４は、本発明の第３実施形態の電流センサを持つ回路図で、図１に示した電力変換装置の中で半導体スイッチング素子の電圧センサに代えてゲート端子２の側に接続されスイッチング電流をセンシングする電流センサ７を設け、ゲート端子２側の電流を検出するように回路を構成する。

本実施形態では、上述したように電流センサ以外には第１および第２実施形態と同じ回路動作で、本発明の電力変換装置から発生するスイッチング放射性ノイズ及びスイッチング損失を低減することが可能である。

実施の形態４．
図５は、本発明の第４実施形態の電圧センサを持つ回路図で、図１に示した電力変換装置の中で電流センサ７の代わりに半導体スイッチング素子１のコレクト端子３とエミッタ端子４の間の電圧を検出する電圧センサ１２を持ち、ほかの回路構成は本発明の実施例１と同じである。

電力変換装置の動作について説明すると、半導体スイッチング素子１のコレクト端子３とエミッタ端子４の間に接続されている電圧センサ１２によって検出される値が、例えば、トランジスタで構成されるスイッチ１１を駆動するためのアンプまたは制御ＩＣなどで構成された制御回路４に入力され、半導体スイッチング素子１がオンするタイミングでスイッチ１１をオン状態にし、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を大きくすることにより、半導体スイッチング素子１に印加される電圧の変化率の絶対値および半導体スイッチング素子１に流れる電流変化率の絶対値を小さくでき、半導体スイッチング素子１から発生するスイッチング放射性ノイズを抑制することができる。

さらに、半導体スイッチング素子１がオンするタイミングを電圧センサ１２で検知し，スイッチ１１をオフすることにより、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を小さくすることにより、半導体スイッチング素子１のスイッチング損失を低減することが可能となる。

また、電圧センサ１２によって検出される値が、スイッチ１１を駆動させるための制御回路４に入力され、ゲート端子２とエミッタ端子４の間のコンデンサ容量を変え、コレクタ端子３とエミッタ端子４の間の電圧の変化率の絶対値を前半は小さくし、後半は大きくして実施例１のように電力変換装置から発生するスイッチング放射性ノイズ及びスイッチング損失を低減することが可能である。

実施の形態５．
図６は、本発明の第５実施形態の電圧センサを持つ回路図で、図１に示した電力変換装置の中で電流センサ７の代わりに半導体スイッチング素子１のゲート端子２とエミッタ端子４の間の電圧を例えば、トロイダルコアとホール素子および抵抗などで構成される電圧センサ１２を備える。

本実施形態では、上述したように電圧センサ以外には第１および第５実施形態と同じ回路動作で、本発明の電力変換装置から発生するスイッチング放射性ノイズ及びスイッチング損失を低減することが可能である。

実施の形態６．
図７は、本発明の第６実施形態のループコイルを持つ回路図である。半導体スイッチング素子１により発生する放射性ノイズを検出するため実施例１の電流センサ７または電圧センサ１２の代わりに半導体スイッチング素子１の近辺にループコイル１３を備える。

ループコイル１３は、例えば、ループコイルまたはコア入りコイルと数ｃｍの間隔で対向してＲＦタグを配置し、数十ＫＨｚ程度以上、または数ＭＨｚの信号電流を通電することにより、リーダ／ライタのコイル近辺に発生する誘導電磁界を電力／情報伝送媒体として使用するものとして、使用環境の悪い場所でも強く、信頼性が高い。

前述のループコイル１３を使用してスイッチング信号をセンシングする電力変換装置の動作について説明すると、半導体スイッチング素子１の近辺にループコイル１３を備えることによりコイル近辺に発生する信号を剣出して制御回路５に入力されスイッチ１１を制御することにより半導体スイッチング素子１のスイッチング中にコンデンサ容量が変えて、電力変換装置からの放射性ノイズおよびスイッチング損失を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の回路図である。半導体スイッチング素子がオンのときのコレクタとエミッタ間電圧波形。本発明の第２実施形態の回路図である。本発明の第３実施形態の回路図である。本発明の第４実施形態の回路図である。本発明の第５実施形態の回路図である。本発明の第６実施形態の回路図である。

符号の説明

１半導体スイッチング素子、２ゲート端子、３コレクタ端子、４エミッタ端子、５制御回路、６ゲートドライバ、７電流センサ、８外部ゲート抵抗、９内部ゲート抵抗、１０ゲートとエミッタ間コンデンサ、１１スイッチ、１２電圧センサ、１３ループコイル

Claims

半導体スイッチング素子を駆動するためのゲートドライバと、
半導体スイッチング素子と上記ゲートドライバの間に接続されたゲート抵抗と、
半導体スイッチング素子のスイッチング信号を検出するためのセンサと、
半導体スイッチング素子のゲート端子とエミッタ端子の間に接続されたコンデンサと、
上記コンデンサを導通させるためにコンデンサと直列に接続されたスイッチと、
上記センサからの検出信号を受け上記スイッチを制御するための制御回路と、を備え、上記制御回路により半導体スイッチング素子のスイッチング中に上記スイッチを制御するようにしたことを特徴にする電力変換装置。
前記センサとして電流センサを備えることを特徴にする請求項１記載の電力変換装置。
前記センサとして電圧センサを備えることを特徴にする請求項１記載の電力変換装置。
前記センサとして半導体スイッチング素子の近辺から発生する放射性ノイズを検出するループコイルを備えることを特徴にする請求項１記載の電力変換装置。
ゲート抵抗は、ゲートドライバと半導体スイッチング素子のゲート端子の間に外部ゲート抵抗と内部ゲート抵抗を備えることを特徴にする請求項１記載の電力変換装置。
ゲート抵抗は、ゲートドライバと半導体スイッチング素子のゲート端子の間に外部ゲート抵抗だけ備えることを特徴にする請求項１記載の電力変換装置。
半導体スイッチング素子のゲートとエミッタ端子の間に直列に接続されるコンデンサとスイッチの対並列に複数設け、上記制御回路により各スイッチをオンオフ制御して半導体スイッチング素子のスイッチング中にゲート端子とエミッタ端子の間の等価的なコンデンサ容量を変えることを特徴にする電力変換装置。