JP2009089544A - 電力変換装置のゲート抵抗配置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるサージ電圧からのスイッチングパワーデバイスの保護と、スイッチング損失の低減との両立を図ることができる電力変換装置のゲート抵抗配置構造を提供する。
【解決手段】電力変換装置の使用開始からの経過時間に応じて大きな温度上昇が生じるスイッチングパワーモジュール１と同じ基板１５の実装面にこれと隣接して、あるいは、スイッチングパワーモジュール１と反対側の基板１５の面にこれと対向して、ゲート抵抗３を実装、配置する。ゲート抵抗３には、スイッチングパワーモジュール１がいかなる温度であってもサージ電圧がスイッチングパワーモジュール１の耐電圧値以内に収まるような、温度変化に対する抵抗値変化の特性を有するものを使用する。望ましくは、サージ電圧に対してスイッチングパワーモジュール１の耐電圧値が過剰なマージンを持つことにならないような特性のゲート抵抗３を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゲート駆動回路から供給されるゲート駆動信号によりゲート電圧が制御されるスイッチングパワーデバイスを用いて電力変換を行う電力変換装置に係り、特に、スイッチングパワーデバイスのゲートとゲート駆動回路との間の回路部分に介設されるゲート抵抗の配置構造に関する。

交流から直流への変換を行うコンバータ、直流から交流への変換を行うインバータ、直流の昇圧降圧を行う直流チョッパ回路等の電力変換装置は、ゲート駆動回路からゲート抵抗を介して供給されるゲート駆動信号によりオンオフされるスイッチングパワーデバイス（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）を用いている。

このスイッチングパワーデバイスのスイッチング時に発生するサージ電圧は、スイッチングパワーデバイスのオン時にその耐電圧値を超える電圧がスイッチングパワーデバイスに加わる原因となる。スイッチングパワーデバイスに加わる電圧が耐電圧値を超えると、スイッチングパワーデバイスの焼損を招いてしまう。そこで、従来より、スイッチングパワーデバイスのサージ電圧を抑制するための提案が種々なされている（例えば特許文献１，２）

ところで、電力変換装置の使用を開始してスイッチングパワーデバイスの温度が自らの発熱により上昇すると、それに伴いスイッチングパワーデバイスの耐電圧値が低下する。例えば、図４に示すように、常温（摂氏２０度）では１００ボルトであった耐電圧値が、図５に示すように、電力変換装置の使用を開始して一定時間が経過し摂氏１００度に温度上昇すると、７０ボルトに下がる、といった現象が発生する。

すると、図４に示すように、低温時には耐電圧値以下に収まっていたサージ電圧発生時のスイッチングパワーデバイスに対する印加電圧の値が、図５に示すように、温度上昇により低下した耐電圧値を上回ることになってしまう。

そこで、スイッチングパワーデバイスのオン状態時における単位時間当たりの通過電流量を決定するゲート抵抗の抵抗値を、スイッチングパワーデバイスの温度上昇時の耐電圧値を考慮して、常温を基準にして割り出した値よりも高めに設定する必要がある。そのようにすることで、スイッチングパワーデバイスの温度上昇時（例えば摂氏１００度）にも、図６に示すように、サージ電圧発生時のスイッチングパワーデバイスに対する印加電圧の値がスイッチングパワーデバイスの耐電圧値（例えば７０ボルト）以下に収まるようにすることができる。
特開平７−３３７０３３号公報 特開２００７−１４３２３０号公報

上述したように、スイッチングパワーデバイスの温度上昇時の耐電圧値を考慮してゲート抵抗の抵抗値を高めに設定すると、図４や図５と図６との比較によって判るように、スイッチングパワーデバイスのスイッチング時におけるデバイス両端間の電圧（電位差）や電流（通過電流値）の立ち上がりや立ち下がりが鈍くなる。この立ち上がりや立ち下がりの鈍化は、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時の電圧電流積で表されるスイッチング損失を増大させる原因となる。そのため、ゲート抵抗の抵抗値を高めに設定することは、スイッチング損失の面からすると好ましくない。

本発明は、前記実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるサージ電圧からのスイッチングパワーデバイスの保護と、スイッチング損失の低減との両立を図ることができる電力変換装置のゲート抵抗配置構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した本発明の電力変換装置のゲート抵抗配置構造は、ゲート抵抗を介してゲート駆動回路から供給されるゲート駆動信号によりゲート電圧が制御されるスイッチングパワーデバイスを用いて電力の変換を行う電力変換装置における、前記ゲート抵抗の配置構造であって、前記電力変換装置中の前記ゲート抵抗を除く他のデバイスのうち特定のデバイスが実装された基板の、前記特定のデバイスの実装面における該特定のデバイスに隣接する箇所、又は、前記基板の前記実装面とは反対側の面における前記特定のデバイスと前記基板を挟んで対向する箇所に、前記ゲート抵抗が配置されており、前記特定のデバイスが、前記スイッチングパワーデバイスの発熱による温度変化と同期した発熱による温度変化が生じる前記スイッチングパワーデバイス以外のデバイス、又は、該スイッチングパワーデバイス自身であることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の電力変換装置のゲート抵抗配置構造によれば、ゲート抵抗が隣接又は基板を挟んで対向するように配置される特定のデバイスが、スイッチングパワーデバイス自身か、あるいは、スイッチングパワーデバイスの発熱による温度変化と同期して温度変化するデバイスということになる。したがって、スイッチングパワーデバイスの発熱による温度変化と同期する温度変化が、特定のデバイスからゲート抵抗に伝達されて、スイッチングパワーデバイスの温度変化と同期してゲート抵抗が温度変化することになる。

そして、スイッチングパワーデバイスの温度が上昇し、これに同期してゲート抵抗の温度が上昇すると、スイッチングパワーデバイスの耐電圧値が温度上昇前に比べて低下する一方、ゲート抵抗の抵抗値が温度上昇前に比べて上昇する。ゲート抵抗の抵抗値が上昇すると、スイッチングパワーデバイスのオン状態時における単位時間当たりの通過電流量が下がる。これにより、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるデバイス両端間の電圧（電位差）の上昇速度や下降速度が下がり、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時に発生するサージ電圧の大きさが、ゲート抵抗の温度上昇前に比べて小さくなる。

このように、スイッチングパワーデバイスの温度上昇によりスイッチングパワーデバイスの耐電圧値が低下しても、スイッチングパワーデバイスの温度上昇に連動したゲート抵抗の抵抗値上昇により、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時のサージ電圧が小さくなるので、スイッチングパワーデバイスの温度上昇時に耐電圧値を超える電圧がスイッチングパワーデバイスに印加されるのを、防ぐことができる。

しかも、スイッチングパワーデバイスの温度が上昇していないときはゲート抵抗の抵抗値も上昇しないので、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるデバイス両端間の電圧（電位差）や電流（通過電流値）の上昇速度や下降速度が、スイッチングパワーデバイスの温度上昇時に比べて速くなる。したがって、スイッチングパワーデバイスの温度が上昇していないときには、ゲート抵抗値を低く保ってスイッチング損失の低減を図れる構成とすることができる。

これにより、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるサージ電圧からのスイッチングパワーデバイスの保護と、スイッチング損失の低減との両立を図ることができる。

なお、請求項１に記載した本発明の電力変換装置のゲート抵抗配置構造において、前記電力変換装置が変換する電力は、１００ボルト以下、かつ、ピーク値３０アンペア以上の低電圧大電流の電力であり、前記特定のデバイスは前記スイッチングパワーデバイスである構成とすることができる。

そのような構成とする場合、電力変換装置が１００ボルト以下、かつ、ピーク値３０アンペア以上の低電圧大電流の電力の変換を行うと、その低電圧大電流がそのまま加わるスイッチングパワーデバイスの温度上昇時における勾配と、スイッチングパワーデバイス以外の、制御用信号等の低いレベルの電圧、電流しか加わらないデバイスの温度上昇時における勾配とでは、その内容が当然異なる。

したがって、他のデバイスではなくスイッチングパワーデバイスに近接（基板の同一実装面上で隣接、又は、基板の反対側の面において対向）してゲート抵抗を配置することで、スイッチングパワーデバイスの温度変化に伴う耐電圧値の変動に、ゲート抵抗値の温度変化に伴う変動が、精度良く同期追従するようになる。

このため、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるサージ電圧からのスイッチングパワーデバイスの保護を、より確実に実現することができる。

本発明に係る電力変換装置のゲート抵抗配置構造によれば、スイッチングパワーデバイスのオンオフ時におけるサージ電圧からのスイッチングパワーデバイスの保護と、スイッチング損失の低減との両立を図ることができる。

以下、本発明に係るゲート抵抗配置構造を適用した本発明の一実施形態に係る電力変換装置について説明する。

まず、本実施形態に係る電力変換装置の構造を、図１の平面図を参照して説明する。本実施形態の電力変換装置は、スイッチングパワーモジュール１、ゲート抵抗３、ゲート駆動回路５、ＣＰＵ７、アナログ回路ブロック９、デジタル回路ブロック１１、電源回路ブロック１３、及び、これらが実装される基板１５を有している。

前記スイッチングパワーモジュール１は、スイッチングパワーデバイスとしての１又は複数の金属酸化膜形電界効果トランジスタ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor 、以下、「ＭＯＳＦＥＴ」と略記する。）等をモジュール化したものである。スイッチングパワーモジュール１の１又は複数のＭＯＳＦＥＴは、そのゲートにゲート抵抗３を介してゲート駆動回路５から供給されるゲート駆動信号によってオンオフされる。なお、スイッチングパワーモジュール１のオン状態の１又は複数のＭＯＳＦＥＴを流れる単位時間当たりの電流量は、ゲート駆動信号の電圧値によって決まる。

なお、ゲート抵抗３の配置は図１中では概念的に示したに過ぎない。ゲート抵抗３の具体的な配置は図２及び図３を参照して後述する。

前記ＣＰＵ７は、ＲＡＭ及びＲＯＭ（いずれも図示せず）を内蔵したワンチップマイクロコンピュータによって構成されており、ゲート駆動回路５によるゲート駆動信号の出力周期等の制御を行う。

前記アナログ回路ブロック９及びデジタル回路ブロック１１は、ＣＰＵ７の制御に必要な各種処理等を行うためのものであり、電源回路ブロック１３は、ＣＰＵ７等に動作用電源を供給するための定電圧回路を含むものである。

なお、スイッチングパワーモジュール１とゲート駆動回路５とは、図１中では詳しく図示しないが、ゲート抵抗３を途中で経由する配線１７によって接続されている。

上記の構成による本実施形態の電力変換装置では、スイッチングパワーモジュール１において、交流から直流への変換、直流から交流への変換、直流の昇圧降圧といった電力変換が行われる。したがって、スイッチングパワーモジュール１は、具体的には、コンバータやインバータ、あるいは、直流チョッパ回路等ということになる。

そして、本実施形態の電力変換装置では、スイッチングパワーモジュール１による電力変換によって、１００ボルト以下３０アンペア（ピーク値）以上という低電圧大電流の直流電力を入力又は出力とする電力変換が行われる。

したがって、スイッチングパワーモジュール１には、１００ボルト以下３０アンペア（ピーク値）以上という低電圧大電流の直流電力が加わり、そのような低電圧大電流の電力に応じたレベルで、ＭＯＳＦＥＴのオンオフ動作に伴うサージ電圧や発熱が発生する。

これに対して、ゲート駆動回路５やＣＰＵ７、あるいは、それらに付随するアナログ回路ブロック９やデジタル回路ブロック１１は、スイッチングパワーモジュール１に加わる電力の電圧よりも低い、例えば５ボルトといったレベルの電圧とミリアンペアレベルの電流で動作する。

したがって、電力変換装置の使用開始から時間が経過するのに伴って、ゲート駆動回路５、ＣＰＵ７、アナログ回路ブロック９、及び、デジタル回路ブロック１１において発熱が生じる場合には、使用開始からの経過時間に対する温度変化量、つまり、温度勾配は、スイッチングパワーモジュール１におけるそれに比べて格段に低いものとなる。

ここで、ゲート抵抗３は、ゲート駆動回路５に接続されるものであるから、元来、図８の平面図に示すように、ゲート駆動回路５に隣接して配置され、ゲート抵抗３とスイッチングパワーモジュール１との間が配線１９によって接続されることが多い。

しかし、本実施形態の電力変換装置では、ゲート抵抗３が、図２の側面図に示すように、基板１５のスイッチングパワーモジュール１の実装面に、スイッチングパワーモジュール１に隣接して実装、配置されている。

なお、基板１５は、公知のガラスエポキシ系の樹脂からなるリジットな配線基板か、あるいは、放熱性に優れたアルミニウムやステンレス等の金属基板であり、一定以上の熱伝導性を有している。

したがって、電力変換装置が動作を始めると、スイッチングパワーモジュール１が徐々に発熱しやがて相応の高温に達する。そして、このスイッチングパワーモジュール１が発する熱が直接又は基板１５を介して伝達されるゲート抵抗３も、スイッチングパワーモジュール１の温度上昇に同期して相応の温度まで上昇する。

スイッチングパワーモジュール１の温度が上昇し、これに同期してゲート抵抗３の温度が上昇すると（例えば摂氏１００度）、スイッチングパワーモジュール１のＭＯＳＦＥＴの耐電圧値（例えば７０ボルト）が、図４のグラフに示す常温（例えば摂氏２０度）の耐電圧値（例えば１００ボルト）に比べて、図６のグラフに示すように低下する一方、ゲート抵抗３の抵抗値が温度上昇前に比べて上昇する。

ゲート抵抗３の抵抗値が上昇すると、スイッチングパワーモジュール１のＭＯＳＦＥＴがオンオフ時におけるＭＯＳＦＥＴの両端間電圧（電位差）の上昇速度や下降速度が下がり、ＭＯＳＦＥＴのオンオフ時に発生するサージ電圧の大きさが、ゲート抵抗３の温度上昇前に比べて小さくなる。

このように、スイッチングパワーモジュール１の温度上昇によりＭＯＳＦＥＴの耐電圧値が低下しても、スイッチングパワーモジュール１の温度上昇に連動したゲート抵抗３の抵抗値上昇により、ＭＯＳＦＥＴのオンオフ時のサージ電圧が小さくなるので、スイッチングパワーモジュール１の温度上昇時に耐電圧値を超える電圧がＭＯＳＦＥＴに印加されるのを、防ぐことができる。

しかも、スイッチングパワーモジュール１の温度が上昇していないときはゲート抵抗３の抵抗値も上昇しないので、ＭＯＳＦＥＴのオンオフ時におけるＭＯＳＦＥＴの両端間電圧（電位差）や電流（通過電流値）の上昇速度や下降速度が、スイッチングパワーモジュール１の温度上昇時に比べて速くなる。したがって、スイッチングパワーモジュール１の温度が上昇していないときには、ゲート抵抗値を低く保ってスイッチング損失の低減を図れる構成とすることができる。

これにより、ＭＯＳＦＥＴのオンオフ時におけるサージ電圧からのＭＯＳＦＥＴの保護と、スイッチング損失の低減との両立を図ることができる。

なお、ゲート抵抗３には、当然、スイッチングパワーモジュール１がいかなる温度であってもサージ電圧がスイッチングパワーモジュール１の耐電圧値以内に収まるような、温度変化に対する抵抗値変化の特性を有するものを使用する必要がある。そして、サージ電圧に対してスイッチングパワーモジュール１の耐電圧値が過剰なマージンを持つことにならないような特性のゲート抵抗３を用いることが望ましい。

また、ゲート抵抗３には、温度係数の高い抵抗を使用することが効果的である。温度係数の高い抵抗の例としては、例えば、チップ型やＤＩＰ型の小型抵抗としては炭素皮膜抵抗を挙げることができ、電力型巻線抵抗器としては、ニクロム線による抵抗器を挙げることができる。

ちなみに、ゲート抵抗３は、図３の側面図に示すように、基板１５のスイッチングパワーモジュール１の実装面とは反対側の面に、基板１５を挟んでスイッチングパワーモジュール１と対向するように実装、配置してもよい。この場合にも、上述したようにゲート抵抗３をスイッチングパワーモジュール１の実装面にスイッチングパワーモジュール１と隣接して実装、配置した場合と同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施形態では、１つの基板１５で電力変換装置が構成される場合を例に取って説明したが、例えば、図７の平面図に示す実施形態のように、スイッチングパワーモジュール１を１つの基板１５Ａ上に実装し、もう１つの基板１５Ｂ上にゲート駆動回路５、ＣＰＵ７、アナログ回路ブロック９、デジタル回路ブロック１１、及び、電源回路ブロック１３を実装する場合にも、本発明は適用可能である。

そのように構成する場合、スイッチングパワーモジュール１とゲート駆動回路５とは、図７中では詳しく図示しないが、２つの基板１５Ａ，１５Ｂに跨ってゲート抵抗３を途中で経由する配線１７によって接続される。

このように、スイッチングパワーモジュール１とそれ以外（ゲート抵抗３を除く）とを個別の基板１５Ａ，１５Ｂに実装する構成とする場合、ゲート抵抗３は、ゲート駆動回路５に接続されるものであるから、元来は、図９の平面図に示すように、ゲート駆動回路５の実装された基板１５Ｂに実装、配置され、ゲート抵抗３とスイッチングパワーモジュール１との間が配線１９によって接続されることが多い。

しかし、図７の平面図に示す実施形態では、スイッチングパワーモジュール１が実装された基板１５Ａにゲート抵抗３を実装、配置している。

なお、基板１５Ａ上におけるゲート抵抗３の具体的な配置は、上述した実施形態のゲート抵抗３と同様のパターンが考えられる。つまり、まず、図２に示すような、スイッチングパワーモジュール１に隣接してこれと同一の実装面に実装、配置する場合が考えられる。あるいは、図３に示すような、スイッチングパワーモジュール１の実装面とは反対側の面に、基板１５Ａを挟んでスイッチングパワーモジュール１と対向するように実装、配置する場合が考えられる。

そして、ゲート抵抗３をスイッチングパワーモジュール１と同じ基板１５Ａに実装する構成とすれば、上述した図１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した各実施形態では、基板１５，１５Ａのスイッチングパワーモジュール１と同じ実装面にこれと隣接して、あるいは、スイッチングパワーモジュール１と反対側の面にこれと対向して、ゲート抵抗３を実装、配置する構成とした。

しかし、スイッチングパワーモジュール１と同様の、あるいは、それに近い温度勾配（電力変換装置の使用開始からの経過時間に対する温度変化量の特性）を有する部分であれば、スイッチングパワーモジュール１以外のものに、上述した各実施形態で説明したような位置関係で、ゲート抵抗３を配置するようにしてもよい。

例えば、電源回路ブロック１３は、スイッチングパワーモジュール１と同様に、１００ボルト以下３０アンペア（ピーク値）以上という低電圧大電流の直流電力が加わり、そのような低電圧大電流の電力に応じたレベルで発熱が発生する。そのため、電力変換装置の使用開始からの経過時間に対する電源回路ブロック１３の温度勾配は、スイッチングパワーモジュール１の温度勾配と近い場合がある。

そのような場合は、ゲート抵抗３を、基板１５，１５Ｂの電源回路ブロック１３と同じ実装面にこれと隣接して、あるいは、電源回路ブロック１３と反対側の面にこれと対向して、ゲート抵抗３を実装、配置する構成としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構造を示す平面図である。 図１の電力変換装置の側面図である。 図１の変形例に係る電力変換装置の側面図である。 常温時のＭＯＳＦＥＴの耐電圧値とサージ電圧発生中のデバイス間電圧との関係、及び、同デバイス間電流を示す波形図である。 温度上昇時のＭＯＳＦＥＴの耐電圧値とサージ電圧発生中のデバイス間電圧との関係、及び、同デバイス間電流を示す波形図である。 温度上昇時における図１のスイッチングパワーモジュール中のＭＯＳＦＥＴの耐電圧値とサージ電圧発生中のデバイス間電圧との関係、及び、同デバイス間電流を示す波形図である。 本発明の他の実施形態に係る電力変換装置の構造を示す平面図である。 従来の電力変換装置の構造の一例を示す平面図である。 従来の電力変換装置の構造の他の例を示す平面図である。

符号の説明

１ スイッチングパワーモジュール
３ ゲート抵抗
５ ゲート駆動回路
１５，１５Ａ，１５Ｂ 基板

Claims (1)

1. ゲート抵抗を介してゲート駆動回路から供給されるゲート駆動信号によりゲート電圧が制御されるスイッチングパワーデバイスを用いて電力の変換を行う電力変換装置における、前記ゲート抵抗の配置構造であって、
   前記電力変換装置中の前記ゲート抵抗を除く他のデバイスのうち特定のデバイスが実装された基板の、前記特定のデバイスの実装面における該特定のデバイスに隣接する箇所、又は、前記基板の前記実装面とは反対側の面における前記特定のデバイスと前記基板を挟んで対向する箇所に、前記ゲート抵抗が配置されており、
   前記特定のデバイスが、前記スイッチングパワーデバイスの発熱による温度変化と同期した発熱による温度変化が生じる前記スイッチングパワーデバイス以外のデバイス、又は、該スイッチングパワーデバイス自身である、
   ことを特徴とする電力変換装置のゲート抵抗配置構造。

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