JP2009153315A - Power conversion apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion apparatus that prevents the drop of its power conversion efficiency by controlling a surge voltage due to the recovery of a diode, and also prevents an increase in loss at turn on of a semiconductor switching element. <P>SOLUTION: The apparatus includes a first gate driving circuit 7, which determines the switching speed of the first semiconductor switching element with a gate resistor and drives the first semiconductor switching element, and a second gate driving circuit 8, in which a parallel circuit, which is composed of a p-channel type MOS-FET 15, being a switching element being switched on after a predetermined time since start of charge of the gate of the second semiconductor switching element, and a Zener diode 16, is connected in series to the output end of a control pulse generating circuit 12, which supplies control pulses to the semiconductor switching element, and further the output end of the parallel circuit is connected to the gate terminal of the second semiconductor switching element via a gate resistor 17, thereby it drives the second semiconductor switching element. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置、特にその半導体スイッチング素子のゲート駆動回路に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device using a semiconductor switching element, and more particularly to a gate drive circuit for the semiconductor switching element.

半導体スイッチング素子を用いて構成される電力変換装置では、半導体スイッチング素子のスイッチングの際にサージ電圧が発生する。スイッチングする際に電流が変化率di/dtで増減する場合、配線自身が持つ浮遊インダクタンスLに対して誘導電圧(L・di/dt)がスパイク状に発生する。半導体スイッチング素子のスイッチング速度が高速化すると電流変化率が大きくなるため、発生するサージ電圧が高くなり破壊に至るケースもある。このため、サージ電圧抑制のために、各種のスナバ技術、インダクタンス低減技術及び半導体スイッチング素子のゲート駆動方法が考案されている(例えば、特許文献1参照)。   In a power conversion device configured using a semiconductor switching element, a surge voltage is generated when the semiconductor switching element is switched. When the current increases / decreases at the rate of change di / dt during switching, an induced voltage (L · di / dt) is generated in a spike shape with respect to the floating inductance L of the wiring itself. When the switching speed of the semiconductor switching element is increased, the rate of current change increases, so that the generated surge voltage increases and may be destroyed. For this reason, various snubber technologies, inductance reduction technologies, and gate driving methods for semiconductor switching elements have been devised to suppress surge voltage (see, for example, Patent Document 1).

特開平3−63457号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-63457

パルス幅変調方式(以下PWM)インバータ等の電力変換装置は、2個の半導体スイッチング素子を直列に接続したブリッジ回路を持ち、負荷電流が連続モードで流れている場合、半導体スイッチング素子に逆並列に接続したダイオードによる還流モードで動作させることは非常に多い。しかしこの還流モードから復帰する際の逆側半導体スイッチング素子のターンオン時に、半導体スイッチング素子に逆並列に接続したダイオードで発生するダイオードリカバリにより電圧変化率の高い過大なサージ電圧が発生する。このサージ電圧の抑制のために配線インダクタンスを小さくする方法があるが、回路の構成次第で限界がある。よってダイオードリカバリによるサージ電圧を抑制するにはオンする側の半導体素子のターンオン速度を遅くしリカバリ電流を抑えることでサージを抑制できるが、単純にゲート抵抗の値を高くしスイッチングを遅くする方法ではスイッチング時の損失が増加する。   A power converter such as a pulse width modulation (PWM) inverter has a bridge circuit in which two semiconductor switching elements are connected in series, and when load current flows in a continuous mode, it is in antiparallel to the semiconductor switching elements. Very often it is operated in reflux mode with connected diodes. However, when the reverse-side semiconductor switching element is turned on when returning from the reflux mode, an excessive surge voltage having a high voltage change rate is generated by diode recovery generated by a diode connected in antiparallel to the semiconductor switching element. There is a method of reducing the wiring inductance to suppress the surge voltage, but there is a limit depending on the circuit configuration. Therefore, to suppress the surge voltage due to diode recovery, the surge can be suppressed by slowing the turn-on speed of the semiconductor element to be turned on and suppressing the recovery current. However, in the method of simply increasing the gate resistance value and slowing the switching, Loss during switching increases.

本発明は、ダイオードリカバリによるサージ電圧を抑制すると共に、半導体スイッチング素子のターンオン時の損失増加を最小限に抑えることにより、電力変換効率の低下を抑えることが可能な電力変換装置を提供することを目的とするものである。   The present invention provides a power conversion device capable of suppressing a decrease in power conversion efficiency by suppressing a surge voltage due to diode recovery and minimizing an increase in loss when the semiconductor switching element is turned on. It is the purpose.

本発明は、逆並列にダイオードが接続された一対の第1半導体スイッチング素子を直列接続し、出力極性が切り替わるときに前記第1半導体スイッチング素子をスイッチングする出力極性固定アームと、逆並列にダイオードが接続された一対の第2半導体スイッチング素子を直列接続し、前記第2半導体スイッチング素子を常時PWMスイッチングし出力値を調整するPWMスイッチングアームとから構成された単相のフルブリッジインバータを備えた電力変換装置において、ゲート抵抗で前記第1半導体スイッチング素子のスイッチング速度を決定し、前記第1半導体スイッチング素子を駆動する第1のゲート駆動回路と、前記第2半導体スイッチング素子にゲート制御パルスを供給する制御パルス発生回路の出力端に、前記第2半導体スイッチング素子のゲートの充電開始から所定の時間後にオンするスイッチ素子とツェナーダイオードまたは抵抗との並列回路を直列に接続し、更に前記並列回路の出力端をゲート抵抗を介して前記第2半導体スイッチング素子のゲート端子に接続し、前記第2半導体スイッチング素子を駆動する第2のゲート駆動回路とを備えたものである。   The present invention includes a pair of first semiconductor switching elements connected in reverse parallel to each other in series, an output polarity fixing arm that switches the first semiconductor switching element when the output polarity is switched, and a diode in reverse parallel. A power conversion comprising a single-phase full-bridge inverter comprising a pair of connected second semiconductor switching elements connected in series, and a PWM switching arm that constantly PWM-switches the second semiconductor switching elements to adjust the output value In the apparatus, a gate resistance determines a switching speed of the first semiconductor switching element, a first gate driving circuit for driving the first semiconductor switching element, and a control for supplying a gate control pulse to the second semiconductor switching element The second semiconductor switch is connected to the output terminal of the pulse generation circuit. A parallel circuit of a switching element and a Zener diode or a resistor that is turned on after a predetermined time from the start of charging the gate of the element is connected in series, and the output terminal of the parallel circuit is connected to the second semiconductor switching element via a gate resistor. A second gate drive circuit connected to a gate terminal and driving the second semiconductor switching element.

本発明の電力変換装置によれば、リカバリ電流を小さくしてリカバリサージを抑えることが可能であり、またリカバリ終了後はオン速度が速くなるためターンオンに伴い発生する半導体スイッチング素子の損失の増加を抑え、またターンオフ速度がゲート抵抗のみで決定されるのでターンオフロスは変化しないため、電力変換効率の低下を抑えることができる。   According to the power conversion device of the present invention, it is possible to reduce the recovery current by reducing the recovery current, and after the recovery is completed, the on-speed is increased, so that the loss of the semiconductor switching element caused by the turn-on is increased. In addition, since the turn-off loss does not change because the turn-off speed is determined only by the gate resistance, it is possible to suppress a decrease in power conversion efficiency.

実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1による電力変換装置について説明する。
図1は、本発明による電力変換装置の基本構成を示すブロック回路図である。この電力変換装置は、ゲート駆動回路(第1のゲート駆動回路)7により制御される一対の第1半導体スイッチング素子Qa及びQbで構成され、電力変換装置の出力の正負が切り替わるときのみスイッチングする出力極性固定アーム5と、ゲート駆動回路(第2のゲート駆動回路)8により制御される一対の第2半導体スイッチング素子Qc及びQdで構成され、常にPWMスイッチングしているPWMスイッチングアーム6とを有し、直流電源1から得られる直流電力を交流電力に変換し、出力フィルタ9を通して、電力系統に代表される交流負荷10に供給する単相のフルブリッジインバータ100として構成されている。なお、PWMスイッチングアーム6は、PWMスイッチングを行い電圧又は電流の出力値を調整する。
Embodiment 1.
Hereinafter, the power conversion device according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a block circuit diagram showing a basic configuration of a power converter according to the present invention. This power conversion device is composed of a pair of first semiconductor switching elements Qa and Qb controlled by a gate drive circuit (first gate drive circuit) 7, and an output that switches only when the output of the power conversion device is switched. It has a fixed polarity arm 5 and a PWM switching arm 6 which is composed of a pair of second semiconductor switching elements Qc and Qd controlled by a gate drive circuit (second gate drive circuit) 8 and is always PWM-switched. The DC power obtained from the DC power source 1 is converted to AC power, and the output power is supplied to an AC load 10 represented by a power system through an output filter 9. The PWM switching arm 6 performs PWM switching to adjust the output value of voltage or current.

本電力変換装置で用いる各半導体スイッチング素子Qa〜QdはNチャネル型のMOS-FETであり、そのMOS-FETには逆並列にフリーホイールダイオード(以下FWDという)が接続されている。
また本電力変換装置には、図1のように直流母線のコンデンサ2から各アームまでの間に、その配線による浮遊インダクタンス3及び4が存在している。実際には他の配線部にもインダクタンスが存在するが、その浮遊インダクタンスの大きさは上述の浮遊インダクタンス3及び4より十分小さいため説明を省略する。
Each of the semiconductor switching elements Qa to Qd used in the present power converter is an N-channel type MOS-FET, and a free wheel diode (hereinafter referred to as FWD) is connected in antiparallel to the MOS-FET.
Moreover, in this power converter, as shown in FIG. 1, there are floating inductances 3 and 4 due to the wiring between the capacitor 2 of the DC bus and each arm. Actually, inductance exists also in other wiring portions, but since the magnitude of the floating inductance is sufficiently smaller than the above-described floating inductances 3 and 4, the description thereof is omitted.

本発明による電力変換装置は、次のように動作する。
インバータ100が交流負荷10に対して正極性の交流を出力する場合、出力極性固定アーム5の半導体スイッチング素子Qbをオンさせ、半導体スイッチング素子Qc及びQdをPWMにてスイッチングし、所定の電圧を出力する。同様に負電圧を出力する場合は半導体スイッチング素子Qaをオンさせ、半導体スイッチング素子Qc及びQdをPWMにてスイッチングし所定の電圧を出力する。この動作にてインバータは直流電力を交流電力に変換している。
The power converter according to the present invention operates as follows.
When the inverter 100 outputs positive AC to the AC load 10, the semiconductor switching element Qb of the output polarity fixing arm 5 is turned on, the semiconductor switching elements Qc and Qd are switched by PWM, and a predetermined voltage is output. To do. Similarly, when outputting a negative voltage, the semiconductor switching element Qa is turned on, the semiconductor switching elements Qc and Qd are switched by PWM, and a predetermined voltage is output. With this operation, the inverter converts DC power into AC power.

次にダイオードリカバリによりスイッチング素子に発生するサージ電圧について説明する。
正極性の交流を出力する場合、半導体スイッチング素子Qcがオフしている間は半導体スイッチング素子Qdもしくは逆並列に接続されているフリーホイールダイオード(以下FWD)とオン状態である半導体スイッチング素子Qbを通り還流モードで電流が流れる。ブリッジされている各アームの一対の半導体スイッチング素子間にはスイッチングの際、短絡が生じないようデッドタイムと呼ばれる短絡防止期間が設けられており、その期間では各アームの両素子は共にオフしているため、半導体スイッチング素子Qcがオンする前には必ずFWDを電流が流れている。よって半導体スイッチング素子QdのFWDにはダイオードリカバリが発生し、そのリカバリ電流は直流母線を半導体スイッチング素子QcとFWDで短絡する経路で流れる短絡電流となる。半導体スイッチング素子Qdのドレイン・ソース端子間には図2に示されるようなサージ電圧Vsg1が発生し、このサージ電圧は非常に高い電圧変化率(dV/dt)及びピーク値であることが多い。
同様にインバータ100が負極性の交流を出力する場合、半導体スイッチング素子Qdがオフしている間は半導体スイッチング素子QcもしくはFWDと半導体スイッチング素子Qaを通り還流モードで電流が流れる。よって半導体スイッチング素子Qcには図2のようなダイオードリカバリによるサージ電圧Vsg1が発生する。
Next, a surge voltage generated in the switching element due to diode recovery will be described.
When outputting positive alternating current, the semiconductor switching element Qc passes through the semiconductor switching element Qd or a free wheel diode (hereinafter referred to as FWD) connected in antiparallel and the semiconductor switching element Qb in the on state while the semiconductor switching element Qc is off. Current flows in reflux mode. A short-circuit prevention period called dead time is provided between the pair of semiconductor switching elements of each arm that is bridged so that a short circuit does not occur during switching, and both elements of each arm are turned off during that period. Therefore, current always flows through the FWD before the semiconductor switching element Qc is turned on. Therefore, diode recovery occurs in the FWD of the semiconductor switching element Qd, and the recovery current becomes a short-circuit current that flows along a path in which the DC bus is short-circuited by the semiconductor switching element Qc and FWD. A surge voltage Vsg1 as shown in FIG. 2 is generated between the drain and source terminals of the semiconductor switching element Qd, and this surge voltage often has a very high voltage change rate (dV / dt) and peak value.
Similarly, when the inverter 100 outputs negative AC, a current flows in the reflux mode through the semiconductor switching element Qc or FWD and the semiconductor switching element Qa while the semiconductor switching element Qd is off. Therefore, a surge voltage Vsg1 due to diode recovery as shown in FIG. 2 is generated in the semiconductor switching element Qc.

図2に示されたダイオードリカバリにより発生するサージ電圧Vsg1は次の式(1)で求められる。
Vsg1=L・d(irr)/dt・・・・・(1)
但し、irrはリカバリ電流である。
式(1)中のLはモジュール内部の浮遊インダクタンス3及び4の総和となるインダクタンス値である。
浮遊のインダクタンス3及び4が非常に大きく、発生するサージ電圧がその母線電圧Vddに対して無視できない大きさとなるような場合、そのサージ電圧は素子定格を超え破壊に至る結果となる。特にMOS-FETの場合、そのMOS-FETがアバランシェ耐量保証品であっても、通常スイッチングであるターンオフにより自己に発生するサージに関してはアバランシェ耐量保証されているが、自己のターンオフ以外の原因で発生するドレイン・ソース間の電圧変動に対しては、アバランシェ耐量による保証は難しく、破壊が起こり易いためダイオードリカバリサージの抑制が必要である。
式(1)より、サージ電圧を下げるには、浮遊インダクタンスLを小さくする、もしくは電流変化率d(irr)/dtを下げる必要がある。しかし、浮遊インダクタンスを小さくすることは回路の構成次第で限界がある。よってダイオードリカバリによるサージ電圧を抑制するにはオンする側の半導体素子のターンオン速度を遅くしリカバリ電流を抑えることでサージを抑制できるが、ゲート抵抗の値を高くしスイッチングを遅くする方法では、ゲートの充電の全時間が長くなりスイッチング時の損失が増加する。
The surge voltage Vsg1 generated by the diode recovery shown in FIG. 2 is obtained by the following equation (1).
Vsg1 = L ・ d (irr) / dt (1)
Here, irr is a recovery current.
L in the equation (1) is an inductance value that is the sum of the floating inductances 3 and 4 inside the module.
When the floating inductances 3 and 4 are very large and the generated surge voltage is not negligible with respect to the bus voltage Vdd, the surge voltage exceeds the element rating and results in destruction. In particular, in the case of a MOS-FET, even if the MOS-FET is an avalanche-resistant product, the avalanche resistance is guaranteed for surges that occur due to turn-off that is normally switched, but it occurs for reasons other than its own turn-off. Therefore, it is difficult to guarantee the voltage fluctuation between the drain and the source due to the avalanche resistance, and the breakdown is likely to occur. Therefore, it is necessary to suppress the diode recovery surge.
From equation (1), in order to reduce the surge voltage, it is necessary to reduce the stray inductance L or decrease the current change rate d (irr) / dt. However, there is a limit to reducing the stray inductance depending on the circuit configuration. Therefore, in order to suppress the surge voltage due to diode recovery, the surge can be suppressed by slowing the turn-on speed of the semiconductor element to be turned on and suppressing the recovery current. However, in the method of increasing the gate resistance value and slowing the switching, The total charging time is increased, and the switching loss increases.

本実施の形態1による電力変換装置は、このような問題を解決するため、PWMスイッチングアーム6を形成する半導体スイッチング素子Qc及びQdのゲート駆動回路8として、図3のようなゲート駆動回路を備えたものである。
このゲート駆動回路8は、ゲート駆動用直流電源11に逆直列接続された相補のトランジスタ13とトランジスタ14を有し、これらのトランジスタ13,14のゲートに制御パルス発生回路12からのゲート制御パルスを供給して、トランジスタ13のエミッタ・コレクタ間にゲート駆動電圧Vsを出力し、このゲート駆動電圧Vsを、スイッチ素子であるPチャネル型のMOS-FET15とツェナーダイオード16との並列回路及び主回路用半導体素子200(例えば半導体スイッチング素子Qc)のゲートのスイッチング速度を定めるゲート抵抗17を介して主回路用半導体素子200のゲートに供給する。
また、トランジスタ13のエミッタ・コレクタ間には抵抗18,19が接続され、その中点がMOS-FET15のゲートに接続される共に、抵抗19と直列に、かつMOS-FET15のゲート・ソース間にコンデンサ20が接続されている。
In order to solve such a problem, the power conversion device according to the first embodiment includes a gate drive circuit as shown in FIG. 3 as the gate drive circuit 8 of the semiconductor switching elements Qc and Qd forming the PWM switching arm 6. It is a thing.
This gate drive circuit 8 has complementary transistors 13 and 14 connected in reverse series to a DC power supply 11 for gate drive, and the gate control pulse from the control pulse generation circuit 12 is applied to the gates of these transistors 13 and 14. The gate drive voltage Vs is output between the emitter and collector of the transistor 13, and this gate drive voltage Vs is used for a parallel circuit and a main circuit of a P-channel type MOS-FET 15 and a Zener diode 16 which are switching elements. The semiconductor element 200 (for example, the semiconductor switching element Qc) is supplied to the gate of the main circuit semiconductor element 200 through the gate resistor 17 that determines the switching speed of the gate.
Further, resistors 18 and 19 are connected between the emitter and collector of the transistor 13, and the midpoint thereof is connected to the gate of the MOS-FET 15, and in series with the resistor 19 and between the gate and source of the MOS-FET 15. A capacitor 20 is connected.

ゲート駆動回路8は、主回路用半導体素子200がターンオンするとき、まずトランジスタ14がオンして主回路用半導体素子200にゲート駆動電圧Vsを供給しようとするが、Pチャネル型のMOS-FET15がオフしているためツェナーダイオード16を通して電流を流すため、ゲート駆動電圧Vsからツェナーダイオード16のツェナー電圧を引いた電圧で主回路用半導体素子200のゲートを駆動することになる。
またその間には、抵抗19を通じコンデンサ20が充電される。Pチャネル型のMOS-FET15は、そのソースとゲート間の電圧差がその素子のゲート閾値電圧を超えた場合にオンするので、抵抗19とコンデンサ20によりトランジスタ14がオンしてからMOS-FET15がオンするまでの遅延時間を設定することが可能である。この設定する遅延時間については、主回路用半導体素子200のゲートの充電開始からゲート閾値電圧Vthまで達する時間とダイオードのリカバリ期間の合計だけあれば十分である。
MOS-FET15がオンすれば、ゲート駆動電圧Vsとゲート抵抗17で決定される速度で充電されるため、主回路用半導体素子200のターンオンを速くすることが可能であり、スイッチング時に生じる損失の上昇を抑えることが可能となる。実際にはゲート抵抗17とMOS-FET15のオン抵抗の合計値で充電速度が決定されるが、MOS-FET15のオン抵抗は他の抵抗より十分小さいものとし説明では省略する。
When the main circuit semiconductor element 200 is turned on, the gate drive circuit 8 first turns on the transistor 14 to supply the gate drive voltage Vs to the main circuit semiconductor element 200, but the P-channel type MOS-FET 15 Since the current is passed through the Zener diode 16 because it is off, the gate of the main circuit semiconductor element 200 is driven by a voltage obtained by subtracting the Zener voltage of the Zener diode 16 from the gate drive voltage Vs.
In the meantime, the capacitor 20 is charged through the resistor 19. Since the P-channel type MOS-FET 15 is turned on when the voltage difference between the source and gate exceeds the gate threshold voltage of the element, the MOS-FET 15 is turned on after the transistor 14 is turned on by the resistor 19 and the capacitor 20. It is possible to set a delay time until turning on. As for the delay time to be set, it is sufficient if the sum of the time from the start of charging the gate of the main circuit semiconductor element 200 to the gate threshold voltage Vth and the recovery period of the diode is sufficient.
When the MOS-FET 15 is turned on, it is charged at a speed determined by the gate drive voltage Vs and the gate resistance 17, so that the turn-on of the main circuit semiconductor element 200 can be accelerated, and the loss generated during switching increases. Can be suppressed. Actually, the charging speed is determined by the total value of the on-resistance of the gate resistor 17 and the MOS-FET 15, but the on-resistance of the MOS-FET 15 is sufficiently smaller than the other resistances and will not be described.

図4は、本実施の形態1における上述のゲート駆動回路8を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形32と、上述のゲート駆動回路8のゲート抵抗17と同じ値のゲート抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
またターンオフについてはゲート抵抗17、ツェナーダイオード16もしくはMOS-FET15内蔵のダイオード、トランジスタ13を流れる電流ループで主回路用半導体素子200のゲートが放電されるためスイッチング速度は変わらず、ターンオフ時の損失は変化しない。
FIG. 4 shows that the gate voltage rising waveform 32 in the case of using the above-described gate drive circuit 8 in the first embodiment and the gate resistance having the same value as the gate resistance 17 of the above-described gate drive circuit 8 are used. In this case, the rising waveform 30 of the gate voltage and the rising waveform 31 of the gate voltage when driven by only a resistor having a value larger than the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when the gate drive circuit 8 is used. Is shown.
As for turn-off, the gate of the main circuit semiconductor element 200 is discharged in the current loop flowing through the gate resistor 17, the Zener diode 16 or the MOS-FET 15, and the transistor 13, so that the switching speed does not change, and the loss at turn-off is It does not change.

ここで図3中の抵抗18は、MOS-FET15のゲート・ソース間容量放電用の抵抗であり抵抗19より十分大きい値である。また図3の回路ではコンデンサ20を挿入しているが、MOS-FET15はゲート・ソース間容量が存在しているので、その容量と抵抗19のみで遅延時間を設定することも可能であり、MOS-FET15のゲート・ソース間容量の大きさにより、コンデンサ20挿入の有無を決定すればよい。電子回路においては、抵抗が大きくなりすぎるとノイズが重畳しやすくなるため、本実施の形態では抵抗19の値が大きくならないよう、別途コンデンサ20を挿入して遅延時間を決定している。   Here, the resistor 18 in FIG. 3 is a gate-source capacitive discharge resistor of the MOS-FET 15 and has a value sufficiently larger than the resistor 19. Further, although the capacitor 20 is inserted in the circuit of FIG. 3, since the MOS-FET 15 has a gate-source capacitance, the delay time can be set only by the capacitance and the resistor 19. -Whether or not the capacitor 20 is inserted may be determined depending on the gate-source capacitance of the FET 15. In an electronic circuit, noise is likely to be superimposed if the resistance becomes too large. Therefore, in this embodiment, the delay time is determined by inserting a separate capacitor 20 so that the value of the resistance 19 does not increase.

一方、出力極性固定アーム5の半導体スイッチング素子Qa及びQbのゲート駆動回路7には、この図3の回路は用いずにゲート抵抗の値を大きくするのみで対応する。出力極性固定アーム5は、電力変換装置の正負の出力極性が切り替わるときのみスイッチングするので、このアームで発生するスイッチングロスは、高周波でPWMスイッチングしているPWMスイッチングアーム6のスイッチングロスに比べて無視できる大きさであり、電力変換効率にもたらす影響は非常に小さい。よって、ゲート駆動回路7において、半導体スイッチング素子Qa,Qbのスイッチング速度を決定する部品をゲート抵抗のみとし、部品点数を少なくすることで、電力変換装置の小型化、コストの低下が可能である。   On the other hand, the gate drive circuit 7 of the semiconductor switching elements Qa and Qb of the output polarity fixing arm 5 can be handled only by increasing the value of the gate resistance without using the circuit of FIG. Since the output polarity fixed arm 5 switches only when the positive / negative output polarity of the power converter is switched, the switching loss generated in this arm is neglected compared to the switching loss of the PWM switching arm 6 that performs PWM switching at a high frequency. This is a size that can be achieved, and its influence on power conversion efficiency is very small. Therefore, in the gate drive circuit 7, the component that determines the switching speed of the semiconductor switching elements Qa and Qb is only the gate resistance, and the number of components is reduced, so that the power converter can be reduced in size and cost can be reduced.

以上のように、本発明の実施の形態1による電力変換装置は、逆並列にダイオードが接続された一対の第1半導体スイッチング素子Qa,Qbを直列接続し、出力極性が切り替わるときに半導体スイッチング素子をスイッチングする出力極性固定アーム5と、逆並列にダイオードが接続された一対の第2半導体スイッチング素子Qc,Qdを直列接続し、前記半導体スイッチング素子を常時PWMスイッチングし出力値を調整するPWMスイッチングアーム6とから構成された単相のフルブリッジインバータ100を備えた電力変換装置において、ゲート抵抗で第1半導体スイッチング素子のスイッチング速度を決定し、前記第1半導体スイッチング素子を駆動する第1のゲート駆動回路7と、前記半導体スイッチング素子に制御パルスを供給する制御パルス発生回路12の出力端に、第2半導体スイッチング素子のゲートの充電開始から所定の時間後にオンするスイッチ素子であるPチャネル型のMOS-FET15とツェナーダイオード16との並列回路を直列に接続し、更に並列回路の出力端をゲート抵抗17を介して第2半導体スイッチング素子のゲート端子に接続し、前記第2半導体スイッチング素子を駆動する第2のゲート駆動回路8とを備えているので、リカバリ電流が流れる期間ではターンオンする半導体スイッチング素子のゲート電圧は低くなりドレイン電流が制限されるため、短絡経路であるリカバリ電流を小さく抑えることが可能となり、またリカバリ終了後はオン速度が速くなるためターンオンに伴い発生する半導体スイッチング素子の損失の増加を最小限に抑え、またターンオフ速度がゲート抵抗のみで決定されるのでターンオフロスは変化しないため、電力変換効率の低下を抑えることができる。   As described above, in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention, the pair of first semiconductor switching elements Qa and Qb connected in antiparallel to each other are connected in series, and the semiconductor switching element is switched when the output polarity is switched. Output polarity fixed arm 5 for switching between and a pair of second semiconductor switching elements Qc, Qd connected in reverse parallel to each other in series, and a PWM switching arm for adjusting the output value by constantly PWM switching the semiconductor switching elements In the power conversion apparatus including the single-phase full-bridge inverter 100 configured by 6, a first gate drive for driving the first semiconductor switching element by determining a switching speed of the first semiconductor switching element by a gate resistance A control pulse generator for supplying a control pulse to the circuit 7 and the semiconductor switching element; A parallel circuit of a P-channel type MOS-FET 15 and a Zener diode 16 that is a switching element that is turned on after a predetermined time has elapsed from the start of charging of the gate of the second semiconductor switching element is connected in series to the output terminal of the circuit 12. Since the output terminal of the parallel circuit is connected to the gate terminal of the second semiconductor switching element via the gate resistor 17 and the second gate driving circuit 8 drives the second semiconductor switching element, the recovery current is During the flow period, the gate voltage of the semiconductor switching element that is turned on is lowered and the drain current is limited, so that the recovery current that is a short-circuit path can be kept small. Minimize the increase in generated semiconductor switching element loss, and turn-off speed Since the turn-off loss does not change because it is determined only by the over sheet resistance, it is possible to suppress a reduction in power conversion efficiency.

実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2による電力変換装置ついて説明する。
本実施の形態2は、図1の電力変換装置にて、実施の形態1と同じくPWMスイッチングアーム6のゲート駆動回路8を改良したものである。
図5は本実施の形態2によるゲート駆動回路8の回路図であり、ゲート駆動電圧Vsの出力段である相補のトランジスタ13とトランジスタ14のエミッタに、Pチャネル型のMOS-FET15と抵抗21との並列回路を介して主回路用半導体素子200(例えば半導体スイッチング素子Qc)のゲート抵抗17を接続している。
Embodiment 2.
Hereinafter, a power converter according to Embodiment 2 of the present invention will be described.
In the second embodiment, the gate drive circuit 8 of the PWM switching arm 6 is improved in the same manner as the first embodiment in the power conversion device of FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram of the gate drive circuit 8 according to the second embodiment. The complementary transistors 13 and 14 which are output stages of the gate drive voltage Vs are connected to the emitters of the P-channel type MOS-FET 15 and the resistor 21, respectively. The gate resistor 17 of the main circuit semiconductor element 200 (for example, the semiconductor switching element Qc) is connected through the parallel circuit.

ゲート駆動回路8は、主回路用半導体素子200がターンオンするとき、まずトランジスタ14がオンしてゲートにゲート駆動電圧Vsを供給しようとするが、MOS-FET15がオフしているため抵抗21を通して電流を流すため、ゲートの充電電流を決定する抵抗値は、ゲート抵抗17と追加された抵抗21の合計値となる。
またその間には、抵抗19を通じコンデンサ20が充電される。Pチャネル型のMOS-FET15は、そのソースとゲート間の電圧差がその素子のゲート閾値電圧を超えた場合にオンするので、抵抗19とコンデンサ20によりトランジスタ14がオンしてからMOS-FET15がオンするまでの遅延時間を設定することが可能である。この設定する遅延時間については、主回路用半導体素子200のゲートの充電開始からゲート閾値電圧Vthまで達する時間とダイオードのリカバリ期間の合計だけあれば十分である。
MOS-FET15がオンすれば、ゲートの充電電流はMOS-FET15を流れるためゲート抵抗17で決定される速度で充電されるため、主回路用半導体素子200のターンオンを速くすることが可能であり、スイッチング時に生じる損失の増加を抑えることが可能となる。実際にはゲート抵抗17とMOS-FET15のオン抵抗の合計値で充電速度が決定するが、MOS-FET15のオン抵抗はゲート抵抗より十分小さいものとし説明では省略する。
When the main circuit semiconductor element 200 is turned on, the gate drive circuit 8 first tries to supply the gate drive voltage Vs to the gate by turning on the transistor 14, but since the MOS-FET 15 is turned off, the current flows through the resistor 21. Therefore, the resistance value for determining the charging current of the gate is the total value of the gate resistance 17 and the added resistance 21.
In the meantime, the capacitor 20 is charged through the resistor 19. Since the P-channel type MOS-FET 15 is turned on when the voltage difference between the source and gate exceeds the gate threshold voltage of the element, the MOS-FET 15 is turned on after the transistor 14 is turned on by the resistor 19 and the capacitor 20. It is possible to set a delay time until turning on. As for the delay time to be set, it is sufficient if the sum of the time from the start of charging the gate of the main circuit semiconductor element 200 to the gate threshold voltage Vth and the recovery period of the diode is sufficient.
When the MOS-FET 15 is turned on, the charging current of the gate flows through the MOS-FET 15 and is charged at a speed determined by the gate resistor 17, so that the turn-on of the main circuit semiconductor element 200 can be accelerated. It is possible to suppress an increase in loss that occurs during switching. Actually, the charging speed is determined by the total value of the on-resistance of the gate resistor 17 and the MOS-FET 15, but the on-resistance of the MOS-FET 15 is sufficiently smaller than the gate resistance and will not be described.

図6は、本実施の形態2における上述のゲート駆動回路8を用いた場合の主回路用半導体素子200のゲート電圧の立ち上がり波形33と、上述のゲート駆動回路8のゲート抵抗17と同じ値のゲート抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
またターンオフについてはゲート抵抗17、MOS-FET15内蔵のダイオード、トランジスタ13を通る電流ループで主回路用半導体素子200のゲートが放電されるためスイッチング速度は変わらず、ターンオフ時の損失は変化しない。
FIG. 6 shows the rising waveform 33 of the gate voltage of the main circuit semiconductor element 200 when the above-described gate drive circuit 8 in the second embodiment is used, and the same value as the gate resistance 17 of the above-described gate drive circuit 8. When the gate voltage rises when driven by only the gate resistor 30 and when driven by only a resistor having a value larger than that of the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when the gate drive circuit 8 is used. The rising waveform 31 of the gate voltage is shown.
As for the turn-off, the gate of the main circuit semiconductor element 200 is discharged in the current loop passing through the gate resistor 17, the diode built in the MOS-FET 15, and the transistor 13, so that the switching speed does not change and the loss at turn-off does not change.

本実施の形態2によるゲート駆動回路8を用いれば、実施の形態1と同様に、リカバリ電流が流れる期間ではターンオンする素子のゲート電圧を低くしドレイン電流を制限できるため、短絡経路であるリカバリ電流を小さく抑えることが可能となるので、電流変化率が低下し、サージ電圧を低下させることができる。   If the gate driving circuit 8 according to the second embodiment is used, the gate current of the element that is turned on can be lowered and the drain current can be limited during the period in which the recovery current flows, as in the first embodiment. Therefore, the current change rate can be reduced, and the surge voltage can be reduced.

実施の形態3.
図7は、本実施の形態3によるゲート駆動回路8を示すもので、実施の形態2における抵抗21に並列にコンデンサ22を挿入したものである。
実施の形態2ではゲート抵抗を大きくしたのみであり、主回路用半導体素子200のゲート閾値電圧Vthまでゲートが充電されるまでの時間が長くなり、トータルでのスイッチングに要する時間が長くなるが、本実施の形態3では、抵抗21に並列にコンデンサ22を挿入したことで、主回路用半導体素子200のゲートがゲート閾値電圧Vth以下の期間では、コンデンサ22に電流を流して抵抗21はスルーさせることができる。
そしてコンデンサ22が所定の電圧まで充電されれば、コンデンサ22には電流が流れなくなり、その後は抵抗21とゲート抵抗17により決定される充電電流でゲートが充電されることになる。よってゲートの総充電時間が短縮される。
Embodiment 3.
FIG. 7 shows the gate drive circuit 8 according to the third embodiment, in which a capacitor 22 is inserted in parallel with the resistor 21 in the second embodiment.
In the second embodiment, only the gate resistance is increased, and the time until the gate is charged up to the gate threshold voltage Vth of the semiconductor element for main circuit 200 becomes longer, and the time required for total switching becomes longer. In the third embodiment, since the capacitor 22 is inserted in parallel with the resistor 21, a current is passed through the capacitor 22 to let the resistor 21 pass through during the period when the gate of the main circuit semiconductor element 200 is equal to or lower than the gate threshold voltage Vth. be able to.
When the capacitor 22 is charged to a predetermined voltage, no current flows through the capacitor 22 and thereafter the gate is charged with a charging current determined by the resistor 21 and the gate resistor 17. Therefore, the total charging time of the gate is shortened.

抵抗21が十分大きいとすれば、初期充電にて、コンデンサ22の静電容量C27と主回路用半導体素子200のゲート・ソース間容量CGSの比から近似の式(2)で示されるような主回路用半導体素子200のゲート・ソース間電圧値VGSaが充電されるので、この電圧値が最低でもその素子のゲート閾値電圧Vthになるようにコンデンサ22の静電容量を決定すればよい。ゲート駆動電圧はVs[V]である。
VGSa≒Vs×{C27÷(C27+CGS)} [V]・・・・・(2)
実施の形態2と同様にMOS-FET15がオンすれば、実施の形態2のようにゲート抵抗17のみでゲートが駆動されるので、本実施の形態3においても、実施の形態2と同様の効果を得ることが可能である。
If the resistor 21 is sufficiently large, the main charge as represented by the approximate expression (2) can be obtained from the ratio of the capacitance C27 of the capacitor 22 and the gate-source capacitance CGS of the main circuit semiconductor element 200 during initial charging. Since the gate-source voltage value VGSa of the circuit semiconductor element 200 is charged, the capacitance of the capacitor 22 may be determined so that this voltage value is at least the gate threshold voltage Vth of the element. The gate drive voltage is Vs [V].
VGSa ≒ Vs × {C27 ÷ (C27 + CGS)} [V] ・ ・ ・ ・ ・ (2)
If the MOS-FET 15 is turned on as in the second embodiment, the gate is driven only by the gate resistor 17 as in the second embodiment. Therefore, in the third embodiment, the same effect as in the second embodiment is achieved. It is possible to obtain

図8は、本実施の形態3における上述のゲート駆動回路8を用いた場合の主回路用半導体素子200のゲート電圧の立ち上がり波形34と、上述のゲート駆動回路8のゲート抵抗17と同じ値のゲート抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
抵抗21を十分に大きくすれば、リカバリ期間において図8の波形34のようにオンさせた状態のままゲート電圧の上昇を抑え、ほぼ一定の値に保つことが可能であるので、サージ抑制効果は実施の形態2よりも高いものになる。
またMOS-FET15がオンするとコンデンサ22を短絡する経路となるので、ゲート抵抗の値を図9のように抵抗23、ゲート抵抗17に分割し、抵抗23をMOS-FET15に直列接続して、短絡電流が過大にならないように抑えるようにしても良い。このときMOS-FET15がオンしてからは、抵抗21と抵抗23の並列抵抗値とゲート抵抗17の合計値により主回路用半導体素子200のゲートの充電速度が決定する。
FIG. 8 shows the rising waveform 34 of the gate voltage of the semiconductor element 200 for the main circuit and the same value as the gate resistance 17 of the gate drive circuit 8 described above when the above-described gate drive circuit 8 in the third embodiment is used. When the gate voltage rises when driven by only the gate resistor 30 and when driven by only a resistor having a value larger than that of the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when the gate drive circuit 8 is used. The rising waveform 31 of the gate voltage is shown.
If the resistor 21 is made sufficiently large, the rise of the gate voltage can be suppressed and kept at a substantially constant value in the recovery period as shown by the waveform 34 in FIG. This is higher than in the second embodiment.
Since the capacitor 22 is short-circuited when the MOS-FET 15 is turned on, the gate resistance value is divided into a resistor 23 and a gate resistor 17 as shown in FIG. You may make it suppress so that an electric current may not become excessive. At this time, after the MOS-FET 15 is turned on, the charge rate of the gate of the main circuit semiconductor element 200 is determined by the total value of the parallel resistance value of the resistors 21 and 23 and the gate resistor 17.

実施の形態4.
本実施の形態4は、PWMスイッチングアーム6のゲート駆動回路8において、実施の形態1で用いたPチャネル型のMOS-FET15に代わり、スイッチ素子であるNチャネル型のMOS-FET24を用いたものである。
図10は本実施の形態4によるゲート駆動回路8である。使用するMOS-FET24はNチャネル型であるので、オンさせるためにはゲート・ソース間の電位差がゲート閾値電圧以上になる必要があるため、遅延時間を設定する抵抗25とコンデンサ26を図10の位置に配置し、コンデンサ26を充電しゲートの電位を上げていくことでスイッチングさせる。トランジスタ14がオンした直後は、ゲート駆動電圧Vsからツェナーダイオード16のツェナー電圧を引いた電圧だけMOS-FET24のソース電位の方がゲートよりも高くなっているので、遅延時間を決定する際にはこの電位差分を考慮し、実施の形態1に用いた抵抗23よりも小さい値にする必要がある。なお、抵抗27はMOS-FET24のゲート・ソース間容量放電用の抵抗である。
Embodiment 4.
In the fourth embodiment, the gate drive circuit 8 of the PWM switching arm 6 uses an N-channel MOS-FET 24 as a switching element instead of the P-channel MOS-FET 15 used in the first embodiment. It is.
FIG. 10 shows a gate drive circuit 8 according to the fourth embodiment. Since the MOS-FET 24 used is an N-channel type, the potential difference between the gate and the source needs to be equal to or higher than the gate threshold voltage in order to be turned on. The switching is performed by placing the capacitor 26 and charging the capacitor 26 to raise the gate potential. Immediately after the transistor 14 is turned on, the source potential of the MOS-FET 24 is higher than the gate by the voltage obtained by subtracting the Zener voltage of the Zener diode 16 from the gate drive voltage Vs. Considering this potential difference, it is necessary to make the value smaller than the resistance 23 used in the first embodiment. The resistor 27 is a gate-source capacitance discharge resistor of the MOS-FET 24.

本実施の形態4のゲート駆動回路8ではMOS-FET24がオンした場合ソースの電位がゲート駆動電圧の電位まで上昇するためMOS-FET24はオフする。オフすることによりまたソースの電位が下がるため、MOS-FET24は再びオンするというようにスイッチングを繰り返し行う。そのスイッチングを繰り返す期間に、時間は短いがゲート駆動電圧Vsによる大きい充電電流がスイッチング毎に流れるので、同程度にサージ電圧を抑制可能な大きな抵抗のみで駆動するよりも速く主回路用半導体素子200のゲート・ソース間電圧が上昇する。但し大電流は上述のように断続的であるため、連続的に高電圧で充電できる実施の形態1よりはゲート電圧の立ち上がりは遅くなる。   In the gate drive circuit 8 of the fourth embodiment, when the MOS-FET 24 is turned on, the source potential rises to the potential of the gate drive voltage, so that the MOS-FET 24 is turned off. Since the source potential is lowered again by turning it off, the MOS-FET 24 is repeatedly switched so that it is turned on again. In the period of repeating the switching, a large charging current due to the gate driving voltage Vs flows for each switching, although the time is short. The gate-source voltage increases. However, since the large current is intermittent as described above, the rise of the gate voltage is slower than in the first embodiment in which charging can be continuously performed at a high voltage.

図11は、本実施の形態4における上述のゲート駆動回路8を用いた場合の主回路用半導体素子200のゲート電圧の立ち上がり波形35と、上述のゲート駆動回路8と同じ値のゲート抵抗17のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
最初にMOS-FETをオンさせるまでの低ゲート電圧化に関しては問題は無く、ダイオードのリカバリによるサージ抑制の効果は、本実施の形態4においても実施の形態1と同様の効果を得ることが可能である。
また同程度にサージ電圧を抑制可能な大きな抵抗のみのゲート抵抗にて駆動するよりもターンオン時のスイッチングに伴う損失を低下することが可能である。
FIG. 11 shows only the rising waveform 35 of the gate voltage of the main circuit semiconductor element 200 and the gate resistor 17 having the same value as that of the above gate drive circuit 8 when the above gate drive circuit 8 in the fourth embodiment is used. Waveform of the gate voltage when driven by a gate voltage, and the gate voltage when driven by only a resistor having a value larger than the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when using the gate drive circuit 8 A rising waveform 31 is shown.
There is no problem in reducing the gate voltage until the MOS-FET is first turned on, and the effect of suppressing the surge by the recovery of the diode can be obtained in the fourth embodiment as well as the first embodiment. It is.
In addition, it is possible to reduce the loss associated with switching at turn-on rather than driving with a gate resistor having only a large resistor that can suppress the surge voltage to the same extent.

実施の形態5.
図12は本実施の形態5によるゲート駆動回路8を示す回路図で、実施の形態4で示したツェナーダイオード16を抵抗21に変更したものである。
トランジスタ14がオンしてからMOS-FET24が初めにオンするまでは、ゲート抵抗17と抵抗21で決まる充電速度で主回路用半導体素子200のゲートを充電可能であり、ダイオードリカバリによるサージ電圧を抑える効果は実施の形態2と同様の効果を得る。 MOS-FET24が初めにオンしてからの回路の挙動は、本実施の形態5についても、実施の形態4と同様にMOS-FET24がスイッチングを繰り返すことになる。
スイッチングを繰り返す期間に、短時間ではあるが低ゲート抵抗による大きい充電電流がスイッチング毎に流れるので、同程度にサージ電圧を抑制可能な大きな抵抗のみで駆動するよりも速く主回路用半導体素子200のゲート・ソース間電圧が上昇する。但し大電流は上述のように断続的であるため、連続的に高電圧で充電できる実施の形態2よりはゲート電圧の立ち上がりは遅くなる。
Embodiment 5.
FIG. 12 is a circuit diagram showing the gate drive circuit 8 according to the fifth embodiment, in which the Zener diode 16 shown in the fourth embodiment is changed to a resistor 21.
Until the MOS-FET 24 is first turned on after the transistor 14 is turned on, the gate of the main circuit semiconductor element 200 can be charged at a charging rate determined by the gate resistor 17 and the resistor 21, and a surge voltage due to diode recovery is suppressed. The effect is the same as that of the second embodiment. As for the behavior of the circuit after the MOS-FET 24 is first turned on, the switching of the MOS-FET 24 is repeated in the fifth embodiment as in the fourth embodiment.
Since a large charging current due to the low gate resistance flows for each switching in a period in which switching is repeated, the main circuit semiconductor element 200 is faster than driving with only a large resistor capable of suppressing the surge voltage to the same extent. The gate-source voltage increases. However, since the large current is intermittent as described above, the rise of the gate voltage is slower than in the second embodiment in which charging can be continuously performed at a high voltage.

図13は、本実施の形態5における上述のゲート駆動回路8を用いた場合の主回路用半導体素子200のゲート電圧の立ち上がり波形36と、上述のゲート駆動回路8と同じ値のゲート抵抗17のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
本実施の形態5についても、実施の形態4と同様に、同程度にサージ電圧を抑制可能な大きな抵抗のみのゲート抵抗にて駆動するよりもスイッチング時の損失を低下することが可能である。
FIG. 13 shows only the rising waveform 36 of the gate voltage of the semiconductor element 200 for the main circuit and the gate resistor 17 having the same value as that of the above gate drive circuit 8 when the above gate drive circuit 8 in the fifth embodiment is used. Waveform of the gate voltage when driven by a gate voltage, and the gate voltage when driven by only a resistor having a value larger than the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when using the gate drive circuit 8 A rising waveform 31 is shown.
Also in the fifth embodiment, similarly to the fourth embodiment, it is possible to reduce the loss at the time of switching as compared with the case of driving with only a large gate resistance that can suppress the surge voltage to the same extent.

実施の形態6.
図14は本実施の形態6によるゲート駆動回路8を示す回路図で、実施の形態5で示した抵抗21にコンデンサ22を並列に接続した回路である。
トランジスタ14がオンしてからMOS-FET24が初めにオンするまでの動作は、実施の形態3で示したゲート駆動回路の動作と同じであるので、ダイオードリカバリによるサージ電圧を抑える効果は実施の形態3と同様の効果を得る。
MOS-FET24が初めにオンしてからの回路の挙動は、本実施の形態6についても、実施の形態4と同様にMOS-FET24がスイッチングを繰り返すことになる。
スイッチングを繰り返す期間に、コンデンサ22は、MOS-FET24がオンするたびに放電するため、MOS-FET24がオフしても、コンデンサ22が充電されるまで抵抗21はスルーされ、ゲート抵抗17の抵抗値で充電速度が決定されるため、実施の形態5よりも充電は高速になる。
Embodiment 6.
FIG. 14 is a circuit diagram showing the gate drive circuit 8 according to the sixth embodiment, which is a circuit in which a capacitor 22 is connected in parallel to the resistor 21 shown in the fifth embodiment.
Since the operation from when the transistor 14 is turned on to when the MOS-FET 24 is first turned on is the same as the operation of the gate drive circuit shown in the third embodiment, the effect of suppressing the surge voltage due to diode recovery is described in the embodiment. The same effect as 3 is obtained.
As for the behavior of the circuit after the MOS-FET 24 is first turned on, the MOS-FET 24 repeats switching in the sixth embodiment as in the fourth embodiment.
Since the capacitor 22 is discharged every time the MOS-FET 24 is turned on in the period of repeated switching, the resistor 21 is passed through until the capacitor 22 is charged even if the MOS-FET 24 is turned off. Thus, the charging speed is determined, so that charging is faster than in the fifth embodiment.

図15は、本実施の形態6における上述のゲート駆動回路8を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形37と、上述のゲート駆動回路8と同じ値のゲート抵抗17のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形30と、ゲート駆動回路8を用いた場合と同程度にリカバリサージを抑制可能なゲート抵抗17よりも大きい値の抵抗のみで駆動させた場合のゲート電圧の立ち上がり波形31を示している。
本実施の形態6についても実施の形態4及び実施の形態5と同様に、同程度にサージ電圧を抑制可能な大きな抵抗のみのゲート抵抗にて駆動するよりもスイッチング時の損失を低下することが可能である。
FIG. 15 shows the rising waveform 37 of the gate voltage when the above-described gate drive circuit 8 in the sixth embodiment is used, and the gate when driven only by the gate resistor 17 having the same value as that of the above-described gate drive circuit 8. A voltage rising waveform 30 and a gate voltage rising waveform 31 when driven by only a resistor having a value larger than the gate resistor 17 capable of suppressing the recovery surge to the same extent as when the gate driving circuit 8 is used are shown. Yes.
In the sixth embodiment, as in the fourth and fifth embodiments, the switching loss can be reduced as compared with the case of driving with only a large resistance gate resistor capable of suppressing the surge voltage to the same extent. Is possible.

実施の形態3と同様にMOS-FET24がオンしたときコンデンサ22から短絡電流が流れるので、ゲート抵抗の値を分割して図16のように抵抗23、ゲート抵抗17を配置して、短絡電流が過大にならないように抑えるようにしても良い。このときコンデンサ22の放電電流を制限していることになるので、短いオン期間でのコンデンサ22の電圧の低下量は減少するので、1回のスイッチング毎の主回路用半導体素子200のゲートの充電量は減少する。しかしMOS-FET24のソース電位も上昇しにくいため、MOS-FET24のスイッチング回数が増加し、総充電時間は、短絡させた場合と同程度となる。   As in the third embodiment, since the short-circuit current flows from the capacitor 22 when the MOS-FET 24 is turned on, the gate resistance value is divided and the resistor 23 and the gate resistor 17 are arranged as shown in FIG. You may make it restrain so that it may not become excessive. At this time, since the discharge current of the capacitor 22 is limited, the amount of decrease in the voltage of the capacitor 22 in a short ON period is reduced, so that the gate of the main circuit semiconductor element 200 for each switching is charged. The amount decreases. However, since the source potential of the MOS-FET 24 is also difficult to rise, the number of times the MOS-FET 24 is switched increases, and the total charging time is about the same as when short-circuited.

本発明の電力変換装置の基本構成を示すブロック回路図である。It is a block circuit diagram which shows the basic composition of the power converter device of this invention. 図1の電力変換装置においてダイオードリカバリ時に発生するサージ電圧とリカバリ電流の例を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the example of the surge voltage and recovery current which generate | occur | produce at the time of diode recovery in the power converter device of FIG. 本発明の実施の形態1におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 1 of this invention. 実施の形態1におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。6 is a diagram illustrating a rising waveform of a gate voltage when the gate drive circuit according to the first embodiment is used. FIG. 本発明の実施の形態2におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。It is a figure which shows the rising waveform of the gate voltage at the time of using the gate drive circuit in Embodiment 2. FIG. 本発明の実施の形態3におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 3 of this invention. 実施の形態3におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。It is a figure which shows the rising waveform of the gate voltage at the time of using the gate drive circuit in Embodiment 3. FIG. 実施の形態3におけるゲート駆動回路の他の例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a gate drive circuit in the third embodiment. 本発明の実施の形態4におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 4 of this invention. 実施の形態4におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a rising waveform of a gate voltage when the gate drive circuit according to the fourth embodiment is used. 本発明の実施の形態5におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 5 of this invention. 実施の形態5におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a rising waveform of a gate voltage when the gate drive circuit according to the fifth embodiment is used. 本発明の実施の形態6におけるゲート駆動回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the gate drive circuit in Embodiment 6 of this invention. 実施の形態6におけるゲート駆動回路を用いた場合のゲート電圧の立ち上がり波形を示す図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a rising waveform of a gate voltage when the gate drive circuit according to the sixth embodiment is used. 実施の形態6におけるゲート駆動回路の他の例を示す回路図である。FIG. 20 is a circuit diagram showing another example of a gate drive circuit in the sixth embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 直流電源、2 コンデンサ、3,4 浮遊インダクタンス、5 出力極性固定アーム、6 PWMスイッチングアーム、7,8 ゲート駆動回路、9 出力フィルタ、10 交流負荷、11 ゲート駆動用直流電源、12 制御パルス発生回路、13,14 トランジスタ、15 Pチャネル型のMOS-FET、16 ツェナーダイオード、17 ゲート抵抗、18,19 抵抗、20 コンデンサ、21抵抗、22 コンデンサ、23 抵抗、24 Nチャネル型のMOS-FET、25 抵抗、26 コンデンサ、27 抵抗、100 単相のフルブリッジインバータ、200 主回路用半導体素子。 1 DC power supply, 2 capacitor, 3, 4 stray inductance, 5 output polarity fixed arm, 6 PWM switching arm, 7, 8 gate drive circuit, 9 output filter, 10 AC load, 11 gate drive DC power supply, 12 control pulse generation Circuit, 13, 14 transistor, 15 P channel type MOS-FET, 16 Zener diode, 17 Gate resistance, 18, 19 resistance, 20 capacitor, 21 resistance, 22 capacitor, 23 resistance, 24 N channel type MOS-FET, 25 resistors, 26 capacitors, 27 resistors, 100 single-phase full-bridge inverter, 200 semiconductor elements for main circuit.

Claims (5)

逆並列にダイオードが接続された一対の第1半導体スイッチング素子を直列接続し、出力極性が切り替わるときに前記第1半導体スイッチング素子をスイッチングする出力極性固定アームと、逆並列にダイオードが接続された一対の第2半導体スイッチング素子を直列接続し、前記第2半導体スイッチング素子を常時PWMスイッチングし出力値を調整するPWMスイッチングアームとから構成された単相のフルブリッジインバータを備えた電力変換装置において、
ゲート抵抗で前記第1半導体スイッチング素子のスイッチング速度を決定し、前記第1半導体スイッチング素子を駆動する第1のゲート駆動回路と、
前記第2半導体スイッチング素子にゲート制御パルスを供給する制御パルス発生回路の出力端に、前記第2半導体スイッチング素子のゲートの充電開始から所定の時間後にオンするスイッチ素子とツェナーダイオードまたは抵抗との並列回路を直列に接続し、更に前記並列回路の出力端をゲート抵抗を介して前記第2半導体スイッチング素子のゲート端子に接続し、前記第2半導体スイッチング素子を駆動する第2のゲート駆動回路とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
A pair of first semiconductor switching elements connected in reverse parallel with a diode are connected in series, and an output polarity fixing arm that switches the first semiconductor switching element when the output polarity is switched, and a pair of diodes connected in reverse parallel In a power conversion device comprising a single-phase full-bridge inverter composed of a second semiconductor switching element connected in series, a PWM switching arm that constantly PWM-switches the second semiconductor switching element and adjusts an output value,
A first gate driving circuit for determining a switching speed of the first semiconductor switching element by a gate resistance and driving the first semiconductor switching element;
A switching element that is turned on after a predetermined time from the start of charging of the gate of the second semiconductor switching element and a Zener diode or a resistor are connected in parallel to an output terminal of a control pulse generating circuit that supplies a gate control pulse to the second semiconductor switching element. A second gate drive circuit for connecting the circuit in series, further connecting an output terminal of the parallel circuit to a gate terminal of the second semiconductor switching element via a gate resistor, and driving the second semiconductor switching element; A power conversion device comprising:
第2のゲート駆動回路は、スイッチ素子と抵抗との並列回路に、更にコンデンサを並列に接続したことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。   2. The power conversion device according to claim 1, wherein the second gate drive circuit further includes a capacitor connected in parallel to a parallel circuit of a switch element and a resistor. 第2のゲート駆動回路は、並列回路を形成するスイッチ素子に抵抗を直列接続したことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 2, wherein the second gate drive circuit has a resistor connected in series to a switch element forming a parallel circuit. 第2のゲート駆動回路を構成するスイッチ素子はPチャネル型のMOS-FETであり、前記第2のゲート駆動回路は、前記スイッチ素子のゲート・ソース間に接続されたコンデンサおよび第2半導体スイッチング素子のソースと前記スイッチ素子のゲートとの間に接続された抵抗で前記スイッチ素子がオンするまでの遅延時間の決定を行い、前記第2半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の電力変換装置。   The switch element constituting the second gate drive circuit is a P-channel type MOS-FET, and the second gate drive circuit includes a capacitor connected between the gate and source of the switch element and a second semiconductor switching element. The delay time until the switch element is turned on is determined by a resistor connected between the source of the switch and the gate of the switch element, and the second semiconductor switching element is driven. 4. The power conversion device according to any one of 3. 第2のゲート駆動回路を構成するスイッチ素子はNチャネル型のMOS-FETであり、前記第2のゲート駆動回路は、前記スイッチ素子のゲート・ドレイン間に接続された抵抗および第2半導体スイッチング素子のソースと前記スイッチ素子のゲートとの間に接続されたコンデンサで前記スイッチ素子がオンするまでの遅延時間の決定を行い、前記第2半導体スイッチング素子を駆動することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の電力変換装置。   The switch element constituting the second gate drive circuit is an N-channel MOS-FET, and the second gate drive circuit includes a resistor connected between the gate and drain of the switch element and a second semiconductor switching element. A delay time until the switch element is turned on is determined by a capacitor connected between the source of the switch and a gate of the switch element, and the second semiconductor switching element is driven. 4. The power conversion device according to any one of 3.
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