JP2009159662A

JP2009159662A - 電力用半導体素子の制御回路

Info

Publication number: JP2009159662A
Application number: JP2007332014A
Authority: JP
Inventors: Akitake Takizawa; 聡毅滝沢
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】ＩＧＢＴモジュールを並列接続する場合、特性や構造的なばらつきにより、ＩＧＢＴチップに温度ばらつきが生じ、絶対最高温度に抑えると装置が大型で、コストアップとなる。
【解決手段】温度検出用センサーを埋め込んだモジュール各々に温度検出器を設け、これらの温度差の大小をコンパレータ１９で求めて、温度の高いモジュールのターンオンタイミングを抵抗２５ａとコンデンサ２２ａの積分回路で遅延させることにより、温度を下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体素子の制御方式に関し、特に並列接続する場合に温度バランスをとるための制御技術に関する。

図４にＩＧＢＴを用いたモータ駆動用インバータの主回路図を示す。１が直流電源（交流電源の場合は整流器と大容量のコンデンサより構成）、２が直流を交流に変換するＩＧＢＴ３ｕ〜３ｚ及びダイオード４ｕ〜４ｚから構成されたインバータ回路、５ａ、５ｂがＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路（実際には各素子に接続されるが省略）、１１が制御部、６が負荷となるモータである。各ＩＧＢＴは制御部１１のＰＷＭ制御回路からのオン／オフ信号１２ａ、１２ｂ（実際には各素子に接続されるが省略）を受けて動作し、直流電源１から交流を作り出し、負荷であるモータ６に交流電力を供給する。
また図５にはＩＧＢＴモジュールを３個並列接続した場合のインバータシステム図を示す。この構成では、上下アーム２素子入りＩＧＢＴモジュールをＵ相用に３個Ｍｕ１〜Ｍｕ３、Ｖ相用に３個Ｍｖ１〜Ｍｖ３、Ｗ相用に３個Ｍｗ１〜Ｍｗ３、各々並列接続し、合計９個用いている。
図６にゲート駆動回路５ａ、５ｂの詳細回路図を示す。７が本ゲート駆動回路用の正側電源、８が負側電源、９及び１０がＩＧＢＴをターンオン及びターンオフさせるためのスイッチ素子でＰＷＭ制御回路からのオン／オフ信号１２によって動作する。また１３がＩＧＢＴへのゲート電流を制限するためのゲート抵抗である。さらに１４は、制御部１１とゲート駆動回路５ａ、５ｂ間の絶縁をとるためのフォトカプラなどの絶縁器である。

１５はＩＧＢＴのチップ温度を測定するためにチップに内蔵された温度検出用ダイオードで、ゲート駆動回路内の電流源１６から一定電流を流し、ダイオードのアノード・カソード間の電圧（Ｖｆ）を測定することにより、図７に示すようなダイオードの電圧温度特性を利用して、温度を測定する。また図６では温度検出値を増幅回路１７と絶縁器１８を介して制御部に出力している。
以上説明した中で、ゲート駆動回路の従来回路例は、特許文献１などに、またチップ温度を測定するための温度センサをチップ内に内蔵した例は、特許文献２などに示されている。
特開平１１−６９７７８号公報特開２００７−７１７９６号公報

ＩＧＢＴモジュール単体の定格容量には限界があるため、装置を大容量化するためには、図５に示すようにＩＧＢＴモジュールを並列接続する必要がある。ところがＩＧＢＴモジュールを並列接続すると、ＩＧＢＴ自身の特性ばらつきや、周辺の構造条件などによって、定常的な電流値やスイッチング特性にばらつきが発生し、並列接続されているＩＧＢＴモジュール間のＩＧＢＴチップの温度に差異が生じる。また一方で、ＩＧＢＴなどの半導体は、適用上の絶対最高温度定格（一般に１５０℃）が決められており、設計上の必須条件となっている
そのため、装置設計時においては、あらゆる動作環境や状況においても絶対最高温度定格以内でＩＧＢＴが動作するように、それらアンバランス分（ＩＧＢＴチップの特性ばらつき、主回路構造上のアンバランス、冷却上のアンバランスなど）をすべて考慮し、最悪条件を見越して設計を行う必要がある。
その結果、ＩＧＢＴモジュールを並列接続するシステムでは、ＩＧＢＴモジュールを並列接続しない場合と比べ、冗長的な設計にならざるをえず、ＩＧＢＴモジュールのコストは、装置容量と比例的とはならずに高めとなり、コストアップ要因となっている。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力用半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子のチップ温度を測定する温度検出素子とを内蔵した半導体モジュールを複数個並列接続して用いる電力変換装置の前記半導体スイッチ素子制御回路において、前記半導体モジュール間で、各モジュールに内蔵された温度検出素子の温度検出値同士の差分もしくは大小を検出する回路と、検出温度が高い側の半導体モジュールのスイッチ素子へのターンオン指令信号を遅延させる回路と、を備える。
第２の発明においては、第1の発明におけるターンオン指令信号を遅延させる回路は、ある一定期間遅延させる回路とする。
第３の発明においては、第1の発明におけるターンオン指令信号を遅延させる回路は、温度検出回路同士の差分量に応じて、遅延量を変化させる回路とする。

本発明では、チップに温度差が発生しているＩＧＢＴモジュール間で、チップ温度が高い側のＩＧＢＴに対して、ターンオンするタイミングを他のＩＧＢＴと比べて遅くする。その結果、ターンオンタイミングを遅くしたＩＧＢＴにはターンオン損失及びターンオンするまでの間の導通損失が殆ど発生しないため、発生損失が減少し、チップ温度が低下する。従って、並列接続するＩＧＢＴモジュール間のチップ温度差は小さくなり、熱的設計条件を緩和することが可能となり、コストを低減することができる。

本発明の要点は、並列接続したＩＧＢＴモジュールのチップ温度が高い方のＩＧＢＴに対して、ターンオンするタイミングを他のＩＧＢＴに対して遅くすることである。

図１にＩＧＢＴモジュールを２個並列接続した場合の第１の実施例を示す回路例である。並列接続されているＩＧＢＴ３ａ、３ｂに対してスイッチ素子９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂとゲート抵抗１３ａ、１３ｂ、及び温度センサ用ダイオード１５ａ、１５ｂに電流を流す電流源１６ａ、１６ｂが接続された構成で、電流源１６ａ、１６ｂによりそれぞれの温度検出用ダイオード１５ａ、１５ｂに一定電流を流している。コンパレータ回路１９には、温度検出用ダイオード１５ａ、１５ｂのアノード電位２０と２１を入力し、大きさ比較を行い、その大小関係によってスイッチ２２ａまたは２２ｂをオンさせる。
この時、２２ａまたは２２ｂのいずれか一方のみをオンさせるため、論理反転器２３を接続している。ここで、仮にＩＧＢＴ３ａ側の方が高温だった場合、図７に示す温度検出用ダイオードの特性に基づき、コンパレータ１９の入力は、電位２０＜電位２１となる。その結果コンパレータ１９の出力はＬレベルとなり、スイッチ２２ａがオン、２２ｂがオフとなり、ＩＧＢＴ３ａ側の回路は抵抗２５ａとコンデンサ２４ａとの時定数回路が形成される。一方ＩＧＢＴ３ｂ側の回路は、コンデンサ２４ｂが開放となっているため、時定数回路は形成されない。その結果、バッファ回路２６ｂを介してスイッチ素子９ｂが動作するタイミングがスイッチ素子９ａと比べ早くなり、ＩＧＢＴ３ｂがＩＧＢＴ３ａと比べて早くターンオンする。

以上の回路動作で、高温側のＩＧＢＴの方が遅くターンオンすることになり、高温側のＩＧＢＴはターンオン損失が殆ど発生しない分、チップ温度を低下させることが可能となる。
本実施例では温度検出用ダイオードの電位差の単純比較結果で、どちらか一方のＩＧＢＴのターンオンタイミングを遅延させているが、実際は、温度検出ダイオードにも特性ばらつきがあるため、温度検出値の差分がある範囲内であった場合は、スイッチ２２ａ、２２ｂをともにオフさせ、両ＩＧＢＴを同時にターンオンさせる不動作範囲を設けることが望ましい。また、スイッチ２２ａ、２２ｂにはトランジスタなどの半導体スイッチを適用することができる。

図２に、本発明の第２の実施例を示す。ＩＧＢＴモジュールを２個並列接続した場合の回路構成例である。図１の実施例回路との違いは、温度検出用ダイオード１５ａ、１５ｂの温度差に応じて、ＩＧＢＴのターンオン遅延時間を可変にするための回路２７ａ、２７ｂが接続されている点である。また、２８は両温度検出用ダイオードの温度差を検出する差分回路、２９はその差分量の絶対値をとる回路である。また、図３は回路２７ａ、２７ｂの詳細回路図である。
図３において、絶対値回路２９の出力信号４２をＡ／Ｄ変換回路３０に入力し、アナログ量をデジタル量に変換し、デコーダ回路３１でデコードする。論理回路３２ではコンパレータ回路１９の出力信号４１の論理に応じてスイッチ３３〜３６を動作させるか否かを決める。例えば信号４１がＬ論理であった場合は、スイッチ３３〜３６はすべてオフとなり、コンデンサ３７〜４０は開放状態となる。一方信号４１がＨ論理の場合は、デコーダ３１の出力に応じたスイッチ（３３〜３６のいずれか）がオンし、抵抗２５との時定数回路が形成され、図１の例と同様、バッファ回路２６を介してスイッチ素子９、１０が動作し、ＩＧＢＴのターンオン遅延がなされる。
この時、信号４２の大きさに応じてスイッチ３３〜３６のいずれか一つがオンする動作となるため、例えば信号４２の大きさが大きい場合は、容量が大きいコンデンサに接続されているスイッチをオンさせることで時定数が大きくなり、結果としてＩＧＢＴのターンオン遅延時間を延ばせる。

これら一連の動作により、ＩＧＢＴのチップ温度差に応じて、アナログ的に遅延時間を決定することが可能となる。また図３では遅延時間を調整する回路数を２ｂｉｔ分（４回路）としているが、それ以上でも構わない。
本実施例では２並列接続の場合について示したが、３並列以上の場合は、チップ温度が最高値のものと最低値のものとを検出し、両ＩＧＢＴ間で上記と同様の操作を行うことで実現可能である。
また、本実施例では、ＩＧＢＴのチップ温度検出センサとしてチップに内蔵されたダイオードを使用しているが、ＩＧＢＴチップ付近に設置したサーミスタなどの温度センサを使用しても構わない。
また、スイッチ３３〜３６にはトランジスタなどの半導体スイッチ素子を適用することができる。

本発明は、半導体スイッチング素子を並列接続して使用する場合の温度バランスを改善する制御技術であり、変換装置のみならず、大容量高圧半導体遮断器などへの適用が可能である。

本発明の第１の実施例を示す回路図である。本発明の第２の実施例を示す回路図である。図２の遅延時間可変回路の詳細例を示す。モータ駆動用インバータの主回路図例を示す。ＩＧＢＴモジュールを並列接続したインバータ主回路図例を示す。従来のゲート駆動回路例を示す。温度検出用ダイオードの特性図例を示す。

符号の説明

１・・・直流電源２・・・インバータ回路
３ｕ、３ｖ、３ｗ、３ｘ、３ｙ、３ｚ、３、３ａ、３ｂ・・・ＩＧＢＴ
４ｕ、４ｖ、４ｗ、４ｘ、４ｙ、４ｚ、４・・・ダイオード
５ａ、５ｂ・・・ゲート駆動回路６・・・モータ
７、８・・・駆動回路用電源９、９ａ、９ｂ・・・スイッチ素子
１０、１０ａ、１０ｂ・・・スイッチ素子１１・・・制御部
１２、１２ａ、１２ｂ・・・オン／オフ信号
１３、１３ａ、１３ｂ、２５、２５ａ、２５ｂ・・・抵抗
１４、１８・・・絶縁器
１５、１５ａ、１５ｂ・・・温度検出用ダイオード
１６、１６ａ、１６ｂ・・・電流源１７・・・増幅回路
１９・・・コンパレータ回路２３・・・論理反転器
２２ａ、２２ｂ、３３〜３６・・・スイッチ３０・・・Ａ／Ｄ変換回路
３１・・・デコーダ３２・・・論理回路
２４ａ、２４ｂ、３７〜４０・・・コンデンサ
２６、２６ａ、２６ｂ・・・バッファ回路
２７、２７ａ、２７ｂ・・・遅延時間可変回路２８・・・差分回路
２９・・・絶対値回路

Claims

電力用半導体スイッチ素子と、前記半導体スイッチ素子のチップ温度を測定する温度検出素子とを内蔵した半導体モジュールを複数個並列接続して用いる電力変換装置の前記半導体スイッチ素子制御回路において、前記半導体モジュール間で、各モジュールに内蔵された温度検出素子の温度検出値同士の差分もしくは大小を検出する回路と、検出温度が高い側の半導体モジュールのスイッチ素子へのターンオン指令信号を遅延させる回路と、を備えたことを特徴とする電力用半導体素子の制御回路。
前記ターンオン指令信号を遅延させる回路は、ある一定期間遅延させる回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体素子の制御回路。
前記ターンオン指令信号を遅延させる回路は、温度検出回路同士の差分量に応じて、遅延量を変化させる回路であることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体素子の制御回路。