JP2009284640A - 半導体素子駆動装置及び電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング時に生じる電力損失を低減することが可能な半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等を提供することを目的とする。
【解決手段】並列接続された複数の半導体素子を含むスイッチング手段２１と、前記複数の半導体素子を駆動する駆動手段３０と、前記駆動手段３０を制御する制御手段４０と、を有する半導体素子駆動装置であって、前記制御手段４０は、前記スイッチング手段２１の出力する電流値を監視する電流値監視手段４４と、前記駆動手段３０の駆動状態を監視する駆動状態監視手段４３と、前記スイッチング手段２１及び前記駆動手段３０の電気特性に関する情報を記憶する情報記憶手段４２と、前記電流値監視手段４４の監視する前記電流値、前記駆動状態監視手段４３の監視する前記駆動状態、及び、前記情報記憶手段４２の記憶する前記情報に基いて、前記複数の半導体素子のうちの一部を停止する半導体素子停止手段４１と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、並列接続された複数の半導体素子を駆動する半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等に関する。

従来から、並列に接続された複数の上アームスイッチング素子と、並列に接続された複数の下アームスイッチング素子とを直列に接続したスイッチング回路と、スイッチング回路を駆動する駆動回路とを含む半導体素子駆動装置が知られている。又、このような半導体素子駆動装置を用いた回路として、例えば、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との接続点にリアクトルを接続した構成の電圧変換装置等が知られている。

このような半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等において、電力損失を低減するために、スイッチング回路の出力電流の大小に基づいて、並列に接続されたスイッチング素子の一部を停止する技術が開示されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
特開平１０−８０１５２号公報 特開２０００−１９７２０６号公報 特開２００７−２０３１６号公報

しかしながら、従来の半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等では、スイッチング回路の出力電流の大小のみに基いて並列に接続されたスイッチング素子の一部を停止するため、スイッチング回路を駆動する駆動回路も含めたスイッチング時に生じる電力損失は、必ずしも低減されないという問題があった。すなわち、スイッチング時に生じる電力損失は、スイッチング回路の損失のみでは決まらず、スイッチング回路を駆動する駆動回路の損失も含めて考えなければならないという点が考慮されていなかった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、スイッチング時に生じる電力損失を低減することが可能な半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、並列接続された複数の半導体素子を含むスイッチング手段と、前記複数の半導体素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、を有する半導体素子駆動装置であって、前記制御手段は、前記スイッチング手段の出力する電流値を監視する電流値監視手段と、前記駆動手段の駆動状態を監視する駆動状態監視手段と、前記スイッチング手段及び前記駆動手段の電気特性に関する情報を記憶する情報記憶手段と、前記電流値監視手段の監視する前記電流値、前記駆動状態監視手段の監視する前記駆動状態、及び、前記情報記憶手段の記憶する前記情報に基いて、前記複数の半導体素子のうちの一部を停止する半導体素子停止手段と、を有することを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る半導体素子駆動装置において、前記スイッチング手段は、並列接続された複数の半導体素子を含む半導体素子群Ａと、並列接続された複数の半導体素子を含む半導体素子群Ｂとを有し、前記半導体素子群Ａと前記半導体素子群Ｂとが直列に接続された構成を含むことを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明に係る半導体素子駆動装置において、前記情報は、前記スイッチング手段及び前記駆動手段の電力損失に関する情報であることを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明に係る半導体素子駆動装置において、前記電力損失に関する情報は、前記半導体素子に流れる電流と温度上昇との関係及び、前記駆動手段の出力する駆動信号の周波数及びデューティ比に基く情報であることを特徴とする。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか一の発明に係る半導体素子駆動装置において、前記半導体素子停止手段は、前記スイッチング手段の電力損失と前記駆動手段の電力損失との合計が最小になるように、前記複数の半導体素子のうちの一部を停止することを特徴とする。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか一の発明に係る半導体素子駆動装置において、前記半導体素子は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ及びフライホイールダーオードから構成されていることを特徴とする。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか一の発明に係る半導体素子駆動装置と、前記半導体素子駆動装置の前記スイッチング手段と接続されるリアクトル及びコンデンサと、を有する電圧変換装置であることを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明に係る電圧変換装置において、入力される電圧を昇圧又は降圧して出力することを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング時に生じる電力損失を低減することが可能な半導体素子駆動装置及び電圧変換装置等を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電圧変換装置１０の概略の構成を例示する図である。始めに、電圧変換装置１０の各部の構成について概説する。図１を参照するに、電圧変換装置１０は、電圧変換手段２０と、駆動手段３０と、制御手段４０と、電流モニタ５０とを有する。６０は蓄電手段であり、Ｖ１は蓄電手段６０の両端の電圧を示している。

電圧変換手段２０は、スイッチング手段２１と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１と、コンデンサＣ２と、端子ａと、端子ｂとを有する。なお、端子ａ及び端子ｂは便宜上設けたものであり必須ではない。スイッチング手段２１は、スイッチング素子群２１Ａとスイッチング素子群２１Ｂとを有する。

スイッチング素子群２１Ａは、半導体素子である第１のスイッチング素子Ｑ１と、第３のスイッチング素子Ｑ３と、第１のダイオードＤ１と、第３のダイオードＤ３とを有する。すなわち、複数の半導体素子が並列に接続された構成である。スイッチング素子群２１Ｂは、半導体素子である第２のスイッチング素子Ｑ２と、第４のスイッチング素子Ｑ４と、第２のダイオードＤ２と、第４のダイオードＤ４とを有する。すなわち、複数の半導体素子が並列に接続された構成である。V２は、端子ａと端子ｂとの間の電圧を示している。

駆動手段３０は、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、ＰＷＭ生成回路３３とを有する。制御手段４０は、半導体素子停止手段４１と、情報記憶手段４２と、駆動状態監視手段４３と、電流値監視手段４４とを有する。なお、スイッチング手段２１、駆動手段３０、制御手段４０、電流モニタ５０の部分を半導体素子駆動装置という場合がある。

続いて、電圧変換装置１０の各部の接続について概説する。電圧変換手段２０において、スイッチング手段２１のスイッチング素子群２１Ａとスイッチング素子群２１Ｂとは、端子ａと端子ｂとの間に直列に接続されている。スイッチング素子群２１Ａにおいて、第１のスイッチング素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、第３のスイッチング素子Ｑ３、第３のダイオードＤ３は並列に接続されている。

より詳しくは、第１のスイッチング素子Ｑ１のコレクタ、第１のダイオードＤ１のカソード、第３のスイッチング素子Ｑ３のコレクタ、第３のダイオードＤ３のカソードが接続されており、第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ、第１のダイオードＤ１のアノード、第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ、第３のダイオードＤ３のアノードが接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートは、駆動手段３０の第１の駆動回路３１に接続されている。第３のスイッチング素子Ｑ３のゲートは、駆動手段３０の第２の駆動回路３２に接続されている。

スイッチング素子群２１Ｂにおいて、第２のスイッチング素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、第４のスイッチング素子Ｑ４、第４のダイオードＤ４は並列に接続されている。より詳しくは、第２のスイッチング素子Ｑ２のコレクタ、第２のダイオードＤ２のカソード、第４のスイッチング素子Ｑ４のコレクタ、第４のダイオードＤ４のカソードが接続されており、第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタ、第２のダイオードＤ２のアノード、第４のスイッチング素子Ｑ４のエミッタ、第４のダイオードＤ４のアノードが接続されている。第２のスイッチング素子Ｑ２のゲートは、駆動手段３０の第１の駆動回路３１に接続されている。第４のスイッチング素子Ｑ４のゲートは、駆動手段３０の第２の駆動回路３２に接続されている。

スイッチング素子群２１Ａの一端とスイッチング素子群２１Ｂの一端とが接続されている部分には、リアクトルＬ１の一端が接続されている。リアクトルＬ１の他端は、コンデンサＣ１の一端及び電流モニタ５０の一端（１）に接続されている。電流モニタ５０の他端（２）は、蓄電手段６０の一端（＋側）に接続されている。電流モニタ５０の他端（３）は、制御手段４０の電流値監視手段４４に接続されている。

スイッチング素子群２１Ａの他端は、コンデンサＣ２の一端及び端子ａと接続されている。スイッチング素子群２１Ｂの他端は、蓄電手段６０の他端（−側）、コンデンサＣ１の他端、コンデンサＣ２の他端及び端子ｂと接続されている。端子ａと端子ｂとの間には、例えば、インバータが接続される。なお、電圧変換手段２０の端子ｂの電位は、電圧変換装置１０の基準電位である。

駆動手段３０の第１の駆動回路３１、第２の駆動回路３２及びＰＷＭ生成回路３３は互いに接続されている。制御手段４０は、駆動手段３０を制御することが可能な態様で駆動手段３０と接続されている。制御手段４０を構成する半導体素子停止手段４１、情報記憶手段４２、駆動状態監視手段４３、電流値監視手段４４は、相互に情報の授受が可能な態様で接続されている。

続いて、電圧変換装置１０の各部の機能について概説する。電圧変換手段２０のスイッチング手段２１のスイッチング素子群２１Ａを構成する第１のスイッチング素子Ｑ１、第３のスイッチング素子Ｑ３及びスイッチング素子群２１Ｂを構成する第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）である。絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）は、ゲートにＭＯＳＦＥＴを組み込んだバイポーラ・トランジスタでありエミッタ、コレクタ及びゲートの３端子を備えている。

電圧変換手段２０のスイッチング手段２１のスイッチング素子群２１Ａを構成する第１のダイオードＤ１、第３のダイオードＤ３及びスイッチング素子群２１Ｂを構成する第２のダイオードＤ２及び第４のダイオードＤ４は、フライホイールダイオードである。フライホイールダイオードは、電流を還流させるためのダイオードである。

第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２は、駆動手段３０の第１の駆動回路３１からの駆動信号に応じてオン／オフする機能を有する。第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４は、駆動手段３０の第２の駆動回路３２からの駆動信号に応じてオン／オフする機能を有する。リアクトルＬ１は、電気エネルギーを一時的に蓄積する機能を有する。コンデンサＣ１及びＣ２は、電圧の変動を低減し平滑化する機能を有する。

電流モニタ５０は、リアクトルＬ１に流れる電流の値を検出する機能を有する。電流モニタ５０としては、例えば、カレントトランス等を用いることができる。又、微少な検出抵抗を用いても構わない。電流モニタ５０で検出された電流の値は、電圧値に変換され、制御手段４０の電流値監視手段４４に入力される。蓄電手段６０は、電力を蓄積して直流電圧を出力する機能を有する。蓄電手段６０としては、例えば、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、電気２重層コンデンサ等を用いることができる。

電圧変換手段２０は、駆動手段３０からの駆動信号に応じて第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４がスイッチング動作することにより、蓄電手段６０の両端の電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に昇圧し、端子ａと端子ｂとの間から出力する機能を有する。駆動手段３０からの駆動信号は、例えば、後述する図３（ａ）に示すように、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３と、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４とを交互にオン／オフさせる如き信号である。

第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３がオフ状態、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４がオン状態になると、蓄電手段６０から電流モニタ５０を経由してリアクトルＬ１に電流が流れ、リアクトルＬ１は電気エネルギーを一時的に蓄積する。次いで、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３がオン状態、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４がオフ状態になると、リアクトルＬ１が一時的に蓄積した電気エネルギーは、第１のダイオードＤ１及び第３のダイオードＤ３を経由して端子ａに出力される。すなわち、蓄電手段６０の両端の電圧Ｖ１は、電圧Ｖ２に昇圧されて端子ａと端子ｂとの間から出力される。

又、電圧変換手段２０は、駆動手段３０からの駆動信号に応じて第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４をオン／オフすることにより、端子ａと端子ｂとの間に印加される電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に降圧する機能を有する。駆動手段３０からの駆動信号は、例えば、後述する図３（ａ）に示すように、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３と、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４とを交互にオン／オフさせる如き信号である。

第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３がオン状態、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４がオフ状態になると、端子ａからリアクトルＬ１に電流が流れ、リアクトルＬ１は電気エネルギーを一時的に蓄積する。次いで、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第３のスイッチング素子Ｑ３がオフ状態、第２のスイッチング素子Ｑ２及び第４のスイッチング素子Ｑ４がオン状態になると、リアクトルＬ１が一時的に蓄積した電気エネルギーは、第２のダイオードＤ２及び第４のダイオードＤ４を経由して還流する。すなわち、端子ａと端子ｂとの間の電圧Ｖ２は、電圧Ｖ１に降圧され蓄電手段６０が充電される。

駆動手段３０は、スイッチング手段２１の各スイッチング素子を駆動する機能を有する。駆動手段３０のＰＷＭ生成回路３３は、制御手段４０からの指令により所定のスイッチング周波数及び所定のデューティ比のＰＷＭ信号を生成し、第１の駆動回路３１及び第２の駆動回路３２に出力する。所定のスイッチング周波数とは、負荷を駆動する状態に応じて、予め定められた複数の周波数から選択される周波数である。所定のデューティ比とは、負荷を駆動する状態に応じて変動するＰＷＭ信号のＨレベルの時間／（Ｈレベルの時間＋Ｌレベルの時間）である。

第１の駆動回路３１及び第２の駆動回路３２は、ＰＷＭ生成回路３３が生成したＰＷＭ信号を第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４を駆動できる態様に変換した駆動信号を生成し、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４の各ゲートに電圧を印加する。

制御手段４０は、電圧変換手段２０及び駆動手段３０を制御する機能を有する。制御装置４０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、メインメモリなどを含み、制御装置４０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現される。ただし、制御装置４０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。又、制御装置４０は、物理的に複数の装置により構成されてもよい。制御手段４０は、例えば、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ ）内に設けることができる。

制御手段４０の電流値監視手段４４は、所定の時間間隔毎に、電流モニタ５０で検出
されたリアクトルＬ１の電流値を監視し、監視結果を保持する機能を有する。リアクトルＬ１の電流値は、すなわち、スイッチング手段２１の出力する電流値である。所定の時間間隔は、スイッチング手段２１に所定の電流が流れたときの温度上昇が十分飽和する時間であり、例えば、２秒以上とすることができる。

電流値監視手段４４が、スイッチング手段２１の出力する電流値を監視する目的について説明する。図２は、スイッチング手段２１の出力する電流値と温度上昇との関係を例示する図である。図３は、各スイッチング素子の駆動信号を例示する図である。

図２は、図１におけるＶ１を２００Ｖとしたときに、Ｖ２を２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖに昇圧する場合の特性を示している。図２において、Ｉはスイッチング手段２１の出力する電流値、ΔＴｊはスイッチング素子群２１Ａ又はスイッチング素子群２１Ｂの温度上昇、Ｖ２は図１における端子ａと端子ｂとの間の電圧（昇圧後の電圧）を示している。図３において、Ｖ_Ｑ１、Ｖ_Ｑ２、Ｖ_Ｑ３及びＶ_Ｑ４は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４の駆動信号を示している。

図２（ａ）は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４を図３（ａ）に示す駆動信号で駆動した場合の各素子の温度上昇を示している。すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４の全てをオン／オフした場合（以降、２素子駆動という場合がある）の特性である。図２（ａ）に示すように、昇圧後の電圧Ｖ２が高いほど、電流Ｉに対する温度上昇ΔＴｊは大きくなる。

図２（ｂ）は、２素子駆動の場合に温度上昇ΔＴｊ≦Δ６０℃となる電流値（許容電流）を示している。許容電流を超えると各スイッチング素子は熱的に破壊する虞がある。図２（ｂ）より、Ｖ２を２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖに昇圧する場合のそれぞれの許容電流は、例えば、表１のようになる。

１素子当りの許容電流は、表１の半分になるので、表２に示す値になる。

すなわち、２素子駆動時のスイッチング手段２１の出力する電流値を監視し、電流値が表２に示す各駆動状態における許容電流を超えなければ、温度上昇の観点からは１素子駆動にしても良いということになる。なお、１素子駆動とは、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４を図３（ｂ）に示す駆動信号、すなわち、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のみをオン／オフし、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４を停止した場合を指す。

そこで、電流値監視手段４４が、所定の時間間隔毎に、電流モニタ５０で検出されたスイッチング手段２１の出力する電流値を監視するのである。電流値監視手段４４が監視する電流値は、後述する、半導体素子停止手段４１が、１素子駆動と２素子駆動のどちらが最適かを判断する材料として使用される。表２に示す特性は、予め測定され、情報記憶手段４２に記憶される。

駆動状態監視手段４３は、駆動手段３０の駆動状態を監視する機能を有する。具体的には、ＰＷＭ信号の所定のスイッチング周波数及び所定のデューティ比を監視する。所定のスイッチング周波数及び所定のデューティ比が高いほど、負荷が重い状態（重い駆動状態）であると判断できる。

駆動状態監視手段４３が、駆動手段３０の駆動状態を監視する目的について説明する。図４は、駆動状態に対する全体損失を例示する図である。図４において、領域１は１素子駆動の方が２素子駆動よりも全体損失が低くなる領域、領域２は２素子駆動の方が１素子駆動よりも全体損失が低くなる領域を示している。

駆動状態とは、前述のように、ＰＷＭ信号の所定のスイッチング周波数及び所定のデューティ比を指すが、図１におけるＶ１を２００Ｖとしたときに、Ｖ２を２００Ｖ、３００Ｖ、４００Ｖ、５００Ｖに昇圧する場合を考えると、２００Ｖを５００Ｖに昇圧する場合が最もスイッチング周波数及びデューティ比は高くなり、重い駆動状態であるといえる。すなわち、駆動状態の軽重とＶ２の電圧の低高とは対応関係にある。全体損失とは、スイッチング手段２１で生じる電力損失と、駆動手段３０で生じる電力損失とを加えたものである。

駆動手段３０における、１素子駆動時の電力損失は、２素子駆動時の電力損失の略半分になる。１素子駆動時には、駆動手段３０の一部の駆動回路が動作していないからである。一方、スイッチング手段２１においては、駆動状態が重いほど１素子駆動時の電力損失が２素子駆動時の電力損失よりも大きくなる。これは、駆動状態が重いほど１素子駆動時の温度上昇は、２素子駆動時の温度上昇よりも大きくなるが、温度上昇が大きくなると各スイッチング素子の飽和電圧（サチュレーション電圧）が大きくなり電力損失が増加する等の理由による。

よって、図４に示すように、全体損失は、ある駆動状態を境界として、１素子駆動の方が２素子駆動よりも全体損失が低くなる領域１と、２素子駆動の方が１素子駆動よりも全体損失が低くなる領域２とに別れる。図４に示す特性は、予め測定され、情報記憶手段４２に記憶される。

全体損失が、図４のような特性を示すため、駆動状態監視手段４３は、駆動手段３０の駆動状態を監視するのである。駆動状態監視手段４３が監視する駆動状態は、後述する、半導体素子停止手段４１が、１素子駆動と２素子駆動のどちらが最適かを判断する材料として使用される。

半導体素子停止手段４１は、電流値監視手段４４の監視する電流値、駆動状態監視手段４３の監視する駆動状態、及び、情報記憶手段４２の記憶する情報に基いて、１素子駆動と２素子駆動のどちらが最適かを判断する。図５を参照しながら半導体素子停止手段４１の動作について説明する。図５は、半導体素子停止手段４１の動作を例示するフローチャートである。なお、初期状態は、２素子駆動であるとする。

ステップ１００において、半導体素子停止手段４１は、電流値監視手段４４の監視する電流値を取得する（Ｓ１００）。ステップ１０１において、半導体素子停止手段４１は、駆動状態監視手段４３の監視する駆動状態を取得する（Ｓ１０１）。ステップ１０２において、半導体素子停止手段４１は、情報記憶手段４２の記憶する情報を取得する（Ｓ１０２）。

ステップ１０３において、半導体素子停止手段４１は、ステップ１００で取得した電流値、ステップ１０１で取得した駆動状態及びステップ１０２で取得した情報に基いて、１素子駆動が可能かどうかを判定する（Ｓ１０３）。より具体的には、例えば、ステップ１０２で取得した情報に含まれる表２に対応する情報に基いて、ステップ１００で取得した電流値がステップ１０１で取得した駆動状態に対応する許容電流以下であるか否かを判定する。

ステップ１０３において１素子駆動が可能であると判定した場合には、ステップ１０４において、半導体素子停止手段４１は、ステップ１０１で取得した駆動状態及びステップ１０２で取得した情報に基いて、現在の駆動状態が領域１である否かを判定する（Ｓ１０４）。より具体的には、例えば、ステップ１０２で取得した情報に含まれる図４に対応する情報に基いて、現在の駆動状態が領域１である否かを判定する。

ステップ１０４において領域１であると判定した場合には、ステップ１０５において、半導体素子停止手段４１は、２素子駆動から１素子駆動に切り替える（Ｓ１０５）。より具体的には、例えば、図３（ｂ）に示す駆動信号を生成するように駆動手段３０のＰＷＭ生成回路に指令を出す。その結果、第１のスイッチング素子Ｑ１及び第２のスイッチング素子Ｑ２のみがオン／オフし、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４は停止し、１素子駆動となる。

一方、ステップ１０３において１素子駆動が可能でないと判定した場合、及び、ステップ１０４において現在の駆動状態が領域１でないと判定した場合には、ステップ１０６において、半導体素子停止手段４１は、２素子駆動を継続する（Ｓ１０６）。ステップ１００からステップ１０６までの処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。所定の時間間隔は、例えば、２秒以上とすることができる。

本発明の第１の実施の形態によれば、スイッチング手段の出力電流を監視することにより、温度上昇の観点から駆動するスイッチング素子数を減らしても問題ないか否かを判定する。更に、駆動手段の駆動状態を監視することにより、スイッチング素子数を減らすことでスイッチング時に生じるスイッチング手段の電力損失と駆動手段の電力損失の合計である全体損失を低減できる駆動状態か否かを判定する。その結果、駆動状態に応じて全体損失が最小になる数のスイッチング素子のみを駆動することが可能となり、スイッチング時に生じる電力損失を低減することができる。

〈第２の実施の形態〉
図６は本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置７０の概略の構成を例示する図である。同図中、図１と同一部分については同一符号を付し、その説明は省略する。始めに、モータ駆動装置７０の各部の構成について概説する。ただし、図１と同一構成の部分については、その説明を省略する。

図６を参照するに、モータ駆動装置７０は、スイッチング手段２２と、駆動手段３０と、制御手段４０と、電流モニタ５０とを有する。８０は、モータ駆動装置７０により駆動されるモータである。Ｖ２はスイッチング手段２２に供給される電源の電圧を示している。スイッチング手段２２は、第１のスイッチング素子Ｑ１と、第３のスイッチング素子Ｑ３と、第１のダイオードＤ１と、第３のダイオードＤ３とを有する。

続いて、モータ駆動装置７０の各部の接続について概説する。ただし、図１と同一接続の部分については、その説明を省略する。スイッチング手段２２において、第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ、第１のダイオードＤ１のアノード、第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ、第３のダイオードＤ３のアノードが接続されている部分は、スイッチング手段２２の出力となり、スイッチング手段２２の出力には、電流モニタ５０を介してモータ８０が接続されている。

続いて、モータ駆動装置７０の各部の機能について概説する。ただし、図１と同一機能の部分については、その説明を省略する。スイッチング手段２２は、駆動手段３０からの駆動信号に応じてオン／オフし、モータ８０に所定の電流を供給する。モータ８０は、例えば、ＤＣモータであり、スイッチング手段２２から供給される電流に応じて、所定の回転数で一方向に回転する。

半導体素子停止手段４１の動作については、図５に示すフローチャートの通りである。すなわち、半導体素子停止手段４１は、電流値監視手段４４の監視する電流値、駆動状態監視手段４３の監視する駆動状態及び情報記憶手段４２の記憶する情報を取得し、それらに基いて、１素子駆動と２素子駆動とを切り替えることにより、スイッチング時に生じる電力損失を低減する。

本発明の第２の実施の形態によれば、本発明の第１の実施の形態と同様に、スイッチング手段の出力電流を監視することにより、温度上昇の観点から駆動するスイッチング素子数を減らしても問題ないか否かを判定する。更に、駆動手段の駆動状態を監視することにより、スイッチング素子数を減らすことでスイッチング時に生じるスイッチング手段の電力損失と駆動手段の電力損失の合計である全体損失を低減できる駆動状態か否かを判定する。その結果、駆動状態に応じて全体損失が最小になる数のスイッチング素子のみを駆動することが可能となり、スイッチング時に生じる電力損失を低減することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本発明の第１の実施の形態の図１に例示した構成では、スイッチング素子群２１Ａ及びスイッチング素子群２１Ｂにおいて、スイッチング素子とダイオードから構成される半導体素子が２個並列に接続されているが、スイッチング素子とダイオードから構成される半導体素子は３個以上並列に接続しても構わない。並列に接続する半導体素子の数ごとに、例えば、表２及び図４に相当する特性を測定し、情報記憶手段４２に記憶しておけば、駆動状態に応じて全体損失が最小になる数のスイッチング素子のみを駆動することが可能となり、スイッチング時に生じる電力損失を低減することができる。

又、本発明の第１の実施の形態では、半導体素子駆動装置及び電圧変換装置について例示し、本発明の第２の実施の形態では、半導体素子駆動装置及びモータ駆動装置について例示したが、本発明は、これらに限定されることなく、並列接続された複数の半導体素子を含むスイッチング手段を有する装置であれば、どのような装置にも適用することができる。

又、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４に絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いる例を示したが、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４には、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）以外のスイッチング素子を用いても構わない。第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４としては、例えば、電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を用いても構わない。

又、本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、第１のスイッチング素子Ｑ１、第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第４のスイッチング素子Ｑ４に第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３及び第４のダイオードＤ４がそれぞれ並列に接続される例を示したが、用途によっては、第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２、第３のダイオードＤ３及び第４のダイオードＤ４の一部又は全部は、必ずしも必要ではない。

本発明の第１の実施の形態に係る電圧変換装置１０の概略の構成を例示する図である。 スイッチング手段２１の出力する電流値と温度上昇との関係を例示する図である。 各スイッチング素子の駆動信号を例示する図である。 駆動状態に対する全体損失を例示する図である。 半導体素子停止手段４１の動作を例示するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置７０の概略の構成を例示する図である。

符号の説明

１０ 電圧変換装置
２０ 電圧変換手段
２１，２２ スイッチング手段
２１Ａ スイッチング素子群
２１Ｂ スイッチング素子群
３０ 駆動手段
３１ 第１の駆動回路
３２ 第２の駆動回路
３３ ＰＷＭ生成回路
４０ 制御手段
４１ 半導体素子停止手段
４２ 情報記憶手段
４３ 駆動状態監視手段
４４ 電流値監視手段
５０ 電流モニタ
６０ 蓄電手段
７０ モータ駆動装置
８０ モータ
ａ，ｂ 端子
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１ 第１のダイオード
Ｄ２ 第２のダイオード
Ｄ３ 第３のダイオード
Ｄ４ 第４のダイオード
Ｌ１ リアクトル
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｑ３ 第３のスイッチング素子
Ｑ４ 第４のスイッチング素子
Ｖ１，Ｖ２ 電圧

Claims (8)

1. 並列接続された複数の半導体素子を含むスイッチング手段と、前記複数の半導体素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、を有する半導体素子駆動装置であって、
   前記制御手段は、前記スイッチング手段の出力する電流値を監視する電流値監視手段と、
   前記駆動手段の駆動状態を監視する駆動状態監視手段と、
   前記スイッチング手段及び前記駆動手段の電気特性に関する情報を記憶する情報記憶手段と、
   前記電流値監視手段の監視する前記電流値、前記駆動状態監視手段の監視する前記駆動状態、及び、前記情報記憶手段の記憶する前記情報に基いて、前記複数の半導体素子のうちの一部を停止する半導体素子停止手段と、を有することを特徴とする半導体素子駆動装置。
2. 前記スイッチング手段は、並列接続された複数の半導体素子を含む半導体素子群Ａと、並列接続された複数の半導体素子を含む半導体素子群Ｂとを有し、前記半導体素子群Ａと前記半導体素子群Ｂとが直列に接続された構成を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子駆動装置。
3. 前記情報は、前記スイッチング手段及び前記駆動手段の電力損失に関する情報であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体素子駆動装置。
4. 前記電力損失に関する情報は、前記半導体素子に流れる電流と温度上昇との関係及び、前記駆動手段の出力する駆動信号の周波数及びデューティ比に基く情報であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子駆動装置。
5. 前記半導体素子停止手段は、前記スイッチング手段の電力損失と前記駆動手段の電力損失との合計が最小になるように、前記複数の半導体素子のうちの一部を停止することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の半導体素子駆動装置。
6. 前記半導体素子は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ及びフライホイールダーオードから構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の半導体素子駆動装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項記載の半導体素子駆動装置と、前記半導体素子駆動装置の前記スイッチング手段と接続されるリアクトル及びコンデンサと、を有する電圧変換装置。
8. 入力される電圧を昇圧又は降圧して出力することを特徴とする請求項７記載の電圧変換装置。

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