JP2011193705A - 電圧駆動型半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のゲート駆動回路および電力変換装置は2つのトランジスタで構成されるプッシュプル回路を出力段に備えるゲート駆動回路と、プッシュプル回路(10)と直列に接続されるダイオード(5)を備え、プッシュプル回路とダイオードの直列回路と並列にゲート電源(1)が接続され、プッシュプル回路と並列に負電圧発生回路(6)を備え、負電圧発生回路の出力端子とゲート電源の負極端子間にトランジスタ(4)を接続し、プッシュプル回路とトランジスタのベース端子でプッシュプル回路の出力電圧を正負に出力することを特徴としたゲート駆動回路であり、このゲート駆動回路を使うことで達成できる。
【選択図】 図1
Description
図11は第5の実施例の変形例1である。図11にコンバータ22の回路構成を示す。図11は降圧チョッパ回路を使ったコンバータであり、31はチョークコイル、29はIGBT、30はダイオード、28は平滑コンデンサである。
図12は第5の実施例の変形例2である。図12にコンバータ22の回路構成を示す。図12は前段に昇圧チョッパ回路,後段に降圧チョッパ回路を使ったコンバータである。図6,図11と同一の構成要素には同一符号付し、説明は省略する。
図13は第5の実施例の変形例3である。図13にコンバータ22の回路構成を示す。図13は前段に降圧チョッパ回路、後段に昇圧チョッパ回路を使ったコンバータであり、33はチョークコイル、26,29はIGBT、27,30はダイオード、28は平滑コンデンサである。
IGBT41の電流Ic1の電流が0Aとなるタイミングからモード1が始まるものとする。モード1開始時にはIGBT41に電流は流れていないが、IGBT41はすでにオンしているため、モード1開始直後からIGBT41に電流Ic1が流れ始める。このときIGBT41の両端電圧(コレクタ端子,エミッタ端子間電圧Vc1)は0Vであるため、IGBT41には損失が発生しないZVZCSターンオンとなる。
IGBT41を遮断しモード2になると、ILcはコンバータ22,スナバコンデンサ45,加熱コイル47,共振コンデンサ49の経路と、加熱コイル47,共振コンデンサ48,スナバコンデンサ45の経路と、スナバコンデンサ46,加熱コイル47,共振コンデンサ49の経路に流れる。このとき、スナバコンデンサ45は充電され、スナバコンデンサ46は放電される。これにより、IGBT41の両端電圧は緩やかに上昇し、ZVSターンオフとなり、スイッチング損失を小さくできる。
IGBT43の電流Ic2の電流が0Aとなるタイミングからモード3が始まるものとする。モード3開始時にはIGBT43に電流は流れていないが、IGBT43はすでにオンしているため、モード3開始直後からIGBT43に電流Ic2が流れ始める。このときIGBT43の両端電圧(コレクタ端子,エミッタ端子間電圧Vc2)は0Vであるため、IGBT43には損失が発生しないZVZCSターンオンとなる。
IGBT43を遮断しモード4になると、ILcは加熱コイル47,スナバコンデンサ46,コンバータ22,共振コンデンサ48の経路と、加熱コイル47,スナバコンデンサ46,共振コンデンサ49の経路と、スナバコンデンサ45,共振コンデンサ48,加熱コイル47の経路に流れる。このとき、スナバコンデンサ46は充電され、スナバコンデンサ45は放電される。これにより、IGBT43の両端電圧は緩やかに上昇し、ZVSターンオフとなり、スイッチング損失を小さくできる。
図18に実施例6の変形例1を示す。変形例1は実施例6の共振コンデンサ48を省略するとともに、共振コンデンサ49に代え共振コンデンサ51を設けたものである。その他の部分は実施例6の構成と共通するので説明を省略する。変形例1はSEPP(Single Ended Push Pull)インバータの回路構成である。共振コンデンサ51の容量を、実施例6の共振コンデンサ48,49の並列接続の合成容量値とする。動作については実施例6と同様であるため、説明は省略する。
図19は実施例6の変形例2を示す。本変形例はフルブリッジインバータの回路構成である。図14と同一の構成要素に同一符号が付し、重複説明は避ける。フルブリッジインバータは、コンバータ22の出力端子であるc−g間に上下アーム200と、上下アーム300が接続され、上下アームの中点のt−r間に加熱コイル47と共振コンデンサ51の直列回路が接続された構成である。IGBT41,43,61,63には逆並列にダイオード42,44,62,64が接続されており、IGBTのコレクタ端子にダイオードのカソード端子,エミッタ端子にアノード端子が接続されている。IGBT41とIGBT63に同じ駆動信号を与え、IGBT43とIGBT61に同じ駆動信号を与えることで、IGBT41とIGBT43が相補に駆動し、IGBT61とIGBT63が相補に駆動する。
図20に実施例6の変形例3を示す。本変形例はリレー53を設けSEPPとフルブリッジを切り替える構成となっている。誘導加熱装置の場合、加熱する負荷によってインバータ方式を切り替えることで、鉄や磁性ステンレスに代表される磁性金属製の金属負荷も、アルミニウムや銅に代表される非磁性金属製の金属負荷も加熱することが可能になる。アルミニウムや銅といった低抵抗の非磁性材料は、SEPPインバータで加熱する。一方、鉄や磁性ステンレスなどの磁性材料は、金属の電気抵抗が大きいため、加熱コイルと共振コンデンサで構成される共振回路の大きな電圧を印加できるフルブリッジインバータで加熱する。インバータ方式の切り替えはリレー53をオフでSEPPインバータ、リレー53をオンでフルブリッジインバータに切り替える。各回路方式の動作については、第6の実施例の変形例1および変形例2と同様であるため説明は省略する。
2 NPNトランジスタ
3,4 PNPトランジスタ
5,27,30,42,44,62,64,66,68,70,72 ダイオード
6 負電圧発生回路
7,26,29,41,43,61,63,65,67,69,71,73 IGBT
8 環流ダイオード
9 ゲート抵抗
10 プッシュプル回路
11,12 抵抗
13 コンデンサ
14 ツェナーダイオード
20 商用AC電源
21 整流回路
22 コンバータ
23 インバータ
24 負荷
25,31,33 チョークコイル
28 平滑コンデンサ
32 出力コンデンサ
45,46 スナバコンデンサ
47 加熱コイル
48,49,51 共振コンデンサ
53 リレー
83 3相モータ
100 電流センサ
101 AC電流検出回路
102 入力電圧検出回路
103 入力電流検出回路
104 直流電圧検出回路
105 負荷電流検出回路
106 制御回路
107 入力電力設定部
108 ゲート駆動回路
200,300 上下アーム
Claims (17)
- 電力変換装置の電圧駆動型半導体素子、または、該電圧駆動型半導体素子を駆動するゲート駆動回路であって、
ゲート電源と、
NPNトランジスタと第1のPNPトランジスタの直列回路で構成されたプッシュプル回路と、
前記ゲート電源の正負極間に接続された、前記プッシュプル回路とダイオードの直列回路と、
前記プッシュプル回路に並列に接続された負電圧発生回路と、
該負電圧発生回路の出力端子と前記ゲート電源の負極端子間に接続された、第2のPNPトランジスタと、
前記負電圧発生回路のE端子と前記ゲート電源の負極端子間に接続された、ダイオードを備え、
前記NPNトランジスタと第1のPNPトランジスタの接続点からゲート抵抗を介し、前記電圧駆動型半導体素子のゲート端子に接続し、前記ゲート電源の負極端子と前記電圧駆動型半導体素子のエミッタ端子が接続されたことを特徴とするゲート駆動回路。 - 請求項1記載のゲート駆動回路において、
前記負電圧発生回路は、2つの抵抗の直列回路とコンデンサで構成されることを特徴とするゲート駆動回路。 - 請求項1記載のゲート駆動回路において、
前記負電圧発生回路は、ツェナーダイオードと抵抗の直列回路とコンデンサで構成されることを特徴とするゲート駆動回路。 - 交流AC電源と、
該交流AC電源の出力を整流する整流回路と、
該整流回路の出力を直流電圧に変換するコンバータと、
該コンバータを駆動する第1のゲート駆動回路と、
前記コンバータの出力を交流電圧に変換するインバータと、
該インバータを駆動する第2のゲート駆動回路と、
前記インバータの出力が供給される負荷と、
を備える電力変換装置において、
前記第1のゲート駆動回路および前記第2のゲート駆動回路は、請求項1〜請求項3のいずれかに記載のゲート駆動回路であることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記コンバータは、前記整流回路と並列に、チョークコイルとスイッチング素子の直列回路が接続され、前記スイッチング素子と並列に、ダイオードとコンデンサの直列回路が接続され、前記スイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とした電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記コンバータは、前記整流回路と並列に、スイッチング素子とダイオードの直列回路が接続され、前記ダイオードと並列に、チョークコイルとコンデンサの直列回路が接続され、前記スイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とした電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記コンバータは、前記整流回路と並列に、第1のチョークコイルと第1のスイッチング素子の直列回路が接続され、前記第1のスイッチング素子と並列に第1のダイオードと第1のコンデンサの直列回路が接続され、
前記第1のコンデンサと並列に、第2のスイッチング素子と第2のダイオードの直列回路が接続され、前記第2のダイオードと並列に、第2チョークコイルと第2のコンデンサの直列回路が接続され、前記第1および第2のスイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とした電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記コンバータは、前記整流回路と並列に、第2のスイッチング素子と第2のダイオードの直列回路が接続され、前記第2のダイオードと並列に、チョークコイルと第1のスイッチング素子の直列回路が接続され、
前記第1のスイッチング素子と並列に、前記第1ダイオードと前記コンデンサの直列回路が接続され、前記第1および第2のスイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とした電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、前記整流回路または前記コンバータと並列に、第1と第2のスイッチング素子の直列回路と第1および第2の共振コンデンサの直列回路を接続し、前記スイッチング素子は並列に第1および第2のダイオードおよび第1および第2のスナバコンデンサを備え、
前記第1および第2のスイッチング素子の接続点と前記第1および第2の共振コンデンサの接続点との間に被加熱物を含む加熱コイルを有してなる誘導加熱装置であり、
前記第1および第2のスイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、前記整流回路または前記コンバータと並列に、第1と第2のスイッチング素子の直列回路を接続し、前記第1および第2のスイッチング素子は並列に第1および第2のダイオードと第1および第2のスナバコンデンサを備え、
前記第2のスイッチング素子と並列に被加熱物を含む加熱コイルと共振コンデンサの直列回路を接続した誘導加熱装置であり、前記第1および第2のスイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、前記整流回路または前記コンバータと並列に、第1と第2のスイッチング素子の直列回路と第3と第4のスイッチング素子の直列回路を接続し、前記第1から第4のスイッチング素子は並列に第1から第4のダイオードおよび第1から第4のスナバコンデンサを備え、
前記第1と第2のスイッチング素子の接続点と前記第3と第4のスイッチング素子の接続点間に被加熱物を含む加熱コイルと共振コンデンサの直列回路を接続した誘導加熱装置であり、
前記第1から第4のスイッチング素子が請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、前記整流回路または前記コンバータと並列に、第1と第2のスイッチング素子の直列回路と第3と第4のスイッチング素子の直列回路を接続し、前記第1から第4のスイッチング素子は並列に第1から第4のダイオードおよび第1から第4のスナバコンデンサを備え、
前記第1と第2のスイッチング素子の接続点と前記第3と第4のスイッチング素子の接続点間に被加熱物を含む加熱コイルと第1の共振コンデンサの直列回路を接続し、前記加熱コイルと前記第1の共振コンデンサの接続点と前記整流回路または前記コンバータの負極端子間に第2の共振コンデンサを接続した誘導加熱装置であり、
前記第1から第4のスイッチング素子が前記請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記インバータは、前記整流回路または前記コンバータと並列に、第1と第2のスイッチング素子の直列回路と第3と第4のスイッチング素子の直列回路と第5と第6のスイッチング素子の直列回路を接続し、前記第1から第6のスイッチング素子は並列に第1から第6のダイオードを備え、
前記第1と第2のスイッチング素子の接続点と前記第3と第4のスイッチング素子の接続点と前記第5と第6のスイッチング素子の接続点にモータ負荷を接続したモータ駆動装置であり、
前記第1から第6のスイッチング素子が前記請求項1〜請求項3いずれかに記載のゲート駆動回路を備えることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1から請求項3に記載のゲート駆動回路において、
トランジスタに代えMOSFETを用いることを特徴とするゲート駆動回路。 - 請求項1〜3いずれか一項に記載のゲート駆動回路において、前記電圧型半導体素子として、IGBTを用いたことを特徴とするゲート駆動回路。
- 請求項1〜3いずれか一項に記載のゲート駆動回路において、前記電圧型半導体素子として、パワーMOSFETを用いたことを特徴とするゲート駆動回路。
- 請求項1〜3いずれか一項に記載のゲート駆動回路において、前記電圧型半導体素子として、ワイドバンドギャップ素子を用いたことを特徴とするゲート駆動回路。
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