JP2013207821A - Power conversion circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータやコンバータなどの電力変換回路に関する。 The present invention relates to a power conversion circuit such as an inverter or a converter.
一般に、インバータやコンバータなどの電力変換回路は、スイッチング素子を用いて構成され、多くの分野で活用されている。電力変換回路は電源と負荷との間に設けられ、電源から負荷に対して供給される電力を特定の形式に変換する機能を果たす。
電力変換回路として、特に高電圧を扱うパワーエレクトロニクス分野で活用されるものは、スイッチング素子に高耐圧が要求される。スイッチング素子を高耐圧とするためには、例えば、バンドギャップの大きい半導体材料を用いてスイッチング素子を構成すればよい。この半導体材料としては、Si(珪素)に比べてバンドギャップの大きな半導体材料であるSiC(炭化珪素)が注目されている。そして、近年、SiCを用いたスイッチング素子として、MISFET(Metal−Insulator−Semiconductor Field−Effect Transistor:金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ)の一種であるMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor:金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ)が活用されている(特許文献1参照)。特許文献1には、トランジスタに内蔵されたダイオードを還流ダイオードとして用いることが開示されている。
Generally, power conversion circuits such as inverters and converters are configured using switching elements and are used in many fields. The power conversion circuit is provided between the power source and the load, and functions to convert the power supplied from the power source to the load into a specific format.
As a power conversion circuit, a circuit used particularly in the power electronics field that handles a high voltage requires a high breakdown voltage for the switching element. In order to make the switching element have a high withstand voltage, for example, the switching element may be configured using a semiconductor material having a large band gap. As this semiconductor material, SiC (silicon carbide), which is a semiconductor material having a larger band gap than Si (silicon), has attracted attention. In recent years, as a switching element using SiC, a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is a kind of MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor: Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor). Metal-oxide-semiconductor field effect transistors) are used (see Patent Document 1).
トランジスタは、そのゲート電極に閾値電圧(以下、Vtと呼ぶ)以上の電圧を印加するとソース電極ドレイン電極間が導通状態となり、Vt未満の電圧を印加すると非導通状態となる。 When a voltage equal to or higher than a threshold voltage (hereinafter referred to as Vt) is applied to the gate electrode of the transistor, the source electrode and the drain electrode become conductive, and when a voltage lower than Vt is applied, the transistor becomes nonconductive.
しかし、トランジスタの閾値電圧Vtは、ゲート電極に正の電圧を印加することにより、正の方向に変動することがある(非特許文献1参照)。
トランジスタが設けられた電力変換回路では、Vtが変動すると、トランジスタの導通状態および非導通状態のタイミングが変動してしまうため、電力変換回路として所望の動作が期待できなくなる。そのため、Vtの変動を抑制したいという要請がある。
However, the threshold voltage Vt of the transistor may fluctuate in the positive direction when a positive voltage is applied to the gate electrode (see Non-Patent Document 1).
In a power conversion circuit provided with a transistor, when Vt varies, the timing of the conduction state and non-conduction state of the transistor varies, so that a desired operation as a power conversion circuit cannot be expected. For this reason, there is a demand for suppressing fluctuations in Vt.
そこで、本明細書において開示される電力変換回路は、還流ダイオードに流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタの閾値電圧の変動を抑制することを目的とする。 Therefore, an object of the power conversion circuit disclosed in this specification is to suppress a change in threshold voltage of a transistor while suppressing a decrease in current flowing through a freewheeling diode.
上記の課題を解決するために、本明細書において開示される電力変換回路は、直列に接続された第1および第2トランジスタと、制御部と、を備えた電力変換回路であって、前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、ゲート電極と、第1オーミック電極と、第2オーミック電極とを備え、前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、前記第1オーミック電極から前記第2オーミック電極に電流を流すことが可能なダイオードを含んでおり、前記制御部は、前記第1および第2トランジスタが、前記第1オーミック電極および前記第2オーミック電極の一方から他方に電流を流すことができる導通状態、並びに前記第2オーミック電極から前記第1オーミック電極に電流を流すことができない非導通状態を繰り返すように、前記第1および第2トランジスタを制御し、前記第1および第2トランジスタの一方を前記導通状態とする場合、前記一方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1オーミック電極を基準として正の第1電圧を印加し、前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が負であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1電圧よりも低い正の電圧またはゼロの電圧である第2電圧を印加し、前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に負の電圧である第3電圧を印加する。 In order to solve the above problem, a power conversion circuit disclosed in the present specification is a power conversion circuit including first and second transistors connected in series and a control unit, and Each of the first and second transistors includes a gate electrode, a first ohmic electrode, and a second ohmic electrode, and each of the first and second transistors changes from the first ohmic electrode to the second ohmic electrode. The control unit includes a diode capable of flowing current, and the control unit allows the first and second transistors to conduct current from one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode to the other. The first and second non-conducting states in which no current can flow from the second ohmic electrode to the first ohmic electrode. And the second transistor is controlled so that one of the first and second transistors is in the conductive state, the positive ohmic electrode is used as a reference between the gate electrode and the first ohmic electrode of the one transistor. When one voltage is applied and one of the first and second transistors is brought into the non-conductive state, the second ohmic electrode of the transistor is used as a reference in the conductive state immediately before the one transistor. If the potential of the ohmic electrode is negative, a positive voltage lower than the first voltage or a second voltage that is zero voltage is applied between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor, In the previous conductive state, the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is If the gate electrode of the transistor - applying a third voltage which is a negative voltage between the first ohmic electrode.
また、本明細書において開示される制御方法は、互いに直列に接続され、それぞれ、ゲート電極と、第1オーミック電極と、第2オーミック電極とを備え、前記第1オーミック電極から前記第2オーミック電極に電流を流すことが可能なダイオードを含む第1および第2トランジスタを制御する制御方法であって、前記第1および第2トランジスタが、前記第1オーミック電極および前記第2オーミック電極の一方から他方に電流を流すことができる導通状態、並びに前記第2オーミック電極から前記第1オーミック電極に電流を流すことができない非導通状態を繰り返すように、当該第1および第2トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に電圧を印加し、前記第1および第2トランジスタの一方を前記導通状態とする場合、前記一方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に正の第1電圧を印加し、前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が負であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1電圧よりも低い正の電圧またはゼロの電圧である第2電圧を印加し、前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に負の電圧である第3電圧を印加する。 The control method disclosed in the present specification is connected in series to each other, and each includes a gate electrode, a first ohmic electrode, and a second ohmic electrode, and the first ohmic electrode to the second ohmic electrode. A control method for controlling the first and second transistors including a diode capable of passing a current through the first and second transistors, wherein one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode is the other. The first and second transistor gate electrodes-first so as to repeat a conductive state in which a current can flow through and a non-conductive state in which a current cannot flow from the second ohmic electrode to the first ohmic electrode. When a voltage is applied between the ohmic electrodes and one of the first and second transistors is in the conductive state, When a positive first voltage is applied between the gate electrode and the first ohmic electrode of one transistor and one of the first and second transistors is in the non-conductive state, the conductive state immediately before the one transistor is If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is negative, a positive voltage lower than the first voltage or zero between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive in the conductive state immediately before the one transistor, the second voltage of the transistor is applied. A third voltage, which is a negative voltage, is applied between the gate electrode and the first ohmic electrode.
上記構成によると、還流ダイオードに流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタの閾値電圧の変動を抑制することができる。 According to the above configuration, fluctuations in the threshold voltage of the transistor can be suppressed while suppressing a decrease in the current flowing through the freewheeling diode.
[本発明の一態様を得るに至った経緯]
以下、本発明の態様を具体的に説明するに先立ち、本発明の態様を得るに至った経緯について説明する。
トランジスタをスイッチング素子として用いた場合、電力変換回路を駆動する際、トランジスタのVtが変動すると、トランジスタの導通状態および非導通状態の切り替えのタイミングが変動してしまう。非特許文献1には、SiC−MOSFETのゲート電極に正電圧を印加するとVtが正の方向に変動し、ゲート電極に負電圧を印加するとVtが負の方向に変動することが報告されている。そこで、発明者は、トランジスタのVtの正方向への変動を抑制するため、トランジスタの非導通期間において、ゲート電極に負電圧を印加することを検討した。
[Background of obtaining one embodiment of the present invention]
Hereinafter, prior to specific description of the embodiments of the present invention, the background for obtaining the embodiments of the present invention will be described.
When a transistor is used as a switching element, when the power conversion circuit is driven and the Vt of the transistor fluctuates, the switching timing of the transistor between the conductive state and the non-conductive state fluctuates.
しかしながら、発明者は、トランジスタに内蔵された還流ダイオードを用いる場合、トランジスタのゲート電極に負電圧を印加した状態では、還流ダイオードの導通性能が低下することに気付いた。これについて、以下で詳細に説明する。
図25は、特許文献1に開示されたSiC−MOSFETのIV特性を示す図である。図25の横軸はドレインソース間電圧(以下、Vdsと略称する)を示す。ソース電極側が高電位側でありドレイン電極側が低電位側である場合、Vdsは負の値となる。また、図25の縦軸はドレイン電流を示す。ここでは、ソース電極からドレイン電極に向かって電流が流れるため、ドレイン電流が負の値で示されている。
However, the inventor has noticed that when a free-wheeling diode built in a transistor is used, the conduction performance of the free-wheeling diode is reduced when a negative voltage is applied to the gate electrode of the transistor. This will be described in detail below.
FIG. 25 is a diagram illustrating IV characteristics of the SiC-MOSFET disclosed in
図25により、Vdsが同じ場合でも、Vgsが負、すなわちソース電極を基準にしてゲート電極に負電圧を印加すると、ドレイン電流が小さくなることがわかる。例えば、Vdsが−5Vのとき、ゲート電極に印加する電圧が−20Vの場合ドレイン電流は約−0.5Aとなり、ゲート電極に印加する電圧が0Vの場合ドレイン電流は約−1.8Aとなる。ここで、ゲート電極に印加する電圧が−20Vおよび0V、かつVdsが負であるときに流れるドレイン電流は、トランジスタに内蔵されたダイオードを流れる電流である。このように、ゲート電極に負電圧を印加するとドレイン電流が小さくなるのは、トランジスタに内蔵されたダイオードの順方向電圧降下が大きくなるためであると考えられる。したがって、トランジスタに内蔵されたダイオードを還流ダイオードとして用いる場合、トランジスタのゲート電極に負電圧を印加した状態では、還流ダイオードの導通性能が低下することがわかる。 FIG. 25 shows that even when Vds is the same, when Vgs is negative, that is, when a negative voltage is applied to the gate electrode with reference to the source electrode, the drain current becomes small. For example, when Vds is −5 V, the drain current is about −0.5 A when the voltage applied to the gate electrode is −20 V, and the drain current is about −1.8 A when the voltage applied to the gate electrode is 0 V. . Here, the drain current that flows when the voltage applied to the gate electrode is −20 V and 0 V and Vds is negative is the current that flows through the diode built in the transistor. Thus, the drain current decreases when a negative voltage is applied to the gate electrode, because the forward voltage drop of the diode built in the transistor increases. Therefore, when the diode incorporated in the transistor is used as the freewheeling diode, it can be seen that the conduction performance of the freewheeling diode deteriorates when a negative voltage is applied to the gate electrode of the transistor.
発明者は、これらの事象に着目して、Vtの変動を抑制するために行うトランジスタのゲート電極への負電圧の印加を、電流が還流ダイオードを流れない期間に行うこととした。これにより、還流ダイオードの導通性能の低下を抑制しつつ、トランジスタの閾値電圧の変動を抑制することができる。具体的には、例えば、スイッチング素子に負荷が接続され、一定の電圧が電源から供給され、且つ、還流ダイオードを通って負荷に電流が供給されていない場合に、トランジスタのゲート電極に負電圧を印加する。
<実施の形態1>
以下、本発明の一実施形態である電力変換回路について、図面を用いて説明する。
1.全体構成
図1は、実施の形態1に係る電力変換回路の構成を示す回路ブロック図である。
The inventor paid attention to these events and decided to apply the negative voltage to the gate electrode of the transistor to suppress the fluctuation of Vt during a period when the current does not flow through the freewheeling diode. Thereby, the fluctuation | variation of the threshold voltage of a transistor can be suppressed, suppressing the fall of the conduction | electrical_connection performance of a free-wheeling diode. Specifically, for example, when a load is connected to the switching element, a constant voltage is supplied from the power supply, and no current is supplied to the load through the freewheeling diode, a negative voltage is applied to the gate electrode of the transistor. Apply.
<
Hereinafter, a power conversion circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1. Overall Configuration FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration of a power conversion circuit according to the first embodiment.
図1に示すように、電力変換回路1は、上アームトランジスタ11Uと、下アームトランジスタ11Dとを備える。上アームトランジスタ11Uは、ゲート電極と、第1オーミック電極であるソース電極と、第2オーミック電極であるドレイン電極と、ソース電極からドレイン電極に電流を流すことができる上アーム還流ダイオード12Uを備える。下アームトランジスタ11Dも、上アームトランジスタ11Uと同様に、ゲート電極と、第1オーミック電極であるソース電極と、第2オーミック電極であるドレイン電極と、ソース電極からドレイン電極に電流を流すことができる下アーム還流ダイオード12Dを備える。上アーム還流ダイオード12Uおよび下アーム還流ダイオード12D(以下、区別の必要がないときには、単に「還流ダイオード12」と呼ぶ)は上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dにそれぞれ別途接続されるものではなく、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dにそれぞれ内蔵されているものである。また、電力変換回路1は、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11D(以下、区別の必要がないときには、単に「トランジスタ11」と呼ぶ)が導通状態および非導通状態を繰り返すよう制御を行う制御回路21と、電力変換回路1から負荷2に向かって流れる電流Iをサンプリングして信号を制御回路21に送信する電流検出手段22と、トランジスタ11のゲートソース間に電圧を印加する上アームゲート駆動回路30Uおよび下アームゲート駆動回路30D(以下、区別の必要が無いときには単に「ゲート駆動回路30」と呼ぶ。また、ゲートソース間に電圧を印加することを単に「ゲート電極に電圧を印加する」と呼ぶ。)とを備える。制御回路21およびゲート駆動回路30により、トランジスタ11のゲート電極に電圧を印加する制御部20が構成されている。電力変換回路1は、電源3から供給された直流電力を直流電力あるいは交流電力に変換し負荷2に供給する。
As shown in FIG. 1, the
上アームゲート駆動回路30Uに接続されている電圧源31U1、31U2、31U3(以下、区別の必要が無いときには単に「電圧源31U」と呼ぶ)は、それぞれ電圧EU1、EU2、EU3を出力する電圧源である。一方、下アームゲート駆動回路30Dにそれぞれ接続されている電圧源31D1、31D2、31D3(以下、区別の必要が無いときには単に「電圧源31D」と呼ぶ)は、それぞれ電圧ED1、ED2、ED3を出力する電圧源である。本実施の形態において、トランジスタ11U、11Dの閾値電圧Vt(以下、単にVtと呼ぶ)はいずれも正の電圧である。電圧EU1およびED1は、Vt以上の正の電圧である。電圧EU2およびED2は、Vt未満であり、且つ、EU1およびED1よりも小さい正の電圧である。電圧EU3およびED3は、負の電圧である。なお、電圧EU2およびED2をゼロとすることもでき、その場合は電圧源31U2および電圧源31D2を用いなくてもよい。
Voltage sources 31U1, 31U2, 31U3 (hereinafter simply referred to as “voltage source 31U” when there is no need to distinguish) connected to the upper arm
トランジスタ11は、例えば、MISFETである。トランジスタ11のゲート電極にVt以上の電圧が印加されると、トランジスタ11はドレイン電極からソース電極に電流を流すことができる状態、すなわち、導通状態となる。一方、トランジスタ11のゲート電極にVtよりも小さい電圧が印加されると、トランジスタ11はドレイン電極からソース電極に電流を流すことができない状態、すなわち、非導通状態となる。なお、導通状態、非導通状態のいずれの状態であっても、トランジスタ11に内蔵された還流ダイオード12を介してソース電極からドレイン電極に電流を流すことができる。
The
制御回路21は、例えばマイクロコンピュータを使用した回路であり、電流検出手段22から得た信号に基づき、ゲート駆動回路30が、それぞれ電圧EU1、EU2、EU3および電圧ED1、ED2、ED3のいずれを出力するかを切り替える信号を、ゲート駆動回路30に出力する。上アームゲート駆動回路30Uは、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU1、EU2、EU3間で切り替えることにより、上アームトランジスタ11Uの導通状態および非導通状態を制御する。下アームゲート駆動回路30Dは、下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED1、ED2、ED3間で切り替えることにより、下アームトランジスタ11Dの導通状態および非導通状態を制御する。
2.制御
図2から図5を用いて、電力変換回路1の制御について説明する。図2は、実施の形態1に係る電力変換回路の出力電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。図3、図4は、実施の形態1にかかる電力変換回路の動作を説明するための回路図である。図5は、実施の形態1に係る制御回路の動作を決定するフローチャートである。
The
2. Control Control of the
ゲート駆動回路30は、制御回路21からの非導通状態において印加する電圧の指令と、導通状態または非導通状態を指令する信号の生成回路(図示せず)から得た信号を用いて、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御を行う。その結果、図2(b)、(c)に示したゲート駆動電圧(ゲート電極に印加される電圧)がトランジスタ11のゲート電極に印加され、図2に示した電流Iが電力変換回路を流れる。ここで、導通状態および非導通状態信号の生成回路としては公知の回路を用いることができる。導通状態および非導通状態信号生成回路としては、例えば、キャリア信号生成器と参照信号生成器により構成される回路が挙げられる。
The gate drive circuit 30 uses a voltage command from the
図2(a)は電流Iの波形を示し、図2(b)は上アームトランジスタ11Uのゲート駆動電圧を示し、図2(c)は下アームトランジスタ11Dのゲート駆動電圧を示す。ここで、電流Iの向きは、電流Iがトランジスタ11から負荷2に向かうときを電流が正であるとし、電流Iが負荷2からトランジスタ11に向かうときを電流が負であるとする。時刻TAからTBにおいて電流Iは正方向に流れ、時刻TBからTCにおいて電流Iは負方向に流れている。図3、4における点線は電流Iの流れを示す。図3(a)から(d)は、それぞれ図2のT1からT4における電流Iの流れを示し、図4(a)から(d)は、それぞれ図2のT5からT8における電流Iの流れを示す。
2−1.電流Iが正またはゼロのときの制御
時刻T1は、上アームトランジスタ11Uが導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは非導通状態となる時刻である。時刻T1において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU1が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、図3(a)に示すように、電流Iは上アームトランジスタ11Uを流れて負荷2に向かう。このとき、導通状態である上アームトランジスタ11Uに内蔵された上アーム還流ダイオード12Uに逆バイアスが印加されている。なお、還流ダイオード12に逆バイアスが印加されているとは、トランジスタのソース電極の電位を基準とするドレイン電極の電位が正である状態のことをいう。また、還流ダイオード12に順バイアスが印加されているとは、トランジスタのソース電極の電位を基準とするドレイン電極の電位が負である状態のことをいう。
2A shows the waveform of the current I, FIG. 2B shows the gate drive voltage of the
2-1. The control time T1 when the current I is positive or zero is a time when the
時刻T2は、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図2に示すように、時刻T2において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU3が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、負荷2は時刻T1のときと同じ方向に、電流Iを流そうとする。そのため、図3(b)に示すように、下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されており、電流Iは下アーム還流ダイオード12Dを流れて負荷2に向かう。ここで、上アームトランジスタ11Uをみると、時刻T2では、上アームトランジスタ11Uの非導通期間であって、直前の上アームトランジスタ11Uの導通状態において、上アーム還流ダイオード12Uに逆バイアスが印加されている期間となっている。以下、この期間を「逆バイアス非導通期間」と呼ぶ。逆バイアス非導通期間において、上アーム還流ダイオード12Uには電流が流れず、上アーム還流ダイオード12Uの導通性能が低下しても電力変換回路の出力電流に影響を与えない。そのため、負電圧EU3を上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加してもよい。一方、下アームトランジスタ11Dをみると、時刻T2では、逆バイアス非導通期間ではない順バイアス非導通期間である。順バイアス非導通期間では、下アーム還流ダイオード12Dには電流が流れる。よって、負電圧ED3を下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加すると、還流ダイオード12Dの導通性能が低下するため、電力変換回路の出力電流に影響を与えてしまう。そのため、時刻T2では、下アームトランジスタ11Dのゲート電極には負電圧ED3ではなくED2が印加されている。
Time T2 is a time (dead time) when the
時刻T3は、上アームトランジスタ11Uが非導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは導通状態となる時刻である。時刻T3において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU3が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED1が印加されている。このとき、図3(c)に示すように、電流Iは主に下アームトランジスタ11Dを流れて負荷2に向かう。また、導通状態である下アームトランジスタ11Dに内蔵された下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されている。
Time T3 is a time at which the
時刻T4は、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図2に示すように、時刻T4において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU3が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、負荷2は時刻T3のときと同じ方向に電流を流そうとする。そのため、下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されており、電流Iは下アーム還流ダイオード12Dを通って負荷2に向かう。ここで、上アームトランジスタ11Uをみると、時刻T4では、順バイアス非導通期間ではない。そのため、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU3が印加されたままであってもよい。一方、下アームトランジスタ11Dをみると、時刻T4は、下アームトランジスタ11Dの非導通期間であって、直前の下アームトランジスタ11Dの導通状態において下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されている期間である、順バイアス非導通期間である。よって、時刻T2と同様の理由で、下アームトランジスタ11Dのゲート電極には負電圧ED3ではなくED2が印加されている。
2−2.電流Iが負のときの制御
時刻T5は、上アームトランジスタ11Uが非導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは導通状態となる時刻である。時刻T5において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED1が印加されている。このとき、図4(a)に示すように、電流Iは負荷2から下アームトランジスタ11Dを流れる。また、導通状態である下アームトランジスタ11Dに内蔵された下アーム還流ダイオード12Dに逆バイアスが印加されている。
Time T4 is a time (dead time) when the
2-2. The control time T5 when the current I is negative is the time when the
時刻T6は、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図2に示すように、時刻T6において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED3が印加されている。このとき、負荷2は時刻T5のときと同じ方向に電流Iを流そうとする。そのため、図4(b)に示すように、上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されており、電流Iは負荷2を流れて上アーム還流ダイオード12Uに向かう。ここで、時刻T6では、還流ダイオード12Uに電流が流れているため、上アームトランジスタ11Uのゲート電極には負電圧EU3ではなくEU2が印加される。一方、下アームトランジスタ11Dをみると、時刻T6では、下アームトランジスタ11Dの非導通期間であって、直前の下アームトランジスタ11Dの導通状態において下アーム還流ダイオード12Dに逆バイアスが印加されている期間である逆バイアス非導通期間である。よって、下アームトランジスタ11Dのゲート電極には負電圧ED3が印加されている。
Time T6 is a time (dead time) at which the
時刻T7は、上アームトランジスタ11Uが導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは非導通状態となる時刻である。時刻T7において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU1が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED3が印加されている。このとき、図4(c)に示すように、電流Iは負荷2を流れて主に上アームトランジスタ11Uを流れる。また、導通状態である上アームトランジスタ11Uに内蔵された上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されている。
Time T7 is a time when the
時刻T8は、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図2に示すように、時刻T8において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED3が印加されている。このとき、負荷2は時刻T7のときと同じ方向に電流Iを流そうとする。そのため、図4(d)に示すように、上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されており、電流Iは負荷2を流れて上アーム還流ダイオード12Uに向かう。ここで、時刻T8では、還流ダイオード12Uに電流が流れているため、上アームトランジスタ11Uのゲート電極には負電圧EU3ではなくEU2が印加される。一方、下アームトランジスタ11Dをみると、時刻T8では、順バイアス非導通期間ではない。そのため、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED3が印加されたままであってもよい。
2−3.トランジスタを導通状態から非導通状態へと制御する場合のフローチャート
以下、上記制御をおこなうためのフローチャートを説明する。
Time T8 is a time (dead time) at which the
2-3. Flowchart for Controlling Transistor from Conductive State to Non-Conductive State Hereinafter, a flowchart for performing the above control will be described.
図5は、トランジスタを導通状態から非導通状態へと繰り返して制御する場合に、制御回路21が行う動作を決定するフローチャートである。ここで、トランジスタが非導通状態となる期間を非導通期間と呼ぶ。
まず、制御回路21は、電流検出手段22から出力された信号をサンプリングし(ステップS001)、サンプリングした信号に基づいて、電流Iが0以上か否かを判定する(ステップS002)。
FIG. 5 is a flowchart for determining an operation to be performed by the
First, the
電流Iが0以上のとき(ステップS002:Yes)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU3とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED2とする(ステップS003a)。これにより、逆バイアスがかかっている上アーム還流ダイオード12Uに対応する上アームトランジスタ11Uのゲート電極に負電圧EU3が印加される。一方、順バイアスがかかっている下アーム還流ダイオード12Dに対応する下アームトランジスタ11Dのゲート電極にVt未満の正電圧ED2が印加される。
When the current I is 0 or more (step S002: Yes), the voltage applied to the gate electrode of the
電流Iが0未満のとき(ステップS002:No)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU2とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED3とする(ステップS003b)。これにより、順バイアスが印加されている上アーム還流ダイオード12Uに対応する上アームトランジスタ11Uのゲート電極にVt未満の正電圧EU2が印加される。一方、逆バイアスが印加されている下アーム還流ダイオード12Dに対応する下アームトランジスタ11Dのゲート電極に負電圧ED3が印加される。
When the current I is less than 0 (step S002: No), the voltage applied to the gate electrode of the
制御回路21は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS004)。
このように、制御回路21は、ゲート駆動回路30に、非導通期間において、トランジスタ11のゲート電極に印加する電圧をVt未満の正電圧EU2、ED2か負電圧EU3、ED3かを選択して指令する。このフローチャートでは、逆バイアス非導通期間の全部において、トランジスタ11のゲート電極に負電圧EU3、ED3が印加されている。また、順バイアス非導通期間の全部において、トランジスタ11のゲート電極にVt未満の正電圧EU2、ED2が印加されている。
2−4.まとめ
上アームトランジスタ11Uについての制御をまとめる。なお、下アームトランジスタ11Dについても同様のことがいえる。
The
In this way, the
2-4. Summary The control of the
上アームトランジスタ11Uを導通させる期間(時刻T1、T7)を導通期間とする。導通期間において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、Vt以上の正電圧であるEU1が印加される。
順バイアス非導通期間において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、Vt未満でありEU1よりも低いEU2が印加される。また、逆バイアス非導通期間において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、負電圧であるEU3が印加される。
A period (time T1, T7) in which the
In the forward bias non-conduction period, EU2 which is less than Vt and lower than EU1 is applied to the gate electrode of the
なお、ゲート電極に印加する負電圧の電圧値EU3(ED3)は、V0<EU3(ED3)<0を満たすことが好ましい。ここで、V0は、ゲート電極に印加することにより負方向への閾値電圧Vtの変動が生じ始める電圧である。ゲート電極に印加する負電圧の電圧値EU3(ED3)をこのように設定すると、ゲート電極に負電圧を印加したときに、閾値電圧Vtが負方向へ変動することを抑制することができる。 The negative voltage value EU3 (ED3) applied to the gate electrode preferably satisfies V 0 <EU3 (ED3) <0. Here, V 0 is a voltage at which the threshold voltage Vt starts to fluctuate in the negative direction when applied to the gate electrode. By setting the voltage value EU3 (ED3) of the negative voltage applied to the gate electrode in this way, it is possible to suppress the threshold voltage Vt from changing in the negative direction when the negative voltage is applied to the gate electrode.
V0は、ゲート電圧−ゲート容量特性において変曲点を示すゲート電圧と一致する。よって、V0は、ゲート電圧とゲート容量の関係を測定したときの変曲点から求めることができる。ゲート電圧−ゲート容量特性において変曲点を示すゲート電圧は、トランジスタのフラットバンド電圧とほぼ一致する。フラットバンド電圧とは、ゲート絶縁膜と接する半導体層の表面のエネルギー帯が平坦となるゲート電圧である。
3.効果
この構成によれば、トランジスタ11のゲート電極へ負電圧を印加することで、トランジスタ11の正方向へのVtの変動を抑制することができる。これにより、トランジスタ11のVtの変動により生じるトランジスタ11の導通状態および非導通状態の切り替えのタイミングの変動を抑制できる。
V 0 coincides with the gate voltage indicating the inflection point in the gate voltage-gate capacitance characteristic. Therefore, V 0 can be obtained from the inflection point when the relationship between the gate voltage and the gate capacitance is measured. The gate voltage indicating the inflection point in the gate voltage-gate capacitance characteristic substantially matches the flat band voltage of the transistor. The flat band voltage is a gate voltage at which the energy band on the surface of the semiconductor layer in contact with the gate insulating film becomes flat.
3. Effect According to this configuration, by applying a negative voltage to the gate electrode of the
図2(b)、(c)では、トランジスタ11の導通状態および非導通状態の切り替え時間はゼロとなっているが、実際は立ち上がりおよび立ち下がりには時間がかかる。そのため、Vtが正方向に変動すると、例えば、トランジスタ11を立ち上げる際には、トランジスタ11のゲート電圧が0からVtになるまでの時間が大きくなる。すなわち、Vtが正方向に変動すると、トランジスタ11の立ち上がりのタイミングが遅れてしまう。また、トランジスタ11の導通状態および非導通状態のタイミングが変動すると、その影響を受けないように、デッドタイムを長くする必要がある。デッドタイムを長くすると、電力変換回路の電力変換効率が低下するおそれがあり、好ましくない。
In FIGS. 2B and 2C, the switching time between the conductive state and the non-conductive state of the
ところで、トランジスタ11のゲート電極に負電圧を印加すると、還流ダイオード12の順方向電圧降下が大きくなる。しかしながら、この構成では、負電圧が印加されることにより還流ダイオード12の順方向電圧降下が大きくなり導通性能が低下しても、この直後に還流ダイオード12に電流が流れることは無い。そのため、トランジスタ11のゲート電極に負電圧が印加され、還流ダイオード12の導通性能が低下しても、トランジスタ11に接続された負荷2への電流供給量が変わらない。従って、トランジスタ11を用いて、還流ダイオード12に流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタ11の閾値電圧Vtの変動を抑制した電力変換回路を提供できる。
<実施の形態2>
図6は実施の形態2に係る電力変換回路の出力電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。下記以外の構成は、実施の形態1と同じなので説明を省略する。実施の形態2では、Vtの変動を抑制するために必要な負電圧EU3、ED3の印加期間をあらかじめ決めておく(以下、この期間をTmとする)。Tmは、トランジスタ11の導通状態および非導通状態の繰り返し単位1回につき1回の負電圧EU3、ED3の印加動作により、Vtの変動を抑制するために十分な印加期間とする。なお、ゲート電極に印加する負電圧の印加時間Tmは、印加する負電圧の電圧値に応じて、閾値電圧Vtの正方向への変動が抑制されるように設定すればよい。ゲート電極に印加する負電圧の印加時間Tmは、ゲート電極に正電圧を印加している時間の1/10以上とすることが好ましい。
By the way, when a negative voltage is applied to the gate electrode of the
<
FIG. 6 is a diagram illustrating waveforms of an output current and a gate drive voltage of the power conversion circuit according to the second embodiment. Since the configuration other than the following is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. In the second embodiment, the application period of the negative voltages EU3 and ED3 necessary for suppressing the fluctuation of Vt is determined in advance (hereinafter, this period is referred to as Tm). Tm is set to an application period sufficient to suppress the fluctuation of Vt by the application operation of the negative voltages EU3 and ED3 once per repeating unit of the conduction state and the non-conduction state of the
実施の形態2では、逆バイアス非導通期間においてTmだけ負電圧EU3、ED3を印加し、EU3、ED3の印加期間は逆バイアス非導通期間の後半とする。なお、ここでいう後半とは、逆バイアス非導通期間から導通期間への切り替え時刻を含む期間を指す。
1.制御
この構成では、トランジスタ11における逆バイアス非導通期間での制御が、実施の形態1と異なっている。
In the second embodiment, the negative voltages EU3 and ED3 are applied by Tm in the reverse bias non-conduction period, and the application period of EU3 and ED3 is the second half of the reverse bias non-conduction period. Note that the latter half here refers to a period including the switching time from the reverse bias non-conduction period to the conduction period.
1. Control In this configuration, the control in the reverse bias non-conduction period in the
時刻T2aは、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図6に示すように、時刻T2aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、図3(b)に示すように、下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスがかかり、電流Iは下アーム還流ダイオード12Dを流れて負荷2に向かう。
Time T2a is a time (dead time) at which the
時刻T3aは、上アームトランジスタ11Uが非導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは導通状態となる時刻である。時刻T3aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED1が印加されている。このとき、図3(c)に示すように、電流Iは主に下アームトランジスタ11Dを流れて負荷2に向かう。また、導通状態である下アームトランジスタ11Dに内蔵された下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されている。
Time T3a is a time when the
時刻T4aは、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図6に示すように、時刻T4aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU3が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、図3(d)に示すように、下アーム還流ダイオード12Dに順バイアスが印加されており、電流Iは下アーム還流ダイオード12Dを流れて負荷2に向かう。
Time T4a is a time (dead time) when the
時刻T6aは、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図6に示すように、時刻T6aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、図4(b)に示すように、上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されており、電流Iは負荷2を流れて上アーム還流ダイオード12Uに向かう。
Time T6a is a time (dead time) at which the
時刻T7aは、上アームトランジスタ11Uが導通状態であり、下アームトランジスタ11Dは非導通状態となる時刻である。時刻T7aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU1が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED2が印加されている。このとき、図4(c)に示すように、電流Iは負荷2から主に上アームトランジスタ11Uを流れる。また、導通状態である上アームトランジスタ11Uに内蔵された上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されている。
Time T7a is a time when the
時刻T8aは、上アームトランジスタ11Uおよび下アームトランジスタ11Dが非導通状態となる時刻(デッドタイム)である。図6に示すように、時刻T8aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極にはEU2が印加され、下アームトランジスタ11Dのゲート電極にはED3が印加されている。このとき、図4(d)に示すように、上アーム還流ダイオード12Uに順バイアスが印加されており、電流Iは負荷2を流れて上アーム還流ダイオード12Uに向かう。
Time T8a is a time (dead time) at which the
なお、トランジスタ11のゲート電極に負電圧EU3およびED3が印加される期間の長さは、上下アームともにTmである。
1−2.まとめ
上アームトランジスタ11Uの制御について、実施の形態1と異なる部分についてまとめて述べる。なお、下アームトランジスタ11Dについても同様のことがいえる。
Note that the length of the period during which the negative voltages EU3 and ED3 are applied to the gate electrode of the
1-2. Summary Regarding the control of the
逆バイアス非導通期間における時刻T2aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、Vt未満の正電圧であるEU2が印加される。また、逆バイアス非導通期間における時刻T4aにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、負電圧であるEU3が印加される。すなわち、逆バイアス非導通期間のうち期間Tmのみにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に負電圧であるEU3が印加される。
1−3.トランジスタを導通状態から非導通状態へと制御する場合のフローチャート
図7は、実施の形態2に係る非導通期間における制御回路の動作を決定するフローチャートである。
At time T2a in the reverse bias non-conduction period, EU2 that is a positive voltage less than Vt is applied to the gate electrode of the
1-3. FIG. 7 is a flowchart for determining the operation of the control circuit during the non-conduction period according to the second embodiment.
まず、制御回路21は、電流検出手段22から出力された信号をサンプリングし(ステップS101)、サンプリングした信号に基づいて、電流Iが0以上か否かを判定する(ステップS102)。
電流Iが0以上のとき(ステップS102:Yes)、非導通期間におけるTmにおいて、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU3とし、非導通期間における残りの期間においてEU2とする。また、非導通期間において、下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED2とする(ステップS103a)。これにより、逆バイアスが印加されている上アーム還流ダイオード12Uに対応する上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、Tmにおいて負電圧EU3が印加され、残りの期間において正電圧EU2が印加される。一方、順バイアスが印加されている下アーム還流ダイオード12Dに対応する下アームトランジスタ11Dのゲート電極に正電圧ED2が印加される。
First, the
When the current I is 0 or more (step S102: Yes), the voltage applied to the gate electrode of the
電流Iが0未満のとき(ステップS102:No)、非導通期間において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU2とする。また、非導通期間におけるTmにおいて、下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED3とし、非導通期間における残りの期間においてED2とする(ステップS103b)。これにより、順バイアスが印加されている上アーム還流ダイオード12Uに対応する上アームトランジスタ11Uのゲート電極に正電圧EU2が印加される。一方、逆バイアスが印加されている下アーム還流ダイオード12Dに対応する下アームトランジスタ11Dのゲート電極に、Tmにおいて負電圧ED3が印加され、残りの期間において正電圧ED2が印加される。
When the current I is less than 0 (step S102: No), the voltage applied to the gate electrode of the
制御回路21は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS104)。
制御回路21が、ゲート駆動回路30に非導通期間においてトランジスタ11のゲート電極に印加する電圧をVt未満の正電圧EU2、ED2か負電圧EU3、ED3かを選択して指令することで、図6(b)、(c)に示した駆動波形がトランジスタ11のゲート電極に印加される。すなわち、逆バイアス非導通期間の所定期間Tmにおいて、トランジスタ11のゲート電極に負電圧EU3、ED3が印加され、逆バイアス非導通期間の残りの期間において、トランジスタ11のゲート電極にVt未満の正電圧EU2、ED2が印加されている。
The
The
ところで、トランジスタは導通状態および非導通状態を繰り返している。ここで、電流Iの瞬時値が小さいときには非導通期間が長いため、非導通期間がTmよりも大きくなっている。そのため、上述のように、逆バイアス非導通期間の所定期間Tmにおいて、トランジスタ11のゲート電極に負電圧を印加することができる。しかしながら、電流Iの瞬時値が大きいときには非導通期間が短いため、非導通期間がTmよりも小さくなる。このとき、逆バイアス非導通期間の全部において、トランジスタ11のゲート電極にEU2、ED2またはEU3、ED3を印加する制御が考えられる。以下、これについて詳しく述べる。
By the way, the transistor repeats a conductive state and a non-conductive state. Here, since the non-conduction period is long when the instantaneous value of the current I is small, the non-conduction period is longer than Tm. Therefore, as described above, a negative voltage can be applied to the gate electrode of the
図8(b)に示すように、逆バイアス非導通期間の全部において、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に負電圧EU3を印加する。これにより、負電圧EU3を印加する期間はTmよりも小さくなるが、ある程度、上アームトランジスタ11UのVtを減少させることができ、各トランジスタ11のVtの正方向への変動を抑制できる。
2.効果
この構成であっても、還流ダイオード12に流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタ11の閾値電圧Vtの変動を抑制した電力変換回路1を提供できる。
As shown in FIG. 8B, the negative voltage EU3 is applied to the gate electrode of the
2. Effect Even with this configuration, it is possible to provide the
ところで、負電圧をトランジスタ11のゲート電極に印加する時間が長くなると、トランジスタ11が劣化するおそれがある。この構成のように負電圧であるEU3、ED3を印加する期間をTmに限定することで、トランジスタ11の劣化を抑制し、より長寿命な電力変換回路1を提供できる。
<実施の形態3>
実施の形態3では、逆バイアス非導通期間のうち期間Tmのみにおいて負電圧EU3、ED3を印加する。期間Tmは逆バイアス非導通期間の中央とする。なお、ここでいう中央とは、逆バイアス非導通期間の開始から終了までの中央付近の期間を指す。
By the way, if the time for applying the negative voltage to the gate electrode of the
<
In the third embodiment, the negative voltages EU3 and ED3 are applied only during the period Tm in the reverse bias non-conduction period. The period Tm is the center of the reverse bias non-conduction period. The center here refers to a period around the center from the start to the end of the reverse bias non-conduction period.
図9は実施の形態3に係る電力変換回路の出力電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。下記以外の構成は、実施の形態2と同じなので説明を省略する。
図9(b)に示すように、上アームトランジスタ11Uについて、逆バイアス非導通期間において、Tmに対応する時刻T3bでは負電圧EU3を印加し、Tmに対応しない時刻T2b、T4bでは正電圧EU2を印加している。図9(c)に示すように、下アームトランジスタ11Dについて、逆バイアス非導通期間において、Tmに対応する時刻T7bでは負電圧ED3を印加し、Tmに対応しない時刻T6b、T8bでは正電圧ED2を印加している。
FIG. 9 is a diagram illustrating waveforms of an output current and a gate drive voltage of the power conversion circuit according to the third embodiment. Since the configuration other than the following is the same as that of the second embodiment, the description thereof is omitted.
As shown in FIG. 9B, for the
この構成であっても、還流ダイオード12に流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタ11の閾値電圧Vtの変動を抑制した電力変換回路1を提供できる。また、負電圧であるEU3、ED3を印加する期間をTmに限定することで、トランジスタ11の劣化を抑制し、より長寿命な電力変換回路1を提供できる。
<実施の形態4>
実施の形態4では、逆バイアス非導通期間のうち期間Tmのみにおいて負電圧EU3、ED3を印加する。期間Tmは逆バイアス非導通期間の前半とする。なお、ここでいう前半とは、導通期間から逆バイアス非導通期間への切り替えを時刻含む期間を指す。
Even with this configuration, it is possible to provide the
<Embodiment 4>
In the fourth embodiment, the negative voltages EU3 and ED3 are applied only during the period Tm in the reverse bias non-conduction period. The period Tm is the first half of the reverse bias non-conduction period. Note that the first half here refers to a period including the time of switching from the conduction period to the reverse bias non-conduction period.
図10は実施の形態4に係る電力変換回路の出力電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。下記以外の構成は、実施の形態2と同じなので説明を省略する。
図10(b)に示すように、上アームトランジスタ11Uについて、逆バイアス非導通期間において、Tmに対応する時刻T2cでは負電圧EU3を印加し、Tmに対応しない時刻T3c、T4cでは正電圧EU2を印加している。図10(c)に示すように、下アームトランジスタ11Dについて、逆バイアス非導通期間において、Tmに対応する時刻T6cでは負電圧ED3を印加し、Tmに対応しない時刻T7c、T8cでは正電圧ED2を印加している。
FIG. 10 is a diagram illustrating waveforms of the output current and the gate drive voltage of the power conversion circuit according to the fourth embodiment. Since the configuration other than the following is the same as that of the second embodiment, the description thereof is omitted.
As shown in FIG. 10B, for the
この構成であっても、還流ダイオード12に流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタ11の閾値電圧Vtの変動を抑制した電力変換回路1を提供できる。また、負電圧であるEU3、ED3を印加する期間をTmに限定することで、トランジスタ11の劣化を抑制し、より長寿命な電力変換回路1を提供できる。
<その他>
1.ゲート駆動回路の構成例
ここで、図11、図12を用いて、上記実施の形態で示した電力変換回路1におけるゲート駆動回路30の具体的な回路構成を説明する。図11、12では、上アームゲート駆動回路30Uを示しているが、下アームゲート駆動回路30Dについても同様である。なお、ここでの回路構成はあくまで例示であり、図11、図12で示す上アームゲート駆動回路30Uの構成に限定されず、電圧EU1、EU2、EU3およびED1、ED2、ED3をトランジスタ11のゲート電極に印加可能な他の構成であってもよい。
Even with this configuration, it is possible to provide the
<Others>
1. Configuration Example of Gate Drive Circuit Here, a specific circuit configuration of the gate drive circuit 30 in the
図11は、上アーム駆動回路の回路構成を例示する回路図である。
図11に示すように、上アームゲート駆動回路30Uは、電圧源31U1、31U2、31U3にそれぞれ接続されたトランジスタ41U1、41U2、41U3と、片側の端子が対応するトランジスタ41U1、41U2、41U3と接続され、且つ、残りの端子が上アームトランジスタ11Uのゲート電極に接続された抵抗素子42U1、42U2、42U3と、ダイオード43とを備える。トランジスタ41U1、41U2、41U3は、バイポーラトランジスタである。ダイオード43は、トランジスタ41U2と抵抗素子42U2との間に介挿されている。
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating the circuit configuration of the upper arm drive circuit.
As shown in FIG. 11, the upper arm
この構成では、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に、電圧源31U1から正電圧EU1を印加する場合は、トランジスタ41U1を導通状態、トランジスタ41U2を非導通状態、トランジスタ41U3を非導通状態とする。電圧源31U2からの正電圧EU2を印加する場合は、トランジスタ41U1を非導通状態、トランジスタ41U2を導通状態、トランジスタ41U3を非導通状態とする。電圧源31U3からの負電圧EU3を印加する場合は、トランジスタ41U1を非導通状態、トランジスタ41U2を非導通状態、トランジスタ41U3を導通状態とする。このように各トランジスタ41U1、41U2、41U3の導通状態および非導通状態を切り替えることで、電圧源31U1、31U2、31U3からの電圧を上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加することができる。
In this configuration, when the positive voltage EU1 is applied from the voltage source 31U1 to the gate electrode of the
なお、ダイオード43は、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧を正電圧EU2から負電圧EU3へ切り替えるために、トランジスタ41U2を導通状態から非導通状態に、トランジスタ41U3を非導通状態から導通状態にそれぞれ切り替えた場合、電圧源31U2からトランジスタ41U2、抵抗素子42U2、抵抗素子42U3、トランジスタ41U3を経由して電圧源31U3に電流が流れ込むことを防止するために設けられている。また、この構成では、ダイオード43が設けられているため、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧を、正電圧EU2から負電圧EU3へ切り替えることができる。そのため、この構成の上アームゲート駆動回路30Uは、実施の形態1、2で用いることができる。
The
図12は、上アーム駆動回路の回路構成を例示する回路図である。
図12に示すように、上アーム駆動回路30Uは、電圧源31U1、31U2、31U3にそれぞれ接続されたトランジスタ41U1、44U2a、44U2b、41U3と、片側の端子が対応するトランジスタ41U1、44U2b、41U3と接続され、且つ、残りの端子が上アームトランジスタ11Uのゲート電極に接続された抵抗素子42U1、42U2、42U3とを備える。トランジスタ41U1、41U3はバイポーラトランジスタであり、トランジスタ44U2a、44U2bはMISFETである。
FIG. 12 is a circuit diagram illustrating the circuit configuration of the upper arm drive circuit.
As shown in FIG. 12, the upper
図12において、電圧源31U1からの電圧を印加する場合は、トランジスタ41U1を導通状態、トランジスタ44U2a、44U2bを非導通状態、トランジスタ41U3を非導通状態とする。電圧源31U2からの電圧を印加する場合はトランジスタ41U1を非導通状態、トランジスタ44U2a、44U2bを導通状態、トランジスタ41U3を非導通状態とする。電圧源31U3からの電圧を印加する場合は、トランジスタ41U1を非導通状態、トランジスタ44U2a、44U2bを非導通状態、トランジスタ41U3を導通状態とする。このように各トランジスタ41U1、44U2a、44U2b、41U3の導通状態および非導通状態を切り替えることで、電圧源31U1、31U2、31U3からの電圧を上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加することができる。
In FIG. 12, when the voltage from the voltage source 31U1 is applied, the transistor 41U1 is turned on, the transistors 44U2a and 44U2b are turned off, and the transistor 41U3 is turned off. When the voltage from the voltage source 31U2 is applied, the transistor 41U1 is turned off, the transistors 44U2a and 44U2b are turned on, and the transistor 41U3 is turned off. When the voltage from the voltage source 31U3 is applied, the transistor 41U1 is turned off, the transistors 44U2a and 44U2b are turned off, and the transistor 41U3 is turned on. In this way, the voltage from the voltage sources 31U1, 31U2, and 31U3 can be applied to the gate electrode of the
なお、トランジスタ44U2a、44U2bが設けられていることにより、電圧源31U2と上アームトランジスタ11Uとの間の電流経路では、双方向に電流を遮断することができる。そのため、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧を、正電圧EU2から負電圧EU3へ切り替えることができ、且つ、負電圧EU3から正電圧EU2へ切り替えることもできる。そのため、この構成の上アームゲート駆動回路30Uは、実施の形態1から4の全部で用いることができる。
2.複数回の負電圧の印加で正方向へのVt変動を抑制する変形例
上記実施の形態では、Tmは、トランジスタ11の導通状態および非導通状態の繰り返し単位1回につき、1回の負電圧EU3、ED3の印加によりVtの変動を抑制するために十分な期間としていた。しかしながら、これに限らず、Tmを複数回の負電圧EU3、ED3の印加によりVtの変動を抑制できる期間とし、導通状態および非導通状態の繰り返しに伴って、トランジスタ11を非導通状態とする期間が複数回繰り返されるとき、当該非導通状態とする期間の複数回のうち、一部の回または全部の回で、負電圧EU3、ED3を印加するという方法でもよい。
In addition, since the transistors 44U2a and 44U2b are provided, current can be cut off in both directions in the current path between the voltage source 31U2 and the
2. Modified example in which Vt fluctuation in the positive direction is suppressed by applying a plurality of negative voltages In the above-described embodiment, Tm is one negative voltage EU3 per one repetition unit of the conduction state and the non-conduction state of the
図13は、実施の形態1の変形例に係る電力変換回路の出力電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。図13(a)は制御回路21がゲート駆動回路30に出力する期間切り替え信号を示し、図13(b)は電流Iの波形を示し、図13(c)は上アームトランジスタ11Uのゲート駆動電圧を示し、図13(d)は下アームトランジスタ11Dのゲート駆動電圧を示す。
FIG. 13 is a diagram illustrating waveforms of the output current and the gate drive voltage of the power conversion circuit according to the modification of the first embodiment. 13A shows a period switching signal output from the
図13(a)に示すように、制御回路21は、図13(a)における符号1を付した期間に第1期間信号を出力し、図13(a)における符号2を付した期間に第2期間信号を出力する。第1期間信号および第2期間信号は、逆バイアス非導通期間における、トランジスタ11のゲート電極への印加電圧を切り替える信号である。逆バイアス非導通期間における第1期間では、トランジスタ11のゲート電極に負電圧EU3、ED3が印加され、逆バイアス期間における第2期間では、トランジスタ11のゲート電極に正電圧EU2、ED2が印加される。
As shown in FIG. 13 (a), the
時刻T9は、図3(b)に相当する時刻であり、上アームトランジスタ11Uが逆バイアス非導通期間であり、且つ、第1期間である。このとき、上アームトランジスタ11Uのゲート電極には、EU3が印加される。時刻T10は、図3(d)に相当する時刻であり、上アームトランジスタ11Uが逆バイアス非導通期間であり、且つ、第2期間である。このとき、上アームトランジスタ11Uのゲート電極には、EU2が印加される。
Time T9 is a time corresponding to FIG. 3B, and the
時刻T11は、図4(b)に相当する時刻であり、下アームトランジスタ11Dが逆バイアス非導通期間であり、且つ、第1期間である。このとき、下アームトランジスタ11Dのゲート電極には、ED3が印加される。時刻T12は、図4(d)に相当する時刻であり、下アームトランジスタ11Dが逆バイアス非導通期間であり、且つ、第2期間である。このとき、下アームトランジスタ11Dのゲート電極には、ED2が印加される。
Time T11 is a time corresponding to FIG. 4B, in which the
図14は、実施の形態1の変形例に係る非導通期間における制御回路の動作を決定するフローチャートである。
まず、制御回路21は、電流検出手段22から出力された信号をサンプリングし(ステップS201)、サンプリングした信号に基づいて、電流Iが0以上か否かを判定する(ステップS202)。
FIG. 14 is a flowchart for determining the operation of the control circuit during the non-conduction period according to the modification of the first embodiment.
First, the
電流Iが0以上のとき(ステップS202:Yes)、第1期間であるか否かを判定する(ステップS203a)。第1期間であるとき(ステップS203a:Yes)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU3とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED2とする(ステップS204a)。第1期間でないとき(ステップS203a:No)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU2とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED2とする(ステップS204b)。
When the current I is 0 or more (step S202: Yes), it is determined whether or not the current period is the first period (step S203a). In the first period (step S203a: Yes), the voltage applied to the gate electrode of the
電流Iが0未満のとき(ステップS202:No)、第1期間であるか否かを判定する(ステップS203b)。第1期間であるとき(ステップS203b:Yes)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU2とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED3とする(ステップS204c)。第1期間でないとき(ステップS203b:No)、非導通期間において上アームトランジスタ11Uのゲート電極に印加する電圧をEU2とし、非導通期間において下アームトランジスタ11Dのゲート電極に印加する電圧をED2とする(ステップS204d)。
When the current I is less than 0 (step S202: No), it is determined whether or not it is the first period (step S203b). In the first period (step S203b: Yes), the voltage applied to the gate electrode of the
制御回路21は、上記の処理を一定時間毎に繰り返す(ステップS205)。
この構成であっても、還流ダイオード12に流れる電流の低下を抑制しつつ、トランジスタ11の閾値電圧Vtの変動を抑制した電力変換回路1を提供できる。また、負電圧であるEU3、ED3を印加する期間をTmに限定することで、トランジスタ11の劣化を抑制し、より長寿命な電力変換回路1を提供できる。
3.電力変換回路の適用例
ここで、図15から図18を用いて、上記実施の形態等で示した電力変換回路の具体的な適用例について説明する。図15から図18で示した適用例の全部で、上述のような正電圧EU2、ED2および負電圧EU3、ED3の切り替えを実施する。なお、電圧源31U、31Dおよびゲート駆動回路30については、図面への記載を省略する。
3−1.電力変換回路を1つ備えたデバイス
図15および図16は、実施の形態1の電力変換回路を1つ備えたデバイスの回路ブロック図である。
(降圧回路)
図15に示すように、電力変換回路1の回路構成は、上アームトランジスタ11Uと下アームトランジスタ11Dにより構成されるアームを1相設けた回路構成であり、降圧回路となっている。降圧回路200は、電力変換回路1と、電力変換回路1に接続されたコイル2と、電力変換回路1を制御する制御回路21と、制御回路21に信号を出力する電流検出手段22と、電力変換回路1に接続された直流電源203と、コイル2に接続されたコンデンサ204とを備える。コンデンサ204には、負荷205が並列に接続されている。
The
Even with this configuration, it is possible to provide the
3. Application Example of Power Conversion Circuit Here, a specific application example of the power conversion circuit described in the above embodiment and the like will be described with reference to FIGS. In all of the application examples shown in FIGS. 15 to 18, switching between the positive voltages EU <b> 2 and ED <b> 2 and the negative voltages EU <b> 3 and ED <b> 3 as described above is performed. The
3-1. Device with One Power Conversion Circuit FIGS. 15 and 16 are circuit block diagrams of a device with one power conversion circuit according to the first embodiment.
(Step-down circuit)
As shown in FIG. 15, the circuit configuration of the
上アームトランジスタ11Uが導通状態、下アームトランジスタ11Dが非導通状態となると、上アームトランジスタ11Uを通ってコイル2へと電流Iが流れる。このとき、電力変換回路1を流れる電流は図3(a)に示す通りである。電流Iはコイル2を介してコンデンサ204に入り、コンデンサ204は充電される。
次に、上アームトランジスタ11Uが非導通状態、下アームトランジスタ11Dが導通状態となると、コイル2は、直前と同じ方向に電流Iを流そうとする。そのため、電流Iは、コイル2からコンデンサ204および負荷205を介して下アームトランジスタ11Dを流れて、コイル2へと戻る。このとき、電力変換回路1を流れる電流は図3(c)に示す通りである。
When the
Next, when the
このように電流Iが流れるので、電力変換回路1において、還流ダイオード12のどちらか一方にのみ逆バイアスをかけることができる。
(昇圧回路)
図16に示すように、電力変換回路1は、図15で示したものと同様にアームを1相設けた回路構成であり、昇圧回路となっている。昇圧回路300は、コイル2を介して電力変換回路1に接続された直流電源303と、コンデンサ304とを備える。コンデンサ304には、負荷305が並列に接続されている。
Since the current I flows in this manner, in the
(Boost circuit)
As shown in FIG. 16, the
下アームトランジスタ11Dが導通状態、上アームトランジスタ11Uが非導通状態となると、電流Iは、直流電源303からコイル2、下アームトランジスタ11Dを流れて直流電源303に戻る。その後、下アームトランジスタ11Dが非導通状態、上アームトランジスタ11Uが導通状態となると、コイル2から上アームトランジスタ11U、コンデンサ304、負荷305へと電流Iが流れ、直流電源303へと戻る。このように電流Iが流れるので、電力変換回路1において、還流ダイオード12のどちらか一方にのみ逆バイアスを印加することができる。
3−2.電力変換回路を2つ備えたデバイス
図17は、実施の形態1の電力変換回路を2つ備えたデバイスの回路ブロック図である。
When the
3-2. Device provided with two power conversion circuits FIG. 17 is a circuit block diagram of a device provided with two power conversion circuits of the first embodiment.
図17に示すように、電力変換回路1a、1bは、上アームトランジスタと下アームトランジスタとにより構成されるアームを2相設けた回路構成であり、変圧回路となっている。変圧回路400は、電力変換回路1a、1bと、電力変換回路1a、1bを制御する制御回路21と、制御回路21に信号を出力する電流検出手段22a、22bと、電力変換回路1a、1bにそれぞれ接続されたトランスの1次側巻線402a、2次側巻線402bと、電力変換回路1aに接続された直流電源403と、電力変換回路1bに接続されたコイル404と、コイル404に接続されたコンデンサ405とを備える。
As shown in FIG. 17, the
まず、電力変換回路1aにおいて、上アームトランジスタ11U1aおよび下アームトランジスタ11D2aが導通状態、上アームトランジスタ11U2aおよび下アームトランジスタ11D1aが非導通状態となると、電流Iが上アームトランジスタ11U1aを流れてトランスの1次側巻線402aへ向かう。1次側巻線402aの電流が変化することで、磁気結合により2次側巻線402bにも電流が発生する。このとき、電力変換回路1bにおいて、上アームトランジスタ11U2bおよび下アームトランジスタ11D1bを導通状態とし、上アームトランジスタ11U1bおよび下アームトランジスタ11D2bを非導通状態とすればよい。
First, in the
一方、電力変換回路1aにおいて、上アームトランジスタ11U2aおよび下アームトランジスタ11D1aが導通状態、上アームトランジスタ11U1aおよび下アームトランジスタ11D2aが非導通状態となると、電流Iが上アームトランジスタ11U2aを流れて1次側巻線402aへ向かう。1次側巻線402aの電流が変化することで、磁気結合により2次側巻線402bにも電流が発生する。このとき、電力変換回路1bにおいて、上アームトランジスタ11U1bおよび下アームトランジスタ11D2bを導通状態とし、上アームトランジスタ11U2bおよび下アームトランジスタ11D1bを非導通状態とすればよい。
3−3.電力変換回路を3つ備えたデバイス
(構成)
図18は、実施の形態1の電力変換回路を3つ備えたデバイスの回路ブロック図である。
On the other hand, in the
3-3. Device with 3 power conversion circuits (configuration)
FIG. 18 is a circuit block diagram of a device including three power conversion circuits according to the first embodiment.
図18に示すように、電力変換回路1cの回路構成は、上アームトランジスタと下アームトランジスタにより構成されるアームを3相設けた回路構成である。すなわち、電力変換回路1cは、上アームトランジスタ11U1、11U2、11U3と下アームトランジスタ11D1、11D2、11D3とで3相インバータ回路を構成する。インバータ回路500は、電力変換回路1cと、電力変換回路1cを制御する制御回路21と、制御回路21に信号を出力する電流検出手段22a、22bと、電力変換回路1cに接続された直流電源503と、直流電源503に並列に接続された抵抗素子504およびトランジスタ505とを備える。電力変換回路1cには、三相モータ502が接続されている。抵抗素子504とトランジスタ505との直列回路は、回生動作時に機能するブレーキ回路506である。なお、ブレーキ回路506は必ずしも設ける必要はない。また、後述する回生動作における、一方のアームのトランジスタが非導通である期間において、残りのアームのトランジスタのゲート電極に負電圧を印加する制御を必ずしも行う必要はない。
(力行動作)
まず、インバータ回路500の力行動作について説明する。
As shown in FIG. 18, the circuit configuration of the
(Power running motion)
First, the power running operation of the
力行時において、トランジスタ11U1、11U2、11U3、11D1、11D2、11D3(以下、区別の必要が無いときにはトランジスタ11と呼ぶ)の導通状態および非導通状態を繰り返すことで、モータ502に3相交流が出力され、モータ502が駆動する。なお、逆バイアス非導通期間においては、実施の形態1等で示したように、負電圧をトランジスタのゲート電極に印加する。
(回生動作)
まず、インバータ回路500に備えられたブレーキ回路506について説明する。一般にモータの回生動作を行う場合、インバータ回路は、モータの回転によって発生する逆起電圧よりも小さい印加電圧を出力する。しかしながら、例えば、ダイオードブリッジなどの整流回路と平滑用コンデンサとを用いて、交流電圧から直流電圧を生成している場合、回生エネルギーを交流電圧に逆潮流することができない。したがって、モータからの回生エネルギーが大きいとインバータ入力側の直流電圧が上昇して過電圧となり、インバータ回路や直流電圧を構成するコンデンサ(図示していない)が劣化するおそれがある。そのため、インバータ回路500では、直流電源側に抵抗素子とトランジスタを直列接続したブレーキ回路506を設けている。直流電圧が所定の電圧よりも大きい時にブレーキ回路のトランジスタを導通し、直流電源に抵抗素子を並列接続する。その結果、抵抗素子にてエネルギーが消費されるため、直流電圧が低下する。
(回生動作における駆動電圧制御および効果)
ブレーキ回路に出力される回生エネルギーを小さくすると、ブレーキ回路の小型化・簡略化による低コスト化を実現できるため好ましい。以下、ブレーキ回路に出力される回生エネルギーを小さくするための、回生動作におけるゲート駆動電圧の制御について説明する。この制御は、トランジスタ11のゲート電極に負電圧を印加することで、電力変換回路の損失が大きくなることを利用している。
During power running, the transistors 11U1, 11U2, 11U3, 11D1, 11D2, and 11D3 (hereinafter referred to as the
(Regenerative operation)
First, the
(Drive voltage control and effects in regenerative operation)
It is preferable to reduce the regenerative energy output to the brake circuit because the cost can be reduced by downsizing and simplification of the brake circuit. Hereinafter, control of the gate drive voltage in the regenerative operation for reducing the regenerative energy output to the brake circuit will be described. This control utilizes the fact that the loss of the power conversion circuit increases by applying a negative voltage to the gate electrode of the
図19は、インバータ回路を流れる電流とゲート駆動電圧の波形を示す図である。
図19(a)はインバータ回路を流れる電流の波形を示し、図19(b)は上アームトランジスタ11U1のゲート駆動電圧を示し、図19(c)は下アームトランジスタ11D1のゲート駆動電圧を示す。
図2に示した実施の形態1と異なる点は、電流Iが正のときの下アームトランジスタ11D1のゲート駆動電圧、および、電流Iが負のときの上アームトランジスタ11U1のゲート駆動電圧である。
FIG. 19 is a diagram illustrating waveforms of a current flowing through the inverter circuit and a gate drive voltage.
19A shows the waveform of the current flowing through the inverter circuit, FIG. 19B shows the gate drive voltage of the upper arm transistor 11U1, and FIG. 19C shows the gate drive voltage of the lower arm transistor 11D1.
The difference from the first embodiment shown in FIG. 2 is the gate drive voltage of the lower arm transistor 11D1 when the current I is positive and the gate drive voltage of the upper arm transistor 11U1 when the current I is negative.
実施の形態1では、電流が正であって、上アームトランジスタが非導通状態、すなわち、上アームトランジスタのゲート電極にEU3が印加されているT3において、下アームトランジスタを導通状態にするために下アームトランジスタのゲート電極にED1を印加している。しかしながら、この構成における回生動作では、このタイミングで、下アームトランジスタ11D1のゲート電極に負電圧ED3が印加される点が異なる。 In the first embodiment, the current is positive and the upper arm transistor is in a non-conductive state, that is, in T3 in which EU3 is applied to the gate electrode of the upper arm transistor, ED1 is applied to the gate electrode of the arm transistor. However, the regenerative operation in this configuration is different in that the negative voltage ED3 is applied to the gate electrode of the lower arm transistor 11D1 at this timing.
同様に、実施の形態1では、電流が負であって、下アームトランジスタが非導通状態、すなわち、下アームトランジスタのゲート電極にED3が印加されているT7において、上アームトランジスタを導通状態にするために上アームトランジスタのゲート電極にEU1を印加している。しかしながら、この構成における回生動作では、このタイミングで、上アームトランジスタ11U1のゲート電極に負電圧EU3が印加される点が異なる。なお、他のトランジスタ11のゲート駆動電圧についても同様の制御を適用できる。
Similarly, in the first embodiment, the current is negative and the lower arm transistor is non-conductive, that is, the upper arm transistor is made conductive at T7 when ED3 is applied to the gate electrode of the lower arm transistor. Therefore, EU1 is applied to the gate electrode of the upper arm transistor. However, the regenerative operation in this configuration is different in that the negative voltage EU3 is applied to the gate electrode of the upper arm transistor 11U1 at this timing. The same control can be applied to the gate drive voltages of the
上記動作をまとめると以下の通りである。この構成における回生動作の際、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち一方のトランジスタ11が非導通状態である場合、他方のトランジスタ11のゲート電極に負電圧EU3、ED3を印加する。これにより、負電圧が印加されたトランジスタ11に内蔵された還流ダイオード12の順方向電圧降下が大きくなり、回生エネルギーを消費できる。したがって、上述するブレーキ回路506の小型化を図ることができる。
The above operations are summarized as follows. During the regenerative operation in this configuration, when one
なお、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち一方のトランジスタ11の制御について、実施の形態1を基準として説明したが、実施の形態2、3あるいは4と組み合わせてもよい。また、本実施の形態では、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち一方のトランジスタ11の非導通期間にのみ、他方のトランジスタ11に負電圧を印加する例について示したが、これに限らない。例えば、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち一方のトランジスタ11の導通期間および非導通期間を通して、他方のトランジスタ11に負電圧を印加してもよい。
The control of one of the upper arm transistor and the
本明細書において開示される電力変換回路の一態様は、直列に接続された第1および第2トランジスタと、制御部とを備えた電力変換回路であって、前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、ゲート電極と、第1オーミック電極と、第2オーミック電極とを備え、前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、前記第1オーミック電極から前記第2オーミック電極に電流を流すことが可能なダイオードを含んでおり、前記制御部は、前記第1および第2トランジスタが、前記第1オーミック電極および前記第2オーミック電極の一方から他方に電流を流すことができる導通状態、並びに前記第2オーミック電極から前記第1オーミック電極に電流を流すことができない非導通状態を繰り返すように、前記第1および第2トランジスタを制御し、前記第1および第2トランジスタはモータに接続され、前記制御回路は、回生動作の際に、前記第1および第2トランジスタの一方を非導通状態とする場合、他方のトランジスタを、当該他方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加することで非導通状態とする。
4.各アームにおいてトランジスタが並列接続された電力変換回路
上記実施の形態等では、各アームにつきトランジスタが直列に接続される構成を採っていた。しかしながら、これに限らず、電力変換回路は、上アームにおいてトランジスタが互いに並列に接続され、下アームにおいてトランジスタが互いに並列に接続される構成を採ってもよい。
One aspect of the power conversion circuit disclosed in the present specification is a power conversion circuit including first and second transistors connected in series and a control unit, and the first and second transistors include: Each includes a gate electrode, a first ohmic electrode, and a second ohmic electrode, and each of the first and second transistors can flow current from the first ohmic electrode to the second ohmic electrode. The control unit includes a conduction state in which the first and second transistors can pass a current from one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode to the other; and the second ohmic The first and second transistors so as to repeat a non-conductive state in which no current can flow from the electrode to the first ohmic electrode The first and second transistors are connected to a motor, and the control circuit sets the other transistor in the non-conducting state when one of the first and second transistors is in a non-conducting state during a regenerative operation. The third transistor is turned off by applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the other transistor.
4). Power conversion circuit in which transistors are connected in parallel in each arm In the above-described embodiment and the like, a configuration is adopted in which transistors are connected in series for each arm. However, the present invention is not limited to this, and the power conversion circuit may adopt a configuration in which the transistors are connected in parallel in the upper arm and the transistors are connected in parallel in the lower arm.
図20は、実施の形態1の変形例に係る電力変換回路を備えたデバイスの回路ブロック図である。
電力変換回路1dは、上アームにおいてトランジスタ11U1、11U2、11U3、11U4が互いに並列接続され、下アームにおいてトランジスタ11D1、11D2、11D3、11D4が互いに並列に接続されている。(以下、上記スイッチング素子について区別の必要が無いときには、単に「トランジスタ11」と呼ぶ。)各アームにおいて同じトランジスタが互いに並列に接続される構成では、並列に接続された各トランジスタ11のVtが変動すると、特に問題が生じる。例えば、上アームトランジスタ11Uのゲート電極に同時にVt以上の正電圧を印加する場合、上アームトランジスタ11U1のみVtが小さいとすると、上アームトランジスタ11U1にのみ電流が集中するおそれがある。これにより、上アームトランジスタ11U1が劣化するおそれがある。従って、特に、各アームにおいてトランジスタが互いに並列に接続される構成では、Vtの変動を抑制することが好ましい。
FIG. 20 is a circuit block diagram of a device including a power conversion circuit according to a modification of the first embodiment.
In the
この構成により、各トランジスタ11に流れる電流の最大値が小さくても、コイル2に流れる電流を大きくすることができる。その結果、パワー素子のような大電圧、大電流の状況下においても、電力変換回路1dを用いることができる。
5.トランジスタの具体的な構造
上記実施の形態では、トランジスタとしてMISFETを用いたが、これに限らず、他のトランジスタ、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート電極型バイポーラトランジスタ)を用いることができる。トランジスタとしてIGBTを用いた場合、上述の説明は、ドレイン電極(第2オーミック電極)をコレクタ電極、ソース電極(第1オーミック電極)をエミッタ電極と読み替えればよい。
With this configuration, even if the maximum value of the current flowing through each
5. Specific Structure of Transistor In the above embodiment, a MISFET is used as a transistor. However, the present invention is not limited to this, and other transistors, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) can be used. . In the case where an IGBT is used as the transistor, in the above description, the drain electrode (second ohmic electrode) may be read as the collector electrode and the source electrode (first ohmic electrode) as the emitter electrode.
以下で、MISFETおよびIGBTの構造について具体的に説明する。
5−1.SiC−MISFETの構造
図21、図22は、トランジスタの一例であるSiC−MISFETの構造を示す断面図である。
図21(a)に示すように、トランジスタ600は、基板610上にドリフト層620が設けられた構造を有している。基板610およびドリフト層620は第1導電型である。ドリフト層620上に、ドリフト層620と接するように、第2導電型のボディ領域630が設けられている。ボディ領域630上に、ボディ領域630と接するように、第1導電型の不純物領域であるソース領域640が設けられている。ソース領域640上に、ソース領域640と接するように、第1金属電極であるソース電極670が設けられている。ボディ領域630およびソース領域640上には、ゲート絶縁膜650が設けられている。ゲート絶縁膜650上に、ゲート電極660が設けられている。基板610の裏面には、第2金属電極であるドレイン電極680が設けられている。基板610、ドリフト層620、ボディ領域630およびソース領域640は、SiCを材料とする。
Below, the structure of MISFET and IGBT is demonstrated concretely.
5-1. Structure of SiC-MISFET FIGS. 21 and 22 are cross-sectional views showing the structure of a SiC-MISFET which is an example of a transistor.
As illustrated in FIG. 21A, the
トランジスタ600において、第1導電型をn型、第2導電型をp型とした場合、nチャンネル型のMISFETとなる。一方、第1導電型をp型、第2導電型をn型とした場合、pチャンネル型のMISFETとなる。
また、トランジスタ600には、第2導電型のボディ領域630と第1導電型のドリフト層620との間のpn接合によって、ボディダイオードが構成されている。このボディダイオードを図1等における還流ダイオード12として用いることができる。
5−2.SiC−MISFETの構造の変形例
図21(b)に示すように、トランジスタ601は、ボディ領域630の上部に、ボディ領域630と接するように、第2導電型のコンタクト領域635を備えていてもよい。このとき、ソース電極670は、コンタクト領域635と接するように設けられる。
In the
In the
5-2. Modified Example of SiC-MISFET Structure As shown in FIG. 21B, the
また、図22(a)に示すように、トランジスタ602は、ゲート絶縁膜650とボディ領域630およびソース領域640との間に、第1導電型のチャネル層645を備えていてもよい。
さらに、図22(b)に示すように、トランジスタ603は、第1導電型のチャネル層645および第2導電型のコンタクト領域635を備えてもよい。
22A, the
Furthermore, as illustrated in FIG. 22B, the
図22(a)、(b)に示すトランジスタ602、603を、ソース電極670からドレイン電極680に電流を流すことが可能なダイオードとして機能させることができる。チャネル層645における第1導電型の不純物濃度、チャネル層645の膜厚などを調節することにより、このダイオードの立ち上がり電圧の絶対値を、ボディダイオードの立ち上がり電圧の絶対値よりも小さくすることができる。このダイオードは、ソース電極670からチャネル層645を介してドレイン電極680に電流が流れるダイオード(以下、チャネルダイオードと呼ぶ)である。ボディダイオードに代えて、チャネルダイオードを還流ダイオードとして用いてもよい。
The
なお、ダイオードの立ち上がり電圧とは、ソース電極を基準にしてドレイン電極―ソース電極間に印加する電圧を負の方向に増加させた場合、ダイオードに電流が流れ始めるときの電圧である。SiCを材料とする半導体領域を有するトランジスタの場合、室温におけるボディダイオードの立ち上がり電圧は約−3Vである。
5−3.SiC−IGBTの構造
図23、図24は、トランジスタの一例であるSiC−IGBTの構造を示す断面図である。
The rising voltage of the diode is a voltage at which a current starts to flow through the diode when the voltage applied between the drain electrode and the source electrode is increased in the negative direction with reference to the source electrode. In the case of a transistor having a semiconductor region made of SiC, the rising voltage of the body diode at room temperature is about −3V.
5-3. Structure of SiC-IGBT FIGS. 23 and 24 are cross-sectional views showing the structure of a SiC-IGBT which is an example of a transistor.
図23(a)に示すように、トランジスタ700は、第1導電型のドリフト層620下に、第1導電型コレクタ電極領域715および第2導電型コレクタ電極領域710が設けられた構造を有している。ボディ領域630の上部には、ボディ領域630と接するように、第1導電型の不純物領域であるエミッタ電極領域740が設けられている。エミッタ電極領域740上に、エミッタ電極領域740と接するように、第1オーミック電極であるエミッタ電極770が設けられている。第1導電型のドリフト層620の下方には、第1導電型コレクタ電極領域715および第2導電型コレクタ電極領域710と接するように、第2オーミック電極であるコレクタ電極780が設けられている。その他の構造については、図21(a)に示すトランジスタ600と同じであるため説明を省略する。
As shown in FIG. 23A, the
トランジスタ700において、第1導電型をn型、第2導電型をp型とした場合、nチャンネル型のIGBTとなる。一方、第1導電型をp型、第2導電型をn型とした場合、pチャンネル型のIGBTとなる。
また、トランジスタ700は、第1導電型コレクタ電極領域715を備えているため、第2導電型のボディ領域630と第1導電型のドリフト層620との間のpn接合によって構成されるボディダイオードを、還流ダイオードとして用いることができる。
5−4.SiC−IGBTの構造の変形例
図23(b)に示すように、トランジスタ701は、ボディ領域630上に、ボディ領域630と接するように、第2導電型のコンタクト領域635を備えていてもよい。このとき、エミッタ電極770は、コンタクト領域635と接するように設けられる。
In the
In addition, since the
5-4. Modified Example of SiC-IGBT Structure As shown in FIG. 23B, the
また、図24(a)に示すように、トランジスタ702は、ゲート絶縁膜650とボディ領域630およびエミッタ電極領域740との間に、第1導電型のチャネル層645を備えていてもよい。
さらに、図24(b)に示すように、トランジスタ703は、コンタクト領域635およびチャネル層645を備えてもよい。
In addition, as illustrated in FIG. 24A, the
Further, as illustrated in FIG. 24B, the
図24(a)、(b)に示すトランジスタ702、703においては、チャネル層645における第1導電型の不純物濃度、チャネル層645の膜厚などを調節することにより、トランジスタ702、703を、エミッタ電極770からチャネル層645を介してコレクタ電極780に電流が流れるチャネルダイオードとして機能させることができる。ボディダイオードに代えて、チャネルダイオードを還流ダイオードとして用いてもよい。
<変形例>
本発明に係る電力変換回路の構成などは、上記実施の形態等に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。
In the
<Modification>
The configuration of the power conversion circuit according to the present invention is not limited to the above embodiment and the like, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention.
本発明に係る電力変換回路は、例えば、空気調和機の圧縮機インバータ制御、冷蔵庫用インバータ制御、ヒートポンプ給湯器のインバータ制御、産業用サーボアンプのインバータ制御、電気自動車やハイブリッド自動車のインバータなどに広く適用可能である。また、太陽光パワーコンディショナやスイッチング電源などのDC−DCコンバータなどに広く適用可能である。 The power conversion circuit according to the present invention is widely used in, for example, compressor inverter control for air conditioners, inverter control for refrigerators, inverter control for heat pump water heaters, inverter control for industrial servo amplifiers, inverters for electric vehicles and hybrid vehicles, etc. Applicable. Moreover, it is widely applicable to DC-DC converters, such as a solar power conditioner and a switching power supply.
1 電力変換回路
11、11U、11D トランジスタ
12、12U、12D 還流ダイオード
21 制御回路
22 電流検出手段
30U、30D ゲート駆動回路
31U1、31U2、31U3、31D1、31D2、31D3 電圧源
DESCRIPTION OF
Claims (11)
制御部と、
を備えた電力変換回路であって、
前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、ゲート電極と、第1オーミック電極と、第2オーミック電極とを備え、
前記第1および第2トランジスタは、それぞれ、前記第1オーミック電極から前記第2オーミック電極に電流を流すことが可能なダイオードを含んでおり、
前記制御部は、
前記第1および第2トランジスタが、前記第1オーミック電極および前記第2オーミック電極の一方から他方に電流を流すことができる導通状態、並びに前記第2オーミック電極から前記第1オーミック電極に電流を流すことができない非導通状態を繰り返すように、前記第1および第2トランジスタを制御し、
前記第1および第2トランジスタの一方を前記導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1オーミック電極を基準として正の第1電圧を印加し、
前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が負であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1電圧よりも低い正の電圧またはゼロの電圧である第2電圧を印加し、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に負の電圧である第3電圧を印加する、
電力変換回路。 First and second transistors connected in series;
A control unit;
A power conversion circuit comprising:
Each of the first and second transistors includes a gate electrode, a first ohmic electrode, and a second ohmic electrode,
Each of the first and second transistors includes a diode capable of flowing a current from the first ohmic electrode to the second ohmic electrode;
The controller is
The first and second transistors are in a conductive state in which a current can flow from one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode to the other, and a current flows from the second ohmic electrode to the first ohmic electrode Controlling the first and second transistors to repeat a non-conductive state that cannot be
When one of the first and second transistors is in the conductive state,
Applying a positive first voltage between the gate electrode of the one transistor and the first ohmic electrode with reference to the first ohmic electrode;
When one of the first and second transistors is in the non-conductive state,
If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is negative in the conductive state immediately before the one transistor, the first ohmic electrode is connected between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor. Applying a second voltage which is a positive voltage lower than one voltage or a zero voltage;
If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive in the conductive state immediately before the one transistor, a negative voltage is generated between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor. Applying a third voltage, which is a voltage,
Power conversion circuit.
前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタを非導通状態とする全期間において、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加する、
請求項1に記載の電力変換回路。 The controller is
When one of the first and second transistors is in the non-conductive state,
If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive in the conductive state immediately before the one transistor, the transistor is in the non-conductive state during the entire period in which the transistor is non-conductive. Applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode;
The power conversion circuit according to claim 1.
前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタを非導通状態とする期間の一部において、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加する、
請求項1に記載の電力変換回路。 The controller is
When one of the first and second transistors is in the non-conductive state,
In the conductive state immediately before the one transistor, if the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive, in a part of the period in which the transistor is turned off, Applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor;
The power conversion circuit according to claim 1.
前記制御部は、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタを非導通状態とする複数回の期間のうち全部の回で、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換回路。 With the repetition of the conduction state and the non-conduction state of the first and second transistors, a period of making the one transistor non-conduction is repeated a plurality of times,
The controller is
In the conductive state immediately before the one transistor, if the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive, out of a plurality of periods in which the transistor is turned off Applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor at all times,
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 3.
前記制御部は、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタを非導通状態とする複数回の期間のうち一部の回で、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の電力変換回路。 With the repetition of the conduction state and the non-conduction state of the first and second transistors, a period of making the one transistor non-conduction is repeated a plurality of times,
The controller is
In the conductive state immediately before the one transistor, if the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive, out of a plurality of periods in which the transistor is turned off Applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor at some times;
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 3.
前記制御回路は、回生動作の際に、
前記第1および第2トランジスタの一方を非導通状態とする場合、
他方のトランジスタを、当該他方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第3電圧を印加することで非導通状態とする、
請求項1から5のいずれか1項に記載の電力変換回路。 The first and second transistors are connected to a motor;
The control circuit, during the regenerative operation,
When one of the first and second transistors is turned off,
The other transistor is made non-conductive by applying the third voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the other transistor,
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6のいずれか1項に記載の電力変換回路。
The first and second transistors are composed of a plurality of transistors connected in parallel to each other.
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換回路。 The first and second transistors are metal-insulator-semiconductor field effect transistors, the first ohmic electrode is a source electrode, and the second ohmic electrode is a drain electrode.
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 7.
請求項1から7のいずれか1項に記載の電力変換回路。 The first and second transistors are insulated gate electrode bipolar transistors, the first ohmic electrode is an emitter electrode, and the second ohmic electrode is a collector electrode.
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 7.
請求項1から9のいずれか1項に記載の電力変換回路。 The first and second transistors have a semiconductor region made of silicon carbide,
The power conversion circuit according to any one of claims 1 to 9.
前記第1および第2トランジスタが、前記第1オーミック電極および前記第2オーミック電極の一方から他方に電流を流すことができる導通状態、並びに前記第2オーミック電極から前記第1オーミック電極に電流を流すことができない非導通状態を繰り返すように、当該第1および第2トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に電圧を印加し、
前記第1および第2トランジスタの一方を前記導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に正の第1電圧を印加し、前記第1および第2トランジスタの一方を前記非導通状態とする場合、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が負であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に前記第1電圧よりも低い正の電圧またはゼロの電圧である第2電圧を印加し、
前記一方のトランジスタの直前の導通状態において、当該トランジスタの前記第1オーミック電極を基準とする前記第2オーミック電極の電位が正であれば、当該トランジスタのゲート電極―第1オーミック電極間に負の電圧である第3電圧を印加する、
制御方法。 A first diode including a diode connected in series to each other, each including a gate electrode, a first ohmic electrode, and a second ohmic electrode, and capable of flowing a current from the first ohmic electrode to the second ohmic electrode; And a control method for controlling the second transistor,
The first and second transistors are in a conductive state in which a current can flow from one of the first ohmic electrode and the second ohmic electrode to the other, and a current flows from the second ohmic electrode to the first ohmic electrode Applying a voltage between the gate electrode and the first ohmic electrode of the first and second transistors so as to repeat the non-conducting state that cannot be performed,
When one of the first and second transistors is in the conductive state,
When a positive first voltage is applied between the gate electrode and the first ohmic electrode of the one transistor and one of the first and second transistors is brought into the non-conductive state,
If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is negative in the conductive state immediately before the one transistor, the first ohmic electrode is connected between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor. Applying a second voltage which is a positive voltage lower than one voltage or a zero voltage;
If the potential of the second ohmic electrode with respect to the first ohmic electrode of the transistor is positive in the conductive state immediately before the one transistor, a negative voltage is generated between the gate electrode and the first ohmic electrode of the transistor. Applying a third voltage, which is a voltage,
Control method.
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-
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- 2012-03-27 JP JP2012070864A patent/JP2013207821A/en active Pending
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