JP2014027795A - スイッチング回路及びインバータ回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来技術に比較して従MOSFETに過渡的に印加される電圧を大幅に低減できるスイッチング回路と、それを用いたインバータ回路を提供する。
【解決手段】スイッチング回路7は、遮断状態又は導通状態に制御するための第1の制御端子を有する第1のスイッチング素子と、遮断状態又は導通状態に制御するための第2の制御端子を有する第2のスイッチング素子とを、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のそれぞれに寄生する第1の寄生ダイオード及び第2の寄生ダイオードの各導通方向が互いに逆方向を向くよう直列に接続してなる直列回路と、前記第1の寄生ダイオードの導通方向と同じ導通方向を有するように、前記直列回路に並列に接続された整流素子と、前記第2のスイッチング素子を導通状態に制御しているときに、前記第1のスイッチング素子を遮断状態から導通状態へ切り替えるように制御する制御手段とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、スイッチング素子を用いて構成されたスイッチング回路と、それを用いたインバータ回路に関する。
従来、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(以下、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)という。)等のスイッチング素子を用いて構成されたスイッチング回路が知られている。ボディダイオードが寄生したスイッチング素子がスイッチング回路を構成するために用いられる場合、スイッチング回路の動作時において、ボディダイオードに還流電流、リカバリ電流等の不要な電流が流れ、電力の損失が生じるおそれがある。そこで、そのような不要な電流を低減するための構成が以下のように提案されている。
例えば特許文献1では、スイッチング素子である主MOSFET及び従MOSFETと、これらMOSFETに寄生する各ボディダイオードの導通方向が互いに逆向きになるように主MOSFET及び当該MOSFETが直列に接続されてなる直列回路に並列に接続された外付けダイオードとを備えるスイッチング回路が提案されている。この構成によれば、主MOSFETに寄生するボディダイオードに流れる不要な電流が低減される。
特開2008−193839号公報 特開2008−289232号公報 特開2010−115039号公報 国際公開第2010/119526A1号パンフレット
しかしながら、従MOSFETが不要な電流を遮断する際、この従MOSFETに過渡的に電圧が印加されてしまう。したがって、従MOSFETはこのように過渡的に印加される電圧に対して耐圧性を有する必要があり、高い耐圧性を有する従MOSFETは一般に導通損失が高いので、変換効率が大幅に低下するという問題があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して従MOSFETに過渡的に印加される電圧を大幅に低減できるスイッチング回路と、それを用いたインバータ回路を提供することにある。
本発明の1つの態様に係るスイッチング回路は、
遮断状態又は導通状態に制御するための第1の制御端子を有する第1のスイッチング素子と、遮断状態又は導通状態に制御するための第2の制御端子を有する第2のスイッチング素子とを、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のそれぞれに寄生する第1の寄生ダイオード及び第2の寄生ダイオードの各導通方向が互いに逆方向を向くよう直列に接続してなる直列回路と、
前記第1の寄生ダイオードの導通方向と同じ導通方向を有するように、前記直列回路に並列に接続された整流素子と、
前記第2のスイッチング素子を導通状態に制御しているときに、前記第1のスイッチング素子を遮断状態から導通状態へ切り替えるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、従来技術に比較して従MOSFETに過渡的に印加される電圧を大幅に低減できるスイッチング回路と、それを用いたインバータ回路を提供することができる。
本発明の実施の形態1に係るインバータ回路30とその周囲の回路の構成を示す回路図である。 図1のスイッチング回路7の構成を示す回路図である。 図1の駆動回路6a,6dから出力される開閉信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態2に係るスイッチング回路7aの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態3に係るスイッチング回路7aaの構成を示す回路図である。 図5のスイッチング回路7aaの変形例であるスイッチング回路7abの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態4に係るスイッチング回路7acの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態5に係るスイッチング回路7adの構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態6に係るスイッチング回路7aeの構成を示す回路図である。 図9のスイッチング回路7aeを用いて構成されたインバータ回路30aの構成を示す回路図である。 図7のオンディレイ回路18aの構成を示す回路図である。 図5のオフディレイ回路44aの構成を示す回路図である。 図14のオンオフディレイ回路48aの構成を示す回路図である。 図7のスイッチング回路7acの変形例であるスイッチング回路7afの構成を示す回路図である。
以下、本発明に係る実施の形態について説明する。ここで、同一の構成要素については同一の符号を付す。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係るインバータ回路30とその周囲の回路の構成を示す回路図である。図1の回路は、直流主電源9と、直流主電源9からの直流電圧を三相の交流電圧へ変換するインバータ回路30と、負荷モータ8とを備えて構成される。インバータ回路30はスイッチング回路7a〜7f(以下、総称して符号7を付す。)を備えて構成され、スイッチング回路7a,7d、スイッチング回路7b,7e、スイッチング回路7c,7fはそれぞれ、ラインPとラインNの間に接続されたハーフブリッジ41,42,43を構成する。ここで、ハーフブリッジ41は、ラインPに接続されたP側のスイッチング回路7aとラインNに接続されたN側のスイッチング回路7dとが、中性点Oをはさんで直列に接続され、同様に、ハーフブリッジ42はP側のスイッチング回路7bとN側のスイッチング回路7eとが中性点Oをはさんで直列に接続されて構成され、ハーフブリッジ43はP側のスイッチング回路7cとN側のスイッチング回路7fとが中性点Oをはさんで直列に接続されて構成される。正極側のラインP及び負極側のラインNとの間に直流主電源9により直流電圧が印加され、三相の交流電圧は各ハーフブリッジ41,42,43の各中性点Oから負荷モータ8へ出力される。
本実施の形態に係るスイッチング回路7は、
(1)遮断状態又は導通状態に制御するためのゲート端子Gを有する主MOSFET1と、遮断状態又は導通状態に制御するためのゲート端子Gを有する従MOSFET3とを、主MOSFET1及び従MOSFET3のそれぞれに寄生する主ボディダイオード2及び従ボディダイオード4の各導通方向が互いに逆方向を向くよう直列に接続してなる直列回路と、
(2)主ボディダイオード2の導通方向と同じ導通方向を有するように、直列回路に並列に接続された外付けダイオード5と、
(3)従MOSFET3を導通状態に制御しているときに、主MOSFET1を遮断状態から導通状態へ切り替えるように制御する駆動回路6とを備えたことを特徴としている。
図2は、図1のスイッチング回路7の構成を示す回路図である。図2のスイッチング回路7は、主MOSFET1と、従MOSFET3と、外付けダイオード5と、主MOSFET1及び従MOSFET3のオン/オフを制御する制御手段である駆動回路6とを備えて構成される。図2における主MOSFET1、従MOSFET3、外付けダイオード5、及び駆動回路6はそれぞれ、図1における主MOSFET1a〜1f、従MOSFET3a〜3f、外付けダイオード5a〜5f、及び駆動回路6a〜6fに対応する。主MOSFET1と従MOSFET3の各ソース端子Sが互いに接続されて、主MOSFET1と従MOSFET3の直列回路が形成される。また、整流素子である外付けダイオード5は、その順方向が主ボディダイオード2の導通方向に一致するように、上記直列回路に並列に接続されている。さらに、駆動回路6は、主MOSFET1と従MOSFET3の各ゲート端子Gとソース端子Sとに接続されている。駆動回路6は、オン信号とオフ信号を含む開閉信号を、主MOSFET1と従MOSFET3の各ゲート端子Gに出力する。主MOSFET1と従MOSFET3にはそれぞれ、図1の主ボディダイオード2a〜2fに対応する主ボディダイオード2と、図1の従ボディダイオード4a〜4fに対応する従ボディダイオード4とが寄生している。主ボディダイオード2と従ボディダイオード4の各導通方向はそれぞれ、主MOSFET1と従MOSFET3のソース端子Sからそのドレイン端子Dへ向かう方向である。主ボディダイオード2と従ボディダイオード4の導通方向が互いに反対方向を向きかつ直列に接続(以下、逆直列接続という。)されるように、主MOSFET1と従MOSFET3は直列に接続されている。
図3は、図1の駆動回路6a,6dから出力される開閉信号のタイミングチャートである。図3のタイミングチャートに表されている4つの開閉信号はそれぞれ、ハーフブリッジ41におけるP側の主MOSFET1a、従MOSFET3a、及びN側の主MOSFET1d、従MOSFET3dに入力される。
図3のタイミングチャートを参照して、ハーフブリッジ41の動作について、以下説明する。図3のタイミングチャートの時刻t1までの初期状態において、主MOSFET1a及び従MOSFET3aが導通状態に制御され、主MOSFET1d及び従MOSFET3dが遮断状態に制御されている。順電流J11がP側の主MOSFET1aと従MOSFET3aに流れ、そして負荷電流J1が中性点Oから負荷モータ8へ流れる。このとき、直流主電源9からの電圧はN側の主MOSFET1dのドレイン−ソース間に印加され、当該ドレイン−ソース間に電荷が蓄積される。
時刻t1において、N側の従MOSFET3dは導通状態に制御される。N側のスイッチング回路7dの主MOSFET1dは時刻t1において遮断状態に制御されているため、ハーフブリッジ41において電源短絡は生じない。
時刻t2において、P側の主MOSFET1a及び従MOSFET3aの両方は、導通状態から遮断状態に制御され、順電流J11は遮断される。順電流J11の遮断に伴い、負荷電流J1により還流電流J12がN側の外付けダイオード5dに流れる。時刻t2においてデッドタイムTd1が開始される。ここで、デッドタイムTd1は、電源短絡が生じないように2つのスイッチング回路7a,7dの両方が遮断状態に制御される時間である。還流電流J12が外付けダイオード5dに流れ始めると外付けダイオード5は導通し、N側の主MOSFET1dに蓄積されている上述の電荷が放出される。従MOSFET3dは時刻t1から導通状態に制御されているため、従MOSFET3dのドレイン−ソース間には電圧は印加されない。
時刻t3において、N側の主MOSFET1dが導通状態に制御され、N側のスイッチング回路7dが導通状態となる。デッドタイムTd1は、時刻t3において終了する。時刻t3の後、負荷モータ8から中性点Oへ負荷電流が流れ、中性点OからN側のスイッチング回路7dを通りラインNへ順電流が流れる。
時刻t4〜t6において、スイッチング回路7aが遮断状態から導通状態へ、且つスイッチング回路7dが導通状態から遮断状態へ遷移する。まず時刻t4において、P側の従MOSFET3aが導通状態に制御される。時刻t5において、N側の主MOSFET1d及び従MOSFET3dが遮断状態に制御される。時刻t6においてP側の主MOSFET1aが導通状態に制御され、P側のスイッチング回路7aが導通状態になる。デッドタイムTd2は時刻t5〜t6の期間である。時刻t6の後、P側とN側のスイッチング回路7a,7dの開閉状態は、図3のタイミングチャートの時刻t1までの初期状態と同じとなる。時刻t5において、主MOSFET1aの主ボディダイオード2aのリカバリ電流は、遮断状態に制御されている従MOSFET3dにより遮断されるため流れない。
時刻t6の後、主MOSFET1a,1dと従MOSFET3a,3dの導通又は遮断の状態は、図3のタイミングチャートの時刻t1までの初期状態と同じとなる。P側の主MOSFET1a及び従MOSFET3aに順電流J11が流れるとともに、N側の主MOSFET1dのドレイン−ソース間に電圧が印加される。このとき、従MOSFET3dの従ボディダイオード4dの導通方向は電圧の降下方向に一致するため、従MOSFET3dのドレイン−ソース間には電圧は印加されない。その後、スイッチング回路7a,7dは、図3のタイミングチャートに示されるタイミングで繰り返し開閉状態が切り替えられるよう制御される。各ハーフブリッジ42,43も、ハーフブリッジ41の動作からそれぞれ120度の位相進み及び位相遅れを有して同様に動作する。
以上のように構成された本実施の形態に係るインバータ回路30において、従MOSFET3が導通状態に制御されているときに、主MOSFET1が遮断状態から導通状態へ切り替えられる。したがって、従MOSFET3が導通状態に制御され且つ主MOSFET1aが遮断状態に制御されているときに、還流電流が外付けダイオード5に流れたとしても、導通状態に制御されている従MOSFET3に電圧は印加されない。よって、従来技術に比較して従MOSFET3に過渡的に印加される電圧を大幅に低減できる。
本実施の形態では、例えば、主MOSFET1としてドレイン−ソース間電圧の定格値600Vを有するスーパージャンクションMOSFETを使用し、従MOSFET3として、主MOSFET1のドレイン−ソース間電圧の定格値よりも低いドレイン−ソース間電圧の定格値が数10VのMOSFETを使用することが可能となる。一般に、MOSFETはドレインーソース間の耐電圧が低いほど、通常のドレインーソース間の耐電圧を有するMOSFETに比較して、より低いオン抵抗(以下、低オン抵抗という。)を実現しやすいため、低オン抵抗を有する従MOSFET3を用いることによってスイッチング回路7の動作時における導通損失が低減される。よって、スイッチング回路7の電力の損失を効果的に抑制できる。また、安価な又は容易に入手可能な従MOSFET3をより自由に選定することができる。
さらに、本実施の形態の構成によれば、スイッチング回路7の主MOSFET1が遮断状態に制御されるとき又はこれより前に、従MOSFET3が遮断状態に制御される。これにより、主MOSFET1に流れる不要な電流であるリカバリ電流は、遮断状態に制御されている従MOSFET3により遮断される。
また、本実施の形態では図3の時刻t1,t2は同時ではないが、従MOSFET3のターンオン遅れ時間に対して主MOSFET1のターンオフ遅れ時間が十分に遅い場合は、これに限らず時刻t1,t2が同時でもよい。あるいは、本実施の形態では時刻t2において主MOSFET1a及び従MOSFET3aが同時に遮断状態に制御されるが、本発明はこれに限らず、従MOSFET3が主MOSFET1aよりも先に遮断状態に制御されてもよい。これらの場合においても、従MOSFET3aに過渡的な電圧が印加されることが抑制される。
なお、例えば特許文献1の従来例の構成では、P側の主MOSFETと従MOSFETの両方が同時に導通状態から遮断状態へ切り替えられるとき、N側のMOSFETと従MOSFETはともに遮断状態に制御されている。このとき、還流電流が外付けダイオードに流れることによってN側の主MOSFETのドレイン−ソース間に蓄積された電荷が放出され、N側の主MOSFETと従MOSFETの寄生容量比で分圧された電圧が、遮断状態に制御されたN側の従MOSFETに過渡的に印加されてしまうという問題があった。
実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2に係るスイッチング回路7aの構成を示す回路図である。図4において、駆動回路6aのさらに詳細な構成が示されている。駆動回路6aは、主MOSFET1aのゲート駆動回路12aと、従MOSFET3aのゲート駆動回路13aと、各ゲート駆動回路12a,13aに駆動のための電圧を印加するゲート駆動用電源16aと、ゲート信号を各ゲート駆動回路12a,13aへ印加する信号生成回路14a,15aとを備えて構成される。ここで、各信号生成回路14a,15aはそれぞれ、例えばパルス幅変調(Pulse Width Modulation)信号を生成する回路を備えて構成され、オン信号及びオフ信号からなるパルスの信号をゲート信号として出力する。ゲート駆動用電源は、ゲート駆動回路12a,13aのそれぞれの電源正極端子と電源負極端子との間に駆動のための電圧を印加する。ゲート駆動回路12aは、信号生成回路14aからのゲート信号を増幅等し開閉信号としてゲート抵抗10aを介して主MOSFET1aのゲート端子Gへ印加する。同様に、ゲート駆動回路13aは信号生成回路15aからのゲート信号を増幅等し開閉信号としてゲート抵抗11aを介して従MOSFET3aのゲート端子Gへ印加する。
本実施の形態に係るインバータ回路30は、図4の6つのスイッチング回路7aを図1のスイッチング回路7a〜7fとして用いて構成される。P側及びN側のスイッチング回路7a,7dにおける4つの信号生成回路14a,15a,14a,15aはそれぞれ、図3のタイミングチャートに示される各開閉信号に対応したゲート信号を各ゲート端子に印加するよう構成される。このため、主MOSFET1a,1d及び従MOSFET3a,3dのそれぞれには図3のタイミングチャートに示される各開閉信号が入力され、インバータ回路30の動作時において従MOSFET3には上記実施の形態1の場合と同様に電圧が印加される。
以上のように構成された本実施の形態に係るスイッチング回路7a及びインバータ回路30は、上記実施の形態1の場合と同様の効果を有するのみならず、1つのゲート駆動用電源16aを用いて2つのゲート駆動回路12a,13aを駆動できるため、スイッチング回路7aの回路構成が簡単になり、スイッチング回路7の製作が容易となる。
実施の形態3.
図5は、実施の形態3に係るスイッチング回路7aaの回路構成を示す回路図である。図5のスイッチング回路7aaは、上記実施の形態2に係る図4のスイッチング回路7aに比較して、駆動回路6aに代えて駆動回路6aaを備えたことを特徴とする。駆動回路6aaは、駆動回路6aに比較して、以下の点が異なる。
(1)オフディレイ回路44aが、信号生成回路14aとゲート駆動回路12aの間に挿入されて接続されたこと。
(2)ゲート抵抗21a及びショットキーダイオード22aが直列に接続されて形成され、ゲート抵抗10aに並列接続された直列回路をさらに備えたこと。ここで、ショットキーダイオード22aの順方向は、主MOSFET1aからゲート駆動回路14aを向く方向に同じである。
(3)ゲート駆動回路13a及び信号生成回路15aが削除されたこと。
(4)ゲート抵抗11aの一端が、ゲート駆動回路13aの出力端子に代えて、ゲート駆動回路12aの出力端子に接続されたこと。
図5に示される6つのスイッチング回路7aaを図1のスイッチング回路7a〜7fとして用いてインバータ回路30が構成される。インバータ回路30の動作時において、ハーフブリッジ41を形成するP側及びN側の2つのスイッチング回路7aa,7daにおける2つの信号生成回路14a,14dはそれぞれデッドタイムを生じないタイミングでゲート信号を切り替えながら出力する。すなわち、上記の2つの信号生成回路14a,14dのうちの一方がオン信号を出力するとき他方がオフ信号を出力し、上記の2つの信号生成回路14a,14dはゲート信号を同時に切り替える。
図12は、図5のオフディレイ回路44aの構成を示す回路図である。図12に示されるオフディレイ回路44aは従来のオフディレイ回路の一例である。オフディレイ回路44aは、入力端子T3と出力端子T4の間に並列に接続された抵抗45a及びダイオード46aと、出力端子T4とグランドの間に接続されたコンデンサ47aとを備えて構成される。ダイオード46aの順方向は、入力端子T3から出力端子T4へ向く方向である。入力端子T3にオフ信号が入力されたときから所定の遅延時間の経過後にオフ信号が出力端子T4から出力されるように、抵抗45aの抵抗値及びコンデンサ47aの静電容量は設定される。所定の遅延時間は、図3に示される時刻t1から時刻t2までの長さに一致するように設定されている。オフディレイ回路44aの入力端子T3にオン信号が入力された場合、オフディレイ回路44aは、入力されたオン信号を遅延させることなくそのまま出力端子T4から出力する。
ゲート抵抗10aの抵抗値Rg1は、ゲート抵抗21aの抵抗値Rg2に比較して十分に大きな抵抗値を有するよう選択されている。このため、上記の直列回路とゲート抵抗10aとを備えて構成される並列回路に、主MOSFET1aからゲート駆動回路12aへ電流が流れるときの電気抵抗は、近似的にRg2であると見なせる。
以下に、本実施の形態に係る各ゲート抵抗10a,21a,11aの各抵抗値Rg1,Rg2,Rg3の設定、ならびにスイッチング回路7aaの動作について説明する。N側のゲート駆動回路12aからの開閉信号が、オフ信号から電圧Vgを有するオン信号へ切り替えられると、ゲート抵抗10aに電流がゲート駆動回路12aから主MOSFET1aのゲート端子Gへ流れ始め、主MOSFET1aのゲート−ソース間に電荷が蓄積される。なお、ショットキーダイオード22aによる遮断により、ゲート抵抗21aには電流は流れない。オン信号が出力されたときからt秒後にゲート−ソース間に印加される電圧Vgs1aは、ゲート抵抗10aの抵抗値Rg1と、主MOSFET1のゲート−ソース間容量Cis1を用いて、次式の通り表される。
Figure 2014027795
主MOSFET1は、ゲート−ソース間の電圧Vgs1aがゲートしきい値Vth1を超えると、導通状態になる。オン信号が主MOSFET1aのゲート端子Gに入力されたときから主MOSFET1aが導通するときまでの時間であるターンオン遅れ時間td_on1aは、式(1)に基づいて、次式の通り表される。
Figure 2014027795
主MOSFET1が導通状態となった後、ゲート端子Gにオン信号が入力され続けると、式(1)の電圧vgs1aは近似的にVgであると見なせる。
次に、スイッチング回路7daにおいて、主MOSFET1dのゲート端子Gに入力される開閉信号がオン信号からオフ信号に切り替えられると、上記とは逆方向へゲート抵抗10dに電流が流れる。さらに、この電流の流れの方向はショットキーダイオード22dの順方向であるため、ゲート抵抗21dにも電流が流れる。主MOSFET1dのゲート−ソース間に蓄積されていた電荷は放出され、ゲート端子Gの電位は徐々に低下する。ゲート駆動回路12dから出力される開閉信号がオン信号からオフ信号へ切り替えられたときから、主MOSFET1dが実際に遮断するまでのターンオフ遅れ時間td_off1dは、式(1)に基づいて、次式の通りに示される。
Figure 2014027795
上述の通り抵抗値Rg2が抵抗値Rg1より十分に小さいため、ターンオフ遅れ時間td_off1dは、式(2)のターンオン遅れ時間td_on1aよりも短い。
さらに、ハーフブリッジ41を形成するP側及びN側の2つのスイッチング回路7aaのスイッチング動作に基づくデッドタイムtdは、式(2)と式(3)に基づいて、次式の通り与えられる。
Figure 2014027795
抵抗値Rg1,Rg2を適宜選定することにより、図3のデッドタイムTd1,Td2を長く又は短くすることができる。例えば、一般的なドレイン−ソース間電圧の定格値600Vを有するスーパージャンクションMOSFETが主MOSFET1aとして使用される場合において、デッドタイムTd1,Td2を1usecに設定することが望まれるとき、例えばゲート抵抗21aの抵抗値Rg2の600〜1200倍程度の抵抗値Rg1を有するゲート抵抗10aを選定できる。
ゲート駆動回路12aよりオン信号が出力されたときから、従MOSFET3aが導通状態となるまでのターンオン遅れ時間td_on3aは、従MOSFET3aのゲート抵抗11aの抵抗値Rg3、従MOSFET3aのゲート−ソース間容量Cis3、及び従MOSFET3aのゲートしきい値Vth3を用いて、次式の通り表される。
Figure 2014027795
主MOSFET1aのターンオフ遅れ時間td_off1aが従MOSFET3aのターンオン遅れ時間td_on3aよりも長くなるように、ゲート抵抗21の抵抗値Rg2とゲート抵抗11の抵抗値Rg3が選定されれば、P側の主MOSFET1aが遮断する前にN側の従MOSFET3aが導通する。例えば、抵抗値Rg3を抵抗値Rg2より小さく設定すればよい。以上のように構成されたP側及びN側のスイッチング回路7aa,7aaは、オフディレイ回路44aを削除しても、図3に示すタイミングチャートと同様のタイミングで動作する。
例えば、一般的なドレイン−ソース間電圧の定格値600Vを有するスーパージャンクションMOSFETが主MOSFET1aとして使用され、且つ、一般的なドレイン−ソース間電圧の定格値75Vを有するMOSFETが従MOSFET3aとして使用される場合、ゲート抵抗21aの4〜5倍以下の抵抗値Rg3を有するゲート抵抗11aを選定すればよい。この選定によって、P側の主MOSFET1dが遮断する前にN側の従MOSFET3aが導通する。
以上のように構成された本実施の形態に係るスイッチング回路7aaは、上記実施の形態1と同様の効果を有するのみならず、1つの信号生成回路14aを用いて構成されるため、スイッチング回路7aaの回路構成はより単純である。よって、スイッチング回路7aa及びこれを用いたインバータ回路30の製作に係るコストを低減でき、また、スイッチング回路7aa及びインバータ回路30のさらなる小型化を実現できる。
本実施の形態では、ゲート駆動回路12aから出力されるオフ信号が、オフディレイ回路44aによって、所定の遅延時間だけ遅延される。オフディレイ回路44aを用いることにより、スイッチング回路7aaの動作の安定性を損なうことなく、主MOSFET1及び従MOSFET3のターンオフのタイミングを調節できる。
図6は、図5のスイッチング回路7aaの変形例であるスイッチング回路7abの構成を示す回路図である。図6に示されるスイッチング回路7abは、図5に示されるスイッチング回路7abに比較して、主MOSFET1aのゲート端子Gとソース端子Sの間に接続されたコンデンサ23aをさらに備えて構成される。このようにコンデンサ23aをスイッチング回路7abに追加することは、主MOSFET1aのゲート−ソース間容量Cis1を増やすことと等価である。したがって、主MOSFET1aのターンオン遅れ時間td_on1a及びターンオフ遅れ時間td_off1dを、式(2)及び式(3)に基づいてそれぞれ適宜長く設定することができる。この構成によって、従MOSFET3aのゲート抵抗11を、コンデンサ23aを用いない場合よりも自由に選定でき、スイッチング回路7ab及びインバータ回路30の設計範囲を広げることが可能となる。
実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4に係るスイッチング回路7acの構成を示す回路図である。図7のスイッチング回路7acは、上記実施の形態2に係る図4のスイッチング回路に比較して、駆動回路6aに代えて駆動回路6acを備えたことを特徴とする。駆動回路6acは、駆動回路6aに比較して、以下の点が異なる。
(1)オンディレイ回路18aとオフディレイ回路44aの直列回路が、信号生成回路14aとゲート駆動回路12aの間に挿入されて接続されたこと。
(2)信号駆動回路15aが削除されたこと。
(3)ゲート駆動回路13aのゲート信号の入力端子が、信号駆動回路14aの出力端子へ接続されたこと。
図11は、図7のオンディレイ回路18aの構成を示す回路図である。図11に示されるオンディレイ回路18aは従来のオンディレイ回路の一例である。オンディレイ回路18aは、入力端子T1と出力端子T2の間に並列に接続された抵抗26a及びダイオード25aと、出力端子T2とグランドの間に接続されたコンデンサ24aとを備えて構成される。ダイオード25aの順方向は、出力端子T2から入力端子T1へ向く方向である。入力端子T1にオン信号が入力されたときから所定の遅延時間の経過後にオン信号が出力端子から出力されるように、抵抗26aの抵抗値及びコンデンサ24aの静電容量は設定される。所定の遅延時間は、図3に示される時刻t1から時刻t3までの長さに一致するように、ゲート駆動回路12aに入力される電圧のオンしきい値等に基づいて設定されている。オンディレイ回路18aの入力端子にオフ信号が入力された場合、オンディレイ回路18aは、入力されたオフ信号を遅延させることなくそのまま出力端子から出力する。
図7において、スイッチング回路7acは、次のように動作する。時刻t1において従MOSFET3aが導通状態に制御された後、オフディレイ回路44aからのオフ信号が遅延されることにより、時刻t2において、主MOSFET1aと従MOSFET3aは同時に遮断状態に制御される。オンディレイ回路18aからのオン信号が遅延されて出力されることにより、時刻t3において主MOSFET1aが導通状態に制御される。スイッチング回路7acの主MOSFET1a及び従MOSFET3aは、上記実施の形態1の場合と同様に動作する。
以上のように構成された本実施の形態に係る構成によれば上記実施の形態1の効果を奏するのみならず、オンディレイ回路18を用いてデッドタイムTd1,Td2の長さを設定できるためスイッチング時間を短縮できる。よって、スイッチング時における電力の損失を低減でき、スイッチング回路7ac及びインバータ回路30の低損失化を実現できる。
さらに、デッドタイムTd1,Td2の長さは主MOSFET1又は従MOSFET3のデバイスの特性及びその特性のばらつきや変化に依存しない。例えば、デッドタイムTd1,Td2の長さは、動作中の主MOSFET1及び従MOSFET3の温度上昇に基づく特性の変化の影響を受けない。よって、スイッチング回路7ac及びインバータ回路30は安定して動作できる。さらに、デッドタイムTd1,Td2の長さを精密に、例えば短く設定してスイッチング回路7を高速動作させることが可能となる。
図14は、図7のスイッチング回路7acの変形例であるスイッチング回路7afの構成を示す回路図である。図14に示されるスイッチング回路7afは、図7に示されるスイッチング回路7acに比較して、オンディレイ回路18aとオフディレイ回路44aの直列回路の代わりに、オンオフディレイ回路48aが挿入され、接続された点が異なる。
図13は、図14のオンオフディレイ回路48aの構成を示す回路図である。図13に示されるオンオフディレイ回路48aは従来のオンオフディレイ回路の一例である。オンオフディレイ回路48aは、入力端子T1と出力端子T2の間に並列接続された抵抗26aとダイオード46aの直列回路及び抵抗45aとダイオード25aの直列回路と、出力端子T2とグランドの間に接続されたコンデンサ24aとを備えて構成される。ダイオード25aの順方向は、出力端子T2から入力端子T1へ向く方向である。ダイオード46aの順方向は、入力端子T1から出力端子T2へ向く方向である。入力端子T1にオン信号が入力されたときから所定の遅延時間の経過後にオン信号が出力端子から出力されるように、抵抗26aの抵抗値及びコンデンサ24aの静電容量は設定される。この所定の遅延時間は、図3に示される時刻t1から時刻t3までの長さに一致するように、設定されている。入力端子T1にオフ信号が入力されたときから所定の遅延時間の経過後にオフ信号が出力端子から出力されるように、抵抗45aの抵抗値及びコンデンサ24aの静電容量は設定される。この所定の遅延時間は、図3に示される時刻t1からt2までの長さに一致するように、設定されている。
オンオフディレイ回路48aは、オン信号の遅延の機能とオフ信号の遅延の機能の両方を備え、従って、本実施の形態の構成によっても、スイッチング回路7afの主MOSFET1aと従MOSFET3aは、図7の場合と同様に動作する。
実施の形態5.
図8は、本発明の実施の形態5に係るスイッチング回路7adの構成を示す回路図である。図8のスイッチング回路7adは、上記実施の形態4に係る図7のスイッチング回路7acに比較して、駆動回路6acに代えて駆動回路6adを備えたことを特徴とする。駆動回路6adは、駆動回路6acに比較して、次の点が異なる。
(1)図8のスイッチング回路7adと同様の構成を有する他のスイッチング回路7ddにおけるオンディレイ回路18dから出力されたゲート信号を入力するNOT論理回路19aをさらに備えたこと。他のスイッチング回路7ddは駆動回路6adと同様の構成を有する駆動回路6ddを備える。
(2)ゲート駆動回路13aの入力端子が、NOT論理回路19aの出力端子に接続されたこと。
従MOSFET13aには、(1)の他のスイッチング回路7ddの信号生成回路14dにより生成されたゲート信号が、オンディレイ回路18dを通過しそして反転された後に、印加される。したがって、2つの信号生成回路14a,14dが互いに反転しているゲート信号を出力する場合、信号生成回路14aからのオン信号が、オンディレイ回路18aによって遅延されるため、従MOSFET3aが導通状態に制御されているときに、主MOSFET1aが遮断状態から導通状態に切り替えられる。
図8のスイッチング回路7adと(2)の他のスイッチング回路7ddとを図1のスイッチング回路7a,7dとして用いてハーフブリッジ41が構成される。この場合、時刻t1において従MOSFET3aが導通状態に制御されてからデッドタイムTd2の経過の後、主MOSFET1aが遮断状態から導通状態に切り替えられる。ハーフブリッジ41と、ハーフブリッジ41と同様の構成を有するハーフブリッジ42,43を用いて構成されたインバータ回路30は、上記実施の形態1と同様に動作する。
以上のように構成された本実施の形態に係る構成によれば、上記実施の形態1と同様の効果を奏するのみならず、主MOSFET1及び従MOSFET3に対して、信号生成回路14とオンディレイ回路18が共に接続されるため、オンディレイ回路18aの機能を制御手段に組み込み、動作温度に依存しないデッドタイムが設定されたスイッチング回路7を実現できる。例えば高温下においてもスイッチング回路7及びインバータ回路30が安定して動作でき、デッドタイムTd1,Td2の長さをより精密に設定することで、スイッチング回路7を高速動作させることが可能となる。
実施の形態6.
図9は、本発明の実施の形態6に係るスイッチング回路7aeの構成を示す回路図である。図9のスイッチング回路7aeは、上記実施の形態4に係る図7のスイッチング回路7acに比較して、駆動回路6acに代えて駆動回路6aeを備えたことを特徴とする。駆動回路6aeは、駆動回路6acに比較して、ゲート駆動回路12a,13aの電源負極端子が、従MOSFET3aのドレイン端子Dに接続されている点が異なる。
この構成において、主MOSFET1aのソース端子Sの電位は、従ボディダイオード4aによって、従MOSFET3aのドレイン端子Dの電位にほぼ等しいか、これより低い。このため、従MOSFET3aのゲートードレイン間にゲート指令電圧がオン信号として印加されることで、従MOSFET3aを導通状態に制御できる。したがって、本実施の形態の構成によっても、スイッチング回路7aeの主MOSFET1aと従MOSFET3aは、実施の形態4の場合と同様に動作する。
よって、本実施の形態の構成によれば、スイッチング回路7aeの構成が簡単になる。
図10は、図9のスイッチング回路7aeを用いて構成されたインバータ回路30aの構成を示す回路図である。具体的には、図10のインバータ回路30aは、スイッチング回路7ae〜7feを備えて構成され、ここでスイッチング回路7ae〜7deは図9のスイッチング回路7ae同じ構成を有し、スイッチング回路7ee,7feは、図9のスイッチング回路7aeからゲート駆動用電源16aが削除された構成を有する。N側のスイッチング回路7ae〜7feにおいて、ゲート駆動回路12e〜12f,13e〜13fの電源正極極端子はゲート駆動用電源16aの正極側に接続されている。1つのゲート用電源16dが、3つのスイッチング回路7de〜7feによって共用される。よって、本実施の形態に係るスイッチング回路7aeを用いて構成されたインバータ回路30aの回路構成を単純にでき、小型化を実現できる。
なお、本実施の形態を上記各実施の形態に適用してもよい。
この他、本発明の実施の形態1〜6は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態の一部又は全部を互いに組み合わせることができる。
1,1a〜1f 主MOSFET、2,2a〜2f 主ボディダイオード、3,3a〜3f 従MOSFET、4,4a〜4f 従ボディダイオード、5,5a〜5f 外付けダイオード、6,6a〜6f,6aa〜6ae,6dd 駆動回路、7,7a〜7f,7aa〜7ae,7ae〜7fe,7dd スイッチング回路、8 負荷モータ、9 直流主電源、10a ゲート抵抗、11a ゲート抵抗、12a〜12f ゲート駆動回路、13a〜13f ゲート駆動回路、14a〜14f 信号生成回路、15a 信号生成回路、19a,19d NOT論理回路、21a ゲート抵抗、22a ショットキーダイオード、23a コンデンサ、18a〜18f オンディレイ回路、25a ダイオード、26a 抵抗、30、30a インバータ回路、41,42,43 ハーフブリッジ、44a,44d オフディレイ回路、45a 抵抗、46a ダイオード、47a コンデンサ、48a〜48f オンオフディレイ回路。

Claims (12)

  1. 遮断状態又は導通状態に制御するための第1の制御端子を有する第1のスイッチング素子と、遮断状態又は導通状態に制御するための第2の制御端子を有する第2のスイッチング素子とを、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子のそれぞれに寄生する第1の寄生ダイオード及び第2の寄生ダイオードの各導通方向が互いに逆方向を向くよう直列に接続してなる直列回路と、
    前記第1の寄生ダイオードの導通方向と同じ導通方向を有するように、前記直列回路に並列に接続された整流素子と、
    前記第2のスイッチング素子を導通状態に制御しているときに、前記第1のスイッチング素子を遮断状態から導通状態へ切り替えるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とするスイッチング回路。
  2. 前記制御手段は、前記整流素子に電流が流れるとき又はこれより前に、前記第2のスイッチング素子を導通状態に制御し、前記整流素子に前記電流が流れた後に前記第1のスイッチング素子を遮断状態から導通状態へ切り替えるよう制御することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング回路。
  3. 前記制御手段は、前記第1のスイッチング素子を遮断状態から導通状態に制御するとき又はこれより後に、前記第2のスイッチング素子を導通状態から遮断状態に切り替えるよう制御することを特徴とする請求項1又は2のいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  4. 前記第2のスイッチング素子のドレイン端子とソース端子の間の耐電圧は、前記第1のスイッチング素子のドレイン端子とソース端子の間の耐電圧よりも低いことを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  5. 前記制御手段は、
    ゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、
    前記ゲート信号のうちオフ信号を所定の遅延時間だけ遅延させるともに、オン信号をそのまま出力するオフディレイ回路と、
    前記オフディレイ回路からのゲート信号を増幅して出力するゲート駆動回路と、
    第1のゲート抵抗と、第2のゲート抵抗及び第1のダイオードの直列回路とを並列に接続してなる並列回路と、
    第3のゲート抵抗とを備え、
    前記ゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記並列回路を介して前記第1の制御端子に印加し、前記増幅されたゲート信号を前記第3のゲート抵抗を介して前記第2の制御端子に印加し、
    前記第1のダイオードは、その順方向が前記ゲート信号の印加方向とは逆方向となるように接続されたことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  6. 前記第1のゲート抵抗は、前記第2及び第3のゲート抵抗より大きい抵抗値を有することを特徴とする請求項5に記載のスイッチング回路。
  7. 前記制御手段は、前記第1の制御端子と、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の接続点との間に接続されたコンデンサをさらに備えたことを特徴とする請求項5又は6に記載のスイッチング回路。
  8. 前記制御手段は、
    ゲート信号をそれぞれ生成する第1及び第2のゲート信号生成回路と、
    前記各ゲート信号をそれぞれ増幅して出力する第1及び第2のゲート駆動回路と、
    第1及び第2のゲート抵抗とを備え、
    前記第1のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第1のゲート抵抗を介して前記第1の制御端子に印加し、
    前記第2のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第2のゲート抵抗を介して前記第2の制御端子に印加したことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  9. 前記制御手段は、
    オン信号及びオフ信号を含むゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、
    前記ゲート信号のうちオン信号及びオフ信号をそれぞれ所定の遅延時間だけ遅延させて出力するオンオフディレイ回路と、
    前記オンオフディレイ回路からのゲート信号を増幅して出力する第1のゲート駆動回路と、
    前記ゲート信号を増幅して出力する第2のゲート駆動回路と、
    第1及び第2のゲート抵抗とを備え、
    前記第1のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第1のゲート抵抗を介して前記第1の制御端子に印加し、
    前記第2のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第2のゲート抵抗を介して前記第2の制御端子に印加したことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  10. 前記制御手段は、
    オン信号及びオフ信号を含みかつ互いに反転関係を有するゲート信号をそれぞれ生成する第1及び第2のゲート信号生成回路と、
    前記第1のゲート信号生成回路からのゲート信号のうちのオン信号を所定の遅延時間だけ遅延させるともに、オフ信号をそのまま出力する第1のオンディレイ回路と、
    前記第1のオンディレイ回路からのゲート信号のうちのオフ信号を所定の遅延時間だけ遅延させるともに、オン信号をそのまま出力する第1のオフディレイ回路と、
    前記第2のゲート信号生成回路からのゲート信号のうちのオン信号を所定の遅延時間だけ遅延させるともに、オフ信号をそのまま出力する第2のオンディレイ回路と、
    前記第1のオフディレイ回路からのゲート信号を増幅して出力する第1のゲート駆動回路と、
    前記第2のオンディレイ回路からのゲート信号を増幅して出力する第2のゲート駆動回路と、
    第1及び第2のゲート抵抗とを備え、
    前記第1のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第1のゲート抵抗を介して前記第1の制御端子に印加し、
    前記第2のゲート駆動回路は前記増幅されたゲート信号を前記第2のゲート抵抗を介して前記第2の制御端子に印加したことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  11. 前記各ゲート駆動回路の電源負極端子は、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の接続点に接続された前記第2のスイッチング素子の一端とは異なる前記第2のスイッチング素子の他端に接続されたことを特徴とする請求項5から10までのいずれか一項に記載のスイッチング回路。
  12. 請求項1から11までのいずれか一項に記載のスイッチング回路を備えたインバータ回路。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017070179A (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 株式会社明電舎 インバータ装置の制御方法
US11695335B2 (en) * 2017-09-22 2023-07-04 Huawei Digital Power Technologies Co., Ltd. Hybrid boost converters

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002078351A (ja) * 2000-08-22 2002-03-15 Yaskawa Electric Corp インバータ保護装置
JP2010028962A (ja) * 2008-07-17 2010-02-04 Sanken Electric Co Ltd スイッチング電源装置、及びそのデッドタイム調整方法
JP2011041348A (ja) * 2009-08-06 2011-02-24 Toshiba Carrier Corp 電力変換装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002078351A (ja) * 2000-08-22 2002-03-15 Yaskawa Electric Corp インバータ保護装置
JP2010028962A (ja) * 2008-07-17 2010-02-04 Sanken Electric Co Ltd スイッチング電源装置、及びそのデッドタイム調整方法
JP2011041348A (ja) * 2009-08-06 2011-02-24 Toshiba Carrier Corp 電力変換装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017070179A (ja) * 2015-09-29 2017-04-06 株式会社明電舎 インバータ装置の制御方法
US11695335B2 (en) * 2017-09-22 2023-07-04 Huawei Digital Power Technologies Co., Ltd. Hybrid boost converters

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