JP2017046438A - Drive circuit of power semiconductor element, power conversion unit and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体素子の駆動回路、電力変換ユニットおよび電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor element drive circuit, a power conversion unit, and a power conversion apparatus.
電力変換装置として、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置や、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置がある。これらの電力変換装置では、パワー半導体素子のスイッチング動作によって電力変換を行う訳であるが、変換電力容量を増大させることを目的として、複数のパワー半導体素子を並列に接続し、これら複数のパワー半導体素子を同時にスイッチング駆動するようにしている。 As power converters, there are inverter devices that convert DC power into AC power, and converter devices that convert AC power into DC power. In these power conversion devices, power conversion is performed by a switching operation of the power semiconductor elements. For the purpose of increasing the conversion power capacity, a plurality of power semiconductor elements are connected in parallel, and the plurality of power semiconductors are connected. The elements are driven to be switched simultaneously.
このように複数のパワー半導体素子を並列に接続して駆動する場合、個々のパワー半導体素子には閾値電圧やオン電圧などの素子固有の特性のばらつきが存在するため、それらが導通する際にそれぞれのパワー半導体素子に流れる電流値がアンバランスしてしまう課題がある。この電流値のアンバランス(以下、電流アンバランスという。)を考慮して、従来は、パワー半導体素子を並列に接続する際に、各々の定格電流よりも小さい電流値で設計し、パワー半導体素子が異常な電圧や電流によって破壊されないようにする必要があった。それ故、パワー半導体素子の性能を最大限に発揮することができない。 When driving a plurality of power semiconductor elements connected in parallel as described above, individual power semiconductor elements have variations in characteristics inherent to the elements such as threshold voltage and on-voltage. There is a problem that the value of the current flowing through the power semiconductor element is unbalanced. In consideration of this current value imbalance (hereinafter referred to as current imbalance), conventionally, when power semiconductor elements are connected in parallel, the power semiconductor elements are designed with current values smaller than their rated currents. It was necessary to make sure that it was not destroyed by abnormal voltage or current. Therefore, the performance of the power semiconductor element cannot be maximized.
また、パワー半導体素子の選別を行い、同じような特性を持つパワー半導体素子同士を組み合わせることで、上記の課題を解決できるものの、特性を選別する際のコスト増加および並列数の制限が課題となる。これらの課題を解決する技術として、特許文献1に記載の電力変換装置が提案されている。
In addition, although the above-mentioned problems can be solved by selecting power semiconductor elements and combining power semiconductor elements having similar characteristics, the problem is an increase in cost and a limitation on the number of parallelism when selecting characteristics. . As a technique for solving these problems, a power conversion device described in
特許文献1には、「IGBTに対するゲート抵抗を変化させる複数の可変ゲート抵抗回路と、IGBTにそれぞれ流れる電流パルスの時間的なずれに応じて各可変ゲート抵抗回路を制御して、IGBTのターンオン・ターンオフ制御開始時における各ゲート抵抗を変化させる制御回路とを備える。」と記載されている。
特許文献1に記載の従来技術によれば、IGBTのターンオン・ターンオフ時、即ちスイッチング動作時に特定のIGBTに電流が集中することがなくなる。しかしながら、当該従来技術は、IGBTのスイッチング動作時の電流アンバランスについて改善する技術であり、定常動作時の電流アンバランスについては考慮されていない。したがって、パワー半導体素子の閾値電圧やオン電圧などの特性の個体差によって生じる電流アンバランスを確実に改善することはできない。
According to the prior art described in
本発明は、スイッチング動作時の電流アンバランスのみならず、定常動作時の電流アンバランスについても改善できるパワー半導体素子の駆動回路、当該駆動回路を搭載する電力変換ユニットおよび当該電力変換ユニットを備える電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention relates to a power semiconductor element drive circuit capable of improving not only current imbalance during switching operation but also current imbalance during steady operation, a power conversion unit equipped with the drive circuit, and power provided with the power conversion unit An object is to provide a conversion device.
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
並列に接続された複数のパワー半導体素子の各々に対応して設けられ、パワー半導体素子を駆動する駆動回路であって、
パワー半導体素子の特性情報を記憶する記憶部と、
記憶部に記憶されている特性情報に基づいて、パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
The present application includes a plurality of means for solving the above problems.
A drive circuit provided corresponding to each of a plurality of power semiconductor elements connected in parallel and driving the power semiconductor elements,
A storage unit for storing characteristic information of the power semiconductor element;
A gate drive control unit that controls the gate drive condition of the power semiconductor element based on the characteristic information stored in the storage unit;
It is characterized by providing.
本発明によれば、スイッチング動作時の電流アンバランスのみならず、定常動作時の電流アンバランスについても改善できるために、パワー半導体素子の閾値電圧やオン電圧などの特性の個体差によって生じる電流アンバランスを確実に改善できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
According to the present invention, since not only current imbalance during switching operation but also current imbalance during steady operation can be improved, current unbalance caused by individual differences in characteristics such as threshold voltage and on-voltage of power semiconductor elements can be improved. The balance can be improved reliably.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」と記述する)について図面を用いて詳細に説明する。本発明は実施形態に限定されるものではない。本明細書および図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付することとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment. In the present specification and drawings, the same components or components having substantially the same function are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
<電力変換装置>
電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ機能(インバータ装置)、あるいは、交流電力を直流電力に変換するコンバータ機能(コンバータ装置)を有する。この種の電力変換装置は、例えば、蓄電池などに蓄えられたエネルギーを使って、サーバなどの負荷に対して交流の電力を途切れることなく供給することを目的とした無停電電源装置(Uninterruptible Power System:UPS)に用いることができる。
<Power conversion device>
The power conversion device has an inverter function (inverter device) that converts DC power into AC power, or a converter function (converter device) that converts AC power into DC power. This type of power conversion device is, for example, an uninterruptible power system that aims to supply AC power to a load such as a server without interruption using energy stored in a storage battery. : UPS).
ただし、ここで例示した用途は一例であって、無停電電源装置への用途に限られるものではない。すなわち、無停電電源装置の他、産業機器向け電力変換装置、鉄道向け電力変換装置、エレベータ向け電力変換装置、自動車向け電力変換装置、家庭用電気製品向け電力変換装置など、種々の用途に用いることができる。 However, the use illustrated here is an example and is not limited to the use for an uninterruptible power supply. In other words, in addition to the uninterruptible power supply, it is used for various applications such as power converters for industrial equipment, power converters for railways, power converters for elevators, power converters for automobiles, and power converters for household electrical products. Can do.
[パワー半導体素子の駆動回路の基本的な構成]
先ず、電力変換装置における主回路のパワー半導体素子の駆動回路の基本的な構成について説明する。図1は、パワー半導体素子の駆動回路の基本的な構成を示すブロック図の例である。
[Basic configuration of power semiconductor element drive circuit]
First, the basic configuration of the drive circuit for the power semiconductor element of the main circuit in the power conversion device will be described. FIG. 1 is an example of a block diagram showing a basic configuration of a drive circuit for a power semiconductor element.
図1において、パワー半導体素子の駆動回路1は、上アームパワー半導体素子2を駆動する上アーム駆動回路4と、下アームパワー半導体素子3を駆動する下アーム駆動回路5と、上位制御回路部6と、を有する構成となっている。以下、パワー半導体素子の駆動回路1を単に駆動回路1と記述する場合もある。また、上アーム駆動回路4を単に駆動回路4と、下アーム駆動回路5を単に駆動回路5と記述する場合もある。パワー半導体素子2,3の各々には、ダイオード7,8が逆極性で並列に接続されている。
In FIG. 1, a power semiconductor
上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3は、高電圧の電源電圧をゲート電圧に応じてスイッチングするスイッチング素子であり、このスイッチング動作によって電力変換を行う。以下、上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3を単にパワー半導体素子2およびパワー半導体素子3と記述する場合もある。パワー半導体素子2,3としては、電圧駆動型の素子の一例である、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Bipolar Transistor:IGBT)などを用いることができる。
The upper arm
上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3は、電力変換装置における主回路であり、高電位側電源と低電位側電源との間に直列に接続されている。すなわち、上アームパワー半導体素子2のドレインが高電位側電源に接続され、下アームパワー半導体素子3のソースが低電位側電源に接続され、上アームパワー半導体素子2のソースと下アームパワー半導体素子3のドレインとが出力端子9に共通に接続されている。そして、出力端子9に導出される電圧(出力電圧)は不図示の負荷に供給される。
The upper arm
上アームパワー半導体素子2、下アームパワー半導体素子3およびダイオード7,8はモジュール化されている。以下、上アームパワー半導体素子2、下アームパワー半導体素子3およびダイオード7,8からなるモジュールをパワーモジュール10と呼ぶこととする。
The upper arm
上位制御回路部6は、上アーム駆動回路4および下アーム駆動回路5に対して、これらを制御するためのパルス列信号を供給する。パルス列信号は、例えば、一定の周波数で変化する搬送波を使用したパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)信号である。パルス列信号がPWM信号である場合、搬送波の周波数を高くすることにより、制御の精度を高めることができる。
The upper
[変換電力容量の増大化]
ところで、上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3をそれぞれ複数個ずつ並列接続し、これら複数のパワー半導体素子を同時にスイッチング駆動することにより、変換電力容量の増大を図ることができる。
[Increase in conversion power capacity]
By the way, a plurality of upper arm
図2は、パワー半導体素子の並列接続による変換電力容量の増大化のための回路構成の一例を示す回路図の例である。ここでは、上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3をそれぞれ2個ずつ並列接続した例を示している。本例では、2個並列接続を例に挙げたが、パワー半導体素子2,3の並列接続数は2個に限られるものではなく、並列接続数が多いほど変換電力容量の増大化の効果は大きくなる。
FIG. 2 is an example of a circuit diagram showing an example of a circuit configuration for increasing the conversion power capacity by parallel connection of power semiconductor elements. In this example, two upper arm
図2において、上アームパワー半導体素子2、下アームパワー半導体素子3およびダイオード7,8からなるパワーモジュール10(10-1,10-2)と、上アーム駆動回路4および下アーム駆動回路5とはユニット化されている。以下、このユニットを電力変換ユニット(パワーユニット)11と呼ぶこととする。本例の場合、電力変換ユニット11が2つであり、これら2つの電力変換ユニット11-1,11-2は互いに並列接続されて用いられることになる。
In FIG. 2, a power module 10 (10-1, 10-2) comprising an upper arm
より具体的には、電力変換ユニット11-1側の上アームパワー半導体素子2のドレインと、電力変換ユニット11-2側の上アームパワー半導体素子2のドレインとが高電位側電源端子12に共通に接続されている。また、電力変換ユニット11-1側の下アームパワー半導体素子3のソースと、電力変換ユニット11-2側の下アームパワー半導体素子3のソースとが低電位側電源端子13に共通に接続されている。そして、電力変換ユニット11-1側および電力変換ユニット11-2側の上アームパワー半導体素子2のソースと下アームパワー半導体素子3のドレインとが出力端子9に共通に接続されている。
More specifically, the drain of the upper arm
なお、本例では、電力変換ユニット11-1,11-2に、高電位側および低電位側の両方の上アームパワー半導体素子2および下アームパワー半導体素子3を搭載した2in1構成のパワーモジュール10-1,10-2を例示したが、これに限られるものではない。すなわち、2in1構成の他、片方のアームのパワー半導体素子を搭載した1in1構成のパワーモジュールであってもよい。
In this example, a
[電力変換ユニットおよび電力変換装置の構成]
次に、電力変換ユニットおよび電力変換装置の構成について説明する。図3は、電力変換ユニットおよび電力変換装置の構成の概略を示す斜視図の例である。ただし、図3に示す電力変換装置の構成は一例であり、この構成に限られるものではない。
[Configuration of power conversion unit and power conversion device]
Next, the configuration of the power conversion unit and the power conversion device will be described. FIG. 3 is an example of a perspective view showing an outline of the configuration of the power conversion unit and the power conversion device. However, the configuration of the power conversion device illustrated in FIG. 3 is an example, and is not limited to this configuration.
図3において、電力変換ユニット11(11-1,11-2)は、受熱ブロック14、平滑コンデンサ15、ヒートパイプ16、放熱フィン17、バスバー18、ヒューズ19n,19pなどの部品を一体化して構成された単位ユニットである。受熱ブロック14は、パワー半導体素子2,3を両側から挟むように設けられている。ヒートパイプ16は、受熱ブロック14に内蔵されている。放熱フィン17は、ヒートパイプ16の熱を逃がす作用をなす。バスバー18は、パワー半導体素子2,3と平滑コンデンサ15とを接続するための部材である。ヒューズ19n,19pは、バスバー18に接続されている。電力変換ユニット11にはさらに、制御基板20が取り付けられている。制御基板20には、パワー半導体素子2,3の駆動回路4,5が搭載されている。
In FIG. 3, the power conversion unit 11 (11-1, 11-2) is configured by integrating components such as a
電力変換装置30は、上記構成の電力変換ユニット11を複数個用いて、冷却風を排出するためのファンユニット31や、電力変換装置30の受動部品32などを組み合わせることによって構成されている。本例の場合、6個の電力変換ユニット11が、電力変換装置30の中間部に配置された構成となっている。6個の電力変換ユニット11は、例えば、インバータ3相分の3個の電力変換ユニットと、コンバータ3相分の3個の電力変換ユニットとからなる。ただし、電力変換装置30に配置される電力変換ユニット11の数は6個に限られるものではなく、その数は任意である。ファンユニット31は電力変換装置30の上部に配置され、受動部品32は電力変換装置30の下部に配置されている。
The
上記構成の電力変換装置30では、パワー半導体素子2,3およびダイオード7,8からなるパワーモジュール10と、上アーム駆動回路4および下アーム駆動回路5とがユニット化されているため、電力変換ユニット11の単位で交換や拡張が可能である。これにより、電力変換装置30のメンテナンス性を向上できる。
In the
ここで、電力変換装置30において、図2に示すように、変換電力容量を増大させることを目的として、パワー半導体素子2,3をそれぞれ複数並列に接続し、これら複数のパワー半導体素子2,3を同時にスイッチング駆動する場合を考える。この場合、個々のパワー半導体素子は閾値電圧やオン電圧などの素子固有の特性がばらつきを有するため、それらが導通する際にそれぞれのパワー半導体素子に流れる電流値がアンバランスしてしまう課題がある。
Here, in the
<本発明の実施形態>
そこで、本実施形態では、図1に示すパワー半導体素子の駆動回路1において、並列接続された複数のパワー半導体素子2,3を同時にスイッチング駆動する際に、ターンオン・ターンオフ時、即ちスイッチング動作時および定常動作時の電流アンバランスを改善する。ここで、「定常動作」とは、パワー半導体素子2,3のターンオン後からターンオフ前までの期間の動作、即ちパワー半導体素子2,3の導通時の動作である。
<Embodiment of the present invention>
Therefore, in the present embodiment, when the plurality of
本実施形態に係る駆動回路1は、並列接続された電力変換ユニット11-1,11-2に、複数のパワー半導体素子2,3に対応して設けられた上アーム駆動回路4および下アーム駆動回路5毎に、パワー半導体素子2,3の特性情報を記憶する記憶部51(図4参照)を有する。パワー半導体素子2,3の特性情報としては、例えば、電流変化開始時間、スイッチングスピード、閾値電圧やオン電圧などを例示することができる。そして、上アーム駆動回路4および下アーム駆動回路5は、記憶部51に記憶されているパワー半導体素子2,3の特性情報に基づいて、パワー半導体素子2,3のゲート駆動条件、具体的にはゲート電流もしくはゲート電圧を制御する。
The
このように、パワー半導体素子2,3の特性情報を記憶する記憶部51を駆動回路4,5毎に設け、この特性情報に基づいてパワー半導体素子2,3のゲート駆動条件(ゲート電流もしくはゲート電圧)を制御することにより、次のような作用、効果を得ることができる。すなわち、パワー半導体素子2,3のスイッチング動作時の電流アンバランスのみならず、定常動作時の電流アンバランスについても改善できるために、パワー半導体素子2,3の閾値電圧やオン電圧などの特性の個体差によって生じる電流アンバランスを確実に改善できる。
As described above, the
また、駆動回路4,5毎に記憶部51を備えていることで、電力変換ユニット11をユニット単位で交換した際に、交換後の電力変換ユニット11の記憶部51には、当該電力変換ユニット11に搭載されているパワー半導体素子の特性情報が記憶されていることになる。したがって、電力変換ユニット11を交換したとしても、その都度記憶部51の特性情報を書き換える必要がない。因みに、複数の電力変換ユニット11に対して記憶部51を共通に設ける構成を採った場合には、電力変換ユニット11を交換する度に記憶部51の記憶内容を、交換後の電力変換ユニット11のパワー半導体素子に対応した特性情報に書き換える必要がある。
Further, since the
以下に、本実施形態に係るパワー半導体素子の駆動回路1の具体的な実施例について説明する。
Specific examples of the power semiconductor
[実施例1]
図4は、実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1の構成を示すブロック図の例である。以下では、電力変換ユニット11-1,11-2の下アーム駆動回路5の具体的な構成について説明するが、上アーム駆動回路4も同じ構成となっている。下アーム駆動回路5(以下、単に「駆動回路5」と記述する)は、記憶部(記憶装置)51、インタフェース(I/F)回路部52、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55を備えている。
[Example 1]
FIG. 4 is an example of a block diagram illustrating the configuration of the
記憶部51は、下アームパワー半導体素子3の特性情報を記憶している。記憶部51に記憶する情報としては、例えばパワー半導体素子3の出荷検査時に取得した各パワー半導体素子の特性マップの情報であることが好ましい。図5は、記憶部51に記憶するパワー半導体素子の特性マップの情報の一例を示す特性マップ図の例である。
The
図5Aに、電力変換ユニット11-1側の下アームパワー半導体素子3のオン電圧とスイッチングスピード(SW速度)との関係を示す特性マップと、オン電圧と遅延時間との関係を示す特性マップとを示している。また、図5Bに、電力変換ユニット11-2側の下アームパワー半導体素子3のオン電圧とスイッチングスピード(SW速度)との関係を示す特性マップと、オン電圧と遅延時間との関係を示す特性マップとを示している。図5Aおよび図5Bに示した特性マップは一例であり、これに限られるものではない。
FIG. 5A shows a characteristic map showing the relationship between the on-voltage and switching speed (SW speed) of the lower arm
インタフェース回路部52は、上位制御回路部6から供給される情報を、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に伝達する。遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55は、記憶部51に記憶されている特性情報に基づく、上位制御回路部6による制御の下に、パワー半導体素子3のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部を構成している。
The
具体的には、遅延回路部53は、パワー半導体素子3のスイッチング動作時の電流の立ち上がりもしくは立ち下がりタイミングの遅延ばらつきΔtonを調整する。ゲート電圧傾き可変回路部54は、パワー半導体素子3のスイッチング動作時の電流の傾きdi/dtのばらつきを調整するためにゲート電圧の傾きdVge/dtを変化させる。ゲート電圧可変回路部55は、パワー半導体素子3の定常動作時(導通時)の電流を調整するためにゲート(ゲート−エミッタ間)電圧Δ|Vge|を変化させる。図6は、パワー半導体素子3のスイッチング動作時の電流の立ち上がりもしくは立ち下がりタイミングの遅延ばらつきΔton、ゲート電圧の傾きdVge/dtおよびゲート電圧Δ|Vge|を示す波形図の例である。
Specifically, the
上記構成の実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1において、上位制御回路部6は、パワー半導体素子3の特性情報である特性マップの情報(図5A参照)を記憶部51から読み出す。そして、上位制御回路部6は、これら読み出した情報を基に、並列接続されているパワー半導体素子3間の差分情報を算出し、制御信号としてインタフェース回路部52を介して遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に供給する。
In the power semiconductor
遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55は、上位制御回路部6から供給される制御信号を基に、パワー半導体素子3のゲート駆動条件を制御する。この場合、パワー半導体素子3の駆動信号として、入力端子21から入力される信号が同一であっても,電力変換ユニット11-1,11-2のそれぞれに搭載されたパワー半導体素子3には異なるゲート電圧波形が印加される。
The
一方、詳細な内部構成は図示していないが、電力変換ユニット11-1,11-2にそれぞれ搭載されたパワーモジュール10-1,10-2の高電位側の上アームパワー半導体素子2には同様な構成の駆動回路4がそれぞれ接続されている。また、高電位側における駆動回路4に搭載された記憶部(図4の記憶部51に相当)には、上アームパワー半導体素子2に対応した特性マップ情報が記録されている。そして、上アームパワー半導体素子2を駆動する際には、上位制御回路部6は、下アームパワー半導体素子3を駆動する場合と同様に、並列接続されているパワー半導体素子2間の差分情報を算出し,その差分情報に基づいて駆動回路4を制御する。
On the other hand, although the detailed internal configuration is not shown, the upper arm
次に、実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1の作用、効果について、図7を参照して説明する。図7は、実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1の効果を説明する波形図の例である。図7Aは、特性ばらつきを有する並列接続されたパワー半導体素子を従来の駆動回路で制御した場合の駆動波形の例である。図7Bは、実施例1に係る駆動回路1で制御した場合の駆動波形の例である。
Next, the operation and effect of the power semiconductor
特性ばらつきを有する並列接続されたパワー半導体素子を従来の駆動回路で駆動した場合、図7Aに示すように、ゲート駆動波形は一致しているが、それぞれのパワー半導体素子に流れる電流I1,I2がアンバランスとなっている。まず、互いのタイミング遅延ばらつきにより、電流の変化開始時間に差分Δtonが生じる場合がある。また、電流のスイッチングスピードに差分Δdi/dtが生じる場合がある。さらに、閾値電圧やオン電圧などの特性ばらつきにより、定常動作時に電流に差分ΔIが発生する場合がある。 When power semiconductor elements connected in parallel having characteristic variations are driven by a conventional drive circuit, as shown in FIG. 7A, the gate drive waveforms match, but the currents I1 and I2 flowing through the power semiconductor elements are the same. It is unbalanced. First, a difference Δton may occur in the current change start time due to mutual timing delay variation. Further, a difference Δdi / dt may occur in the current switching speed. Furthermore, a difference ΔI may occur in the current during steady operation due to variations in characteristics such as threshold voltage and on-voltage.
実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1が備える記憶部(記録装置)51に記録された特性マップの情報として、例えば電流変化開始時間、スイッチングスピード、閾値電圧やオン電圧などがある。上位制御回路部6は、記憶部51に記憶されている特性マップの情報から、差分情報であるΔton,Δdi/dt,ΔIを算出し、当該差分をキャンセルするように遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に対して制御信号を出力する。
Examples of information on the characteristic map recorded in the storage unit (recording device) 51 included in the power semiconductor
すると、遅延回路部53がスイッチング動作時の電流の立ち上がりもしくは立ち下がりタイミングの遅延ばらつきΔtonを調整する。また、ゲート電圧傾き可変回路部54がゲート電圧の傾きdVge/dtを変化させ、ゲート電圧可変回路部55がゲート電圧Δ|Vge|を変化させる。その結果、図7Bに示すように、異なるゲート駆動波形が出力されるため、スイッチング動作時および定常動作時のパワー半導体素子の出力電流のアンバランスが低減される。
Then, the
なお、本実施例では、パワー半導体素子が2並列の場合を例に挙げて説明したが、パワー半導体素子の並列数をn個(nは3以上の整数)に増やした場合でも、本実施形態に係る駆動回路1は適用可能である。パワー半導体素子の並列数がn個の場合、上位制御回路部6では、差分情報を計算するに当たり、例えばn番目のパワー半導体素子の特性マップの情報を基準情報として、残りの1番目から(n−1)番目のパワー半導体素子の特性マップの情報に対して差分を計算する制御が考えられる。
In the present embodiment, the case where the power semiconductor elements are arranged in parallel is described as an example. However, even when the number of parallel power semiconductor elements is increased to n (n is an integer of 3 or more), the present embodiment The
[実施例2]
実施例2は、実施例1の変形例である。図8は、実施例2に係るパワー半導体素子の駆動回路1の構成を示すブロック図の例である。図8に示すように、実施例2に係るパワー半導体素子の駆動回路1は、実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1の構成要素に加えて、電流センサ61-1,61-2および電流算出部62-1,62-2を備える構成となっている。
[Example 2]
The second embodiment is a modification of the first embodiment. FIG. 8 is an example of a block diagram illustrating the configuration of the power semiconductor
電流センサ61-1,61-2は、パワー半導体素子2,3に流れる電流に応じた情報を検出する。電流算出部62-1,62-2は、電流センサ61-1,61-2の検出出力(検出情報)に基づいてパワー半導体素子2,3に実際に流れる電流を算出する。本例では、電流センサ61-1,61-2と電流算出部62-1,62-2とを別の構成要素として図示しているが、一体構成とすることも可能である。ここで、電流センサ61-1,61-2と電流算出部62-1,62-2とは、パワー半導体素子2,3に流れる電流を検出する複数の電流検出部を構成している。
The current sensors 61-1 and 61-2 detect information corresponding to the current flowing through the
本実施例では、電流センサ61-1,61-2および電流算出部62-1,62-2による検出結果を上位制御回路部6にフィードバックする。上位制御回路部6は、例えばCPU(Central Processing Unit)によって構成され、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に対して、記憶部51に記憶されている特性情報に基づく制御の他、フィードバック情報に基づく制御を実行する。
In this embodiment, the detection results of the current sensors 61-1 and 61-2 and the current calculation units 62-1 and 62-2 are fed back to the upper
実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1では、記憶部51に記憶される特性情報は、出荷検査時に取得した特性マップの情報であった。この出荷検査時に取得した特性マップの情報に基づく遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55の制御でも電流アンバランスの低減効果を充分に得ることができる。
In the power semiconductor
ただし、電力変換ユニット11-1,11-2をヒートランさせた状態では、電力変換ユニット11-1,11-2間で温度差が生じたり、ヒートサイクルにより実装系の劣化が生じたりする場合には、出荷検査時の特性マップの情報に比べて実特性が変化する。このような場合などでは、電流アンバランスの劣化が考えられる。 However, when the power conversion units 11-1 and 11-2 are in a heat run state, a temperature difference occurs between the power conversion units 11-1 and 11-2, or a mounting system is deteriorated due to a heat cycle. Compared with the information of the characteristic map at the time of shipping inspection, the actual characteristic changes. In such a case, the current imbalance may be deteriorated.
これに対して、実施例2に係るパワー半導体素子の駆動回路1では、パワー半導体素子2,3に実際に流れる電流の検出結果に基づく、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55のフィードバック制御を行うようにしている。したがって、実施例2に係るパワー半導体素子の駆動回路1によるフィードバック制御よれば、電力変換ユニット11-1,11-2のヒートサイクル後に生じる電流アンバランスの劣化に対しても電流アンバランスの低減効果を得ることができる。
On the other hand, in the power semiconductor
(電流センサ)
ここで、電流センサ61(61-1,61-2)について図9を用いて説明する。図9は、電流センサ61の一例を示す構成図の例である。ここでは、電流センサ61として、磁界の検出にコアに使用しないコアレス電流センサ、具体的にはロゴスキコイルを用いるセンサを例示する。ただし、電流センサ61としては、ロゴスキコイルを用いるセンサに限られるものではない。
(Current sensor)
Here, the current sensor 61 (61-1, 61-2) will be described with reference to FIG. FIG. 9 is an example of a configuration diagram illustrating an example of the
図9に示すように、ロゴスキコイルを用いる電流センサ61は、一次導体611の周辺に空芯のコイル612を配した構成となっている。この電流センサ61では、一次導体611に流れる電流に対応した電圧がコイル612の両端に誘起する。この電圧(誘起起電力)としては、一次導体611に流れる電流の微分波形として端子613a,613b間に導出される。
As shown in FIG. 9, the
図9に示す電流算出部62(62-1,62-2)は、端子613a,613b間に導出される微分波形の電圧を、パワー半導体素子2,3に流れる電流に応じた情報として取り込み、この電圧に基づいてパワー半導体素子2,3に実際に流れる電流を算出することになる。一例として、電流算出部62は、積分回路621と実効値回路622とからなり、微分波形の電圧を積分することによってパワー半導体素子2,3に流れる電流を再現し、パワー半導体素子2,3に実際に流れる電流を算出する。
The current calculation unit 62 (62-1, 62-2) shown in FIG. 9 takes in the voltage of the differential waveform derived between the
(フィードバック制御)
続いて、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に対する、パワー半導体素子2,3に流れる電流の検出結果に基づく、上位制御回路部6のフィードバック制御について具体的に説明する。なお、本例では、フィードバック制御は、上位制御回路部6を構成するCPUによる制御の下に実行されるものとする。
(Feedback control)
Subsequently, the feedback control of the upper
図10は、遅延回路部53に対するフィードバック制御の処理手順の一例を示すフローチャートの例である。
FIG. 10 is an example of a flowchart illustrating an example of a processing procedure of feedback control for the
CPUは、電流算出部62-1,62-2の出力、即ちパワー半導体素子2,3の検出電流を取り込み、電流の立ち上がり遅れ時間Δtonを求め(ステップS11)、次いで電流の立ち上がり遅れ時間Δtonが所定値以下か否かを判断する(ステップS12)。そして、CPUは、電流の立ち上がり遅れ時間Δtonが所定値以下であれば(S12のYES)、ゲート駆動条件を現行のままとし、本フィードバック制御の処理を終了する。一方、電流の立ち上がり遅れ時間Δtonが所定値以下でなければ(S12のNO)、CPUは、遅延時間調整量を演算し(ステップS13)、次いで遅延回路部53を制御することによって電流の立ち上がり遅れ時間Δtonを調整する(ステップS14)。
The CPU takes in the outputs of the current calculation units 62-1 and 62-2, that is, the detected currents of the
図11は、ゲート電圧傾き可変回路部54に対するフィードバック制御の処理手順の一例を示すフローチャートの例である。
FIG. 11 is an example of a flowchart illustrating an example of a processing procedure of feedback control for the gate voltage gradient
CPUは、電流算出部62-1,62-2の出力、即ちパワー半導体素子2,3の検出電流を取り込み、電流の傾きdi/dtを求め(ステップS21)、次いで電流の傾きdi/dtが所定値以内か否かを判断する(ステップS22)。そして、CPUは、電流の傾きdi/dtが所定値以内であれば(S22のYES)、ゲート駆動条件を現行のままとし、本フィードバック制御の処理を終了する。一方、電流の傾きdi/dtが所定値以内でなければ(S22のNO)、CPUは、ゲート電圧傾き調整量を演算し(ステップS23)、次いでゲート電圧傾き可変回路部54を制御することによって電流の傾きdi/dtを調整する(ステップS24)。
The CPU takes in the outputs of the current calculation units 62-1 and 62-2, that is, the detected currents of the
図12は、ゲート電圧可変回路部55に対するフィードバック制御の処理手順の一例を示すフローチャートの例である。
FIG. 12 is an example of a flowchart illustrating an example of a processing procedure of feedback control for the gate voltage
CPUは、電流算出部62-1,62-2の出力、即ちパワー半導体素子2,3の検出電流を取り込み、定常動作時の電流(定常電流)を求め(ステップS31)、次いで定常電流が所定範囲内か否かを判断する(ステップS32)。そして、CPUは、定常電流が所定範囲内であれば(S32のYES)、ゲート駆動条件を現行のままとし、本フィードバック制御の処理を終了する。一方、定常電流が所定範囲内でなければ(S32のNO)、CPUは、ゲート電圧調整量を演算し(ステップS33)、次いでゲート電圧可変回路部55を制御することによってゲート電圧を調整する(ステップS34)。
The CPU takes in the outputs of the current calculation units 62-1 and 62-2, that is, the detected currents of the
上述したフィードバック制御において、上位制御回路部6(具体的には、CPU)は、所定の条件の下に、電流センサ61-1,61-2および電流算出部62-1,62-2が検出した電流に基づいて、記憶部51にあらかじめ記憶されている特性情報を更新するようにしてもよい。所定の条件としては、例えば、出荷検査時の特性マップの情報に基づいて制御した際の電流アンバランスが、電流センサ61-1,61-2および電流算出部62-1,62-2により検出された電流アンバランスによりも悪化したと上位制御回路部6が判断した場合である。
In the feedback control described above, the upper control circuit unit 6 (specifically, the CPU) is detected by the current sensors 61-1 and 61-2 and the current calculation units 62-1 and 62-2 under a predetermined condition. The characteristic information stored in advance in the
この場合、遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55に対して、上位制御回路部6により出力された新しい制御情報の元となる特性データを記憶部51に再記憶(更新)するようにする。この更新処理を行うことにより、上位制御回路部6からの制御情報は、実際の電流アンバランスに対応した情報となる。その結果、常に電流アンバランスが改善されるように遅延回路部53、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55の制御を行うことができる。
In this case, for the
[実施例3]
実施例3は、実施例1に係るパワー半導体素子の駆動回路1におけるゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55の具体例である。
[Example 3]
The third embodiment is a specific example of the gate voltage gradient
図13は、ゲート電圧傾き可変回路部54の具体的な回路構成の一例を示す回路図の例である。図13に示すように、ゲート電圧傾き可変回路部54は、プリドライバ71と、可変抵抗制御部72と、バッファ部73と、可変抵抗部74と、を備えている。なお、図4や図8に示すように、ゲート電圧傾き可変回路部54の前段には遅延回路部53が、後段にはゲート電圧可変回路部55がそれぞれ配される訳であるが、図13ではこれらの図示を省略してある。
FIG. 13 is an example of a circuit diagram illustrating an example of a specific circuit configuration of the gate voltage gradient
入力端子75には、パワー半導体素子3を駆動する信号が遅延回路部53を介して入力される。この信号は、プリドライバ71を介してバッファ部73に伝達される。バッファ部73を経た信号は、可変抵抗部74を介してパワー半導体素子3のゲート入力となる。入力端子76には、上位制御回路部6から送られてくるスイッチングスピード制御信号が入力される。スイッチングスピード制御信号は、可変抵抗部74の抵抗値を制御することにより、パワー半導体素子3のゲート入力電流(ゲート注入電流)の値を変える。
A signal for driving the
一般的に、パワー半導体素子3のゲート寄生容量は一定であるため、パワー半導体素子3のスイッチング時のゲート注入電流の値を変えることにより、ゲート電圧の傾きを変化させることができる。
In general, since the gate parasitic capacitance of the
図14は、ゲート電圧可変回路部55の具体的な回路構成の一例を示す回路図の例である。図14に示すように、ゲート電圧可変回路部55は、ゲート電源81と、スイッチ制御部82と、抵抗素子83と、ツェナー電圧が異なる例えば3個のツェナーダイオード(定電圧ダイオード)84-1,84-2,84-3と、3個のスイッチ85-1,85-2,85-3と、を備えている。
FIG. 14 is an example of a circuit diagram illustrating an example of a specific circuit configuration of the gate voltage
ゲート電源81には、電源端子86,87を介して電源電圧が入力される。スイッチ制御部82には、上位制御回路部6から送られてくるオン電圧制御信号が入力端子88を介して入力される。スイッチ制御部82は、オン電圧制御信号に応じて、スイッチ85-1,85-2,85-3をオン(閉)/オフ(開)制御し、ツェナー電圧が異なるツェナーダイオード84-1,84-2,84-3の接続の有無を切り替える。
A power supply voltage is input to the
ここで、ゲート電源81の出力電圧をVout、ツェナーダイオード84-1,84-2,84-3の両端電圧(ツェナー電圧)をVZDとすると、抵抗素子83の両端にかかる電圧Vrは次式(1)で表すことができる。
Vr=Vout−VZD ・・・・・・(1)
Here, if the output voltage of the
V r = V out −V ZD (1)
スイッチ85-1,85-2,85-3を切り替えることで、ツェナー電圧VZDの異なるツェナーダイオード84-1,84-2,84-3の接続が切り替わることになるので、ツェナー電圧VZDが変化することによって抵抗素子83の両端にかかる電圧Vrを変えることができる。
By switching the switch 85-1,85-2,85-3, it means that the connection of the Zener diode 84-1,84-2,84-3 having different Zener voltage V ZD is switched, the Zener voltage V ZD is By changing, the voltage V r applied to both ends of the
図14に示したように、正バイアス電源と負バイアス電源との間の電圧は、ゲート電源81の出力電圧Voutである。また、正バイアス電源と基準電位との間の電圧は、抵抗素子83の両端にかかる電圧Vrである。一方、図13に示すように、パワー半導体素子3のゲートに印加される電圧は、正バイアス電源と基準電位との間の端子間電圧Vrに等しくなるので、ツェナー電圧VZDを変化させれば、パワー半導体素子3のゲート印加電圧を変えることが可能である。
As shown in FIG. 14, the voltage between the positive bias power source and the negative bias power source is the output voltage V out of the
一般的には、パワー半導体素子3のゲート印加電圧を変化させることにより、オン電圧と電流の特性が変化するため、定常電流を変化させることができる。したがって、記憶部51に記憶される特性情報に基づいてパワー半導体素子3のゲート電圧を制御することにより、定常動作時の電流アンバランスを改善することができる。
Generally, changing the gate applied voltage of the
実施例3では、ゲート電圧傾き可変回路部54およびゲート電圧可変回路部55の具体例について説明したが、遅延回路部53での遅延制御については、上位制御回路部6によるデジタル制御による遅延など、周知の技術を適用することができる。
In the third embodiment, specific examples of the gate voltage gradient
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations. Further, a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
1…パワー半導体素子の駆動回路、 2…上アームパワー半導体素子、 3…下アームパワー半導体素子、 4…上アーム駆動回路4、 5…下アーム駆動回路、 6…上位制御回路部、 10(10-1,10-2)…パワーモジュール、 11(11-1,11-2)…電力変換ユニット、 20…制御基板、 30…電力変換装置、 51…記憶部(記憶装置)、 53…遅延回路部、 54…ゲート電圧傾き可変回路部、 55…ゲート電圧可変回路部、 61(61-1,61-2)…電流センサ、 62(62-1,62-2)…電流算出部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記パワー半導体素子の特性情報を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記特性情報に基づいて、前記パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部と、
を備えることを特徴とするパワー半導体素子の駆動回路。 A drive circuit provided corresponding to each of a plurality of power semiconductor elements connected in parallel and driving the power semiconductor elements,
A storage unit for storing characteristic information of the power semiconductor element;
A gate drive control unit that controls a gate drive condition of the power semiconductor element based on the characteristic information stored in the storage unit;
A drive circuit for a power semiconductor element, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体素子の駆動回路。 The power semiconductor element drive circuit according to claim 1, wherein the gate drive control unit controls a gate voltage of the power semiconductor element based on the characteristic information stored in the storage unit.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパワー半導体素子の駆動回路。 A delay control unit configured to control a delay time between an input signal input as a drive signal of the power semiconductor element and an output signal based on the input signal based on the characteristic information stored in the storage unit; The drive circuit of the power semiconductor element according to claim 1, wherein the drive circuit is provided.
前記駆動回路を制御する上位制御回路部を備えており、
前記駆動回路は、
前記パワー半導体素子の特性情報を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記特性情報に基づいて、前記パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部と、を備えており、
前記上位制御回路部は、前記記憶部に記憶されている前記特性情報に基づいて、前記ゲート駆動制御部を制御することによって前記パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御する
ことを特徴とする電力変換ユニット。 A power conversion unit equipped with a power semiconductor element and a drive circuit for driving the power semiconductor element and used in parallel connection,
An upper control circuit unit for controlling the drive circuit;
The drive circuit is
A storage unit for storing characteristic information of the power semiconductor element;
A gate drive control unit that controls a gate drive condition of the power semiconductor element based on the characteristic information stored in the storage unit, and
The upper control circuit unit controls the gate drive condition of the power semiconductor element by controlling the gate drive control unit based on the characteristic information stored in the storage unit. unit.
前記上位制御回路部は、前記記憶部に記憶されている前記特性情報に基づいて、前記遅延制御部を制御することによって前記遅延時間を変える
ことを特徴とする請求項4に記載の電力変換ユニット。 The drive circuit controls a delay time between an input signal input as a drive signal for the power semiconductor element and an output signal based on the input signal based on the characteristic information stored in the storage unit. A delay control unit,
5. The power conversion unit according to claim 4, wherein the upper control circuit unit changes the delay time by controlling the delay control unit based on the characteristic information stored in the storage unit. .
並列接続された複数の前記電力変換ユニットのパワー半導体素子の各々に流れる電流を検出する複数の電流検出部と、
前記駆動回路を制御する上位制御回路部と、を備えており、
前記駆動回路は、
前記パワー半導体素子の特性情報を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶されている前記特性情報に基づいて、前記パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御するゲート駆動制御部と、を備えており、
前記上位制御回路部は、前記記憶部に記憶されている前記特性情報および前記複数の電流検出部が検出した電流の差分に基づいて、前記ゲート駆動制御部を制御することによって前記パワー半導体素子のゲート駆動条件を制御する
ことを特徴とする電力変換装置。 A power semiconductor element and a drive circuit for driving the power semiconductor element are mounted, and a plurality of power conversion units used connected in parallel;
A plurality of current detection units for detecting a current flowing in each of the power semiconductor elements of the plurality of power conversion units connected in parallel;
An upper control circuit unit for controlling the drive circuit,
The drive circuit is
A storage unit for storing characteristic information of the power semiconductor element;
A gate drive control unit that controls a gate drive condition of the power semiconductor element based on the characteristic information stored in the storage unit, and
The upper control circuit unit controls the gate drive control unit based on the characteristic information stored in the storage unit and a difference between currents detected by the plurality of current detection units, thereby controlling the power semiconductor element. A power converter that controls gate driving conditions.
ことを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein the upper control circuit unit updates the characteristic information stored in the storage unit based on currents detected by the plurality of current detection units.
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