JP2019004656A - 双方向スイッチ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの特性を考慮に入れて、損失の低減、劣化防止を可能にした双方向スイッチ及びその駆動方法を提供する。【解決手段】一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン・オフにより一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチにおいて、第１，第２のＭＯＳＦＥＴ２１，２２を互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路２０と、第１，第２のＩＧＢＴ３１，３２を互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路３０と、ＩＧＢＴ３１，３２にそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオード３１Ｄ，３２Ｄと、を備え、ＭＯＳＦＥＴ直列回路２０とＩＧＢＴ直列回路２０とに電流が分流するようにこれらの直列回路２０，３０を並列に接続して並列回路を構成し、その両端を一対の交流端子７１，７２として双方向スイッチＳＷを構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴにより構成される双方向スイッチ及びその駆動方法に関するものである。

この種の双方向スイッチを用いた電力変換装置として、特許文献１に記載された交流電力調整装置が知られている。
図５は、この交流電力調整装置を示す回路図である。図５において、１０は交流電源、Ｓ１，Ｓ２は交流電源１０の両端に互いに直列接続された双方向スイッチ、４１はリアクトル、４２はコンデンサ、５０は負荷、６０は双方向スイッチＳ１，Ｓ２の電圧及び電流が入力されてこれらをオン・オフ制御するための制御部である。

双方向スイッチＳ１，Ｓ２の構成は同一であるため、一方の双方向スイッチＳ１についてその構成を説明する。
すなわち、交流電源１０の一端に接続された交流端子７１と、リアクトル４１の一端に接続された交流端子７２との間には、ＭＯＳＦＥＴ２１とＩＧＢＴ３１との逆並列回路と、ＭＯＳＦＥＴ２２とＩＧＢＴ３２との逆並列回路とが直列に接続されている。なお、２１Ｄ，２２ＤはＭＯＳＦＥＴ２１，２２に内在する寄生ダイオード、２３はＭＯＳＦＥＴ２１，２２のソースとＩＧＢＴ３１，３２のエミッタとを結ぶ接続線である。

この交流電力調整装置では、制御部６０により双方向スイッチＳ１，Ｓ２内の所定のＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴをスイッチングし、更にＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに電流を流すことで負荷５０に供給する交流電圧を調整している。

ここで、例えばＳｉ（シリコン）製のＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴの両端電圧（ドレイン−ソース間電圧Ｖ_ｄｓ，コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥ）と電流との間には、一般に図６に示すような関係があり、ＭＯＳＦＥＴでは小電流時のオン電圧がＩＧＢＴより小さく、大電流時のオン電圧がＩＧＢＴより大きくなる。
そこで、図５の交流電力調整装置においては、双方向スイッチを流れる電流が例えば図６の設定値Ｉ_１未満である時にはＭＯＳＦＥＴにより、設定値Ｉ_１以上である時にはＩＧＢＴにより、それぞれスイッチングを行っている。すなわち、常にオン電圧の小さい方のスイッチング素子を使用することによって導通損失の低減を可能にしている。

一方、特許文献２には、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは逆回復性能が悪く、この寄生ダイオードに逆回復電流が流れると損失が増大することが記載されている。
また、特許文献３には、ＳｉＣ（炭化ケイ素）製のＭＯＳＦＥＴに内在する寄生ダイオードが還流ダイオードとして動作するモードでは、寄生ダイオードのオン電圧が上昇して電力損失が増大していき、ＭＯＳＦＥＴが次第に劣化していくことが記載されている。

特開２００９−８１９６９号公報（段落［００１３］、図１，図４等） 特開２０１０−１７８５０１号公報（段落［０００５］等） 特開２０１６−７１２０号公報（段落［０００７］等）

前述したように、図５に示した従来技術によれば、ＭＯＳＦＥＴとＩＧＢＴとを使い分けることで導通損失を低減することができる。
しかしながら、特許文献２，３に指摘されているように、ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードには特有の問題があるため、損失の低減や素子の劣化防止の観点から双方向スイッチの更なる改善が望まれていた。

そこで、本発明の解決課題は、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードによる逆回復やＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードへの通流を回避して、損失の一層の低減並びに素子の劣化防止を可能にした双方向スイッチ及びその駆動方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る双方向スイッチは、一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチにおいて、
第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、
第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、
前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、
を備え、
前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としたことを特徴とする。

また、請求項４に係る双方向スイッチの駆動方法は、一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチであって、第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、を備え、前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としてなる双方向スイッチを駆動するための駆動方法において、
前記一対の交流端子のうちの一方の交流端子から前記双方向スイッチを介して他方の交流端子に流れている電流を遮断する際に、前記第１，第２のＭＯＳＦＥＴ及び前記第１，第２のＩＧＢＴがオンしている状態で、前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＭＯＳＦＥＴをオフし、次に前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＭＯＳＦＥＴをオフし、その後に前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＩＧＢＴをオフすることを特徴とする。

更に、請求項５に係る双方向スイッチの駆動方法は、一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチであって、第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、を備え、前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としてなる双方向スイッチを駆動するための駆動方法において、
前記一対の交流端子のうちの一方の交流端子から前記双方向スイッチを介して他方の交流端子に電流を流す際に、前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＩＧＢＴがオンしている状態で、前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＩＧＢＴをオンし、次に前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＭＯＳＦＥＴをオンし、その後に一方の交流端子に接続されている前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンすることを特徴とする。

なお、請求項２，６に記載するように、前記第１，第２のダイオードはショットキーバリアダイオードであることが望ましく、また、請求項３，７に記載するように、前記第１，第２のＭＯＳＦＥＴはＳｉＣ半導体を含むＭＯＳＦＥＴであることが望ましい。

本発明によれば、双方向スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードによる逆回復を回避すると共に、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に寄生ダイオードへ電流を流さないことにより、損失の低減及び素子の劣化防止を図ることができる。

本発明の実施形態に係る双方向スイッチの回路図である。 図１の双方向スイッチをＴ型３レベル電力変換装置の中間アームに適用した場合の主要部の回路図である。 図２の双方向スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 図２の双方向スイッチの動作を示すタイミングチャートである。 特許文献１に記載された交流電力調整装置の回路図である。 Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ及びＳｉ−ＩＧＢＴの両端電圧と電流との関係を示す特性図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る双方向スイッチＳＷの回路図である。図１において、一対の交流端子７１，７２の間には、第１，第２のＭＯＳＦＥＴ２１，２２を互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路２０が形成されている。これらのＭＯＳＦＥＴ２１，２２は、Ｓｉ製またはＳｉＣ製の何れであっても良い。なお、ＤはＭＯＳＦＥＴ２１，２２のドレイン、Ｓはソースを示し、２１Ｄ，２２Ｄは、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２にそれぞれ内在する寄生ダイオードを示す。

更に、交流端子７１，７２の間には、第１，第２のＩＧＢＴ３１，３２を互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路３０が形成されている。ＣはＩＧＢＴ３１，３２のコレクタ、Ｅはエミッタである。
これらのＩＧＢＴ３１，３２には、還流ダイオードとして作用する第１，第２のダイオード３１Ｄ，３２Ｄがそれぞれ逆並列に接続されている。ダイオード３１Ｄ，３２Ｄには、逆回復時間が原理的にゼロであって逆回復性能に優れたショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を用いることが望ましく、その場合、ＳＢＤとしてはＳｉ製またはＳｉＣ製の何れを用いても良い。また、逆回復による損失が許容範囲内であれば、ダイオード３１Ｄ，３２ＤにＰＮ接合ダイオードを使用しても良い。

図２は、図１の双方向スイッチＳＷをＴ型３レベル電力変換装置の一相分の中間アームに適用した場合の主要部の回路図である。図２において、４３はコンデンサ、４４は上アームのＩＧＢＴ、４４Ｄは還流ダイオード、４１は図５と同様にリアクトル、４２はコンデンサであり、その他の素子には図１と同一の参照符号を付してある。
この３レベル電力変換装置は、双方向スイッチＳＷ及び上下アームのＩＧＢＴ（図２では下アームのＩＧＢＴを省略）の動作により、中性点としての交流端子７１の電位及び上下のコンデンサ（図２では下側のコンデンサを省略）の正負の電位を交流端子７２から出力するように動作する。

次に、図２における双方向スイッチＳＷのオン・オフを中心とした動作を、図３，図４を参照しつつ説明する。
図３は、図２の交流端子７１から交流端子７２側へ流れている電流を遮断する場合のタイミングチャートである。この場合には、以下に説明するごとく、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードによる逆回復を回避して損失を低減するように各素子を駆動する。

まず、図３の時刻ｔ_１以前は、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２及びＩＧＢＴ３１，３２が何れもオンしている。この状態において、時刻ｔ_１でＭＯＳＦＥＴ２１をオフすることにより、ＭＯＳＦＥＴ２１とＭＯＳＦＥＴ２２の寄生ダイオード２２Ｄとを含む図２の経路Ａの電流を遮断し、その後の時刻ｔ_２でＭＯＳＦＥＴ２２をオフする。ここで、ＭＯＳＦＥＴ２１のオフを先行させるのは、ＭＯＳＦＥＴ２２を先にオフさせると、ＭＯＳＦＥＴ２１がオンしている限り寄生ダイオード２２Ｄを介して電流が流れてしまうためである。

ＭＯＳＦＥＴ２２のオフにより、時刻ｔ_２以後は、電流がＩＧＢＴ３１からダイオード３２Ｄを経由する経路Ｂのみに流れる。本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２のソースＳとＩＧＢＴ３１，３２のエミッタＥとの間の接続線２３（図５を参照）が存在しないため、ＩＧＢＴ３１を流れる電流がＭＯＳＦＥＴ２２の寄生ダイオード２２Ｄに流れることはない。従って、ＭＯＳＦＥＴ２２にＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いたとしても、オン電圧の増大による素子の劣化を招くことはない。

次いで、図３の時刻ｔ_３でＩＧＢＴ３１をオフする。ここで、ダイオード３１ＤとしてＳＢＤを用いれば、その優れた逆回復性能により、逆回復電流はＭＯＳＦＥＴ２１の寄生ダイオード２１Ｄには流れず、ダイオード３１Ｄに流れる。従って、寄生ダイオード２１Ｄによる逆回復時に比べて損失を低減することができる。
なお、図２の交流端子７２から交流端子７１側へ流れている電流を遮断する場合には、図３におけるＭＯＳＦＥＴ２１，２２をＭＯＳＦＥＴ２２，２１に、同じくＩＧＢＴ３１，３２をＩＧＢＴ３２，３１にそれぞれ置き換えて各素子を駆動すれば良い。

次に、図４は、双方向スイッチＳＷを介して交流端子７１から交流端子７２側へ電流を流す場合のタイミングチャートである。この場合には、ＭＯＳＦＥＴとして特にＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いる場合に、内在する寄生ダイオードに電流を流さないようにして素子の劣化を防止するように各素子を駆動する。

まず、ＩＧＢＴ３２をオンさせた状態で図４の時刻ｔ_１１にＩＧＢＴ３１をオンする。これにより、電流はＩＧＢＴ３１からダイオード３２Ｄを通る図２の経路Ｂを流れる。この間、ＭＯＳＦＥＴ２１，２２は何れもオフにしておく。
次に、時刻ｔ_１２でＭＯＳＦＥＴ２２をオンして寄生ダイオード２２Ｄに電流が流れない状態にしておき、時刻ｔ_１３でＭＯＳＦＥＴ２１をオンする。
これにより、オン状態のＭＯＳＦＥＴ２１，２２を通る図２の経路Ａ’にも電流を流すことができる。

上記の動作により、ＭＯＳＦＥＴ２２の寄生ダイオード２２Ｄに電流が流れるのを回避することができ、ＭＯＳＦＥＴ２２としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合の劣化を防止することができる。
なお、ＩＧＢＴ４４に対向する下アームのＩＧＢＴ（図示せず）をオフして交流端子７２から交流端子７１側へ電流を流す場合の駆動方法は、図４におけるＭＯＳＦＥＴ２１，２２をＭＯＳＦＥＴ２２，２１に、同じくＩＧＢＴ３１，３２をＩＧＢＴ３２，３１にそれぞれ置き換えれば良い。これにより、前記同様にＭＯＳＦＥＴ２１の寄生ダイオード２１Ｄに電流が流れるのを回避し、ＭＯＳＦＥＴ２１としてＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴを用いた場合の劣化を防止することができる。

なお、本実施形態ではＭＯＳＦＥＴとしてｎチャネルの素子を使用しているが、本発明の原理は、ｐチャネルのＭＯＳＦＥＴに対しても同様に適用可能である。

本発明は、交流電力調整装置を始めとして、交流電流を双方向に通流させる双方向スイッチを備えた各種の電力変換装置に利用することができる。

１０：交流電源
２０：ＭＯＳＦＥＴ直列回路
２１，２２：ＭＯＳＦＥＴ
２１Ｄ，２２Ｄ：寄生ダイオード
３０：ＩＧＢＴ直列回路
３１，３２：ＩＧＢＴ
３１Ｄ，３２Ｄ：ダイオード
４１：リアクトル
４２，４３：コンデンサ
４４：ＩＧＢＴ
４４Ｄ：還流ダイオード
７１，７２：端子
ＳＷ：双方向スイッチ
Ｄ：ドレイン
Ｓ：ソース
Ｃ：コレクタ
Ｅ：エミッタ
Ａ，Ａ’，Ｂ：経路

Claims (7)

1. 一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチにおいて、
   第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、
   第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、
   前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、
   を備え、
   前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としたことを特徴とする双方向スイッチ。
2. 請求項１に記載した双方向スイッチにおいて、
   前記第１，第２のダイオードの少なくとも一方が、ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする双方向スイッチ。
3. 請求項１または２に記載した双方向スイッチにおいて、
   前記第１，第２のＭＯＳＦＥＴの少なくとも一方が、ＳｉＣ半導体を含むＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする双方向スイッチ。
4. 一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチであって、第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、を備え、前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としてなる双方向スイッチを駆動するための駆動方法において、
   前記一対の交流端子のうちの一方の交流端子から前記双方向スイッチを介して他方の交流端子に流れている電流を遮断する際に、
   前記第１，第２のＭＯＳＦＥＴ及び前記第１，第２のＩＧＢＴがオンしている状態で、前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＭＯＳＦＥＴをオフし、次に前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＭＯＳＦＥＴをオフし、その後に前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＩＧＢＴをオフすることを特徴とする双方向スイッチの駆動方法。
5. 一対の交流端子間に接続された複数の半導体スイッチング素子を備え、前記半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記一対の交流端子間で電流を双方向に通流可能とした双方向スイッチであって、第１，第２のＭＯＳＦＥＴを互いに逆方向に直列接続してなるＭＯＳＦＥＴ直列回路と、第１，第２のＩＧＢＴを互いに逆方向に直列接続してなるＩＧＢＴ直列回路と、前記第１，第２のＩＧＢＴにそれぞれ逆並列に接続された第１，第２のダイオードと、を備え、前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とに電流が分流するように前記ＭＯＳＦＥＴ直列回路と前記ＩＧＢＴ直列回路とを並列に接続して並列回路を構成し、当該並列回路の両端を前記一対の交流端子としてなる双方向スイッチを駆動するための駆動方法において、
   前記一対の交流端子のうちの一方の交流端子から前記双方向スイッチを介して他方の交流端子に電流を流す際に、
   前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＩＧＢＴがオンしている状態で、前記一方の交流端子に接続されている前記第１のＩＧＢＴをオンし、次に前記他方の交流端子に接続されている前記第２のＭＯＳＦＥＴをオンし、その後に一方の交流端子に接続されている前記第１のＭＯＳＦＥＴをオンすることを特徴とする双方向スイッチの駆動方法。
6. 請求項４または５に記載した双方向スイッチの駆動方法において、
   前記第１，第２のダイオードが、ショットキーバリアダイオードであることを特徴とする双方向スイッチの駆動方法。
7. 請求項４〜６の何れか１項に記載した双方向スイッチの駆動方法において、
   前記第１，第２のＭＯＳＦＥＴが、ＳｉＣ半導体を含むＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする双方向スイッチの駆動方法。

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