JP2020018037A - パワー素子駆動装置 - Google Patents

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彰 徳舛
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Abstract

【課題】並列に接続された複数のパワー素子が、駆動時の適正電圧が異なるパワー素子を含んでいても、電力消費の増加を抑えつつ、複数のパワー素子を駆動する。【解決手段】パワー素子駆動装置は、異なる電源電圧を発生する第1絶縁電源部10と第2絶縁電源部20とを含む絶縁型電源1と、第1絶縁電源部10によって供給される第1電源電圧を利用して第1パワー素子30に駆動信号を出力する第1駆動回路16と、第2絶縁電源部20によって供給される第2電源電圧を利用して第2パワー素子40、41に駆動信号を出力する第2駆動回路26と、を有する。従って、第1駆動回路16と第2駆動回路26とが、それぞれ、第1電源電圧及び第2電源電圧を利用して生成した駆動信号を出力することにより、第1パワー素子30及び第2パワー素子40、41を適正な電圧の駆動信号にて駆動することが可能になる。【選択図】図1

Description

本発明は、並列に接続された複数のパワー素子を駆動するためのパワー素子駆動装置に関する。
特許文献1には、並列に接続された複数のスイッチング素子が、駆動回路により、同じ電圧の駆動信号がそれぞれのゲートに印加されてオンされることが示されている。
特開2017−28956号公報
例えば、並列に接続された複数のスイッチング素子の形成材料や種類が異なる場合など、それぞれのスイッチング素子を駆動する際の適正電圧が異なることがある。駆動時の適正電圧が異なるスイッチング素子を、上述した特許文献1のように同じ電圧の駆動信号によって駆動する場合、駆動信号の電圧は、相対的に高い駆動電圧を必要とするパワー素子に合わせざるをえない。この場合、相対的に低い駆動電圧で十分であるパワー素子において、電力が無駄に消費されてしまうという問題がある。
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、並列に接続された複数のパワー素子が、駆動時の適正電圧が異なるパワー素子を含んでいても、電力消費の増加を抑えつつ、複数のパワー素子を駆動することが可能なパワー素子駆動装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によるパワー素子駆動装置は、並列に接続された複数のパワー素子(30、40、41)を駆動するためのものであって、
複数のパワー素子は、駆動時の適正電圧が異なる第1パワー素子(30)と第2パワー素子(40、41)とを含み、
少なくとも第1パワー素子と第2パワー素子に対して別々に設けられ、対応するパワー素子に駆動信号を出力する複数の駆動回路(16、26)と、
複数の駆動回路において駆動信号を出力するために利用される電源電圧を供給する絶縁型電源(1、110、210)であって、第1電源電圧を供給する第1絶縁電源部(10、110、210)と、第1電源電圧とは異なる第2電源電圧を供給する第2絶縁電源部(20、120、220)とを含む絶縁型電源と、を備え、
複数の駆動回路は、第1絶縁電源部によって供給される第1電源電圧を利用して第1パワー素子に対して駆動信号を出力する第1駆動回路(16)と、第2絶縁電源部によって供給される第2電源電圧を利用して第2パワー素子に対して駆動信号を出力する第2駆動回路(26)とを含むことを特徴とする。
このように、本発明によるパワー素子駆動装置は、異なる電源電圧を発生する第1絶縁電源部(10、110、210)と第2絶縁電源部(20、120、220)とを含む絶縁型電源(1、100、200)を備える。そして、複数の駆動回路は、第1絶縁電源部によって供給される第1電源電圧を利用して第1パワー素子(30)に駆動信号を出力する第1駆動回路(16)と、第2絶縁電源部によって供給される第2電源電圧を利用して第2パワー素子(40、41)に駆動信号を出力する第2駆動回路(26)とを含む。従って、第1駆動回路と第2駆動回路とが、それぞれ、第1絶縁電源部が供給する第1電源電圧及び第2絶縁電源部が供給する第2電源電圧を利用して生成した駆動信号を出力することにより、第1パワー素子及び第2パワー素子を適正な電圧の駆動信号にて駆動することが可能になる。
上記括弧内の参照番号は、本開示の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら発明の範囲を制限することを意図したものではない。
また、上述した特徴以外の、特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。
第1実施形態による、並列に接続された複数のパワー素子を駆動するためのパワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。 第2実施形態による、並列に接続された複数のパワー素子を駆動するためのパワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。 第3実施形態による、並列に接続された複数のパワー素子を駆動するためのパワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。 第4実施形態による、並列に接続された複数のパワー素子を駆動するためのパワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態によるパワー素子駆動装置について、図面を参照して説明する。図1は、第1実施形態による、並列に接続された複数のパワー素子である第1パワー素子30と、第2パワー素子40,41を駆動するためのパワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。なお、第2パワー素子40、41は、大電流を流すことができるように並列化されているが、第2パワー素子も単独のパワー素子としてもよい。
複数のパワー素子30、40、41は、例えば、3相モータを駆動するためのインバータ回路のスイッチング素子として用いられる。そして、パワー素子駆動装置は、3相モータの駆動電流の大きさに応じて、駆動するパワー素子の数を変化させたりする。例えば、パワー素子駆動装置は、3相モータの駆動電流が小さい場合、第1パワー素子30のみを駆動し、駆動電流が大きくなると、第1及び第2パワー素子30、40、41を駆動したりする。あるいは、パワー素子駆動装置は、後述するように第1パワー素子30がSiCMOSFETであり、第2パワー素子40,41がIGBTである場合であって、第1及び第2パワー素子30、40、41をターンオフさせる場合、第2パワー素子40、41を先にターンオフし、その後、第1パワー素子30をターンオフしたりする。これにより、IGBTのテール電流による損失を低減することが可能となる。
第1パワー素子30は、例えば、SiCMOSFETによって構成し、第2パワー素子40、41は、IGBTによって構成することができる。
このように、パワー素子の形成材料や種類が異なる場合、それぞれのパワー素子の駆動信号の適正な電圧が異なることがある。具体的には、上述したように、第1パワー素子30をSiCMOSFETによって構成した場合、その駆動信号の電圧は20V程度に設定されることが好ましい。また、第2パワー素子40、41をIGBTによって構成した場合、その駆動信号の電圧は15V程度に設定されることが好ましい。
そのため、本実施形態のパワー素子駆動装置は、第1パワー素子30と、第2パワー素子40、41とを、異なる電圧の駆動信号にて駆動可能に構成した。以下に、パワー素子駆動装置における、異なる電圧の駆動信号を発生させるための構成について詳しく説明する。
図1に示すように、本実施形態のパワー素子駆動装置は、絶縁型電源1を有する。絶縁型電源1は、第1絶縁電源部10と第2絶縁電源部20とを含む。第1絶縁電源部10と第2絶縁電源部20とは、それぞれ、トランスによって入力側回路と出力側回路とが絶縁されている。
第1絶縁電源部10は、入力側回路に、電源11と、第1トランス12の1次巻線12aと、第1スイッチング素子13とを設けている。また、出力側回路に、第1トランス12の2次巻線12bと、第1ダイオード14と、第1コンデンサ15とを設けている。第1トランス12の1次巻線12aと2次巻線12bとは逆極性となっている。
図示しない制御部によって第1スイッチング素子13がデューティ制御によりオン、オフされると、第1スイッチング素子13がオンされている間、第1トランス12にエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチング素子13がオフされると、蓄積されたエネルギーが2次巻線12bから電流として放出され、第1ダイオード14で半波整流されて直流化される。直流化された電流によって第1コンデンサ15が充電される。第1コンデンサ15は充電された電圧を、第1電源電圧として第1駆動回路16に供給する。
制御部は、第1コンデンサ15から第1駆動回路16に供給される第1電源電圧を検出し、その検出した第1電源電圧が、第1パワー素子30の駆動信号の適正電圧に相当する目標電圧(例えば、20V)となるように、デューティ比を可変しつつ第1スイッチング素子13をデューティ制御(オン、オフ制御)する。これにより、第1絶縁電源部10は、第1駆動回路16に対して、第1パワー素子30を駆動するための適正電圧を供給することができる。
第2絶縁電源部20も、第1絶縁電源部10と同様に構成されている。すなわち、入力側回路に、電源21と、第2トランス22の1次巻線22aと、第2スイッチング素子23とを設けている。また、出力側回路に、第2トランス22の2次巻線22bと、第2ダイオード24と、第2コンデンサ25とを設けている。第2トランス22の1次巻線22aと2次巻線22bとは逆極性となっている。そして、図示しない制御部によって第2スイッチング素子23がオン、オフされることにより、第2コンデンサ25が直流電流によって充電され、その充電電圧が、第2電源電圧として第2駆動回路26に供給される。
上述したように、第2パワー素子40、41の駆動信号の適正な電圧は、第1パワー素子30の駆動信号の適正な電圧とは異なる。従って、制御部は、第2電源電圧が、第2パワー素子40、41の駆動信号の適正電圧に相当する目標電圧(例えば、15V)となるように、デューティ比を可変しつつ第2スイッチング素子23をデューティ制御する。この結果、第1スイッチング素子13をオン、オフするデューティ比と、第2スイッチング素子23をオン、オフするデューティ比とは異なるものとなる。
なお、以上の説明は、電源11と電源21とが同じ電源電圧を発生し、さらに、第1トランス12と第2トランス22との巻線比が同一であることを前提としたものである。しかしながら、第1絶縁電源部10が供給する第1電源電圧と、第2絶縁電源部20が供給する第2電源電圧とを異ならせるため、デューティ比を異ならせることに加えて、もしくは代えて、第1トランス12と第2トランス22との巻線比を異ならせてもよいし、電源11が発生する電源電圧と電源21が発生する電源電圧とを異ならせてもよい。
第1駆動回路16は、パワー素子の駆動回路として一般的な構成を有している。具体的には、第1駆動回路16は、直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチを有し、その中点が第1パワー素子30のゲートに接続されている。従って、図示しない制御部によってハイサイドスイッチがオンされると、第1絶縁電源部10によって供給される第1電源電圧を持つ駆動信号が、第1パワー素子30のゲートに印加されて、第1パワー素子30がオンする。一方、第1パワー素子30をターンオフする場合には、図示しない制御部によって第1駆動回路16のハイサイドスイッチがオフされ、かつローサイドスイッチがオンされる。これにより、第1パワー素子30のゲートに蓄積した電荷がローサイドスイッチを介して放電され、第1パワー素子30がオフする。
第2駆動回路26も、第1駆動回路16と同様に、直列に接続されたハイサイドスイッチとローサイドスイッチを有し、その中点が第2パワー素子40、41のゲートに接続されている。従って、図示しない制御部によってハイサイドスイッチがオンされると、第2絶縁電源部20によって供給される第2電源電圧を持つ駆動信号が、第2パワー素子40、41のゲートに印加されて、第2パワー素子40、41がオンする。一方、第2パワー素子40、41をターンオフする場合には、図示しない制御部によって第2駆動回路26のハイサイドスイッチがオフされ、かつローサイドスイッチがオンされる。これにより、第2パワー素子40、41のゲートに蓄積した電荷がローサイドスイッチを介して放電され、第2パワー素子40、41がオフする。
以上、説明したように、本実施形態によるパワー素子駆動装置は、異なる電源電圧を発生する第1絶縁電源部10と第2絶縁電源部20とを含む絶縁型電源1を備える。さらに、本実施形態によるパワー素子駆動装置は、パワー素子を駆動する駆動回路として、第1絶縁電源部10によって供給される第1電源電圧を利用して第1パワー素子30に駆動信号を出力する第1駆動回路16と、第2絶縁電源部によって供給される第2電源電圧を利用して第2パワー素子40、41に駆動信号を出力する第2駆動回路26とを含む。従って、第1駆動回路16と第2駆動回路26とが、それぞれ、第1絶縁電源部10が供給する第1電源電圧及び第2絶縁電源部20が供給する第2電源電圧を利用して生成した駆動信号を出力することにより、第1パワー素子30及び第2パワー素子40、41を適正な電圧の駆動信号にて駆動することが可能になる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるパワー素子駆動装置について、図面を参照して説明する。図2は、第2施形態による、パワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。なお、第1実施形態のパワー素子駆動装置と同様の構成については、同じ参照番号を付与して、説明を省略することがある。
上述した第1実施形態のパワー素子駆動装置では、第1絶縁電源部10と第2絶縁電源部20とが、それぞれ、第1スイッチング素子13と第2スイッチング素子23とを有していた。そして、図示しない制御部は、第1絶縁電源部10が供給する第1電源電圧と第2絶縁電源部20が供給する第2電源電圧とがそれぞれの目標電圧と一致するように、第1スイッチング素子13と第2スイッチング素子23の駆動デューティ比を個別に可変するものであった。
それに対して、第2実施形態によるパワー素子駆動装置では、図2に示すように、絶縁型電源100が、第1トランス12の1次巻線12aと第2トランス22の1次巻線22aとを共通の電源111及び共通のスイッチング素子123に接続するように構成される。換言すれば、本実施形態のパワー素子駆動装置の絶縁型電源100では、第1トランス12の1次巻線12aと第2トランス22の1次巻線22aとが並列に接続される。そして、各1次巻線12a、22aの並列回路と直列に、共通の電源111と共通のスイッチング素子123とが接続される。
このように、本実施形態のパワー素子駆動装置では、絶縁型電源100の入力側回路(1次側回路)の構成部品(電源111及びスイッチング素子123)を共用しているので、第1実施形態の絶縁型電源1に比較して、絶縁型電源100の部品点数を削減し、構成を簡素化することができる。
なお、本実施形態では、図2に示すように、第1絶縁電源部110は、第1トランス12、第1ダイオード14、及び第1コンデンサ15を含み、第2絶縁電源部120は、第2トランス22、第2ダイオード24、及び第2コンデンサ25を含む。
また、本実施形態では、スイッチング素子123が共用されているので、第1絶縁電源部110と第2絶縁電源部120とで、第1及び第2トランス12、22の各1次巻線12a、22aへの通電時間を異ならせることができない。そのため、本実施形態のパワー素子駆動装置では、第1絶縁電源部110が供給する第1電源電圧と第2絶縁電源部120が供給する第2電源電圧とを異ならせるために、第1トランス12の巻数比と第2トランス22の巻数比を、それぞれの目標電圧に応じた異なる巻数比にしている。そして、図示しない制御部は、第1電源電圧と第2電源電圧との一方の電源電圧を検出し、その検出した電源電圧が目標電圧となるように、スイッチング素子123の駆動デューティ比を制御する。その結果、第1トランス12と第2トランス22の巻数比の相違によって、電源電圧を検出していない他方の電源電圧も目標電圧に収束させることができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるパワー素子駆動装置について、図面を参照して説明する。図3は、第3施形態による、パワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。なお、第1実施形態及び第2実施形態のパワー素子駆動装置と同様の構成については、同じ参照番号を付与して、説明を省略することがある。
上述した第2実施形態のパワー素子駆動装置では、絶縁型電源100の入力側回路(1次側回路)の電源111及びスイッチング素子123を共用することで、絶縁型電源100の部品点数を削減するものであった。それに対して、本実施形態のパワー素子駆動装置では、さらに、トランスの1次巻線を共用化する対象に加えて、一層の部品点数の削減を可能としたものである。
図3に示すように、本実施形態のパワー素子駆動装置の絶縁型電源200は、1つのトランス212だけを備える。トランス212は、第1絶縁電源部210と第2絶縁電源部220とで共用される共用1次巻線212aを有する。第1絶縁電源部210の2次巻線212bと第2絶縁電源部220の2次巻線212cは、ともに、共用1次巻線212aに磁気的に結合している。なお、第1絶縁電源部210の2次巻線212bと第2絶縁電源部220の2次巻線212cとは、第1及び第2絶縁電源部210、220の目標とする電源電圧に応じた巻数となっている。従って、第1絶縁電源部210の2次巻線212bと第2絶縁電源部220の2次巻線212cとは、巻数が異なっている。
そして、本実施形態においても、図示しない制御部が、第1電源電圧と第2電源電圧との一方の電源電圧を検出し、その検出した電源電圧が目標電圧となるように、スイッチング素子123の駆動デューティ比を制御する。これにより、第1及び第2絶縁電源部210、220は、それぞれ、目標とする電源電圧を供給することができるようになる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるパワー素子駆動装置について、図面を参照して説明する。図4は、第4施形態による、パワー素子駆動装置の構成を示す構成図である。なお、第1実施形態乃至第3実施形態のパワー素子駆動装置と同様の構成については、同じ参照番号を付与して、説明を省略することがある。
本実施形態のパワー素子駆動装置は、図4に示すように、第1絶縁電源部110の低電位側と、第1電源電圧を利用する第1駆動回路16によって駆動される第1パワー素子30のエミッタ(ソース)側とを接続する接続線17と、第2絶縁電源部120の低電位側と、第2電源電圧を利用する第2駆動回路26によって駆動される第2パワー素子40、41のエミッタ(ソース)側とを接続する接続線27とを備える。このような接続線17、27を設けることにより、第1絶縁電源部110及び第2絶縁電源部120は、各パワー素子30、40、41のエミッタ(ソース)電位を基準とする第1電源電圧及び第2電源電圧を出力することが可能となる。従って、それぞれの電源電圧は、例えば、他のパワー素子のスイッチングなどによる電位変動の影響を受けにくくなり、対応するパワー素子を安定してターンオンさせることができる。
なお、図4には、第2実施形態の絶縁型電源100に、接続線17、27を設けた例を示しているが、第1実施形態の絶縁型電源1や、第3実施形態の絶縁型電源200に、接続線17、27を設けてもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。
例えば、上述した第1〜第4実施形態では、第1パワー素子30と第2パワー素子40、41との2種類のパワー素子を並列に接続する例を説明したが、3種類以上のパワー素子を並列に接続してもよい。その場合、絶縁型電源に、3種類以上のパワー素子に対応して、3種類以上の異なる電源電圧を発生する絶縁電源部を設けるとともに、それらの異なる電源電圧を利用した駆動信号を出力するために、3つ以上の駆動回路を設ければよい。
1、100、200:絶縁型電源、10、110、210:第1絶縁電源部、12:第1トランス、13:第1スイッチング素子、14:第1ダイオード、15:第1コンデンサ、16:第1駆動回路、17:接続線、20、120、220:第2絶縁電源部、22:第2トランス、23:第2スイッチング素子、24:第2ダイオード、25:第2コンデンサ、26:第2駆動回路、27:接続線、30:第1パワー素子、40、41:第2パワー素子

Claims (6)

  1. 並列に接続された複数のパワー素子(30、40、41)を駆動するためのパワー素子駆動装置であって、
    前記複数のパワー素子は、駆動時の適正電圧が異なる第1パワー素子(30)と第2パワー素子(40、41)とを含み、
    少なくとも前記第1パワー素子と前記第2パワー素子に対して別々に設けられ、対応するパワー素子に駆動信号を出力する複数の駆動回路(16、26)と、
    前記複数の駆動回路において前記駆動信号を出力するために利用される電源電圧を供給する絶縁型電源(1、100、200)であって、第1電源電圧を供給する第1絶縁電源部(10、110、210)と、第1電源電圧とは異なる第2電源電圧を供給する第2絶縁電源部(20、120、220)とを含む絶縁型電源と、を備え、
    前記複数の駆動回路は、前記第1絶縁電源部によって供給される第1電源電圧を利用して、前記第1パワー素子に対して前記駆動信号を出力する第1駆動回路(16)と、前記第2絶縁電源部によって供給される第2電源電圧を利用して、前記第2パワー素子に対して前記駆動信号を出力する第2駆動回路(26)とを含むパワー素子駆動装置。
  2. 前記第1絶縁電源部は、1次巻線(12a)と2次巻線(12b)とを有する第1トランス(12)と、前記第1トランスの1次巻線に接続される第1スイッチング素子(13)とを有し、
    前記第2絶縁電源部は、1次巻線(22a)と2次巻線(22b)とを有する第2トランス(22)と、前記第2トランスの1次巻線に接続される第2スイッチング素子(23)とを有し、
    前記第1トランスと前記第2トランスとの巻線比と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との駆動デューティ比の少なくとも一方を異ならせることにより、前記第1絶縁電源部が供給する前記第1電源電圧と、前記第2絶縁電源部が供給する前記第2電源電圧とを異ならせる請求項1に記載のパワー素子駆動装置。
  3. 前記第1絶縁電源部は、1次巻線(12a)と2次巻線(12b)とを有する第1トランス(12)を有し、
    前記第2絶縁電源部は、1次巻線(22a)と2次巻線(22b)とを有する第2トランス(22)を有し、
    前記第1トランスと前記第2トランスとの巻線比は異なっており、
    前記絶縁型電源は、前記第1トランスの1次巻線と前記第2トランスの1次巻線に接続された共通のスイッチング素子(123)を備える請求項1に記載のパワー素子駆動装置。
  4. 前記絶縁型電源は、前記第1絶縁電源部と前記第2絶縁電源部とで共用される共用1次巻線(212a)と、前記共用1次巻線に接続されたスイッチング素子(223)と、を有し、
    前記第1絶縁電源部は、前記共用1次巻線と磁気的に結合した2次巻線(212b)を有し、
    前記第2絶縁電源部は、前記共用1次巻線と磁気的に結合した2次巻線(212c)を有し、
    前記第1絶縁電源部の2次巻線と前記第2絶縁電源部の2次巻線とは巻数が異なる請求項1に記載のパワー素子駆動装置。
  5. 前記スイッチング素子はデューティ駆動されるものであって、前記第1絶縁電源部が供給する第1電源電圧と前記第2絶縁電源部が供給する第2電源電圧とのどちらか一方の電源電圧を検出し、その検出した電源電圧が目標電圧となるように、前記スイッチング素子を駆動する際のデューティ比が制御される請求項3又は4に記載のパワー素子駆動装置。
  6. 前記第1絶縁電源部の低電位側と、前記第1電源電圧を利用する前記第1駆動回路によって駆動される前記第1パワー素子のエミッタ側とを接続する接続線(17)と、
    前記第2絶縁電源部の低電位側と、前記第2電源電圧を利用する前記第2駆動回路によって駆動される前記第2パワー素子のエミッタ側とを接続する接続線(27)とを備える請求項1乃至5のいずれかに記載のパワー素子駆動装置。
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