JP2020054061A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたハイサイド,ローサイドスイッチを備える電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including high-side and low-side switches made of a wide band gap semiconductor.
SiC等のワイドバンドギャップ半導体で構成されたデバイスは、Si等のナローバンドギャップ半導体で構成されたデバイスよりも低損失であることが知られている。しかし、電力変換装置を構成するスイッチ及びスイッチに逆並列接続されるダイオードの全てをワイドバンドギャップ半導体で構成すると、コストが増加し得る。また、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチが用いられると、スイッチング状態が切り替えられる場合に発生する電流のリンギングが大きくなり得る。 It is known that a device made of a wide band gap semiconductor such as SiC has lower loss than a device made of a narrow band gap semiconductor such as Si. However, if all the switches constituting the power converter and the diodes connected in antiparallel to the switches are made of a wide band gap semiconductor, the cost may increase. In addition, when a switch made of a wide bandgap semiconductor is used, the ringing of a current generated when the switching state is switched may increase.
そこで、特許文献1に見られるように、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたハイサイドスイッチと、ナローバンドギャップ半導体で構成されたローサイドスイッチとを備える電力変換装置が知られている。ハイサイドスイッチは、例えばSiCで構成されたMOSFETであり、ローサイドスイッチは、例えばSiで構成されたIGBTである。
Therefore, as disclosed in
この電力変換装置は、さらに、ハイサイドスイッチに逆並列接続され、ナローバンドギャップ半導体で構成されたハイサイドダイオード素子と、ローサイドスイッチに逆並列接続され、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたローサイドダイオード素子とを備えている。ハイサイドダイオード素子は、例えばSiで構成されたファーストリカバリダイオード(FRD)である。ローサイドダイオード素子は、例えばSiCで構成されたショットキーバリアダイオード(SBD)である。 The power converter further includes a high-side diode element connected in anti-parallel to the high-side switch and configured with a narrow band gap semiconductor, and a low-side diode element connected in anti-parallel with the low-side switch and configured with a wide band gap semiconductor. It has. The high-side diode element is a fast recovery diode (FRD) made of, for example, Si. The low-side diode element is a Schottky barrier diode (SBD) made of, for example, SiC.
特許文献1に記載の電力変換装置によれば、ワイドバンドギャップ半導体で構成されるデバイスの数を減らすことができる。これにより、コストの上昇を抑制しつつ、リンギングの抑制を図っている。
According to the power converter described in
ここで、特許文献1に記載の電力変換装置では、ハイサイドダイオード素子及びローサイドスイッチがナローバンドギャップ半導体で構成されている。このため、リンギングを抑制できるものの、電力変換装置におけるスイッチング損失が増加し得る。
Here, in the power conversion device described in
本発明は、損失の増加を抑制しつつ、リンギングを抑制することができる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。 The main object of the present invention is to provide a power converter that can suppress ringing while suppressing an increase in loss.
第1の発明は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたハイサイドスイッチと、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたローサイドスイッチと、を備える電力変換装置において、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち一方のスイッチのみに逆並列接続され、ナローバンドギャップ半導体で構成されたダイオード素子を備え、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち、前記ダイオード素子が並列接続されていない方のスイッチには、ボディダイオードが形成されており、
前記ダイオード素子は、前記ボディダイオードにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数よりも、自身にリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数が低くなる特性を有する。
A first invention is a power converter including a high-side switch made of a wide band gap semiconductor and a low-side switch made of a wide band gap semiconductor.
An anti-parallel connection to only one of the high-side switch and the low-side switch, including a diode element formed of a narrow band gap semiconductor,
Of the high-side switch and the low-side switch, a switch in which the diode element is not connected in parallel has a body diode formed therein,
The diode element is characterized in that the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current is lower than the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current through the body diode. Having.
第1の発明では、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの双方がワイドバンドギャップ半導体で構成されている。これにより、スイッチング速度を高くしてスイッチング損失を低減でき、ひいては電力変換装置における損失を低減できる。この構成において、第1の発明では、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチのうち、一方のスイッチのみに、ナローバンドギャップ半導体で構成されたダイオード素子が逆並列接続されている。このため、ナローバンドギャップ半導体で構成されたデバイスの数を削減でき、電力変換装置における損失の増加を抑制することができる。また、ダイオード素子は、リンギングの周波数について上記のような特性を有しているため、リンギングを抑制することができる。 In the first invention, both the high-side switch and the low-side switch are made of a wide band gap semiconductor. As a result, the switching loss can be reduced by increasing the switching speed, and the loss in the power converter can be reduced. In this configuration, in the first aspect, only one of the high-side switch and the low-side switch is connected in reverse parallel with a diode element formed of a narrow band gap semiconductor. For this reason, the number of devices formed of the narrow band gap semiconductor can be reduced, and an increase in loss in the power converter can be suppressed. Further, since the diode element has the above-described characteristics with respect to the ringing frequency, ringing can be suppressed.
以上説明した第1の発明によれば、電力変換装置における損失の増加を抑制しつつ、リンギングを抑制することができる。 According to the first aspect described above, ringing can be suppressed while suppressing an increase in loss in the power conversion device.
第2の発明では、第1の発明において、前記ダイオード素子は、前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち、前記ハイサイドスイッチのみに逆並列接続されており、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源の正極側との間を接続する正極側導体と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体との間に形成される容量成分である高電位容量成分の容量値をCHとし、
前記ハイサイドスイッチの低電位側端子から前記ローサイドスイッチの高電位側端子までの電気経路と、前記接地導体との間に形成される容量成分である中間容量成分の容量値をCMとし、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と、前記接地導体との間に形成される容量成分である低電位容量成分の容量値をCLとし、
(Lp/Ln)×{CH/(CM+CL)}を第1平衡度とし、
(Lp/Ln)×{(CM+CH)/CL}を第2平衡度とする場合、前記第2平衡度が前記第1平衡度よりも1に近い。
In a second aspect based on the first aspect, the diode element is connected in anti-parallel to only the high-side switch of the high-side switch and the low-side switch,
A positive-side conductor connecting between the high-potential side terminal of the high-side switch and the positive side of the DC power supply,
A negative-side conductor that connects between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
A high-potential terminal of the high-side switch and a capacitance value of a high-potential capacitance component that is a capacitance component formed between a ground conductor and CH,
The capacitance value of an intermediate capacitance component, which is a capacitance component formed between the electric path from the low potential side terminal of the high side switch to the high potential side terminal of the low side switch and the ground conductor, is denoted by CM.
The low-potential-side terminal of the low-side switch and a capacitance value of a low-potential capacitance component that is a capacitance component formed between the ground conductor and CL,
(Lp / Ln) × {CH / (CM + CL)} is the first equilibrium degree,
When (Lp / Ln) × {(CM + CH) / CL} is the second balance, the second balance is closer to 1 than the first balance.
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチのうち、ダイオード素子が逆並列接続されていないスイッチのボディダイオードにリカバリ電流が流れることに起因して、ノイズ電流(コモンモードノイズ電流)が外部に放出されてしまう。ここで、第2の発明では、上記のように第1,第2平衡度が定められている。平衡度が1に近いほど、ノイズ電流を低減することができる。第2の発明では、上記各インダクタンスLp,Ln、高電位容量成分、中間容量成分及び低電位容量成分を調整することにより、第2平衡度が第1平衡度よりも1に近くされている。これにより、ローサイドスイッチに新たにダイオード素子を設けることなく、外部に放出されるノイズ電流を低減することができる。 Of the high-side switch and the low-side switch, the recovery current flows through the body diode of the switch whose diode element is not connected in anti-parallel, so that a noise current (common mode noise current) is emitted to the outside. Here, in the second invention, the first and second equilibrium degrees are determined as described above. The closer the equilibrium degree is to 1, the more the noise current can be reduced. In the second invention, the second balance is made closer to 1 than the first balance by adjusting the inductances Lp and Ln, the high potential capacity component, the intermediate capacity component, and the low potential capacity component. This makes it possible to reduce the noise current emitted to the outside without providing a new diode element in the low-side switch.
第3の発明では、第1の発明において、前記ダイオード素子は、前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち、前記ローサイドスイッチのみに逆並列接続されており、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源の正極側との間を接続する正極側導体と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体との間に形成される容量成分である高電位容量成分の容量値をCHとし、
前記ハイサイドスイッチの低電位側端子から前記ローサイドスイッチの高電位側端子までの電気経路と、前記接地導体との間に形成される容量成分である中間容量成分の容量値をCMとし、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と、前記接地導体との間に形成される容量成分である低電位容量成分の容量値をCLとし、
(Lp/Ln)×{CH/(CM+CL)}を第1平衡度とし、
(Lp/Ln)×{(CM+CH)/CL}を第2平衡度とする場合、前記第1平衡度が前記第2平衡度よりも1に近い。
In a third aspect based on the first aspect, the diode element is connected in anti-parallel to only the low-side switch of the high-side switch and the low-side switch,
A positive-side conductor connecting between the high-potential side terminal of the high-side switch and the positive side of the DC power supply,
A negative-side conductor that connects between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
A high-potential terminal of the high-side switch and a capacitance value of a high-potential capacitance component that is a capacitance component formed between a ground conductor and CH,
The capacitance value of an intermediate capacitance component, which is a capacitance component formed between the electric path from the low potential side terminal of the high side switch to the high potential side terminal of the low side switch and the ground conductor, is denoted by CM.
The low-potential-side terminal of the low-side switch and a capacitance value of a low-potential capacitance component that is a capacitance component formed between the ground conductor and CL,
(Lp / Ln) × {CH / (CM + CL)} is the first equilibrium degree,
When (Lp / Ln) × {(CM + CH) / CL} is the second balance, the first balance is closer to 1 than the second balance.
第3の発明によれば、第2の発明と同様に、ハイサイドスイッチに新たにダイオード素子を設けることなく、外部に放出されるノイズ電流を低減することができる。 According to the third aspect, similarly to the second aspect, the noise current emitted to the outside can be reduced without newly providing a diode element in the high-side switch.
<第1実施形態>
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。電力変換装置は、例えば電気自動車に搭載される。
<First embodiment>
Hereinafter, a first embodiment of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The power converter is mounted on an electric vehicle, for example.
図1に示すように、電力変換装置は、直流電源としてのコンデンサ10、正極側導体20H、中間導体20M、負極側導体20L、ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLを備えている。ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLは、ワイドバンドギャップ半導体で構成されており、本実施形態では、SiCで構成されたNチャネルMOSFETである。このため、各スイッチSWH,SWLの高電位側端子はドレインであり、低電位側端子はソースである。ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLの双方がワイドバンドギャップ半導体で構成されているのは、スイッチング速度を高くしてスイッチング損失を低減するためである。なお、コンデンサ10には、例えば蓄電池が並列接続されている。
As shown in FIG. 1, the power conversion device includes a
コンデンサ10の正極側には、正極側導体20Hの第1端が接続されており、正極側導体20Hの第2端には、ハイサイドスイッチSWHのドレインが接続されている。ハイサイドスイッチSWHのソースには、中間導体20Mを介してローサイドスイッチSWLのドレインが接続されている。コンデンサ10の負極側には、負極側導体20Lの第1端が接続されており、負極側導体20Lの第2端には、ローサイドスイッチSWLのソースが接続されている。正極側導体20H及び負極側導体20Lは、例えば、バスバー等の導電部材である。負極側導体20Lは、接地電位を有するグランドに接続されている。接地電位を有するグランドは、例えば、電力変換装置の筐体である。
The first end of the positive-
正極側導体20Hと中間導体20Mとの間には、負荷30が接続されている。本実施形態において、負荷30は、誘導性負荷の巻線である。
The
ハイサイドスイッチSWHには、ハイサイドボディダイオードBDHが形成されており、ローサイドスイッチSWLには、ローサイドボディダイオードBDLが形成されている。 The high-side switch SWH includes a high-side body diode BDH, and the low-side switch SWL includes a low-side body diode BDL.
ハイサイドスイッチSWHには、ハイサイドダイオード素子SDHが逆並列に接続されている。ハイサイドダイオード素子SDHは、ナローバンドギャップ半導体で構成されており、本実施形態では、シリコンダイオードである。 A high-side diode element SDH is connected in anti-parallel to the high-side switch SWH. The high-side diode element SDH is made of a narrow band gap semiconductor, and is a silicon diode in the present embodiment.
電力変換装置は、制御部40を備えている。制御部40は、ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLを操作する。本実施形態では、制御部40は、ハイサイドスイッチSWHをオフ操作に固定しつつ、ローサイドスイッチSWLをオンオフ操作する。詳しくは、図2(a)に示すように、ハイサイドスイッチSWHがオフ操作されて、かつローサイドスイッチがオン操作される場合、コンデンサ10、正極側導体20H、負荷30、中間導体20M、ローサイドスイッチSWL及び負極側導体20Lを含む閉回路に電流が流れる。
The power conversion device includes a
一方、図2(b)に示すように、ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLがオフ操作される場合、正極側導体20H、負荷30、中間導体20M及びハイサイドダイオード素子SDHを含む閉回路に還流電流が流れる。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the high-side switch SWH and the low-side switch SWL are turned off, the circuit returns to the closed circuit including the
本実施形態では、還流電流が、ハイサイドボディダイオードBDHではなくハイサイドダイオード素子SDHに流れる。これは、ハイサイドダイオード素子SDHの抵抗値が、ハイサイドボディダイオードBDHの抵抗値よりも小さいためである。ハイサイドダイオード素子SDHが設けられているのは、ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられる場合に発生するリンギングを抑制するためである。 In the present embodiment, the return current flows through the high-side diode element SDH instead of the high-side body diode BDH. This is because the resistance of the high-side diode element SDH is smaller than the resistance of the high-side body diode BDH. The reason why the high-side diode element SDH is provided is to suppress ringing that occurs when the low-side switch SWL is turned on.
つまり、例えば、還流電流が、ハイサイドダイオード素子SDHではなくハイサイドボディダイオードBDHに流れる場合、その後ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられるときにハイサイドボディダイオードBDHにリカバリ電流が流れる。その後、図3(b)に示すように、リカバリ電流の流通が完了した場合に電流Idの大きなリンギングが発生してしまう。その結果、リンギングの周期に対応する大きなノイズが発生してしまう。電流Idは、ハイサイドボディダイオードBDHに流れる電流であり、ハイサイドスイッチSWH側からローサイドスイッチSWL側に流れる電流Idが正と定義されている。 That is, for example, when the return current flows through the high-side body diode BDH instead of the high-side diode element SDH, the recovery current flows through the high-side body diode BDH when the low-side switch SWL is subsequently switched on. Thereafter, as shown in FIG. 3B, when the flow of the recovery current is completed, a large ringing of the current Id occurs. As a result, large noise corresponding to the ringing cycle is generated. The current Id is a current flowing in the high-side body diode BDH, and the current Id flowing from the high-side switch SWH to the low-side switch SWL is defined as positive.
これに対し、還流電流がハイサイドダイオード素子SDHに流れる場合、その後ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられるときにハイサイドダイオード素子SDHにリカバリ電流が流れる。ナローバンドギャップ半導体で構成されているハイサイドダイオード素子SDHは、ワイドバンドギャップ半導体で構成されているハイサイドボディダイオードBDHとは異なり、リンギングを抑制する。すなわち、ハイサイドダイオード素子SDHは、ハイサイドボディダイオードBDHにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流Idのリンギングの周波数(図3(b)のIdの推移参照)よりも、自身にリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流Idのリンギングの周波数(図3(a)のIdの推移参照)が低くなる特性を有する。このため、図3(a)に示すように、リカバリ電流の流通が完了した場合に電流Idのリンギングが発生しない。電流Idは、ハイサイドダイオード素子SDHに流れる電流であり、ハイサイドスイッチSWH側からローサイドスイッチSWL側に流れる電流Idが正と定義されている。なお、図3(a),(b)において、共通の横軸スケールをTSにて示す。また、図3(a),(b)において、共通の縦軸スケールをVSにて示す。なお、図3(a),(b)において、Vdsは、ハイサイドスイッチSWHのドレイン及びソース間電圧を示す。 On the other hand, when the return current flows through the high-side diode element SDH, the recovery current flows through the high-side diode element SDH when the low-side switch SWL is subsequently turned on. The high side diode element SDH made of a narrow band gap semiconductor suppresses ringing, unlike the high side body diode BDH made of a wide band gap semiconductor. That is, the high-side diode element SDH recovers itself from the ringing frequency of the current Id generated due to the flow of the recovery current through the high-side body diode BDH (see the transition of Id in FIG. 3B). The frequency of the ringing of the current Id generated due to the flow of the current (see the transition of Id in FIG. 3A) is low. For this reason, as shown in FIG. 3A, ringing of the current Id does not occur when the flow of the recovery current is completed. The current Id is a current flowing in the high-side diode element SDH, and the current Id flowing from the high-side switch SWH to the low-side switch SWL is defined as positive. 3A and 3B, a common horizontal axis scale is indicated by TS. In FIGS. 3A and 3B, a common vertical axis scale is indicated by VS. In FIGS. 3A and 3B, Vds indicates a voltage between the drain and the source of the high-side switch SWH.
なお、図3(a)には、電流Idのリンギングが発生しない例を示した。ただし、この例に限らず、リンギングが発生する場合であっても、ハイサイドボディダイオードBDHにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流Idのリンギングの周波数よりも、ハイサイドダイオード素子SDHにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流Idのリンギングの周波数の方が低くなるときは、リンギングの抑制効果が得られ、ノイズを低減することはできる。 FIG. 3A shows an example in which ringing of the current Id does not occur. However, not limited to this example, even when ringing occurs, the frequency of the ringing of the current Id generated due to the recovery current flowing through the high-side body diode BDH is higher than the frequency of the ringing of the current Id. When the frequency of the ringing of the current Id generated due to the flow of the recovery current is lower, the effect of suppressing the ringing is obtained, and the noise can be reduced.
以上説明した本実施形態では、ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLのうち、ハイサイドスイッチSWHのみにシリコンダイオードであるハイサイドダイオード素子SDHが逆並列接続されている。このため、ナローバンドギャップ半導体で構成されたデバイスの数を削減でき、電力変換装置における損失の増加を抑制することができる。また、ハイサイドダイオード素子SDHは、リカバリ電流が流れる場合においてリンギングの抑制効果を有している。このため、本実施形態によれば、電力変換装置における損失の増加を抑制しつつ、リンギングを抑制することができる。 In the present embodiment described above, of the high-side switch SWH and the low-side switch SWL, only the high-side switch SWH is connected in reverse parallel to the high-side diode element SDH, which is a silicon diode. For this reason, the number of devices formed of the narrow band gap semiconductor can be reduced, and an increase in loss in the power converter can be suppressed. The high-side diode element SDH has an effect of suppressing ringing when a recovery current flows. For this reason, according to the present embodiment, ringing can be suppressed while suppressing an increase in loss in the power conversion device.
<第2実施形態>
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、電力変換装置内に浮遊容量が形成されている。
<Second embodiment>
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the first embodiment. In the present embodiment, a stray capacitance is formed in the power converter.
図4に、本実施形態の電力変換装置の全体構成を示す。なお、図4において、先の図1に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。 FIG. 4 shows the overall configuration of the power converter of the present embodiment. In FIG. 4, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals for convenience.
図4において、Lpは正極側導体20Hのインダクタンス(寄生インダクタンス)を示し、Lnは負極側導体20Lのインダクタンンス(寄生インダクタンス)を示す。本実施形態において、Lpは、正極側導体20Hにおいて、コンデンサ10の正極端子との接続点からハイサイドスイッチSWHのドレインとの接続点までの導体のインダクタンスである。Lnは、負極側導体20Lにおいて、コンデンサ10の負極端子との接続点からローサイドスイッチSWLのソースとの接続点までの導体のインダクタンスである。電力変換装置は、接地導体としての冷却器100を備えている。冷却器100は、ハイサイドスイッチSWH、ローサイドスイッチSWL及びハイサイドダイオード素子SDHを冷却する。
In FIG. 4, Lp indicates the inductance (parasitic inductance) of the
ハイサイドスイッチSWHのドレインと、接地導体としての冷却器100との間には、ハイサイド浮遊容量50(高電位浮遊容量に相当)が形成されている。ハイサイドスイッチSWHのソースと冷却器100との間には、第1中間浮遊容量51(中間浮遊容量に相当)が形成されている。ローサイドスイッチSWLのドレインと冷却器100との間には、第2中間浮遊容量52(中間浮遊容量に相当)が形成されている。ローサイドスイッチSWLのソースと冷却器100との間には、ローサイド浮遊容量53(低電位浮遊容量に相当)が形成されている。図4には、ハイサイド浮遊容量50の容量値をCpにて示し、第1中間浮遊容量51の容量値をCohにて示し、第2中間浮遊容量52の容量値をConにて示し、ローサイド浮遊容量53の容量値をCnにて示す。
A high-side floating capacitance 50 (corresponding to a high-potential floating capacitance) is formed between the drain of the high-side switch SWH and the cooler 100 as a ground conductor. A first intermediate stray capacitance 51 (corresponding to an intermediate stray capacitance) is formed between the source of the high-side switch SWH and the cooler 100. A second intermediate stray capacitance 52 (corresponding to an intermediate stray capacitance) is formed between the drain of the low-side switch SWL and the cooler 100. A low-side stray capacitance 53 (corresponding to a low-potential stray capacitance) is formed between the source of the low-side switch SWL and the cooler 100. In FIG. 4, the capacitance value of the high-side
図5〜図7を用いて、浮遊容量の形成箇所について説明する。 With reference to FIG. 5 to FIG.
ハイサイドスイッチSWH、ローサイドスイッチSWL及びハイサイドダイオード素子SDHが一体化されることにより、半導体モジュール60が構成されている。半導体モジュール60は、扁平形状をなしており、その正面視において矩形形状をなしている。
The
半導体モジュール60は、第1端子61、第2端子62及び出力端子63を備えている。第1端子61には、ハイサイドスイッチSWHのドレイン電極71が電気的に接続されている。第1端子61は、正極側導体20Hの第2端に接続されている。第2端子62には、ローサイドスイッチSWLのソース電極80が電気的に接続されている。第2端子62は、負極側導体20Lの第2端に接続されている。出力端子63には、ハイサイドスイッチSWHのソース電極70及びローサイドスイッチSWLのドレイン電極81が電気的に接続されている。
The
半導体モジュール60は、複数のハイサイド制御端子64Hを備えている。複数のハイサイド制御端子64Hのうち1つには、ハイサイドスイッチSWHのゲート電極が電気的に接続されている。半導体モジュール60は、複数のローサイド制御端子64Lを備えている。複数のローサイド制御端子64Lのうち1つには、ローサイドスイッチSWLのゲート電極が電気的に接続されている。
The
半導体モジュール60は、第1〜第4ヒートシンク91〜94と、第1,第2ターミナル95a,95bとを備えている。第1〜第4ヒートシンク91〜94、第1,第2ターミナル95a,95b、第1端子61、第2端子62、出力端子63、各制御端子64H,64L、ハイサイドスイッチSWH、ローサイドスイッチSWL及びハイサイドダイオード素子SDHは、合成樹脂等からなる封止樹脂体96で封止されることにより一体化されている。
The
ハイサイドスイッチSWHは、扁平形状をなしている。ハイサイドスイッチSWHの一対の平坦面のうち、一方の面には扁平形状のソース電極70が設けられ、他方の面には扁平形状のドレイン電極71が設けられている。
The high side switch SWH has a flat shape. Of the pair of flat surfaces of the high-side switch SWH, a
ソース電極70の一対の平坦面のうち、ハイサイドスイッチSWHが設けられている側とは反対側には、はんだ97bを介して第1ターミナル95aが設けられている。第1ターミナル95aは、扁平形状をなす導電部材である。第1ターミナル95aの一対の平坦面のうち、ソース電極70が設けられている側とは反対側には、はんだ97cを介して第2ヒートシンク92が設けられている。第2ヒートシンク92は、扁平形状をなしている。第2ヒートシンク92の一対の平坦面のうち、第1ターミナル95aが設けられている側とは反対側は、封止樹脂体96の第1面に露出しており、放熱面とされている。
A
ドレイン電極71の一対の平坦面のうち、ハイサイドスイッチSWHが設けられている側とは反対側には、はんだ97aを介して第1ヒートシンク91が設けられている。第1ヒートシンク91は、扁平形状をなしている。第1ヒートシンク91には第1端子61が接続されている。第1ヒートシンク91の一対の平坦面のうち、ドレイン電極71が設けられている側とは反対側は、封止樹脂体96の第1面の裏面である第2面に露出しており、放熱面とされている。第1ヒートシンク91及び第2ヒートシンク92により、ドレイン電極71、ハイサイドスイッチSWH、ソース電極70及び第1ターミナル95aが挟まれている。
A
ローサイドスイッチSWLは、扁平形状をなしている。ローサイドスイッチSWLの一対の平坦面のうち、一方の面には扁平形状のソース電極80が設けられ、他方の面には扁平形状のドレイン電極81が設けられている。
The low side switch SWL has a flat shape. Of the pair of flat surfaces of the low-side switch SWL, a
ソース電極80の一対の平坦面のうち、ローサイドスイッチSWLが設けられている側とは反対側には、はんだ97eを介して第2ターミナル95bが設けられている。第2ターミナル95bは、扁平形状をなす導電部材である。第2ターミナル95bの一対の平坦面のうち、ソース電極80が設けられている側とは反対側には、はんだ97fを介して第4ヒートシンク94が設けられている。第4ヒートシンク94は、扁平形状をなしている。第4ヒートシンク94の一対の平坦面のうち、第2ターミナル95bが設けられている側とは反対側は、封止樹脂体96の第1面に露出しており、放熱面とされている。
A
ドレイン電極81の一対の平坦面のうち、ローサイドスイッチSWLが設けられている側とは反対側には、はんだ97dを介して第3ヒートシンク93が設けられている。第3ヒートシンク93は、扁平形状をなしている。第3ヒートシンク93には出力端子63が接続されている。第3ヒートシンク93の一対の平坦面のうち、ドレイン電極81が設けられている側とは反対側は、封止樹脂体96の第2面に露出しており、放熱面とされている。第3ヒートシンク93及び第4ヒートシンク94により、ドレイン電極81、ローサイドスイッチSWL、ソース電極80及び第2ターミナル95bが挟まれている。
A
第3ヒートシンク93は、その端部から延びる延出部93aを有している。第2ヒートシンク92は、その端部から延びる延出部92aを有している。各延出部93a,92aは、はんだ97gを介して電気的に接続されている。
The
図7に示すように、冷却器100は、導電性かつ熱伝導率が高い材料(例えばアルミニウム)で構成されており、冷却流体を導入する導入管101a、冷却流体を外部へと導出する導出管101b及び複数の冷却プレートを備えている。本実施形態では、複数の冷却プレートとして、第1冷却プレート102a及び第2冷却プレート102bが設けられている。各冷却プレート102a,102bは、導入管101a及び導出管101bを連結する部材である。導入管101aを流れる冷却流体は、各冷却プレート102a,102bを介して導出管101bへと流出する。半導体モジュール60の第1面(封止樹脂体96の第1面)は、電気的絶縁性を有する第1絶縁シート103a(絶縁層に相当)を介して第1冷却プレート102a(第1冷却面に相当)に押し当てられている。半導体モジュール60の第2面(封止樹脂体96の第2面)は、電気的絶縁性を有する第2絶縁シート103b(絶縁層に相当)を介して第2冷却プレート102b(第2冷却面に相当)に押し当てられている。これにより、第1冷却プレート102a及び第2冷却プレート102bの間に、半導体モジュール60が挟まれている。その結果、半導体モジュール60が冷却される。
As shown in FIG. 7, the cooler 100 is made of a material having high conductivity and high thermal conductivity (eg, aluminum), and has an introduction pipe 101a for introducing a cooling fluid, and an extraction pipe for leading the cooling fluid to the outside. 101b and a plurality of cooling plates. In the present embodiment, a
ハイサイドスイッチSWHのソース電極70は、第2ヒートシンク92及び第1絶縁シート103aを介して導電性の第1冷却プレート102aに対向配置されている。これにより、第1冷却プレート102aと第2ヒートシンク92との間に第1中間浮遊容量51が形成されている。
The source electrode 70 of the high-side switch SWH is disposed to face the conductive
ローサイドスイッチSWLのソース電極80は、第4ヒートシンク94及び第2絶縁シート103bを介して導電性の第2冷却プレート102bに対向配置されている。これにより、第2冷却プレート102bと第4ヒートシンク94との間にローサイド浮遊容量53が形成されている。
The source electrode 80 of the low-side switch SWL is disposed to face the conductive
ハイサイドスイッチSWHのドレイン電極71は、第1ヒートシンク91及び第2絶縁シート103bを介して第2冷却プレート102bに対向配置されている。これにより、第2冷却プレート102bと第1ヒートシンク91との間にハイサイド浮遊容量50が形成されている。
The
ローサイドスイッチSWLのドレイン電極81は、第3ヒートシンク93及び第2絶縁シート103bを介して第2冷却プレート102bに対向配置されている。これにより、第2冷却プレート102bと第3ヒートシンク93との間に第2中間浮遊容量52が形成されている。
The
本実施形態では、各インダクタンスLp,Ln及び各浮遊容量Cp,Coh,Con,Cnの設定手法に特徴がある。以下、図8及び図9を用いて設定手法について説明する。 The present embodiment is characterized by a method of setting the inductances Lp and Ln and the stray capacitances Cp, Coh, Con and Cn. Hereinafter, the setting method will be described with reference to FIGS.
図8に、ハイサイドスイッチSWHがオフ操作されている場合において、ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられてハイサイドダイオード素子SDHにリカバリ電流が流れるときの電力変換装置の等価回路を示す。この等価回路では、ハイサイドダイオード素子SDHがリカバリ電流を発生させる電源として記載されている。ローサイドスイッチSWLは、リカバリ電流に対して低抵抗な導体として機能するため、その記載が省略されている。同様に、コンデンサ10もリカバリ電流に対して導体として機能するため、その記載が省略されている。
FIG. 8 shows an equivalent circuit of the power conversion device when the high-side switch SWH is turned off and the low-side switch SWL is turned on so that a recovery current flows through the high-side diode element SDH. In this equivalent circuit, the high-side diode element SDH is described as a power supply for generating a recovery current. Since the low-side switch SWL functions as a conductor having low resistance to the recovery current, its description is omitted. Similarly, since the
冷却器100とコンデンサ10とは、インピーダンスZc及びグランドを介して接続されている。このため、リカバリ電流によりコンデンサ10に発生する電位が接地電位と異なる場合には、発生したリカバリ電流の一部がインピーダンスZcを介して流れる。つまり、リカバリ電流の一部が電力変換装置の外部に漏洩してノイズとなり得る。なお、インピーダンスZcは、グランドとコンデンサ10との間のインピーダンスである。
The cooler 100 and the
ノイズを抑制するために、平衡度を適正な値に調整する。本実施形態では、第1平衡度BHを下式(eq1)のように定義する。 Adjust the balance to an appropriate value to suppress noise. In the present embodiment, the first equilibrium degree BH is defined as in the following equation (eq1).
本実施形態では、リカバリ電流が流れる要因となるハイサイドにハイサイドダイオード素子SDHが設けられている。また、ハイサイドに対応する第1平衡度BHが1又は1に近い値に設定されている。1に近い値とは、例えば0.8〜1.2である。これにより、ノイズ電流(コモンモード電流)を抑制することができる。 In the present embodiment, the high side diode element SDH is provided on the high side where the recovery current flows. Further, the first balance degree BH corresponding to the high side is set to 1 or a value close to 1. The value close to 1 is, for example, 0.8 to 1.2. Thereby, noise current (common mode current) can be suppressed.
なお、第1平衡度BHが1に近いほどノイズ電流を抑制できるのは、ノイズ電流が「Lp×Cp−Ln×(Coh+Con+Cn)」の絶対値に比例するためである。また、第2平衡度BLが1に近いほどノイズ電流を抑制できるのは、ノイズ電流が「Lp×(Coh+Con+Cp)−Ln×Cn」の絶対値に比例するためである。 The reason why the noise current can be suppressed as the first degree of balance BH is closer to 1 is that the noise current is proportional to the absolute value of “Lp × Cp−Ln × (Coh + Con + Cn)”. The reason why the noise current can be suppressed as the second degree of balance BL is closer to 1 is that the noise current is proportional to the absolute value of “Lp × (Coh + Con + Cp) −Ln × Cn”.
<第3実施形態>
以下、第3実施形態について、第2実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図11に示すように、負極側導体20Lと中間導体20Mとの間に負荷30が接続されている。なお、図11において、先の図4に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
<Third embodiment>
Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the second embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 11, a
本実施形態では、ハイサイドスイッチSWHに代えて、ローサイドスイッチSWLに、Siで構成されたダイオード素子であるローサイドダイオード素子SDLが逆並列接続されている。ローサイドダイオード素子SDLは、シリコンダイオードである。 In the present embodiment, instead of the high-side switch SWH, the low-side switch SWL is connected in reverse parallel to the low-side diode element SDL, which is a diode element made of Si. The low-side diode element SDL is a silicon diode.
制御部40は、ローサイドスイッチSWLを常時オフ操作し、ハイサイドスイッチSWHをオンオフ操作する。このため、ローサイドスイッチSWLがオフ操作されている場合において、ハイサイドスイッチSWHがオン操作に切り替えられるときにローサイドダイオード素子SDLにリカバリ電流が流れる。ローサイドダイオード素子SDLは、上述したハイサイドダイオード素子SDHと同様の特性を有している。このため、ローサイドダイオード素子SDLにリカバリ電流が流れる場合であっても、電流のリンギングを抑制することができる。
The
なお、本実施形態では、ローサイドに対応する第2平衡度BLが1又は1に近い値に設定されている。1に近い値とは、例えば0.8〜1.2である。これにより、ノイズ電流を抑制することができる。 In the present embodiment, the second balance BL corresponding to the low side is set to 1 or a value close to 1. The value close to 1 is, for example, 0.8 to 1.2. Thereby, the noise current can be suppressed.
<第4実施形態>
以下、第4実施形態について、第3実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、半導体モジュール60の第1,第2面のうち、第2面側のみ冷却器100により冷却される片面冷却とされている。片面冷却は、例えば、先の図6において、第1ヒートシンク91及び第3ヒートシンク93が設けられていないことにより実現される。片面冷却のため、図12に示すように、第1中間浮遊容量51及びローサイド浮遊容量53が形成されていない。図12において、先の図11に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
<Fourth embodiment>
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the third embodiment. In the present embodiment, of the first and second surfaces of the
図13に、ハイサイドスイッチSWHがオフ操作されている場合において、ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられてハイサイドボディダイオードBDHにリカバリ電流が流れるときの等価回路を示す。本実施形態では、第1平衡度BHが下式(eq3)のように表される。 FIG. 13 shows an equivalent circuit when the high-side switch SWH is turned off and the low-side switch SWL is turned on to allow a recovery current to flow through the high-side body diode BDH. In the present embodiment, the first equilibrium degree BH is represented by the following equation (eq3).
<第5実施形態>
以下、第5実施形態について、第4実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図15に示すように、半導体モジュール60の第1,第2面のうち第2面側のみが冷却器100により冷却される片面冷却の構成において、第2中間浮遊容量52に代えてローサイド浮遊容量53が形成されている。これは、ローサイドスイッチSWLに対するソース電極80とドレイン電極81との位置関係が図6に示すものとは逆になっているためである。なお、この場合、第3ヒートシンク93と第2ヒートシンク92とは延出部93a等を介して接続されていない。
<Fifth embodiment>
Hereinafter, the fifth embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the fourth embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 15, in the single-side cooling configuration in which only the second surface side of the first and second surfaces of the
以上説明した本実施形態によれば、第4実施形態と同様の効果を得ることができる。 According to the present embodiment described above, the same effects as in the fourth embodiment can be obtained.
<第6実施形態>
以下、第6実施形態について、第3実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図16に示すように、電力変換装置は、ハイサイドスイッチSWHのドレインと冷却器100とを接続する第1コンデンサ54Aと、ローサイドスイッチSWLのソースと冷却器100とを接続する第2コンデンサ54Bとを備えている。第1コンデンサ54A及び第2コンデンサ54Bは、受動素子である。図16において、先の図12に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
<Sixth embodiment>
Hereinafter, the sixth embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the third embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 16, the power converter connects the first capacitor 54A that connects the drain of the high-side switch SWH to the cooler 100, and connects the source of the low-side switch SWL to the cooler 100. A second capacitor 54B. The first capacitor 54A and the second capacitor 54B are passive elements. 16, the same components as those shown in FIG. 12 are given the same reference numerals for convenience.
本実施形態において、第1平衡度BHは下式(eq4)のように表され、第2平衡度BLは下式(eq5)のように表される。 In the present embodiment, the first degree of balance BH is represented by the following equation (eq4), and the second degree of balance BL is represented by the following equation (eq5).
なお、受動素子のコンデンサは、ハイサイドスイッチSWHのドレインと冷却器100との間、ハイサイドスイッチSWHのソースと冷却器100との間、ローサイドスイッチSWLのドレインと冷却器100との間、及びローサイドスイッチSWLのソースと冷却器100との間のうち、少なくとも1つに設けられていてもよい。 The capacitors of the passive elements are provided between the drain of the high-side switch SWH and the cooler 100, between the source of the high-side switch SWH and the cooler 100, between the drain of the low-side switch SWL and the cooler 100, and It may be provided in at least one of between the source of the low-side switch SWL and the cooler 100.
また、浮遊容量を形成することなく、浮遊容量に代えて受動素子のコンデンサが設けられていてもよい。 Further, a passive element capacitor may be provided instead of the floating capacitance without forming the floating capacitance.
<第7実施形態>
以下、第7実施形態について、第2実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図17に示すように、電力変換装置として3相インバータが用いられている。なお、図17において、先の図4等に示した構成と同一の構成又は対応する構成については、便宜上、同一の符号を付している。
<Seventh embodiment>
Hereinafter, the seventh embodiment will be described with reference to the drawings, focusing on differences from the second embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 17, a three-phase inverter is used as a power converter. Note that, in FIG. 17, the same or corresponding components as those illustrated in FIG. 4 and the like are denoted by the same reference numerals for convenience.
制御システムは、インバータ及び回転電機31を備えている。回転電機31の各相の巻線32は、インバータを介してコンデンサ10に電気的に接続されている。本実施形態では、回転電機31として、3相のものを用いている。回転電機31は、3相分の巻線32を備えている。回転電機31は、例えば永久磁石同期機である。
The control system includes an inverter and a rotating
インバータの各相のハイサイドスイッチSWHのドレインには、正極側導体21Hを介してコンデンサ10の正極側が接続されている。インバータの各相のローサイドスイッチSWLのソースには、負極側導体20Lを介してコンデンサ10の負極側が接続されている。ハイサイドスイッチSWHのソースと、ローサイドスイッチSWLのドレインとは、中間導体21Mを介して接続されている。中間導体21Mには、巻線32の一端が接続されている。
The positive side of the
制御部40は、回転電機31の制御量をその指令値に制御すべく、各相のスイッチSWH,SWLを操作する。制御量は、例えばトルクである。インバータの各相において、ハイサイドスイッチSWHとローサイドスイッチSWLとは、デッドタイムを挟みつつ交互にオン操作される。
The
本実施形態では、ローサイドスイッチSWLにローサイドダイオード素子SDLが逆並列接続されている。 In the present embodiment, the low-side diode element SDL is connected in anti-parallel to the low-side switch SWL.
続いて、本実施形態のローサイドダイオード素子SDLの効果について説明する。 Subsequently, the effect of the low-side diode element SDL of the present embodiment will be described.
図18に、インバータから巻線32に向かう方向に巻線32に電流が流れる場合を示す。 FIG. 18 shows a case where a current flows through winding 32 in a direction from the inverter to winding 32.
図18(a)に示すように、ハイサイドスイッチSWHがオン操作され、ローサイドスイッチSWLがオフ操作されている。このため、コンデンサ10の正極側からハイサイドスイッチSWHを介して巻線32へと電流が流れる。
As shown in FIG. 18A, the high-side switch SWH is turned on and the low-side switch SWL is turned off. Therefore, current flows from the positive electrode side of the
図18(b)に示すように、その後ハイサイドスイッチSWHがオフ操作に切り替えられる。この場合、ローサイドダイオード素子SDLに順方向電流が流れる。 As shown in FIG. 18B, the high-side switch SWH is thereafter switched to the off operation. In this case, a forward current flows through the low-side diode element SDL.
図18(c)に示すように、その後ハイサイドスイッチSWHがオン操作に切り替えられる。これにより、ローサイドダイオード素子SDLに逆電圧が印加され、ローサイドダイオード素子SDLにリカバリ電流が流れる。リカバリ電流が流れるものの、ローサイドダイオード素子SDLの特性により、リンギングを抑制することができる。 Then, as shown in FIG. 18C, the high-side switch SWH is switched to the ON operation. As a result, a reverse voltage is applied to the low-side diode element SDL, and a recovery current flows through the low-side diode element SDL. Although the recovery current flows, ringing can be suppressed by the characteristics of the low-side diode element SDL.
本実施形態では、図18(c)に示すように、制御部40は、ローサイドダイオード素子SDLにリカバリ電流が流れている期間において、ローサイドスイッチSWLのオン操作を禁止する禁止処理を行う。リカバリ電流が流れている期間においてローサイドスイッチSWLがオン操作されると、リカバリ電流がローサイドダイオード素子SDLではなくローサイドスイッチSWLに流れてしまい、リンギングの抑制効果を得られなくなる。このため、禁止処理によれば、リンギングを的確に抑制することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 18C, the
図19に、巻線32からインバータに向かう方向に巻線32に電流が流れる場合を示す。 FIG. 19 shows a case where current flows through winding 32 in a direction from winding 32 to the inverter.
図19(a)に示すように、ハイサイドスイッチSWHがオフ操作され、ローサイドスイッチSWLがオン操作されている。このため、巻線32からローサイドスイッチSWLへと電流が流れる。 As shown in FIG. 19A, the high-side switch SWH is turned off and the low-side switch SWL is turned on. Therefore, a current flows from the winding 32 to the low-side switch SWL.
図19(b)に示すように、その後ローサイドスイッチSWLがオフ操作に切り替えられる。この場合、ハイサイドボディダイオードBDHに順方向電流が流れる。 As shown in FIG. 19B, the low-side switch SWL is then switched to the off operation. In this case, a forward current flows through the high-side body diode BDH.
図19(c)に示すように、その後ローサイドスイッチSWLがオン操作に切り替えられる。これにより、ハイサイドボディダイオードBDHに逆電圧が印加され、ハイサイドボディダイオードBDHにリカバリ電流が流れる。 As shown in FIG. 19C, the low-side switch SWL is thereafter switched to the ON operation. As a result, a reverse voltage is applied to the high-side body diode BDH, and a recovery current flows through the high-side body diode BDH.
ここで、本実施形態では、第2実施形態と同様に、ハイサイドスイッチSWHのドレインと冷却器100との間にハイサイド浮遊容量50が形成され、ハイサイドスイッチSWHのソースと冷却器100との間に第1中間浮遊容量51が形成されている。また、ローサイドスイッチSWLのドレインと冷却器100との間に第2中間浮遊容量52が形成され、ローサイドスイッチSWLのソースと冷却器100との間にローサイド浮遊容量53が形成されている。そして、各相において、上式(eq1)で表される第1平衡度BHが、上式(eq2)で表される第2平衡度BLよりも1に近くなるように、各インダクタンスLp,Ln及び各容量値Cp,Coh,Con,Cnが設定されている。各相において、Lpは、正極側導体21Hにおいて、コンデンサ10の正極端子との接続点からハイサイドスイッチSWHのドレインとの接続点までの導体のインダクタンスである。このため、各相に対応したインダクタンスLpは相違し得る。また、各相において、Lnは、負極側導体21Lにおいて、コンデンサ10の負極端子との接続点からローサイドスイッチSWLのソースとの接続点までの導体のインダクタンスである。このため、各相に対応したインダクタンスLnは相違し得る。これにより、ハイサイドスイッチSWHに新たにダイオード素子を設けることなく、外部に放出されるノイズ電流を低減することができる。
Here, in the present embodiment, as in the second embodiment, a high-side
ちなみに、ローサイドスイッチSWLに代えて、ハイサイドスイッチSWHにハイサイドダイオード素子SDHが逆並列接続される構成を採用することもできる。この場合、制御部40は、ハイサイドダイオード素子SDHにリカバリ電流が流れている期間において、ハイサイドスイッチSWHのオン操作を禁止する禁止処理を行う。また、各相において、上式(eq2)で表される第2平衡度BLが、上式(eq1)で表される第1平衡度BHよりも1に近くなるように、各インダクタンスLp,Ln及び各容量値Cp,Coh,Con,Cnが設定されている。
Incidentally, a configuration in which the high-side diode element SDH is connected in anti-parallel to the high-side switch SWH instead of the low-side switch SWL can be adopted. In this case, the
これにより、ローサイドスイッチSWLに新たにダイオード素子を設けることなく、外部に放出されるノイズ電流を低減することができる。 This makes it possible to reduce the noise current emitted to the outside without providing a new diode element in the low-side switch SWL.
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
<Other embodiments>
The above embodiments may be modified and implemented as follows.
・第2〜第7実施形態において、スイッチに逆並列接続されるダイオード素子が複数であってもよい。 In the second to seventh embodiments, a plurality of diode elements may be connected in anti-parallel to the switch.
・半導体モジュールとしては、ハイサイドスイッチSWH及びローサイドスイッチSWLの双方が内蔵されているものに限らず、いずれか一方のスイッチのみが内蔵されているものであってもよい。 The semiconductor module is not limited to the one in which both the high-side switch SWH and the low-side switch SWL are incorporated, but may be one in which only one of the switches is incorporated.
・ダイオード素子としては、ボディダイオードにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数よりも、自身にリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数が低くなる特性を有するナローバンドギャップ半導体で構成されたものであれば、シリコンダイオード以外のダイオード素子であってもよい。 ・ As a diode element, the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current is lower than the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current through the body diode. A diode element other than a silicon diode may be used as long as it is formed of a narrow band gap semiconductor having the following.
・電力変換装置を構成するハイサイド,ローサイドスイッチのそれぞれとしては、1つのスイッチに限らず、互いに並列接続された複数のスイッチであってもよい。また、電力変換装置を構成するスイッチとしては、SiCで構成されたMOSFETに限らず、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたスイッチであれば、他のスイッチであってもよい。 -Each of the high side and the low side switch which comprise a power converter is not limited to one switch, but may be a plurality of switches connected in parallel with each other. Further, the switches constituting the power converter are not limited to MOSFETs composed of SiC, but may be other switches as long as they are composed of wide band gap semiconductors.
・ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチのうち、ダイオード素子が逆並列接続されている方のスイッチとしては、構造上可能であるなら、ボディダイオードを有していないものであってもよい。 The switch in which the diode element is connected in anti-parallel between the high-side switch and the low-side switch may not have a body diode if it is structurally possible.
・電力変換装置としては、図17に示した3相のインバータに限らず、相数分のハイサイド,ローサイドスイッチの直列接続体を備える2相のインバータ、又は4相以上のインバータであってもよい。例えば、2相の場合、互いに直列接続された1組目のハイサイド,ローサイドスイッチの接続点と、互いに直列接続された2組目のハイサイド,ローサイドスイッチの接続点とが、誘導性負荷(例えば巻線)を介して接続されることとなる。 The power converter is not limited to the three-phase inverter shown in FIG. 17, but may be a two-phase inverter having a series connection of high-side and low-side switches for the number of phases, or a four-phase inverter or more. Good. For example, in the case of two phases, the connection point of the first pair of high-side and low-side switches connected in series to each other and the connection point of the second pair of high-side and low-side switches connected in series to each other are inductive loads ( (For example, a winding).
また、電力変換装置としては、図1の構成、又は図17に示した直流交流変換装置に限らず、例えば、昇圧機能及び降圧機能のうち少なくとも一方の機能(変圧機能)を有するDCDCコンバータであってもよい。 Further, the power converter is not limited to the configuration of FIG. 1 or the DC-AC converter shown in FIG. 17, but may be, for example, a DCDC converter having at least one of a step-up function and a step-down function (transformation function). You may.
SWH…ハイサイドスイッチ、SWL…ローサイドスイッチ、BDH…ハイサイドボディダイオード、BDL…ローサイドボディダイオード、SDH…ハイサイドダイオード素子。 SWH: High side switch, SWL: Low side switch, BDH: High side body diode, BDL: Low side body diode, SDH: High side diode element.
Claims (13)
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち一方のスイッチのみに逆並列接続され、ナローバンドギャップ半導体で構成されたダイオード素子(SDH,SDL)を備え、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのうち、前記ダイオード素子が並列接続されていない方のスイッチには、ボディダイオード(BDH,BDL)が形成されており、
前記ダイオード素子は、前記ボディダイオードにリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数よりも、自身にリカバリ電流が流れることに起因して発生する電流のリンギングの周波数が低くなる特性を有する電力変換装置。 In a power converter including a high-side switch (SWH) made of a wide band gap semiconductor and a low-side switch (SWL) made of a wide band gap semiconductor,
A diode element (SDH, SDL) that is connected in anti-parallel to only one of the high-side switch and the low-side switch and is made of a narrow band gap semiconductor;
Of the high-side switch and the low-side switch, the switch to which the diode element is not connected in parallel has a body diode (BDH, BDL) formed therein.
The diode element is characterized in that the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current is lower than the frequency of the ringing of the current caused by the flow of the recovery current through the body diode. A power converter having:
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源(10)の正極側との間を接続する正極側導体(20H)と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体(20L)と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体(100)との間に形成される容量成分である高電位容量成分(50,54A)の容量値をCHとし、
前記ハイサイドスイッチの低電位側端子から前記ローサイドスイッチの高電位側端子までの電気経路と、前記接地導体との間に形成される容量成分である中間容量成分(51,52)の容量値をCMとし、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と、前記接地導体との間に形成される容量成分である低電位容量成分(53,54B)の容量値をCLとし、
(Lp/Ln)×{CH/(CM+CL)}を第1平衡度(BH)とし、
(Lp/Ln)×{(CM+CH)/CL}を第2平衡度(BL)とする場合、前記第2平衡度が前記第1平衡度よりも1に近い請求項1に記載の電力変換装置。 The diode element (SDH) is connected in anti-parallel to only the high-side switch of the high-side switch and the low-side switch;
A positive-electrode-side conductor (20H) connecting between a high-potential-side terminal of the high-side switch and a positive-electrode side of the DC power supply (10);
A negative-side conductor (20L) connecting between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
The capacitance value of the high-potential capacitance component (50, 54A), which is a capacitance component formed between the high-potential-side terminal of the high-side switch and the ground conductor (100), is CH;
The capacitance value of an intermediate capacitance component (51, 52), which is a capacitance component formed between an electric path from the low potential side terminal of the high side switch to the high potential side terminal of the low side switch and the ground conductor, CM
CL is a capacitance value of a low-potential capacitance component (53, 54B) which is a capacitance component formed between the low-potential-side terminal of the low-side switch and the ground conductor;
(Lp / Ln) × {CH / (CM + CL)} is the first equilibrium degree (BH),
2. The power converter according to claim 1, wherein when (Lp / Ln) × {(CM + CH) / CL} is the second balance (BL), the second balance is closer to 1 than the first balance. 3. .
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源(10)の正極側との間を接続する正極側導体(20H)と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体(20L)と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体(100)との間に形成される容量成分である高電位容量成分(50,54A)の容量値をCHとし、
前記ハイサイドスイッチの低電位側端子から前記ローサイドスイッチの高電位側端子までの電気経路と、前記接地導体との間に形成される容量成分である中間容量成分(51,52)の容量値をCMとし、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と、前記接地導体との間に形成される容量成分である低電位容量成分(53,54B)の容量値をCLとし、
(Lp/Ln)×{CH/(CM+CL)}を第1平衡度(BH)とし、
(Lp/Ln)×{(CM+CH)/CL}を第2平衡度(BL)とする場合、前記第1平衡度が前記第2平衡度よりも1に近い請求項1に記載の電力変換装置。 The diode element (SDL) is connected in anti-parallel to only the low-side switch of the high-side switch and the low-side switch;
A positive-electrode-side conductor (20H) connecting between a high-potential-side terminal of the high-side switch and a positive-electrode side of the DC power supply (10);
A negative-side conductor (20L) connecting between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
The capacitance value of the high-potential capacitance component (50, 54A), which is a capacitance component formed between the high-potential-side terminal of the high-side switch and the ground conductor (100), is CH;
The capacitance value of an intermediate capacitance component (51, 52), which is a capacitance component formed between an electric path from the low potential side terminal of the high side switch to the high potential side terminal of the low side switch and the ground conductor, CM
CL is a capacitance value of a low-potential capacitance component (53, 54B) which is a capacitance component formed between the low-potential-side terminal of the low-side switch and the ground conductor;
(Lp / Ln) × {CH / (CM + CL)} is the first equilibrium degree (BH),
The power converter according to claim 1, wherein when (Lp / Ln) × {(CM + CH) / CL} is the second balance (BL), the first balance is closer to 1 than the second balance. .
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのそれぞれは、対向する一対の平坦面を有し、
前記ハイサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極(71)が設けられ、他方の面には前記ハイサイドスイッチの低電位側端子の電極(70)が設けられており、
前記ローサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ローサイドスイッチの高電位側端子の電極(81)が設けられ、他方の面には前記ローサイドスイッチの低電位側端子の電極(80)が設けられており、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチそれぞれの低電位側端子の電極は、絶縁層(103a)を介して前記第1冷却面に対向配置されており、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチそれぞれの高電位側端子の電極は、絶縁層(103b)を介して前記第2冷却面に対向配置されており、
前記高電位容量成分は、前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極と前記第2冷却面との間に形成された浮遊容量(50)で構成されており、
前記中間容量成分は、前記ハイサイドスイッチの低電位側端子の電極と前記第1冷却面との間、及び前記ローサイドスイッチの高電位側端子の電極と前記第2冷却面との間のうち、少なくとも一方に形成された浮遊容量で構成されており、
前記低電位容量成分は、前記ローサイドスイッチの低電位側端子の電極と前記第1冷却面との間に形成された浮遊容量(53)で構成されている請求項2又は3に記載の電力変換装置。 The ground conductor is a cooler (100) having a pair of a first cooling surface (102a) and a second cooling surface (102b) provided at opposing positions,
Each of the high side switch and the low side switch has a pair of opposed flat surfaces,
Of the pair of flat surfaces of the high side switch, one surface is provided with an electrode (71) of a high potential side terminal of the high side switch, and the other surface is provided with a low potential side terminal of the high side switch. An electrode (70) is provided;
Of the pair of flat surfaces of the low side switch, one surface is provided with an electrode (81) of a high potential side terminal of the low side switch, and the other surface is provided with an electrode (80) of a low potential side terminal of the low side switch. ) Is provided,
The electrode of the low-potential side terminal of each of the high-side switch and the low-side switch is disposed to face the first cooling surface via an insulating layer (103a).
The electrode of the high-potential-side terminal of each of the high-side switch and the low-side switch is disposed to face the second cooling surface via an insulating layer (103b).
The high-potential capacitance component includes a stray capacitance (50) formed between an electrode of a high-potential-side terminal of the high-side switch and the second cooling surface,
The intermediate capacitance component is between an electrode of a low potential side terminal of the high side switch and the first cooling surface, and between an electrode of a high potential side terminal of the low side switch and the second cooling surface. It is composed of stray capacitance formed on at least one side,
4. The power converter according to claim 2, wherein the low-potential capacitance component is configured by a stray capacitance (53) formed between an electrode of a low-potential side terminal of the low-side switch and the first cooling surface. 5. apparatus.
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源(10)の正極側との間を接続する正極側導体(20H)と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体(20L)と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体(100)との間に形成される容量成分である高電位容量成分(50)の容量値をCHとし、
前記ハイサイドスイッチの低電位側端子から前記ローサイドスイッチの高電位側端子までの電気経路と、前記接地導体との間に形成される容量成分である中間容量成分(52)の容量値をCMとし、
(Lp/Ln)×(CH/CM)を平衡度とする場合、平衡度が1又は1に近い値にされている請求項1に記載の電力変換装置。 The diode element (SDL) is connected in anti-parallel to only the low-side switch of the high-side switch and the low-side switch;
A positive-electrode-side conductor (20H) connecting between a high-potential-side terminal of the high-side switch and a positive-electrode side of the DC power supply (10);
A negative-side conductor (20L) connecting between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
The capacitance value of the high-potential capacitance component (50), which is a capacitance component formed between the high-potential-side terminal of the high-side switch and the ground conductor (100), is CH;
The capacitance value of an intermediate capacitance component (52), which is a capacitance component formed between the electric path from the low potential side terminal of the high side switch to the high potential side terminal of the low side switch and the ground conductor, is denoted by CM. ,
2. The power converter according to claim 1, wherein when (Lp / Ln) × (CH / CM) is the balance, the balance is 1 or a value close to 1. 3.
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのそれぞれは、対向する一対の平坦面を有し、
前記ハイサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極(71)が設けられ、他方の面には前記ハイサイドスイッチの低電位側端子の電極(70)が設けられており、
前記ローサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ローサイドスイッチの高電位側端子の電極(81)が設けられ、他方の面には前記ローサイドスイッチの低電位側端子の電極(80)が設けられており、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチそれぞれの高電位側端子の電極は、絶縁層(103b)を介して前記冷却面に対向配置されており、
前記高電位容量成分は、前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極と前記冷却面との間に形成された浮遊容量(50)で構成されており、
前記中間容量成分は、前記ローサイドスイッチの高電位側端子の電極と前記冷却面との間に形成された浮遊容量(52)で構成されている請求項6に記載の電力変換装置。 The ground conductor is a cooler (100) having a cooling surface for cooling the high-side switch and the low-side switch;
Each of the high side switch and the low side switch has a pair of opposed flat surfaces,
Of the pair of flat surfaces of the high side switch, one surface is provided with an electrode (71) of a high potential side terminal of the high side switch, and the other surface is provided with a low potential side terminal of the high side switch. An electrode (70) is provided;
Of the pair of flat surfaces of the low side switch, one surface is provided with an electrode (81) of a high potential side terminal of the low side switch, and the other surface is provided with an electrode (80) of a low potential side terminal of the low side switch. ) Is provided,
The electrode of the high potential side terminal of each of the high side switch and the low side switch is disposed to face the cooling surface via an insulating layer (103b),
The high-potential capacitance component is constituted by a stray capacitance (50) formed between an electrode of a high-potential-side terminal of the high-side switch and the cooling surface,
The power converter according to claim 6, wherein the intermediate capacitance component is configured by a stray capacitance (52) formed between an electrode of a high-potential terminal of the low-side switch and the cooling surface.
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と直流電源(10)の正極側との間を接続する正極側導体(20H)と、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と前記直流電源の負極側との間を接続する負極側導体(20L)と、を備え、
前記正極側導体のインダクタンスをLpとし、
前記負極側導体のインダクタンンスをLnとし、
前記ハイサイドスイッチの高電位側端子と、接地導体(100)との間に形成される容量成分である高電位容量成分(50)の容量値をCHとし、
前記ローサイドスイッチの低電位側端子と、前記接地導体との間に形成される容量成分である低電位容量成分(52)の容量値をCLとし、
(Lp/Ln)×(CH/CL)を平衡度とする場合、平衡度が1又は1に近い値にされている請求項1に記載の電力変換装置。 The diode element (SDL) is connected in anti-parallel to only one of the high-side switch and the low-side switch,
A positive-electrode-side conductor (20H) connecting between a high-potential-side terminal of the high-side switch and a positive-electrode side of the DC power supply (10);
A negative-side conductor (20L) connecting between a low-potential side terminal of the low-side switch and a negative side of the DC power supply;
Let Lp be the inductance of the positive conductor,
Let Ln be the inductance of the negative conductor,
The capacitance value of the high-potential capacitance component (50), which is a capacitance component formed between the high-potential-side terminal of the high-side switch and the ground conductor (100), is CH;
A capacitance value of a low-potential capacitance component (52), which is a capacitance component formed between the low-potential-side terminal of the low-side switch and the ground conductor, is denoted by CL;
2. The power converter according to claim 1, wherein when (Lp / Ln) × (CH / CL) is the balance, the balance is 1 or a value close to 1. 3.
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのそれぞれは、対向する一対の平坦面を有し、
前記ハイサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極(71)が設けられ、他方の面には前記ハイサイドスイッチの低電位側端子の電極(70)が設けられており、
前記ローサイドスイッチの一対の平坦面のうち、一方の面には前記ローサイドスイッチの高電位側端子の電極(81)が設けられ、他方の面には前記ローサイドスイッチの低電位側端子の電極(80)が設けられており、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチそれぞれの高電位側端子の電極は、絶縁層を介して前記冷却面に対向配置されており、
前記高電位容量成分は、前記ハイサイドスイッチの高電位側端子の電極と前記冷却面との間に形成された浮遊容量(50)で構成されており、
前記低電位容量成分は、前記ローサイドスイッチの低電位側端子の電極と前記冷却面との間に形成された浮遊容量(53)で構成されている請求項9に記載の電力変換装置。 The ground conductor is a cooler (100) having a cooling surface for cooling the high-side switch and the low-side switch;
Each of the high side switch and the low side switch has a pair of opposed flat surfaces,
Of the pair of flat surfaces of the high side switch, one surface is provided with an electrode (71) of a high potential side terminal of the high side switch, and the other surface is provided with a low potential side terminal of the high side switch. An electrode (70) is provided;
Of the pair of flat surfaces of the low side switch, one surface is provided with an electrode (81) of a high potential side terminal of the low side switch, and the other surface is provided with an electrode (80) of a low potential side terminal of the low side switch. ) Is provided,
The electrodes of the high-side switch and the high-potential-side terminal of each of the low-side switches are arranged to face the cooling surface via an insulating layer,
The high-potential capacitance component is constituted by a stray capacitance (50) formed between an electrode of a high-potential-side terminal of the high-side switch and the cooling surface,
The power converter according to claim 9, wherein the low-potential capacitance component is configured by a stray capacitance (53) formed between an electrode of a low-potential-side terminal of the low-side switch and the cooling surface.
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WO2023228739A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Electric power conversion circuit device |
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