JP2020061857A - スイッチの駆動回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、スイッチング損失を低減できるスイッチの駆動回路を提供する。【解決手段】駆動回路50は、互いに並列接続された第1,第2スイッチSWA,SWBを駆動する。駆動回路50は、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち、オン駆動対象とするスイッチのみをオン状態に切り替える第1,第2充電スイッチ61A,61B及び第1,第2ダイオード71A,71Bを備えている。駆動回路50は、第1,第2スイッチSWA,SWBのゲートに接続された第1,第2個別放電経路LDA,LDBと、第1,第2個別放電抵抗体70A,70Bと、共通放電経路LDTと、共通放電抵抗体72とを備えている。【選択図】 図2

Description

本発明は、スイッチの駆動回路に関する。
従来、特許文献1に見られるように、互いに並列接続された第1,第2スイッチを駆動するスイッチの駆動回路が知られている。駆動回路は、第1,第2スイッチの中から、オン駆動対象とするスイッチを選択してオンオフする。
特開2016−146717号公報
特許文献1に記載の駆動回路では、第1,第2スイッチのうちいずれか一方のスイッチのみがオン駆動対象とされる場合、スイッチング損失を十分に低減させることができない懸念がある。
本発明は、スイッチング損失を低減できるスイッチの駆動回路を提供することを主たる目的とする。
本発明は、互いに並列接続された複数のスイッチを駆動するスイッチの駆動回路において、前記各スイッチのうち、オン駆動対象とするスイッチのみをオン状態に切り替える切替部と、前記各スイッチに対応して設けられ、前記スイッチのゲートに接続された個別経路と、前記各個別経路に設けられた個別抵抗体と、前記各個別経路のうち前記個別抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側に接続された共通経路と、前記共通経路に設けられた共通抵抗体と、を備える。
本発明では、切替部により、各スイッチのうち、オン駆動対象とするスイッチのみをオン状態に切り替えることができる。
ここで、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が大きい場合、小さい場合よりもオン駆動対象とするスイッチの数が多くなる構成が採用され得る。この場合において、スイッチに流れる電流が大きいほど、駆動状態が切り替えられるときのスイッチに流れる電流の変化速度が高くなり、発生するサージ電圧が大きくなる。サージ電圧が大きいと、スイッチにかかる電圧がその許容上限値を超えてしまう懸念がある。このため、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が大きい場合、小さい場合よりもスイッチング速度を低下させる必要がある。
ここで、本発明では、各個別経路に個別抵抗体が設けられるとともに、共通経路に共通抵抗体が設けられている。共通抵抗体が設けられていることにより、オン駆動対象とするスイッチの数が多いほど、ゲートの充電電流又は放電電流が共通抵抗体を流れにくくなり、スイッチング速度が低くなる。一方、オン駆動対象とするスイッチの数が少ないほど、ゲートの充電電流又は放電電流が共通抵抗体を流れやすくなり、スイッチング速度が高くなる。
このように本発明によれば、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が小さい場合、充電電流又は放電電流を流れやすくしてスイッチング速度を高くでき、スイッチング損失を低減できる。一方、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が大きい場合、オン駆動対象とするスイッチの数に応じて充電電流又は放電電流の流れにくくすることにより、スイッチング速度を低くでき、サージ電圧の増加を抑制できる。
ここで、本発明は、例えば以下のように具体化することができる。本発明において、前記個別経路を個別放電経路とし、前記個別抵抗体を個別放電抵抗体とする場合、前記共通経路は、前記各個別放電経路のうち前記個別放電抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側と、前記ゲートの電荷の放電先となるグランド部とを接続する共通放電経路である。本発明は、前記共通放電経路に設けられた放電スイッチを備え、前記切替部は、前記各スイッチに対応して設けられ、前記スイッチのゲートと電源とを接続する充電スイッチと、前記各個別放電経路に設けられ、前記ゲート側から前記共通放電経路側へと向かう第1方向への電流の流通を許容し、前記第1方向とは逆方向の第2方向への電流の流通を阻止する阻止部と、を有する。
各スイッチのうちオン駆動対象とするスイッチのゲートに接続された充電スイッチがオン状態にされることにより、オン駆動対象とするスイッチのゲートに電源から充電電流が供給される。この際、各スイッチのうちオン駆動対象とされないスイッチのゲートに接続された個別放電経路上の阻止部により、オン駆動対象とされないスイッチのゲートに電源から充電電流が供給されることを防止できる。このため、オン駆動対象とするスイッチのみオン状態に切り替えることができる。
スイッチに流れる電流が大きいほど、オフ状態に切り替えられる場合のスイッチに流れる電流の低下速度が高くなり、発生するサージ電圧が大きくなる。ここで、本発明では、放電スイッチがオン状態にされると、オン状態にされているスイッチのゲートから、個別放電経路及び共通放電経路を介してグランド部へと放電電流が流れる。この際、共通放電経路に共通放電抵抗体が設けられているため、オン状態にされていたスイッチの数が多いほど、放電電流が共通放電抵抗体を流れにくくなり、スイッチング速度が低くなる。一方、オン状態にされていたスイッチの数が少ないほど、放電電流が共通放電抵抗体を流れやすくなり、スイッチング速度が高くなる。
このように本発明によれば、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が小さい場合、放電電流を流れやすくしてスイッチング速度を高くでき、スイッチング損失を低減できる。一方、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が大きい場合、オン状態とされていたスイッチの数に応じて放電電流の流れにくくすることにより、スイッチング速度を低くでき、サージ電圧の増加を抑制できる。
また、本発明は、例えば以下のように具体化することもできる。本発明において、前記個別経路を個別充電経路とし、前記個別抵抗体を個別充電抵抗体とする場合、前記共通経路は、前記各個別充電経路のうち前記個別充電抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側と、電源とを接続する共通充電経路であり、前記切替部は、前記各個別充電経路に設けられた充電スイッチを有する。
各スイッチのうちオン駆動対象とするスイッチに対応する充電スイッチがオン状態にされることにより、電源から、共通充電経路及び個別充電経路を介して、オン駆動対象とするスイッチのゲートに充電電流が供給される。この際、各スイッチのうちオン駆動対象とされないスイッチのゲートに接続された個別充電経路上の充電スイッチがオフ状態にされることにより、オン駆動対象とされないスイッチのゲートに電源から充電電流が供給されることを防止できる。このため、オン駆動対象とするスイッチのみオン状態に切り替えることができる。
スイッチに流そうとする電流が大きいほど、オン状態に切り替えられる場合のスイッチに流れる電流の上昇速度が高くなり、発生するサージ電圧が大きくなる。ここで、本発明では、共通充電経路に共通充電抵抗体が設けられている。このため、オン状態に切り替えようとするスイッチの数が多いほど、充電電流が共通充電抵抗体を流れにくくなり、スイッチング速度が低くなる。一方、オン状態に切り替えようとするスイッチの数が少ないほど、充電電流が共通充電抵抗体を流れやすくなり、スイッチング速度が高くなる。
このように本発明によれば、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が小さい場合、充電電流を流れやすくしてスイッチング速度を高くでき、スイッチング損失を低減できる。一方、スイッチの並列接続体に流そうとする電流が大きい場合、オン状態に切り替えようとするスイッチの数に応じて充電電流を流れにくくすることにより、スイッチング速度を低くでき、サージ電圧の増加を抑制できる。
第1実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成図。 スイッチの駆動回路を示す図。 小電流領域における駆動回路の動作態様を示すタイムチャート。 大電流領域における駆動回路の動作態様を示すタイムチャート。 大電流領域における駆動回路の動作態様を示すタイムチャート。 放電経路の抵抗値、スイッチング速度及び第1,第2スイッチの並列接続体に流れる電流の関係を示す図。 第1実施形態の変形例に係るスイッチの駆動回路を示す図。 第2実施形態に係るスイッチの駆動回路を示す図。 電源電圧と判定電圧との関係を示す図。 スイッチ温度と判定電圧との関係を示す図。 スイッチ温度と判定電圧との関係を示す図。 第3実施形態に係るスイッチの駆動回路を示す図。 小電流領域における駆動回路の動作態様を示すタイムチャート。 大電流領域における駆動回路の動作態様を示すタイムチャート。 充電経路の抵抗値、スイッチング速度及び第1,第2スイッチの並列接続体に流れる電流の関係を示す図。
<第1実施形態>
以下、本発明に係る駆動回路を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る駆動回路は、回転電機の制御システムを構成する。
図1に示すように、制御システムは、直流電源としての蓄電池10、電力変換器としてのインバータ20、回転電機30及び制御装置40を備えている。回転電機30は、インバータ20を介して蓄電池10に接続されている。なお、蓄電池10及びインバータ20の間には、平滑コンデンサ11が設けられている。また、回転電機30としては、例えば永久磁石界磁型の同期機が用いられればよい。
インバータ20は、3相分の上,下アームスイッチを備えている。上,下アームのそれぞれは、並列接続された第1スイッチSWA及び第2スイッチSWBで構成されている。各相の上アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの高電位側端子には、平滑コンデンサ11の第1端が接続されている。各相の上アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの低電位側端子には、各相の下アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの高電位側端子が接続されている。各相の下アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの低電位側端子には、平滑コンデンサ11の第2端が接続されている。各相において、上アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの低電位側端子と、下アームの第1,第2スイッチSWA,SWBの高電位側端子との接続点には、回転電機30の巻線31の第1端が接続されている。各相の巻線31の第2端は、中性点で接続されている。
本実施形態では、第1,第2スイッチSWA,SWBとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられ、より具体的には、SiのIGBTが用いられている。このため、第1,第2スイッチSWA,SWBにおいて、高電位側端子はコレクタであり、低電位側端子はエミッタである。第1,第2スイッチSWA,SWBには、第1,第2フリーホイールダイオードFDA,FDBが逆並列に接続されている。
制御システムは、平滑コンデンサ11の端子電圧を電源電圧VDCとして検出する電圧検出部21を備えている。電圧検出部21により検出された電源電圧VDCは、制御装置40に入力される。
制御装置40は、回転電機30の制御量をその指令値に制御すべく、各相において、上アームの第1,第2スイッチSWA,SWBと下アームの第1,第2スイッチSWA,SWBとを交互にオン状態とする。制御量は、例えばトルクである。制御装置40は、第1,第2スイッチSWA,SWBの駆動信号Sgとして、オン状態を指示するオン指令又はオフ状態を指示するオフ指令を、各相各アームにおける第1,第2スイッチSWA,SWBの組に対して個別に設けられた駆動回路50に対して出力する。
図2に示すように、インバータ20の備える駆動回路50は、制御装置40からの駆動信号Sgを取得し、取得した駆動信号Sgに基づいて、第1,第2スイッチSWA,SWBをオン状態又はオフ状態とする。駆動回路50は、第1充電スイッチ61A、第1個別放電抵抗体70A及び第1ダイオード71Aを備えている。本実施形態において、第1充電スイッチ61AはPチャネルMOSFETである。第1充電スイッチ61Aのソースには、電源60が接続されている。第1充電スイッチ61Aのドレインには、第1スイッチSWAのゲートが接続されている。第1スイッチSWAのゲートには、第1個別放電抵抗体70Aを介して第1ダイオード71Aのアノードが接続されている。
駆動回路50は、第2充電スイッチ61B、第2個別放電抵抗体70B及び第2ダイオード71Bを備えている。本実施形態において、第2充電スイッチ61BはPチャネルMOSFETである。第2充電スイッチ61Bのソースには、電源60が接続されている。第2充電スイッチ61Bのドレインには、第2スイッチSWBのゲートが接続されている。第2スイッチSWBのゲートには、第2個別放電抵抗体70Bを介して第2ダイオード71Bのアノードが接続されている。第2ダイオード71B及び第1ダイオード71Aそれぞれのカソードには、接続点Kが接続されている。
駆動回路50は、共通放電抵抗体72及び放電スイッチ73を備えている。本実施形態において、放電スイッチ73はNチャネルMOSFETである。共通放電抵抗体72の第1端には、接続点Kが接続され、共通放電抵抗体72の第2端には、放電スイッチ73のドレインが接続されている。放電スイッチ73のソースには、グランド部としての第1,第2スイッチSWA,SWBのエミッタが接続されている。
なお、本実施形態において、第1スイッチSWAのゲートから、第1個別放電抵抗体70A及び第1ダイオード71Aを介して接続点Kに至るまでの電気経路が第1スイッチSWAに対応する第1個別放電経路LDAに相当する。また、第2スイッチSWBのゲートから、第2個別放電抵抗体70B及び第2ダイオード71Bを介して接続点Kに至るまでの電気経路が第2スイッチSWBに対応する第2個別放電経路LDBに相当する。また、接続点Kから、共通放電抵抗体72及び放電スイッチ73を介してエミッタに至るまでの電気経路が共通放電経路LDTに相当する。
また、本実施形態において、第1,第2充電スイッチ61A,61Bと第1,第2ダイオード71A,71Bとが切替部を構成する。また、第1,第2ダイオード71A,71Bが阻止部に相当する。
駆動回路50は、第1オフ保持スイッチ74A及び第2オフ保持スイッチ74Bを備えている。本実施形態において、第1,第2オフ保持スイッチ74A,74BはNチャネルMOSFETである。第1オフ保持スイッチ74Aのドレインには、第1個別放電経路LDAのうち、第1個別放電抵抗体70Aよりもゲート側が接続され、第1オフ保持スイッチ74Aのソースには、第1スイッチSWAのエミッタが接続されている。第2オフ保持スイッチ74Bのドレインには、第2個別放電経路LDBのうち、第2個別放電抵抗体70Bよりもゲート側が接続され、第2オフ保持スイッチ74Bのソースには、第2スイッチSWBのエミッタが接続されている。
第1スイッチSWAは、自身に流れるコレクタ電流と相関を有する微小電流が流れる第1センス端子StAを有している。第1センス端子StAには、第1センス抵抗体80Aの第1端が接続され、第1センス抵抗体80Aの第2端には、第1スイッチSWAのエミッタが接続されている。第1センス端子StAに流れる微少電流によって第1センス抵抗体80Aに電圧降下量が生じる。このため、第1センス抵抗体80Aのうち第1センス端子StA側の電位である第1センス電圧VsAは、コレクタ電流と相関を有する電気的な状態量となる。本実施形態では、第1スイッチSWAのエミッタ電位を0とし、このエミッタ電位よりも高い第1センス電圧VsAの符号を正と定義する。第1センス電圧VsAは、駆動回路50の備える駆動制御部90に入力される。
第2スイッチSWBは、自身に流れるコレクタ電流と相関を有する微小電流が流れる第2センス端子StBを有している。第2センス端子StBには、第2センス抵抗体80Bの第1端が接続され、第2センス抵抗体80Bの第2端には、第2スイッチSWBのエミッタが接続されている。この構成により、第2センス抵抗体80Bのうち第2センス端子StB側の電位である第2センス電圧VsBは、コレクタ電流と相関を有する電気的な状態量となる。本実施形態では、第2スイッチSWBのエミッタ電位を0とし、このエミッタ電位よりも高い第2センス電圧VsBの符号を正と定義する。第2センス電圧VsBは、駆動制御部90に入力される。駆動制御部90は、第1スイッチSWA及び第2スイッチSWBそれぞれのゲート電圧を検出する機能を有している。
駆動制御部90は、制御装置40により生成された駆動信号Sgを取得する。駆動制御部90は、取得した駆動信号Sg、第1センス電圧VsA及び第2センス電圧VsBに基づいて、第1,第2スイッチSWA,SWBを駆動する。駆動制御部90は、第1センス電圧VsA及び第2センス電圧VsBの加算値である合計センス電圧Vseが判定電圧Vα(判定値に相当)以下であると判定した場合、第1,第2スイッチSWA,SWBに流れるコレクタ電流の合計値が小電流領域(第2電流領域に相当)に含まれると判定し、駆動信号Sgに従って第1スイッチSWAをオン状態又はオフ状態に切り替え、第2スイッチSWBをオフ状態に維持する。
一方、駆動制御部90は、合計センス電圧Vseが判定電圧Vαを超えていると判定した場合、第1,第2スイッチSWA,SWBに流れるコレクタ電流の合計値が大電流領域(第1電流領域に相当)に含まれると判定し、駆動信号Sgに従って第1,第2スイッチSWA,SWBの双方を同期させてオン状態又はオフ状態に切り替える。
本実施形態において、上記合計値がどの電流領域に含まれているかを判定するために用いられる合計センス電圧Vseは、駆動信号Sgが前回オン指令とされていた期間に検出された第1,第2センス電圧VsA,VsBの加算値とされている。より具体的には、合計センス電圧Vseは、前回オン指令とされていた期間の終了タイミングに検出された第1,第2センス電圧VsA,VsBの加算値とされている。その後、駆動信号Sgがオフ指令に切り替えられ、そのオフ指令とされている期間において、上記合計値がどの電流領域に含まれているかが判定され、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち、駆動信号Sgが次回オン指令とされる期間でオン駆動対象とされるスイッチが選択される。
図3を用いて、合計センス電圧Vseが判定電圧Vα以下であると判定される小電流領域における駆動回路50の動作について説明する。図3(a)は、駆動制御部90に入力される駆動信号Sgの推移を示し、図3(b),(c)は、第1,第2充電スイッチ61A,61Bの駆動状態の推移を示し、図3(d)は、放電スイッチ73の駆動状態の推移を示す。図3(e),(f)は、第1,第2オフ保持スイッチ74A,74Bの駆動状態の推移を示す。
小電流領域において、駆動制御部90は、第2充電スイッチ61Bをオフ状態に維持し、第2オフ保持スイッチ74Bをオン状態に維持する。これにより、第2スイッチSWBのゲート電圧は閾値電圧Vth未満となり、第2スイッチSWBがオフ状態に維持される。
駆動制御部90は、駆動信号Sgがオン指令であると判定した場合、第1充電スイッチ61Aをオン状態にし、放電スイッチ73及び第1オフ保持スイッチ74Aをオフ状態にする。これにより、第1スイッチSWAのゲート電圧が閾値電圧Vth以上となり、第1スイッチSWAがオン状態とされる。
一方、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令であると判定した場合、第1充電スイッチ61Aをオフ状態にし、放電スイッチ73をオン状態にする。これにより、第1スイッチSWAのゲート電圧が閾値電圧Vth未満となり、第1スイッチSWAがオフ状態とされる。また、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令であると判定して、かつ、第1スイッチSWAのゲート電圧が閾値電圧Vth以下になったと判定した場合、第1オフ保持スイッチ74Aをオン状態に切り替える。なお、第1オフ保持スイッチ74Aのオン状態への切り替え条件には、ゲート電圧に関する条件が含まれる。このため、実際には、放電スイッチ73がオン状態に切り替えられた後、第1オフ保持スイッチ74Aがオン状態に切り替えられる。ただし、図3では、便宜上、放電スイッチ73のオン状態への切り替えタイミングと、第1オフ保持スイッチ74Aのオン状態への切り替えタイミングとを同じタイミングとして示している。
小電流領域においては、第1,第2充電スイッチ61A,61Bのうち第1充電スイッチ61Aのみがオン状態にされることにより、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち第1スイッチSWAのみのゲートに電源60から充電電流が供給される。この際、第2個別放電経路LDBに第2ダイオード71Bが設けられていることにより、第2スイッチSWBのゲートに電源60から充電電流が供給されることを防止できる。このため、第1スイッチSWAのみオン状態に切り替えることができる。
図4を用いて、合計センス電圧Vseが判定電圧Vαを超えたと判定される大電流領域における駆動回路50の動作について説明する。図4(a)〜図4(f)は、先の図3(a)〜図3(f)に対応している。
駆動制御部90は、駆動信号Sgがオン指令であると判定した場合、第1,第2充電スイッチ61A,61Bをオン状態にし、放電スイッチ73及び第1,第2オフ保持スイッチ74A,74Bをオフ状態にする。これにより、第1,第2スイッチSWA,SWBがオン状態とされる。
一方、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令であると判定した場合、第1,第2充電スイッチ61A,61Bをオフ状態にし、放電スイッチ73をオン状態にする。これにより、第1,第2スイッチSWA,SWBがオフ状態とされる。また、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令であると判定して、かつ、第1スイッチSWAのゲート電圧が閾値電圧Vth以下になったと判定した場合、第1オフ保持スイッチ74Aをオン状態に切り替える。また、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令であると判定して、かつ、第2スイッチSWAのゲート電圧が閾値電圧Vth以下になったと判定した場合、第2オフ保持スイッチ74Bをオン状態に切り替える。なお、図4では、便宜上、放電スイッチ73のオン状態への切り替えタイミングと、第1,第2オフ保持スイッチ74A,74Bのオン状態への切り替えタイミングとを同じタイミングとして示している。
本実施形態では、大電流領域において、第1,第2スイッチSWA,SWBに対して共通化された放電スイッチ73をオン状態に切り替えることにより、第1,第2スイッチSWA,SWBをオフ状態に切り替える。このため、電流アンバランスの発生を抑制し、スイッチング損失を低減できる。電流アンバランスとは、第1,第2スイッチSWA,SWBそれぞれに流れるコレクタ電流が大きくずれる現象のことである。第1,第2スイッチSWA,SWBのオフ状態への切り替えタイミングがずれると、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち、先にオフ状態に切り替えられたスイッチのコレクタ電流は減少するものの、まだオフ状態に切り替えられていないスイッチのコレクタ電流は一時的に増加した後に減少し始める。その結果、第1,第2スイッチSWA,SWBそれぞれに流れるコレクタ電流が大きくずれてしまう。
なお、大電流領域において、図5に示すように、駆動制御部90は、駆動信号Sgがオフ指令に切り替えられる時刻t2よりも前の時刻t1において、第2充電スイッチ61Bをオフ状態に切り替えるとともに第2オフ保持スイッチ74Bをオン状態に切り替え、時刻t2において放電スイッチ73をオン状態に切り替えてもよい。この場合、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち最初にオフ状態に切り替えられる第2スイッチSWBを、第2オフ保持スイッチ74Bのオン状態への切り替えによりオフ状態に切り替えることができる。図5(a)〜図5(f)は、先の図4(a)〜図4(f)に対応している。
第2スイッチSWBのゲートから第2オフ保持スイッチ74Bを介して第2スイッチSWBのエミッタに至るまでの電気経路の抵抗値は、第2スイッチSWBのゲートから第2個別放電抵抗体70B、共通放電抵抗体72及び放電スイッチ73を介して第2スイッチSWBのエミッタに至るまでの電気経路の抵抗値よりも小さい。このため、第2オフ保持スイッチ74Bのオン状態への切り替えにより第2スイッチSWBをオフ状態に切り替える構成によれば、第2スイッチSWBをオフ状態に切り替える場合のスイッチング速度を高めることができ、スイッチング損失を低減できる。また、第2スイッチSWBをオフ状態に切り替える場合に第1スイッチSWAが未だオン状態とされているため、第2スイッチSWBをオフ状態に切り替えることに伴ってサージ電圧は発生しない。
ちなみに、本実施形態において、オフ状態に切り替える場合のスイッチング速度とは、スイッチのゲート電圧が下降し始めてからゲート電圧が閾値電圧Vth未満となるまでに要する時間のことである。
続いて図6を用いて、第1,第2スイッチSWA,SWBをオフ状態に切り替える場合のスイッチング速度について説明する。ちなみに、本実施形態において、オン状態に切り替える場合のスイッチング速度とは、スイッチのゲート電圧が0から上昇し始めてから、ゲート電圧が閾値電圧Vthに到達するまでに要する時間のことである。
第1個別放電抵抗体70Aを流れる電流をIAとし、第2個別放電抵抗体70Bを流れる電流をIBとする。合計センス電圧Vseが判定電圧Vα以下となる小電流領域の場合、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち、第1スイッチSWAのみのゲートから放電電流が放出される。この際、第1個別放電抵抗体70A及び共通放電抵抗体72には、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち第1スイッチSWAのみのゲートから放出された放電電流が流れる。この場合、第1スイッチSWAのゲート電圧をVgとすると、第1スイッチSWAのゲートから、第1個別放電抵抗体70A、接続点K、共通放電抵抗体72、放電スイッチ73及び第1スイッチSWAのエミッタまでに至る放電経路の電圧降下量について、下式(eq1)が成立する。下式(eq1)において、Roffは共通放電抵抗体72の抵抗値を示し、Rbは第1個別放電抵抗体70Aの抵抗値を示す。
Vg=IA×Roff+IA×Rb
=IA×(Roff+Rb) … (eq1)
上式(eq1)の右辺の「Roff+Rb」を第1放電抵抗値Rd1と称すこととする。本実施形態では、第1個別放電抵抗体70A及び第2個別放電抵抗体70Bそれぞれの抵抗値が同じ値とされている。
合計センス電圧Vseが判定電圧Vαを超える大電流領域の場合、第1,第2スイッチSWA,SWBの双方のゲートから放電電流が放出される。この際、第1個別放電抵抗体70Aには、第1スイッチSWAのゲートから放出された放電電流が流れ、第2個別放電抵抗体70Bには、第2スイッチSWBのゲートから放出された放電電流が流れる。また、共通放電抵抗体72には、第1,第2スイッチSWA,SWBの双方のゲートから放出された放電電流が流れる。この場合、第1スイッチSWAのゲートから、第1個別放電抵抗体70A、接続点K、共通放電抵抗体72、放電スイッチ73及び第1スイッチSWAのエミッタに至るまでの放電経路の電圧降下量について、下式(eq2)が成立する。
Vg=(IA+IB)×Roff+IA×Rb … (eq2)
ここで、IA=IB=Idisとすると、上式(eq2)は下式(eq3)となる。
Vg=Idis×(2×Roff+Rb) … (eq3)
上式(eq3)の右辺の「2×Roff+Rb」を第2放電抵抗値Rd2と称すこととする。上式(eq1),(eq3)によれば、大電流領域における第2放電抵抗値Rd2は、小電流領域における第1放電抵抗値Rd1よりも大きい。
第2放電抵抗値Rd2は、以下のように設定される。
第1,第2スイッチSWA,SWBがオフ状態に切り替えられる場合にサージ電圧が発生する。サージ電圧は、第1,第2スイッチSWA,SWBをオフ状態に切り替えるスイッチング速度が高かったり、コレクタ電流が大きかったりするほど、大きくなる傾向にある。このため、第1,第2スイッチSWA,SWBの並列接続体に流れるコレクタ電流の合計値の許容上限値に対応するセンス電圧を最大電圧Vsmaxとする場合、合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmaxとなるときに、第1,第2スイッチSWA,SWBがオフ状態に切り替えられるときの第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧がその許容上限値以下となるように、第1,第2スイッチSWA,SWBのスイッチング速度、すなわち第2放電抵抗値Rd2が定められる。
本実施形態では、共通放電経路LDTに共通放電抵抗体72が設けられている。このため、第1,第2スイッチSWA,SWBの双方のゲートから放電電流を放出する場合、放電電流が流れにくくなり、スイッチング速度が低くなる。この場合の放電経路の抵抗値Rdisは、図6(a)に実線にて示すように、第2放電抵抗値Rd2となる。一方、第1スイッチSWAのみのゲートから放電電流を放出する場合、放電電流が流れやすくなり、スイッチング速度が高くなる。この場合の放電経路の抵抗値Rdisは、図6(a)に実線にて示すように、第1放電抵抗値Rd1(<Rd2)となる。図6(b)はスイッチング速度を示す。
このように本実施形態によれば、小電流領域においては、放電電流を流れやすくしてスイッチング速度を高くでき、スイッチング損失を低減できる。一方、大電流領域においては、放電電流の流れにくくすることにより、放電経路の抵抗値Rdisが第1放電抵抗値Rd1に設定される場合よりもスイッチング速度を低くでき、サージ電圧の増加を抑制できる。
これに対し、比較例では、図6(b)に一点鎖線にて示すように、小電流領域におけるスイッチング速度を高めることができない。比較例は、図2の駆動回路50に共通放電抵抗体72が備えられていない構成である。比較例では、接続点Kには、放電スイッチ73のドレインが接続(短絡)されている。
比較例では、電流領域にかかわらず、図6(a)に一点鎖線にて示すように、放電経路の抵抗値Rdisが第2放電抵抗値Rd2に設定される。このため、小電流領域においても抵抗値は高いままであり、小電流領域におけるスイッチング速度が本実施形態のスイッチング速度よりも低くなる。その結果、小電流領域におけるスイッチング損失が増加してしまう。
また本実施形態では、第1,第2個別放電抵抗体70A,70Bの抵抗値Rbが、共通放電抵抗体72の抵抗値Roffよりも小さくされている。これにより、第1放電抵抗値Rd1を第2放電抵抗値Rd2に対してより小さくすることができ、小電流領域におけるスイッチング速度をより高めることができる。
図6(b)に示すように、合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmaxとなる場合のスイッチング速度Sd2が、合計センス電圧Vseが判定電圧Vαとなる場合のスイッチング速度Sd1よりも高くなるように、第1,第2個別放電抵抗体70A,70B及び共通放電抵抗体72それぞれの抵抗値が設定されている。これにより、合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmax未満となる場合において、サージ電圧が発生したときであっても、的確に第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧をその許容上限値以下にできる。
<第1実施形態の変形例>
図7に示すように、駆動回路50は、第1ダイオード71Aに代えて、阻止部に相当する第1放電阻止スイッチ75Aを備え、第2ダイオード71Bに代えて、阻止部に相当する第2放電阻止スイッチ75Bを備えている。駆動制御部90は、駆動信号Sgがオン指令であると判定している場合、第1,第2放電阻止スイッチ75A,75Bをオフ状態とし、駆動信号Sgがオフ指令であると判定している場合、第1,第2放電阻止スイッチ75A,75Bをオン状態とする。図7において、先の図2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。
<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、図8に示すように、制御システムは、温度検出部91を備えている。温度検出部91は、第1,第2スイッチSWA,SWBの温度に応じた温度信号を出力する。温度検出部91は、例えば、感温ダイオードで構成されている。温度信号は、駆動制御部90に入力される。駆動制御部90は、温度信号に基づいて、第1,第2スイッチSWA,SWBの温度であるスイッチ温度TDを算出する。図8において、先の図2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。
駆動制御部90には、制御装置40から電源電圧VDCが入力される。図9に示すように、選択部としての駆動制御部90は、電源電圧VDCが低いほど、判定電圧Vαを大きく設定する。この設定は、平滑コンデンサ11の端子電圧が低いほど、サージ電圧が発生する場合の第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧とその許容上限値との余裕量が大きくなることに鑑みたものである。これにより、小電流領域におけるスイッチング損失を低減できる。
駆動制御部90は、スイッチ温度TDに基づいて、判定電圧Vαを可変設定する。一例として、図10には、スイッチ温度TDが高いほど、判定電圧Vαを大きく設定する構成を示す。この構成は、スイッチ温度TDが高いほど、スイッチング速度が低くなってサージ電圧が小さくなるとともに、スイッチ温度TDが高いほど、第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧の許容上限値が高くなることに鑑みたものである。これにより、スイッチ温度TDに応じて、サージ電圧を抑制しつつ、スイッチング損失を低減できる。
なお、スイッチ温度TDが高いほどサージ電圧が小さくなること以外にも、図11(a)に示すように、制御システムの使用時にスイッチ温度TDとして想定される範囲において、サージ電圧が1つの極大値をとることもあり得る。これは、平滑コンデンサ11及びフリーホイールダイオードFDA,FDBを含む閉回路において、スイッチ温度TDが高くなるほど、フリーホイールダイオードFDA,FDBで発生するサージ電圧が大きくなるものの、フリーホイールダイオードFDA,FDB以外の配線で発生するサージ電圧が小さくなることに起因する。この場合、例えば、駆動制御部90は、サージ電圧が相対的に大きくなる場合、サージ電圧が相対的に低くなる場合よりも判定電圧Vαを小さく設定してもよい。その具体例を図11(b)に示す。詳しくは、駆動制御部90は、スイッチ温度TDが第1温度T1以上であってかつ第2温度T2以下であると判定した場合、スイッチ温度TDが第1温度T1未満又は第2温度T2を超えたと判定した場合よりも判定電圧Vαを小さく設定する。
<第3実施形態>
以下、第3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、図12に示すように、第1,第2スイッチSWA,SWBのゲート電荷の充電側の構成を変更している。図12において、先の図2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。
駆動回路50は、共通充電抵抗体102、第1充電スイッチ101A、第1個別充電抵抗体100A、第2充電スイッチ101B及び第2個別充電抵抗体100Bを備えている。電源60には、共通充電抵抗体102を介して接続点Mが接続されている。接続点Mには、第1充電スイッチ101A及び第1個別充電抵抗体100Aを介して、第1スイッチSWAのゲートが接続されている。接続点Mには、第2充電スイッチ101B及び第2個別充電抵抗体100Bを介して、第2スイッチSWBのゲートが接続されている。
なお、本実施形態において、電源60から共通充電抵抗体102を介して接続点Mに至るまでの電気経路が共通充電経路LCTに相当する。また、接続点Mから、第1充電スイッチ101A及び第1個別充電抵抗体100Aを介して第1スイッチSWAのゲートに至るまでの電気経路が第1スイッチSWAに対応する第1個別充電経路LCAに相当する。また、接続点Mから、第2充電スイッチ101B及び第2個別充電抵抗体100Bを介して第2スイッチSWBのゲートに至るまでの電気経路が第2スイッチSWBに対応する第2個別充電経路LCBに相当する。
また、本実施形態において、第1,第2充電スイッチ101A,101Bが切替部に相当する。
図13を用いて、合計センス電圧Vseが判定電圧Vα以下であると判定される小電流領域における駆動回路50の動作について説明する。図13(a),(d)〜(f)は、先の図3(a),(d)〜(f)に対応している。図13(b),(c)は、第1,第2充電スイッチ101A,101Bの駆動状態の推移を示す。
本実施形態では、小電流領域において、先の図3で説明した第1充電スイッチ61Aと同じ手法で第1充電スイッチ101Aを駆動する。また、先の図3で説明した第2充電スイッチ61Bと同じ手法で第2充電スイッチ101Bを駆動する。
図14を用いて、合計センス電圧Vseが判定電圧Vαを超えたと判定される大電流領域における駆動回路50の動作について説明する。図14(a)〜図14(f)は、先の図13(a)〜図13(f)に対応している。
本実施形態では、大電流領域において、先の図4で説明した第1充電スイッチ61Aと同じ手法で第1充電スイッチ101Aを駆動する。また、先の図4で説明した第2充電スイッチ61Bと同じ手法で第2充電スイッチ101Bを駆動する。
続いて図15を用いて、第1,第2スイッチSWA,SWBをオン状態に切り替える場合のスイッチング速度について説明する。
合計センス電圧Vseが判定電圧Vα以下となる小電流領域の場合、第1,第2スイッチSWA,SWBのうち、第1スイッチSWAのみのゲートに対して、電源60から充電電流が供給される。この際、共通充電抵抗体102及び第1個別充電抵抗体100Aに流れる充電電流をICとする。第1スイッチSWAのゲート電圧をVgとすると、電源60から、共通充電抵抗体102、接続点M、第1充電スイッチ101A及び第1個別充電抵抗体100Aを介して第1スイッチSWAのゲートに至るまでの充電経路の電圧降下量について、下式(eq4)が成立する。下式(eq4)において、Ronは共通充電抵抗体102の抵抗値を示し、Raは第1個別充電抵抗体100Aの抵抗値を示す。
Vg=IC×Ron+IC×Ra
=IC×(Ron+Ra) … (eq4)
上式(eq4)の右辺の「Ron+Ra」を第1充電抵抗値Rc1と称すこととする。本実施形態では、第1個別充電抵抗体100A及び第2個別充電抵抗体100Bそれぞれの抵抗値が同じ値とされている。
合計センス電圧Vseが判定電圧Vαを超える大電流領域の場合、第1,第2スイッチSWA,SWBの双方のゲートに対して電源60から充電電流が供給される。この際、第2個別充電抵抗体100Bに流れる充電電流をIDとすると、電源60から、共通充電抵抗体102、接続点M、第1充電スイッチ101A及び第1個別充電抵抗体100Aを介して第1スイッチSWAのゲートに至るまでの充電経路の電圧降下量について、下式(eq5)が成立する。
Vg=(IC+ID)×Ron+IC×Ra … (eq5)
ここで、IC=ID=Ichとすると、上式(eq5)は下式(eq6)となる。
Vg=Ich×(2×Ron+Ra) … (eq6)
上式(eq6)の右辺の「2×Ron+Ra」を第2充電抵抗値Rc2と称すこととする。上式(eq4),(eq6)によれば、大電流領域における第2充電抵抗値Rc2は、小電流領域における第1充電抵抗値Rc1よりも大きい。
第2充電抵抗値Rc2は、以下のように設定される。
第1,第2スイッチSWA,SWBがオン状態に切り替えられる場合にサージ電圧が発生する。サージ電圧は、第1,第2スイッチSWA,SWBをオン状態に切り替えるスイッチング速度が高かったり、コレクタ電流が大きかったりするほど、大きくなる傾向にある。このため、第1,第2スイッチSWA,SWBがオン状態とされた後の合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmaxになると想定される場合に、第1,第2スイッチSWA,SWBがオン状態に切り替えられるときの第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧がその許容上限値以下となるように、第1,第2スイッチSWA,SWBのスイッチング速度、すなわち第2充電抵抗値Rc2が定められる。
本実施形態では、共通充電経路LCTに共通充電抵抗体102が設けられている。このため、第1,第2スイッチSWA,SWBの双方のゲートに充電電流を供給する場合、充電電流が流れにくくなり、スイッチング速度が低くなる。この場合の充電経路の抵抗値Rchは、図15(a)に実線にて示すように、第2充電抵抗値Rc2となる。一方、第1スイッチSWAのみのゲートに充電電流を供給する場合、充電電流が流れやすくなり、スイッチング速度が高くなる。この場合の充電経路の抵抗値Rchは、図15(a)に実線にて示すように、第1充電抵抗値Rc1(<Rc2)となる。図15(b)はスイッチング速度を示す。
このように本実施形態によれば、小電流領域においては、充電電流を流れやすくしてスイッチング速度を高くでき、スイッチング損失を低減できる。一方、大電流領域においては、充電電流の流れにくくすることにより、充電経路の抵抗値Rchが第1充電抵抗値Rc1に設定される場合よりもスイッチング速度を低くでき、サージ電圧の増加を抑制できる。
これに対し、比較例では、図15(b)に一点鎖線にて示すように、小電流領域におけるスイッチング速度を高めることができない。比較例は、図12の駆動回路50に共通充電抵抗体102が備えられていない構成である。比較例では、接続点Mには、電源60が接続(短絡)されている。
比較例では、電流領域にかかわらず、図15(a)に一点鎖線にて示すように、充電経路の抵抗値Rchが第2充電抵抗値Rc2に設定される。このため、小電流領域においても抵抗値は高いままであり、小電流領域におけるスイッチング速度が本実施形態のスイッチング速度よりも低くなる。その結果、小電流領域におけるスイッチング損失が増加してしまう。
また本実施形態では、第1,第2個別充電抵抗体100A,100Bの抵抗値Raが、共通充電抵抗体102の抵抗値Ronよりも小さくされている。これにより、第1充電抵抗値Rc1を第2充電抵抗値Rc2に対してより小さくすることができ、小電流領域におけるスイッチング速度をより高めることができる。
図15(b)に示すように、合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmaxとなる場合のスイッチング速度Sc2が、合計センス電圧Vseが判定電圧Vαとなる場合のスイッチング速度Sc1よりも高くなるように、第1,第2個別充電抵抗体100A,100B及び共通充電抵抗体102それぞれの抵抗値が設定されている。これにより、少なくとも第1スイッチSWAがオン状態にされている状態で合計センス電圧Vseが最大電圧Vsmax未満となる場合において、オン状態への切り替え時にサージ電圧が発生したときであっても、的確に第1,第2スイッチSWA,SWBのコレクタ及びエミッタ間電圧をその許容上限値以下にできる。
<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。
・上記各実施形態において、第1,第2オフ保持スイッチ74A,74Bが備えられなくてもよい。
・互いに並列接続されたスイッチの数としては、2つに限らず、3つ以上であってもよい。この場合であっても、大電流領域においてオン駆動対象として選択するスイッチの数を、小電流領域においてオン駆動対象として選択するスイッチの数よりも多くすればよい。
また、互いに並列接続されたスイッチの数が3つ以上の場合、電流領域を3つ以上に分けてもよい。具体的には例えば、小電流領域、小電流領域よりも電流が大きい中電流領域、及び中電流領域よりも電流が大きい大電流領域に分けてもよい。この場合、隣り合う電流領域のうち、大きい方が第1電流領域に相当し、小さい方が第2電流領域に相当する。
・放電スイッチ73のソース及び各オフ保持スイッチ74A,74Bのソースの接続先であるグランド部としては、第1,第2スイッチSWA,SWBのエミッタに限らず、例えば、第1,第2スイッチSWA,SWBのエミッタ電位よりも低い電圧を有する負電圧源であってもよい。
・インバータ20を構成するスイッチとしては、IGBTに限らず、例えば、SiCのNチャネルMOSFETであってもよい。また、インバータ20の各相各アームを構成する複数のスイッチの並列接続体としては、同じ種類のスイッチの並列接続体に限らず、異なる種類のスイッチの並列接続体であってもよい。例えば、各相各アームを構成する複数のスイッチの並列接続体が、2つのIGBT及び1つのMOSFETの並列接続体であってもよい。
・スイッチを備える電力変換器としては、インバータに限らず、例えば、入力電圧を昇圧して出力する機能及び入力電圧を降圧して出力する機能のうち、少なくとも一方の機能を有するDCDCコンバータであってもよい。
50…駆動回路、61A,61B…第1,第2充電スイッチ、70A,70B…第1,第2個別放電抵抗体、71A,71B…第1,第2ダイオード、72…共通放電抵抗体、SWA,SWB…第1,第2スイッチ。

Claims (9)

  1. 互いに並列接続された複数のスイッチ(SWA,SWB)を駆動するスイッチの駆動回路(50)において、
    前記各スイッチのうち、オン駆動対象とするスイッチのみをオン状態に切り替える切替部(61A,61B,71A,71B,75A,75B,101A,101B)と、
    前記各スイッチに対応して設けられ、前記スイッチのゲートに接続された個別経路(LDA,LDB,LCA,LCB)と、
    前記各個別経路に設けられた個別抵抗体(70A,70B,100A,100B)と、
    前記各個別経路のうち前記個別抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側に接続された共通経路(LDT,LCT)と、
    前記共通経路に設けられた共通抵抗体(72,102)と、を備えるスイッチの駆動回路。
  2. 前記個別経路を個別放電経路(LDA,LDB)とし、前記個別抵抗体を個別放電抵抗体(70A,70B)とする場合、前記共通経路は、前記各個別放電経路のうち前記個別放電抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側と、前記ゲートの電荷の放電先となるグランド部とを接続する共通放電経路(LDT)であり、
    前記共通放電経路に設けられた放電スイッチ(73)を備え、
    前記切替部は、
    前記各スイッチに対応して設けられ、前記スイッチのゲートと電源(60)とを接続する充電スイッチ(61A,61B)と、
    前記各個別放電経路に設けられ、前記ゲート側から前記共通放電経路側へと向かう第1方向への電流の流通を許容し、前記第1方向とは逆方向の第2方向への電流の流通を阻止する阻止部(71A,71B,75A,75B)と、を有する請求項1に記載のスイッチの駆動回路。
  3. 前記各スイッチに対応して設けられ、前記個別放電経路のうち前記阻止部よりも前記ゲート側と、前記グランド部とを短絡するオフ保持スイッチ(74A,74B)を備える請求項2に記載のスイッチの駆動回路。
  4. 前記各スイッチのうち2つ以上のスイッチ(SWA,SWB)をオン駆動対象として選択する選択部を備え、
    前記選択部は、オン駆動対象として選択した前記2つ以上のスイッチのうち、最後にオフ状態に切り替えるスイッチ(SWA)以外のスイッチ(SWB)に対応する前記オフ保持スイッチ(74B)をオン状態に切り替えた後、前記放電スイッチをオフ状態に切り替える請求項3に記載のスイッチの駆動回路。
  5. 前記個別経路を個別充電経路(LCA,LCB)とし、前記個別抵抗体を個別充電抵抗体(100A,100B)とする場合、前記共通経路は、前記各個別充電経路のうち前記個別充電抵抗体を挟んで前記ゲートとは反対側と、電源(60)とを接続する共通充電経路(LCT)であり、
    前記切替部は、前記各個別充電経路に設けられた充電スイッチ(101A,101B)を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のスイッチの駆動回路。
  6. 第1電流領域において、前記各スイッチのうち2つ以上のスイッチ(SWA,SWB)をオン駆動対象として選択し、前記第1電流領域よりも電流が小さい第2電流領域において、前記各スイッチのうち前記第1電流領域においてオン駆動対象として選択するスイッチの数よりも少ない数のスイッチ(SWA)をオン駆動対象として選択する選択部を備え、
    前記選択部は、前記各スイッチの並列接続体に流れる電流の合計値が判定値以下であると判定した場合、現在の電流領域が前記第2電流領域であると判定し、前記合計値が前記判定値を超えていると判定した場合、現在の電流領域が前記第1電流領域であると判定し、
    前記選択部は、前記各スイッチの両端のうち高電位側の端子の印加電圧が低い場合、該印加電圧が高い場合よりも前記判定値を大きく設定する請求項1〜5のいずれか1項に記載のスイッチの駆動回路。
  7. 第1電流領域において、前記各スイッチのうち2つ以上のスイッチ(SWA,SWB)をオン駆動対象として選択し、前記第1電流領域よりも電流が小さい第2電流領域において、前記各スイッチのうち前記第1電流領域においてオン駆動対象として選択するスイッチの数よりも少ない数のスイッチ(SWA)をオン駆動対象として選択する選択部を備え、
    前記選択部は、前記各スイッチの並列接続体に流れる電流の合計値が判定値以下であると判定した場合、現在の電流領域が前記第2電流領域であると判定し、前記合計値が前記判定値を超えていると判定した場合、現在の電流領域が前記第1電流領域であると判定し、
    前記選択部は、前記スイッチの温度に基づいて、前記判定値を可変設定する請求項1〜5のいずれか1項に記載のスイッチの駆動回路。
  8. 前記各スイッチの並列接続体に流れる電流の合計値がその許容上限値となる場合の前記スイッチのスイッチング速度が、前記合計値が前記判定値となる場合の前記スイッチング速度よりも高くなるように、前記個別抵抗体及び前記共通抵抗体それぞれの抵抗値が設定されている請求項6又は7に記載のスイッチの駆動回路。
  9. 前記共通抵抗体の抵抗値よりも前記個別抵抗体の抵抗値が小さくされている請求項1〜8のいずれか1項に記載のスイッチの駆動回路。
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