JP2020120435A - Power conversion apparatus - Google Patents

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Abstract

To suppress an excessive reverse conducting current flowing through a body diode of a MOSFET.SOLUTION: A power conversion apparatus includes switching circuits that respectively have first and second switching elements, and a control device that selectively performs a first switching control and a second switching control. The second switching element is a MOSFET, and is made from a second semiconductor material that has a wider band gap than a first semiconductor material of the first switching element. The control device is configured to maintain a gate voltage to a source of the MOSFET at a prescribed voltage while performing the first switching control. Accordingly, when a reverse conducting current exceeding a prescribed allowable value flows through a body diode of the MOSFET, a gate voltage to a drain of the MOSFET becomes higher than a threshold voltage of the MOSFET.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。 The technique disclosed in the present specification relates to a power conversion device.

DC−DCコンバータやインバータといった、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置は、電源と負荷との間を複数のスイッチング回路を介して接続し、各々のスイッチング回路を例えばバルス幅変調(PWM;Pulse Width Modulation)方式により制御することによって、電源と負荷との間で電力変換を行っている。 There is known a power conversion device such as a DC-DC converter or an inverter that converts power between a power source and a load. In this type of power conversion device, a power supply and a load are connected via a plurality of switching circuits, and each switching circuit is controlled by, for example, a pulse width modulation (PWM) method, so that Power conversion is performed with the load.

例えば特許文献1に、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、各々のスイッチング回路が、並列に接続された2つのスイッチング素子を有している。一方のスイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、他方のスイッチング素子はMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。スイッチング回路を流れる電流等に応じて、IGBTとMOSFETを選択的に使用する。MOSFETについては、炭化シリコン(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている。ワイドバンドギャップ半導体により構成されたMOSFETは、耐電圧性に優れ、許容電流密度も高いという利点を有するため、高い性能を維持しつつ、小型化を図ることが可能である。 For example, Patent Document 1 discloses a power conversion device. In this power converter, each switching circuit has two switching elements connected in parallel. One switching element is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and the other switching element is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). The IGBT and MOSFET are selectively used according to the current flowing through the switching circuit. The MOSFET is configured using a wide band gap semiconductor such as silicon carbide (SiC). Since the MOSFET composed of the wide band gap semiconductor has the advantages of excellent withstand voltage and high allowable current density, it is possible to achieve miniaturization while maintaining high performance.

特開2014−027816号公報JP, 2014-027816, A

通常、各々のスイッチング回路には、還流ダイオードが設けられている。還流ダイオードは、二つのスイッチング素子と別体で用意されてもよいし、例えばIGBTと一体に設けることもできる。これにより、逆導通時の逆導通電流は、スイッチング素子を迂回し、還流ダイオードを通って流れる。しかしながら、MOSFETには、ボディダイオードが内在している。従って、還流ダイオードだけでなく、MOSFETのボディダイオードにも、逆導通電流が流れるおそれがある。特に、一方のスイッチング素子に大型のIGBTが採用され、他方のスイッチング素子に小型のMOSFETが採用された構成であると、IGBTを駆動しているときの逆導通時において、過大な電流がMOSFETのボディダイオードに流れるおそれがある。これを鑑み、本明細書は、IGBT、又は、その他の第1スイッチング素子の駆動中において、MOSFETのボディダイオードに過大な逆導通電流が流れることを未然に防止、又は、抑制し得る技術を提供する。 Usually, each switching circuit is provided with a freewheeling diode. The free wheeling diode may be prepared separately from the two switching elements, or may be provided integrally with the IGBT, for example. Thereby, the reverse conduction current at the time of reverse conduction bypasses the switching element and flows through the return diode. However, the body diode is inherent in the MOSFET. Therefore, a reverse conduction current may flow not only in the free wheeling diode but also in the body diode of the MOSFET. In particular, with a configuration in which a large-sized IGBT is used for one switching element and a small-sized MOSFET is used for the other switching element, an excessive current of the MOSFET is generated during reverse conduction when driving the IGBT. It may flow to the body diode. In view of this, the present specification provides a technique capable of preventing or suppressing an excessive reverse conduction current from flowing in the body diode of the MOSFET while the IGBT or other first switching element is being driven. To do.

本明細書が開示する電力変換装置は、少なくとも二つのスイッチング回路と、制御装置とを備える。それらのスイッチング回路は、電源から負荷への電力供給経路上に設けられているとともに、各々のスイッチング回路は、互いに並列に接続された第1スイッチング素子、及び、第2スイッチング素子を有する。制御装置は、スイッチング回路を流れる電流等に基づいて、第1スイッチング素子を駆動する第1スイッチング制御と、第2スイッチング素子を駆動する第2スイッチング制御とを、選択的に実行する。第1スイッチング素子は、第1半導体材料を用いて構成されている。第2スイッチング素子はMOSFETである。MOSFETは、第1スイッチング素子よりバンドギャップの広い第2半導体材料を用いて構成されている。MOSFETのサイズは、第1スイッチング素子のサイズよりも小さく構成されている。制御装置は、第1スイッチング制御の実行中において、MOSFETのソースに対するゲート電圧を、所定の電圧に保持する。それによって、MOSFETのボディダイオードに所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、MOSFETの閾値電圧よりも大きくなるように構成されている。 The power conversion device disclosed in the present specification includes at least two switching circuits and a control device. The switching circuits are provided on a power supply path from the power supply to the load, and each switching circuit has a first switching element and a second switching element connected in parallel with each other. The control device selectively executes a first switching control for driving the first switching element and a second switching control for driving the second switching element based on a current flowing through the switching circuit or the like. The first switching element is composed of the first semiconductor material. The second switching element is a MOSFET. The MOSFET is composed of a second semiconductor material having a bandgap wider than that of the first switching element. The size of the MOSFET is smaller than the size of the first switching element. The control device holds the gate voltage for the source of the MOSFET at a predetermined voltage during execution of the first switching control. Thereby, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows in the body diode of the MOSFET, the gate voltage to the drain of the MOSFET becomes higher than the threshold voltage of the MOSFET.

上記した電力変換装置では、第1スイッチング制御の実行中に、MOSFETのソースに対するゲート電圧が、所定の電圧に保持される。それによって、MOSFETのボディダイオードに、所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときは、MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、MOSFETの閾値電圧よりも大きくなる。その結果、MOSFETが導通状態になり、ソース−ドレイン間に電流が流れることによって、ボディダイオードを流れる電流が制限される。これにより、MOSFETのボディダイオードに、過大な電流が流れることが未然に防止されるか、あるいは、そのような事態の発生が抑制される。 In the above-described power converter, the gate voltage with respect to the source of the MOSFET is held at a predetermined voltage during execution of the first switching control. As a result, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows through the body diode of the MOSFET, the gate voltage with respect to the drain of the MOSFET becomes higher than the threshold voltage of the MOSFET. As a result, the MOSFET becomes conductive, and a current flows between the source and the drain, thereby limiting the current flowing through the body diode. As a result, an excessive current is prevented from flowing in the body diode of the MOSFET, or the occurrence of such a situation is suppressed.

電力変換装置10の構成を示すブロック図である。3 is a block diagram showing the configuration of the power conversion device 10. FIG. スイッチング回路に流れる電流に応じて決定される、各スイッチング素子のゲート駆動電圧を示すグラフである。6 is a graph showing the gate drive voltage of each switching element, which is determined according to the current flowing in the switching circuit. 逆導通時における、逆導通電流(IF1、IF2)の流れを模式的に示す。The flow of reverse conduction currents (IF1, IF2) at the time of reverse conduction is schematically shown. 図2のA点において、MOSFET36がターンオンされる様子を模式的に示す。A state in which the MOSFET 36 is turned on is schematically shown at a point A in FIG. 大電流域での逆導通時において、MOSFET36のゲート電圧Vges2を0Vに保持した際の、逆導通電流(IF1、Ids、IF2−Ids)の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the reverse conduction current (IF1, Ids, IF2-Ids) when the gate voltage Vges2 of MOSFET36 is hold|maintained at 0V at the time of reverse conduction in a large current area.

図面を参照して実施例の電力変換装置10を説明する。本実施例の電力変換装置10は、電源4と負荷6との間で電力変換を行う、DC−DCコンバータやインバータといった電力変換器の一部を構成することができる。本実施例の電力変換装置10は、一例ではあるが、ハイブリッド車、燃料電池車、又は、電気自動車といった自動車に搭載される。但し、本実施例で開示される技術は、自動車に搭載される電力変換装置10だけでなく、様々な用途の電力変換装置にも採用することができる。 A power converter 10 according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion device 10 of the present embodiment can configure a part of a power converter such as a DC-DC converter or an inverter that performs power conversion between the power supply 4 and the load 6. The power conversion device 10 of the present embodiment is mounted on a vehicle such as a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle, for example. However, the technology disclosed in the present embodiment can be applied not only to the power conversion device 10 mounted on an automobile but also to power conversion devices for various purposes.

図1は、本実施例の電力変換装置10のブロック図を示す。電力変換装置10は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30と、制御装置12と、複数の駆動回路42、44、46、48とを備える。上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30は、電源4と負荷6との間の電力供給経路上で、直列に接続されている。上側スイッチング回路20は、電源4の正極と負荷6との間を接続する電力供給経路に設けられている。下側スイッチング回路30は、電源4の負極と負荷6との間を接続する電力供給経路上に設けられている。即ち、上側スイッチング回路20は、いわゆる上アームに位置しており、下側スイッチング回路30は、いわゆる下アームに位置している。負荷6は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30の中点で接続されている。制御装置12は、駆動回路42、44、46、48を介して、各々のスイッチング回路20、30に接続されている。 FIG. 1 shows a block diagram of a power conversion device 10 of this embodiment. The power conversion device 10 includes an upper switching circuit 20, a lower switching circuit 30, a control device 12, and a plurality of drive circuits 42, 44, 46, 48. The upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 are connected in series on the power supply path between the power source 4 and the load 6. The upper switching circuit 20 is provided in a power supply path that connects the positive electrode of the power supply 4 and the load 6. The lower switching circuit 30 is provided on a power supply path that connects the negative electrode of the power supply 4 and the load 6. That is, the upper switching circuit 20 is located in the so-called upper arm, and the lower switching circuit 30 is located in the so-called lower arm. The load 6 is connected to the upper switching circuit 20 and the middle point of the lower switching circuit 30. The control device 12 is connected to the respective switching circuits 20 and 30 via drive circuits 42, 44, 46 and 48.

上側スイッチング回路20は、IGBT22とMOSFET26とを備える。IGBT22とMOSFET26は、互いに並列に接続されている。IGBT22は、シリコン(Si)を用いて構成された半導体素子であり、MOSFET26は、炭化シリコン(SiC)を用いて構成された半導体素子である。本実施例におけるIGBT22は、RC(Reverse-Conducting)−IGBTであり、還流ダイオード24が一体に設けられている。また、MOSFET26には、ボディダイオード28が内在している。なお、還流ダイオード24は、IGBT22とは別に、独立した半導体素子として設けられてもよい。 The upper switching circuit 20 includes an IGBT 22 and a MOSFET 26. The IGBT 22 and the MOSFET 26 are connected in parallel with each other. The IGBT 22 is a semiconductor element made of silicon (Si), and the MOSFET 26 is a semiconductor element made of silicon carbide (SiC). The IGBT 22 in this embodiment is an RC (Reverse-Conducting)-IGBT, and a free wheeling diode 24 is integrally provided. A body diode 28 is included in the MOSFET 26. The free wheeling diode 24 may be provided as an independent semiconductor element, separately from the IGBT 22.

下側スイッチング回路30も同様に、IGBT32とMOSFET36とを備える。IGBT32とMOSFET36は、互いに並列に接続されている。IGBT32は、シリコンを用いて構成された半導体素子であり、MOSFET36は、炭化シリコンを用いて構成された半導体素子である。下側スイッチング回路30においても、IGBT32は、RC(Reverse-Conducting)−IGBTであり、還流ダイオード34が一体に設けられている。また、MOSFET36には、ボディダイオード38が内在している。なお、還流ダイオード34は、IGBT32とは別に、独立した半導体素子として設けられてもよい。 Similarly, the lower switching circuit 30 also includes an IGBT 32 and a MOSFET 36. The IGBT 32 and the MOSFET 36 are connected in parallel with each other. The IGBT 32 is a semiconductor element made of silicon, and the MOSFET 36 is a semiconductor element made of silicon carbide. Also in the lower switching circuit 30, the IGBT 32 is an RC (Reverse-Conducting)-IGBT, and the free wheeling diode 34 is integrally provided. A body diode 38 is included in the MOSFET 36. The free wheeling diode 34 may be provided as an independent semiconductor element separately from the IGBT 32.

MOSFET26、36を構成する炭化シリコンは、シリコンよりも広いバンドギャップを有しており、ワイドバンドギャップ半導体と称されるものの1つである。炭化シリコンは、本技術における第2半導体材料の一例である。MOSFET26、36を構成する第2半導体材料は、炭化シリコンに限定されず、例えば窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)、又は、ダイヤモンドといった他のワイドバンドギャップ半導体であってもよい。また、IGBT22、32を構成する半導体材料は、シリコンに限定されない。MOSFET26、36を構成する半導体材料が、IGBT22、32を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有すればよい。また、IGBT22、32は、必ずしもIGBTに限定されず、他の構造を有するスイッチング素子であってもよい。 Silicon carbide forming the MOSFETs 26 and 36 has a wider bandgap than silicon, and is one of the so-called wide bandgap semiconductors. Silicon carbide is an example of the second semiconductor material in the present technology. The second semiconductor material forming the MOSFETs 26 and 36 is not limited to silicon carbide and may be, for example, gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), or another wide band gap semiconductor such as diamond. .. The semiconductor material forming the IGBTs 22 and 32 is not limited to silicon. It suffices that the semiconductor material forming the MOSFETs 26 and 36 has a wider band gap than the semiconductor material forming the IGBTs 22 and 32. Moreover, the IGBTs 22 and 32 are not necessarily limited to the IGBTs, and may be switching elements having other structures.

制御装置12は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30を、例えばPWM方式により制御することによって、電源4と負荷6との間で電力変換を行う。上側スイッチング回路20のIGBT22は、第1駆動回路42を介して、制御装置12と接続されている。同様に、上側スイッチング回路20のMOSFET26は、第2駆動回路44を介して制御装置12と接続され、下側スイッチング回路30のIGBT32は、第3駆動回路46を介して制御装置12と接続され、下側スイッチング回路30のMOSFET36は、第4駆動回路48を介して制御装置12と接続されている。制御装置12は、複数の駆動回路42、44、46、48を介して、上側スイッチング回路20及び下側スイッチング回路30の動作を制御する。 The control device 12 performs power conversion between the power source 4 and the load 6 by controlling the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 by, for example, the PWM method. The IGBT 22 of the upper switching circuit 20 is connected to the control device 12 via the first drive circuit 42. Similarly, the MOSFET 26 of the upper switching circuit 20 is connected to the control device 12 via the second drive circuit 44, and the IGBT 32 of the lower switching circuit 30 is connected to the control device 12 via the third drive circuit 46. The MOSFET 36 of the lower switching circuit 30 is connected to the control device 12 via the fourth drive circuit 48. The controller 12 controls the operation of the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 via the plurality of drive circuits 42, 44, 46, 48.

特に、本実施例における制御装置12は、スイッチング回路20、30に流れる電流に応じて、第1スイッチング制御と第2スイッチング制御とを選択的に実行する。第1スイッチング制御では、IGBT22、32のみが駆動され、MOSFET26、36は使用されない。一方、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36のみが駆動され、IGBT22、32は使用されない。即ち、制御装置12は、第1スイッチング制御を実行する場合、駆動回路42、46を介して、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2を制御する。一方、制御装置12は、第2スイッチング制御を実行する場合、駆動回路44、48を介して、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2を制御する。 In particular, the control device 12 in the present embodiment selectively executes the first switching control and the second switching control according to the current flowing through the switching circuits 20 and 30. In the first switching control, only the IGBTs 22 and 32 are driven and the MOSFETs 26 and 36 are not used. On the other hand, in the second switching control, only the MOSFETs 26 and 36 are driven and the IGBTs 22 and 32 are not used. That is, the control device 12 controls the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 via the drive circuits 42 and 46 when executing the first switching control. On the other hand, when executing the second switching control, the control device 12 controls the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 via the drive circuits 44 and 48.

前述したように、MOSFET26、36は、炭化シリコンを用いて構成されている。炭化シリコンは、ワイドバンドギャップ半導体の一種であり、それを用いて構成されたMOSFET26、36は、耐電圧性に優れ、許容電流密度も高いという利点を有する。従って、MOSFET26、36については、高い性能を維持しつつ、小型化を図ることが可能である。この点に関して、一般に、IGBTやMOSFETといったスイッチング素子22、26、32、36の製造コストは、そのサイズに比例して増大するとともに、その傾向は、ワイドバンドギャップ半導体を採用したMOSFET26、36において顕著となる。そのことから、本実施例では、MOSFET26、36のサイズが、IGBT22、32のサイズよりも小さくされており、それによって、高い性能を維持しつつも、製造コストの低減が図られている。なお、本明細書におけるスイッチング素子22、26、32、36のサイズとは、平面視したときのサイズを意図しており、例えばチップサイズとも称される。 As described above, the MOSFETs 26 and 36 are made of silicon carbide. Silicon carbide is a kind of wide band gap semiconductor, and MOSFETs 26 and 36 configured by using it have the advantages of excellent withstand voltage and high allowable current density. Therefore, the MOSFETs 26 and 36 can be downsized while maintaining high performance. In this regard, in general, the manufacturing costs of the switching elements 22, 26, 32, 36 such as IGBTs and MOSFETs increase in proportion to their sizes, and this tendency is remarkable in the MOSFETs 26, 36 employing wide band gap semiconductors. Becomes Therefore, in the present embodiment, the sizes of the MOSFETs 26 and 36 are made smaller than the sizes of the IGBTs 22 and 32, thereby reducing manufacturing costs while maintaining high performance. Note that the sizes of the switching elements 22, 26, 32, and 36 in the present specification are intended to be sizes when viewed in plan, and are also referred to as chip sizes, for example.

制御装置12は、上側スイッチング回路20に所定の電流を超える大電流が流れる期間においては、サイズの大きいIGBT22を駆動する第1スイッチング制御を行う。本明細書では、所定の電流よりも大きい大電流が流れる期間を、「大電流域」と称する。制御装置12は、上側スイッチング回路20に所定の電流よりも小さい小電流が流れる期間においては、サイズの小さいMOSFET26を駆動する第2スイッチング制御を行う。本明細書では、所定の電流よりも小さい小電流が流れる期間を、「小電流域」と称する。同様に、下側スイッチング回路30に、大電流域の電流が流れる期間においては、制御装置12は、サイズの大きいIGBT32を駆動する第1スイッチング制御を行う。下側スイッチング回路30に、小電流域の電流が流れる期間においては、サイズの小さいMOSFET36を駆動する第2スイッチング制御を行う。 The controller 12 performs the first switching control for driving the large-sized IGBT 22 during the period when a large current exceeding the predetermined current flows in the upper switching circuit 20. In this specification, a period in which a large current larger than a predetermined current flows is referred to as a “large current region”. The control device 12 performs the second switching control for driving the MOSFET 26 having a small size during a period in which a small current smaller than a predetermined current flows through the upper switching circuit 20. In this specification, a period in which a small current smaller than a predetermined current flows is referred to as a “small current region”. Similarly, during the period when the current in the large current region flows through the lower switching circuit 30, the control device 12 performs the first switching control for driving the IGBT 32 having a large size. During the period when the current in the small current region flows through the lower switching circuit 30, the second switching control for driving the small-sized MOSFET 36 is performed.

図2は、制御装置12によるゲート電圧Vge1、Vge2、Vgs1、Vgs2の制御例を示す。図2に示すように、大電流域では第1スイッチング制御が実行され、IGBT22、32を駆動するために、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2が経時的に制御される。一例ではあるが、第1スイッチング制御では、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2が、0ボルトと15ボルトとの間で制御される。一方、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2は、0ボルトに維持される。小電流域では第2スイッチング制御が実行され、MOSFET26、36を駆動するために、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2が経時的に制御される。一例ではあるが、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2が、−5ボルトと20ボルトとの間で制御される。一方、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2は、ゼロボルトに維持される。 FIG. 2 shows an example of control of the gate voltages Vge1, Vge2, Vgs1, Vgs2 by the controller 12. As shown in FIG. 2, the first switching control is executed in the large current region, and the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are controlled over time in order to drive the IGBTs 22 and 32. As an example, in the first switching control, the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are controlled between 0 volt and 15 volt. On the other hand, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are maintained at 0 volt. The second switching control is executed in the small current region, and the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are controlled with time in order to drive the MOSFETs 26 and 36. As one example, in the second switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are controlled between −5 and 20 volts. On the other hand, the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are maintained at zero volts.

ここで、図2に示すゲート電圧Vgs1、Vgs2のグラフから理解されるように、第1スイッチング制御と第2スイッチング制御との間において、MOSFET26、36をターンオフさせるときのゲート電圧Vgs1、Vgs2は互いに相違する。即ち、第1スイッチング制御では、MOSFET26、36をターンオフするときのゲート電圧Vgs1、Vgs2がゼロボルトである一方で、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36をターンオフするときのゲート電圧Vgs1、Vgs2は−5ボルトとなっている。 Here, as understood from the graph of the gate voltages Vgs1 and Vgs2 shown in FIG. 2, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when turning off the MOSFETs 26 and 36 are mutually different between the first switching control and the second switching control. Be different. That is, in the first switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when turning off the MOSFETs 26 and 36 are zero volts, while in the second switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when turning off the MOSFETs 26 and 36 are -5. It is a bolt.

制御装置12は、上側スイッチング回路20を導通させる状態から、下側スイッチング回路30を導通させる状態へ切り替えるタイミング(図2中のA)で、全てのスイッチング素子22、26、32、36が、電源4の正極側から負極側に向かう方向に対して、非導通状態になる時間を設けている。この時間はデッドタイムと称される。上側スイッチング回路20が非導通状態になった直後には、電流が完全に切れていないため、そのタイミングで下側スイッチング回路30を、電源4の正極側から負極側に向かう方向に対して導通状態にしてしまうと、ショートを起こすおそれがある。これを未然に防ぐために、デッドタイムが設けられている。このデッドタイムにおいて、下側スイッチング回路30では逆導通電流が生じ得る。本実施例では、上側スイッチング回路20から、下側スイッチング回路30に切り替えるタイミングでの逆導通電流をメインとして説明するが、下側スイッチング回路30から、上側スイッチング回路20に切り替えるタイミングでも同様である。 The control device 12 causes all of the switching elements 22, 26, 32, and 36 to turn on at the timing (A in FIG. 2) at which the lower switching circuit 30 is turned on from the state where the upper switching circuit 20 is turned on. In the direction from the positive electrode side to the negative electrode side of No. 4, there is provided a time in which the non-conduction state is established. This time is called dead time. Immediately after the upper switching circuit 20 becomes non-conductive, the current is not completely cut off, and therefore the lower switching circuit 30 is made conductive in the direction from the positive side to the negative side of the power supply 4 at that timing. If you do so, you may cause a short circuit. In order to prevent this, dead time is provided. During this dead time, reverse conduction current may occur in the lower switching circuit 30. In this embodiment, the reverse conduction current at the timing of switching from the upper switching circuit 20 to the lower switching circuit 30 will be mainly described, but the same applies to the timing of switching from the lower switching circuit 30 to the upper switching circuit 20.

図3に、上側スイッチング回路20を導通させる状態から、下側スイッチング回路30を導通させる状態に切り替えるタイミングにおいて、下側スイッチング回路30で発生する逆導通電流(IF1、IF2)の流れを示す。通常、逆導通電流(IF1、IF2)は、IGBT32と一体に設けられた還流ダイオード34に流れることが想定されている。しかしながら、それらと並列に接続されたMOSFET36にも、ボディダイオード38が内在している。従って、図3に示すように、還流ダイオード34だけでなく、MOSFET36のボディダイオード38にも、逆導通電流IF2が流れるおそれがある。 FIG. 3 shows the flow of reverse conduction currents (IF1, IF2) generated in the lower switching circuit 30 at the timing of switching from the state in which the upper switching circuit 20 is conducting to the state in which the lower switching circuit 30 is conducting. Normally, it is assumed that the reverse conduction currents (IF1, IF2) flow in the free wheeling diode 34 provided integrally with the IGBT 32. However, the body diode 38 is also present in the MOSFET 36 connected in parallel with them. Therefore, as shown in FIG. 3, the reverse conduction current IF2 may flow not only in the free wheeling diode 34 but also in the body diode 38 of the MOSFET 36.

ここで、IGBT32は、大電流域でのスイッチングを担うことから、比較的にサイズの大きいものが採用されている。一方、MOSFET36は、小電流域でのスイッチングを担うことから、比較的にサイズの小さいものが採用されている。そのために、IGBT32の許容電流に対して、MOSFET36の許容電流は比較的に小さい。従って、大電流域における逆導通電流は、MOSFET36のボディダイオード38にとって過大であり、例えばMOSFET36にダメージを与えるおそれがある。 Here, the IGBT 32 has a relatively large size because it is responsible for switching in a large current region. On the other hand, since the MOSFET 36 is responsible for switching in the small current region, a relatively small size MOSFET is used. Therefore, the allowable current of the MOSFET 36 is relatively smaller than the allowable current of the IGBT 32. Therefore, the reverse conduction current in the large current region is too large for the body diode 38 of the MOSFET 36 and may damage the MOSFET 36, for example.

上記の問題に関して、本実施例の電力変換装置10では、第1スイッチング制御の実行中に、MOSFET36のソースに対するゲート電圧Vgs2が、ゼロボルトに保持されている。それにより、図4に示すように、MOSFET36のボディダイオード38に、所定の許容値を超える逆導通電流が流れ、その順方向電圧Vfが所定のレベルに達すると、MOSFET36のドレインに対するゲートの電圧(Vgs2−Vdであり、Vd=−Vf)が、MOSFET36の閾値電圧よりも大きくなる。その結果、図5に示すように、MOSFET36が導通状態になり、ソース−ドレイン間に電流Idsが流れることによって、ボディダイオード38を流れる電流IF2が制限される(即ち、IF2−Idsとなる)。 Regarding the above problem, in the power conversion device 10 of the present embodiment, the gate voltage Vgs2 with respect to the source of the MOSFET 36 is held at zero volt during the execution of the first switching control. As a result, as shown in FIG. 4, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows in the body diode 38 of the MOSFET 36 and the forward voltage Vf thereof reaches a predetermined level, the voltage of the gate to the drain of the MOSFET 36 ( Vgs2−Vd, and Vd=−Vf) becomes larger than the threshold voltage of the MOSFET 36. As a result, as shown in FIG. 5, the MOSFET 36 becomes conductive and the current Ids flows between the source and the drain, so that the current IF2 flowing through the body diode 38 is limited (that is, becomes IF2-Ids).

本実施例の電力変換装置10では、第1スイッチング制御において、MOSFET36のゲート電圧Vgs1がゼロボルトに維持される。これにより、MOSFET36のボディダイオード38に、所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、MOSFET36のドレインに対するゲートの電圧Vdが、MOSFET36の閾値電圧よりも大きくなる。言い換えると、第1スイッチング制御において、MOSFET36に与える具体的なゲート電圧Vgs1の値は、MOSFET36の電流に関する許容値や、MOSFET36の閾値電圧に応じて定めることができる。そのことから、例えばMOSFET36の閾値電圧は、MOSFET36の温度に応じて変化することから、第1スイッチング制御においてMOSFET36に与えるゲート電圧Vgs1も、温度に応じて調節してもよい。 In the power conversion device 10 of the present embodiment, the gate voltage Vgs1 of the MOSFET 36 is maintained at zero volt in the first switching control. As a result, when a reverse conduction current that exceeds a predetermined allowable value flows through the body diode 38 of the MOSFET 36, the gate voltage Vd with respect to the drain of the MOSFET 36 becomes higher than the threshold voltage of the MOSFET 36. In other words, in the first switching control, the specific value of the gate voltage Vgs1 given to the MOSFET 36 can be determined according to the allowable value of the current of the MOSFET 36 and the threshold voltage of the MOSFET 36. Therefore, for example, the threshold voltage of the MOSFET 36 changes according to the temperature of the MOSFET 36. Therefore, the gate voltage Vgs1 applied to the MOSFET 36 in the first switching control may also be adjusted according to the temperature.

いずれにしても、MOSFET36のソースに対するゲートの電圧をVaとした場合、逆導通電流IF2が流れた時のゲート−ドレイン間電圧Vgdは、Vgd=Va+VFとなる。このゲート−ドレイン間電圧Vgdが、MOSFET36の閾値電圧Vthを超えていれば、すなわち、Va+VF>Vthを満たせば、MOSFET36がターンオンされ、ソース−ドレイン間で導通状態となる。従って、第1スイッチング制御においてMOSFET36に与えるゲート電圧Vgs1は、ゼロボルトに限定されることなく、Va+VF>Vthを満たすような任意の値であってよい。 In any case, when the gate voltage with respect to the source of the MOSFET 36 is Va, the gate-drain voltage Vgd when the reverse conduction current IF2 flows is Vgd=Va+VF. If the gate-drain voltage Vgd exceeds the threshold voltage Vth of the MOSFET 36, that is, if Va+VF>Vth is satisfied, the MOSFET 36 is turned on and the source-drain becomes conductive. Therefore, the gate voltage Vgs1 applied to the MOSFET 36 in the first switching control is not limited to zero volts and may be any value that satisfies Va+VF>Vth.

また、本実施例においては、上側スイッチング回路20から、下側スイッチング回路30に切り替えるタイミングで、下側スイッチング回路30に発生する逆導通電流について述べた。一方で、下側スイッチング回路30から、上側スイッチング回路20に切り替えるタイミングにおいては、上側スイッチング回路20に、負荷6から電源4の正極側の方向へ向かう、逆導通電流が発生する。この場合においても、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30の役割を反対にすることで、同様の効果を得ることができる。すなわち、第2駆動回路44が出力する電圧を、所定の電圧に保持し、MOSFET26を、ソース−ドレイン間で導通させることにより、ボディダイオード28に過大な逆導通電流が流れることを未然に防止、又は、抑制し得る。 Further, in this embodiment, the reverse conduction current generated in the lower switching circuit 30 at the timing of switching from the upper switching circuit 20 to the lower switching circuit 30 has been described. On the other hand, at the timing of switching from the lower switching circuit 30 to the upper switching circuit 20, a reverse conduction current is generated in the upper switching circuit 20 from the load 6 toward the positive side of the power supply 4. Even in this case, the same effect can be obtained by reversing the roles of the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30. That is, by holding the voltage output from the second drive circuit 44 at a predetermined voltage and making the MOSFET 26 conductive between the source and the drain, it is possible to prevent an excessive reverse conduction current from flowing in the body diode 28. Alternatively, it can be suppressed.

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書、又は、図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the technology disclosed in the present specification have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exert technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the technique illustrated in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving the one purpose among them has technical utility.

4:電源
6:負荷
10:電力変換装置
12:制御装置
20、30:スイッチング回路
22、32:IGBT
24、34:還流ダイオード
26、36:MOSFET
28、38:ボディダイオード
42、44、46、48:駆動回路
4: Power supply 6: Load 10: Power conversion device 12: Control devices 20, 30: Switching circuits 22, 32: IGBT
24, 34: Free wheeling diodes 26, 36: MOSFET
28, 38: body diodes 42, 44, 46, 48: drive circuits

Claims (1)

電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記電源から前記負荷への電力供給経路上に設けられているとともに、各々が互いに並列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有する、少なくとも二つのスイッチング回路と、
前記第1スイッチング素子を駆動する第1スイッチング制御と、前記第2スイッチング素子を駆動する第2スイッチング制御とを選択的に実行する制御装置と、
を備え、
前記第1スイッチング素子は、第1半導体材料を用いて構成されており、
前記第2スイッチング素子は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、前記第1半導体材料よりもバンドギャップの広い第2半導体材料を用いて構成されているとともに、そのサイズは前記第1スイッチング素子のサイズよりも小さく、
前記制御装置は、前記第1スイッチング制御の実行中において、前記MOSFETのソースに対するゲート電圧を、所定の電圧に保持するように構成されており、それによって、前記MOSFETのボディダイオードに所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、前記MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、前記MOSFETの閾値電圧よりも大きくなる、
電力変換装置。
A power conversion device for converting power between a power source and a load,
At least two switching circuits, which are provided on a power supply path from the power source to the load and each have a first switching element and a second switching element connected in parallel with each other,
A control device that selectively executes first switching control that drives the first switching element and second switching control that drives the second switching element;
Equipped with
The first switching element is composed of a first semiconductor material,
The second switching element is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), is composed of a second semiconductor material having a wider bandgap than the first semiconductor material, and has a size of Smaller than the size of the first switching element,
The control device is configured to hold the gate voltage with respect to the source of the MOSFET at a predetermined voltage during execution of the first switching control, whereby the body diode of the MOSFET has a predetermined allowable value. A reverse conduction current of more than, the gate voltage to the drain of the MOSFET becomes larger than the threshold voltage of the MOSFET,
Power converter.
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