JP2020145806A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、並列に接続されたそれぞれのトランジスタにクランプ回路が接続された電力変換器に関し、ゲート発振を抑える技術を提供する。【解決手段】電力変換器２は、並列に接続されている第１、第２トランジスタ１０、２０と、第１、第２トランジスタの並列接続に対して直列に接続されている電力変換用の第３トランジスタ３０と、第１トランジスタ１０のゲートＧ１とエミッタＥ１の間に接続している第１ダイオード５１、第１コンデンサ５２と、第２トランジスタ２０のゲートＧ２とエミッタＥ２の間に接続している第２ダイオード６１、第２コンデンサ６２を備えている。第１コンデンサ５２または第２コンデンサ６２に直列にインダクタが直列に接続されている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電圧コンバータやインバータに代表される電力変換器に関する。

典型的な電力変換器は、電力変換用の２個のトランジスタの直列接続を含んでいる。それぞれのトランジスタを適宜のタイミングでオンオフすることにより、電力変換器は、入力電力を所望の電力に変換して出力する。特許文献１に、電力変換用の２個のトランジスタの直列接続を含む電力変換器において、一方のトランジスタが短絡故障したときに他方のトランジスタのゲートの電圧が過度に高くなってしまうことを防止する技術が開示されている。その技術では、トランジスタのゲートと負電極の間にクランプ回路を接続する。クランプ回路は、ダイオードとコンデンサを含んでいる。ダイオードのアノードがトランジスタのゲートに接続される。ダイオードのカソードはコンデンサの一方の電極に接続される。コンデンサの他方の電極がトランジスタの負電極に接続される。特許文献１の電力変換器では、ゲート電圧が高くなると、クランプ回路（ダイオードとコンデンサ）を介して電流がトランジスタの負電極を流れるため、ゲート電圧の過度の上昇が抑えられる。

なお、本明細書では、トランジスタの２個の主電極のうち、高電位側に接続される電極（ｎｐｎ型の場合はコレクタあるいはドレイン）を正電極と称し、低電位側に接続される電極（ｎｐｎ型の場合はエミッタあるいはソース）を負電極と称する。

国際特許公開ＷＯ２０１３／１５７０８６号公報

電力変換器では、トランジスタの負荷を抑えるため、複数のトランジスタを並列に接続することがある。２個のトランジスタを同じタイミングでオンオフすることにより、１個あたりのトランジスタに流れる電流を抑えることができる。あるいは、２個のトランジスタを交互にオンオフすることにより、１個あたりのトランジスタのスイッチング回数を減らすことができる。一方、並列に接続された２個のトランジスタのそれぞれにクランプ回路を取り付けると、一方のトランジスタのゲートからクランプ回路へ伝播した高周波ノイズが他方のクランプ回路を通じて他方のトランジスタのゲートに伝播してしまい、いわゆるゲート発振を生じるおそれがある。本明細書は、電力変換用の２個のトランジスタの直列接続を有するとともに、一方のトランジスタに対して別のトランジスタを並列に接続し、並列に接続されたそれぞれのトランジスタにクランプ回路が接続された電力変換器に関し、ゲート発振を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、並列に接続されている電力変換用の第１トランジスタ及び第２トランジスタと、それら第１、第２トランジスタの並列接続に対して直列に接続されている電力変換用の第３トランジスタを備えている。第３トランジスタは第１、第２トランジスタの正電極側に接続されていてもよいし、負電極側に接続されていてもよい。また、第３トランジスタに並列に別のトランジスタ（第４トランジスタ）が接続されていてもよい。

本明細書が開示する電力変換器は、さらに、第１ダイオード、第１コンデンサ、第２ダイオード、第２コンデンサ、インダクタを備えている。第１ダイオードのアノードが第１トランジスタのゲートに接続している。第１コンデンサの一方の電極が第１ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が第１トランジスタの負電極に接続している。第２ダイオードのアノードが第２トランジスタのゲートに接続している。第２コンデンサの一方の電極が第２ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が第２トランジスタの負電極に接続している。そして、インダクタは、第１コンデンサまたは第２コンデンサに直列に接続されている。インダクタは、コンデンサとダイオードの間に接続されていてもよいし、コンデンサとトランジスタの負電極の間に接続されていてもよい。あるいは、インダクタは、ダイオードとゲートの間に接続されていてもよい。インダクタが高周波ノイズを吸収するので、クランプ回路を経由した高周波ノイズ（ゲート発振）が抑えられる。

第１ダイオードと第１コンデンサが第１クランプ回路に相当し、第２ダイオードと第２コンデンサが第２クランプ回路に相当する。第１クランプ回路と第２クランプ回路のそれぞれが直列に接続されるインダクタを備えていることが好ましいが、いずれか一方のクランプ回路にインダクタが接続されていれば高周波ノイズの低減効果が期待できる。また、クランプ回路は、直列に接続されたトランジスタの高電位側のトランジスタに設けられても良いし、低電位側のトランジスタに設けられても良い。いずれか一方のトランジスタにクランプ回路を備える場合、低電位側のトランジスタに備えることが好ましい。高電位側のトランジスタと低電位側のトランジスタの双方にクランプ回路を備えることが最も好ましい。

本明細書が開示する技術は、典型的には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータあるいはインバータに適用されてもよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の電力変換器の回路図である。 高周波ノイズの流れを例示した回路図である。 第２実施例の電力変換器の回路図である。

（第１実施例）図１、２を参照して第１実施例の電力変換器２を説明する。図１に、第１実施例の電力変換器２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。図１に、電力変換器２の回路図を示す。電力変換器２は、低電圧端３ａ、３ｂに入力された電圧を昇圧して高電圧端４ａ、４ｂから出力する昇圧機能と、高電圧端４ａ、４ｂに入力された電圧を降圧して低電圧端３ａ、３ｂから出力する降圧機能を備えている。

電力変換器２は、第１トランジスタ１０、第２トランジスタ２０、第３トランジスタ３０、第４トランジスタ、４個のダイオード１１、２１、３１、４１、リアクトル５を備えている。第１トランジスタ１０と第２トランジスタ２０は並列に接続されている。第３トランジスタ３０と第４トランジスタ４０も並列に接続されている。第１、第２トランジスタ１０、２０の並列回路と、第３、第４トランジスタ３０、４０の並列回路は直列に接続されている。第１、第２トランジスタ１０、２０と、第３、第４トランジスタ３０、４０の直列接続回路は、高電圧端正極４ａと高電圧端負極４ｂの間に接続されている。リアクトル５は、第１、第２トランジスタ１０、２０と、第３、第４トランジスタ３０、４０の直列接続回路の中点と、低電圧端正極３ａの間に接続されている。

第１トランジスタ１０に対してダイオード１１が逆並列に接続されている。同様に、トランジスタ２０（３０、４０）に対してダイオード２１（３１、４１）が逆並列に接続されている。トランジスタ１０、２０、３０、４０は、電力変換用のトランジスタであり、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。

第１トランジスタ１０のゲートＧ１と第２トランジスタ２０のゲートＧ２は、信号入力端６で接続されており、信号入力端６にはゲートドライバ７が接続されている。第１、第２トランジスタ１０、２０のゲートには、ゲートドライバ７から同一の駆動信号が入力される。それゆえ、並列に接続された第１、第２トランジスタ１０、２０は、あたかも１個のトランジスタのように振舞う。第３、第４トランジスタ３０、４０のゲートにも同一の駆動信号が入力される。それゆえ、並列に接続された第３、第４トランジスタ３０、４０も、あたかも１個のトランジスタのように振舞う。以下、説明の便宜のため第１、第２トランジスタ１０、２０を下トランジスタと総称し、第３、第４トランジスタ３０、４０を上トランジスタと総称することにする。下トランジスタ（第１、第２トランジスタ１０、２０）が主に昇圧動作に寄与し、上トランジスタ（第３、第４トランジスタ３０、４０）が主に降圧動作に寄与する。上トランジスタ（下トランジスタ）が並列に接続された２個のトランジスタで構成されていることで、１個当たりのトランジスタの負荷を下げることができる。

第１−第４トランジスタ１０−４０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号が駆動信号である。第１、第２トランジスタ１０、２０に対する駆動信号は、ゲートドライバ７から与えられる。下トランジスタ（第１、第２トランジスタ１０、２０）に与えるＰＷＭ信号を反転させた駆動信号が上トランジスタ（第３、第４トランジスタ３０、４０）に与えられる（上トランジスタ用のゲートドライバは不図示）。そのよう相補的な駆動信号を与えることにより、低電圧端３ａ、３ｂに印加される電圧と高電圧端４ａ、４ｂに印加されるバランスにより、昇圧動作と降圧動作が受動的に切り替わる。電力変換器２（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ）は、力行と回生がランダムに頻繁に繰り返される電気自動車に適している。

信号入力端６と第１トランジスタ１０のゲートＧ１の間には、ゲート抵抗５４が接続されており、信号入力端６と第２トランジスタ２０のゲートＧ２の間にもゲート抵抗６４が接続されている。ゲート抵抗５４、６４は、第１トランジスタ１０のゲートＧ１と第２トランジスタ２０のゲートＧ２が信号入力端６で接続されていることに起因して生じるゲート発振を抑えるために挿入されている。

第１トランジスタ１０には第１クランプ回路５０が備えられており、第２トランジスタ２０には第２クランプ回路６０が備えられている。第１クランプ回路５０（第２クランプ回路６０）は、上トランジスタと下トランジスタがともにオンしたときに、寄生容量１２（２２）を通じてゲートＧ１（Ｇ２）へ電流が流れ、ゲートＧ１（Ｇ２）の電圧が過度に上昇することを抑える。

第１クランプ回路５０は、第１ダイオード５１、第１コンデンサ５２、第１インダクタ５３で構成されている。第１ダイオード５１のアノードが第１トランジスタ１０のゲートＧ１に接続されている。第１コンデンサ５２の一方の電極が第１ダイオード５１のカソードに接続されており、他方の電極は第１インダクタ５３を介して第１トランジスタ１０のエミッタＥ１に接続されている。別言すれば、第１インダクタ５３は、第１コンデンサ５２と直列に接続されている。ゲートＧ１の電圧が過度に上昇すると、第１クランプ回路５０を通してゲートＧ１からエミッタＥ１へ電流が流れ、ゲートＧ１の電圧上昇が抑えられる。第１ダイオード５１の整流効果により、駆動信号がＬＯＷレベルのときにエミッタＥ１からゲートＧ１へ電流が逆流することはない。

第２クランプ回路６０は、第２ダイオード６１、第２コンデンサ６２、第２インダクタ６３で構成されている。第２ダイオード６１のアノードが第２トランジスタ２０のゲートＧ２に接続されている。第２コンデンサ６２の一方の電極が第２ダイオード６１のカソードに接続されており、他方の電極は第２インダクタ６３を介して第２トランジスタ２０のエミッタＥ２に接続されている。別言すれば、第２インダクタ６３は、第２コンデンサ６２と直列に接続されている。ゲートＧ２の電圧が過度に上昇すると、第２クランプ回路６０を通してゲートＧ２からエミッタＥ２へ電流が流れ、ゲートＧ２の電圧上昇が抑えられる。第２ダイオード６１の整流効果により、駆動信号がＬＯＷレベルのときにエミッタＥ２からゲートＧ２へ電流が逆流することはない。

並列に接続されている２個のトランジスタに同じ駆動信号を与えると、寄生容量を通じていわゆるゲート発振が生じるおそれがある。図１に示す符号１２、１３、２２、２３が寄生容量を表している。図２に、高周波ノイズ（ゲート発振）の流れの一例を示す。図２は、図１の回路図のうち、下トランジスタ（第１、第２トランジスタ１０、２０）の発する高周波ノイズの経路に関係ない部品を省略した図である。

図２は、第１トランジスタ１０が発するスイッチングノイズが第２トランジスタ２０のゲートへ伝播する様子を示している。図２における破線矢印線がノイズ伝播経路を示している。第１トランジスタ１０のゲートＧ１から発した高周波ノイズは、第１クランプ回路５０、第１トランジスタ１０のエミッタＥ１、第２トランジスタ２０のエミッタＥ２、第２クランプ回路６０を経由して第２トランジスタ２０のゲートＧ２に達する。第２トランジスタ２０のゲートＧ２を発した高周波ノイズは、図２の破線矢印を逆に辿って第１トランジスタ１０のゲートＧ１に達する。先に述べたように、ゲート発振はトランジスタの寄生容量に起因して生じるが、図２では直感的に理解し易いように、高周波ノイズの伝播経路を一方のトランジスタのゲートから他方のトランジスタのゲートへの伝播経路として描いてある。また、第１ダイオード５１、第２ダイオード６１にも浮遊容量が存在しており、その浮遊容量を通してカソードからアノードへ高周波ノイズが伝播する。

実施例の電力変換器２では、図１、図２に示されているように、第１クランプ回路５０（第２クランプ回路６０）が第１インダクタ５３（第２インダクタ６３）を備えている。第１インダクタ５３（第２インダクタ６３）が高周波ノイズ（ゲート発振）を抑制する。

（第２実施例）図３に、第２実施例の電力変換器２ａの回路図を示す。第２実施例の電力変換器２ａは、直流電力を三相交流電力に変換するインバータである。直流入力端１０３ａ、１０３ｂに入力された直流電力は、交流に変換され、交流出力端１０４から出力される。

電力変換器２ａは、Ｕ相上アームトランジスタ７１、Ｕ相下アームトランジスタ７２、Ｖ相上アームトランジスタ７３、Ｖ相下アームトランジスタアーム７４、Ｗ相上アームトランジスタ７５、Ｗ相下アームトランジスタ７６を備えている。Ｖ相上アームトランジスタ７３、Ｖ相下アームトランジスタアーム７４、Ｗ相上アームトランジスタ７５、Ｗ相下アームトランジスタ７６のそれぞれは単純な１個のトランジスタであり、各トランジスタに対してダイオードが逆並列に接続されている。

Ｕ相上アームトランジスタ７１は、２個のトランジスタ（第１トランジスタ１１０と第２トランジスタ１２０）の並列接続で構成されている。第１トランジスタ１１０のゲートＧ１と第２トランジスタ１２０のゲートＧ２には、信号入力端１０６を介してゲートドライバ１０７から同一の駆動信号が供給されるので、２個のトランジスタはあたかも１個のトランジスタ（すなわち、Ｕ相上アームトランジスタ７１）として振舞う。

Ｕ相下アームトランジスタ７２も、２個のトランジスタ（第３トランジスタ１３０、第４トランジスタ１４０）の並列接続で構成されている。Ｕ相下アームトランジスタ７２（第３トランジスタ１３０と第４トランジスタ１４０の並列接続）は、Ｕ相上アームトランジスタ７１（第１トランジスタ１１０と第２トランジスタ１２０の並列接続）に対して直列に接続されている。Ｕ相下アームトランジスタ７２（第３トランジスタ１３０と第４トランジスタ１４０の並列接続）が負極側（入力端負極１０３ｂの側）に位置しており、Ｕ相上アームトランジスタ７１（第１トランジスタ１１０と第２トランジスタ１２０の並列接続）は正極側（入力端正極１０３ａの側）に位置している。

第１−第４トランジスタ１１０、１２０、１３０、１４０のそれぞれに対して、ダイオード１１１、１２１、１３１、１４１のそれぞれが逆並列に接続されている。

第１トランジスタ１１０、第２トランジスタ１２０も寄生容量１１２、１１３、１２２、１２３を有している。並列に接続された第１、第２トランジスタ１１０、１２０に同一の駆動信号が供給される場合、それら寄生容量に起因してゲート発振が生じるおそれがある。信号入力端１０６と第１トランジスタ１１０のゲートＧ１の間にゲート抵抗１５４が接続され、信号入力端１０６と第２トランジスタ１２０のゲートＧ２の間にゲート抵抗１６４が接続される。ゲート抵抗１５４、１６４は、信号入力端１０６を介して第１、第２トランジスタ１１０、１２０の一方から他方へ伝播する高周波ノイズ（ゲート発振）を抑えるために備えられている。

第１トランジスタ１１０には第１クランプ回路１５０が接続されており、第２トランジスタ１２０には第２クランプ回路１６０が接続されている。第１クランプ回路１５０は、第１トランジスタ１１０のゲートＧ１とエミッタＥ１の間に直列に接続されている第１ダイオード１５１、第１コンデンサ１５２、第１インダクタ１５３で構成されている。第１ダイオード１５１のアノードがゲートＧ１に接続されており、カソードが第１コンデンサ１５２の一方の電極に接続されている。

第２クランプ回路１６０は、第２トランジスタ１２０のゲートＧ２とエミッタＥ２の間に直列に接続されている第２ダイオード１６１、第２コンデンサ１６２、第２インダクタ１６３で構成されている。第２ダイオード１６１のアノードがゲートＧ２に接続されており、カソードが第２コンデンサ１６２に接続されている。

第１クランプ回路１５０（第２クランプ回路１６０）は、Ｕ相上アームトランジスタ７１とＵ相下アームトランジスタ７２がともにオンしたときに、寄生容量１１２、１１３（１２２、１２３）を通じてゲートＧ１（Ｇ２）へ電流が流れ、ゲートＧ１（Ｇ２）の電圧が過度に上昇することを抑える。

また、第１クランプ回路１５０は第１インダクタ１５３を備えており、第２クランプ回路１６０は第２インダクタ１６３を備えている。インダクタ１５３、１６３は、クランプ回路１５０、１６０とエミッタＥ１、Ｅ２を介してゲート間を流れる高周波ノイズ（ゲート発振）を抑制する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換器２、２ａは、並列に接続されたトランジスタのそれぞれのクランプ回路がインダクタを備えている。並列に接続されたトランジスタのそれぞれのクランプ回路の少なくとも一方がインダクタを備えていれば、ゲート発振を抑制する効果が期待できる。

第１実施例の電力変換器２では、第１、第３トランジスタ１０、３０が直列に接続されており、第１トランジスタ１０に対して第２トランジスタ２０が並列に接続されている。第３トランジスタ３０が正極側に接続されており、並列に接続された２個のトランジスタ（第１、第２トランジスタ１０、２０）が負極側に接続されている。そして、負極側に接続されている２個のトランジスタ（第１、第２トランジスタ１０、２０）のそれぞれにクランプ回路（第１クランプ回路５０、第２クランプ回路６０）が接続されている。

第２実施例の電力変換器２ａでは、第１、第３トランジスタ１１０、１３０が直列に接続されており、第１トランジスタ１１０に対して第２トランジスタ１２０が並列に接続されている。第３トランジスタ１３０は負極側に接続されており、並列に接続された２個のトランジスタ（第１、第２トランジスタ１１０、１２０）が正極側に接続されている。そして、正極側に接続されている２個のトランジスタ（第１、第２トランジスタ１１０、１２０）のそれぞれにクランプ回路（第１クランプ回路１５０、第２クランプ回路１６０）が接続されている。

本明細書が開示する電力変換器は、並列に接続されている第１、第２トランジスタに対して第３トランジスタが直列に接続されている。第３トランジスタは第１、第２トランジスタの正極側に接続されていてもよいし、負極側に接続されていてもよい。

第３トランジスタに対して第４トランジスタが並列に接続されており、第３、第４トランジスタの夫々に別のクランプ回路が接続されていてもよい。別のクランプ回路の構成は、第１クランプ回路５０（第２クランプ回路６０）と同じであってよい。

並列に接続された２個のトランジスタと、並列に接続された別の２個のトランジスタが直列に接続されている場合、負極側の２個のトランジスタのそれぞれにクランプ回路が接続されているとよい。

第２実施例の電力変換器２ａにおいて、Ｕ相下アームトランジスタ７２、Ｖ相上アームトランジスタ７３、Ｖ相下アームトランジスタ７４、Ｗ相上アームトランジスタ７５、Ｗ相下アームトランジスタ７６のいずれか、あるいはすべてが２個のトランジスタの並列接続で構成されているとともに、それぞれのトランジスタがクランプ回路に接続されていてもよい。

本明細書が開示する技術は、３個以上のトランジスタが並列に接続されている電力変換器に適用されてもよい。並列に接続された３個以上のトランジスタのうち、少なくとも２個のトランジスタのそれぞれにクランプ回路が接続されており、少なくとも１個のクランプ回路にインダクタが含まれていればよい。インダクタは、トランジスタのゲートと（負電極（エミッタ）の間であれば、クランプ回路のダイオードとコンデンサに対する位置関係は問わない。

実施例のトランジスタはｎｐｎ型であり、エミッタが負電極の一例に対応する。ｎｐｎ型の別のトランジスタでは、ソースが負電極に対応する。

以上、本発明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。本明細書また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、本明細書また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。

２、２ａ：電力変換器
５：リアクトル
６、１０６：信号入力端
７、１０７：ゲートドライバ
１０、２０、３０、４０、１１０、１２０、１３０、１４０：トランジスタ
１２、１３、２２、２３、１１２、１１３、１２２、１２３：寄生容量
５０、６０、１５０、１６０：クランプ回路
５１、１５１：第１ダイオード
５２、１５２：第１コンデンサ
５３、１５３：第１インダクタ
５４、６４、１５４、１６４：ゲート抵抗
６１、１６１：第２ダイオード
６２、１６２：第２コンデンサ
６３、１６３：第２インダクタ

Claims (1)

1. 並列に接続されている電力変換用の第１トランジスタ及び第２トランジスタと、
   前記第１、第２トランジスタの並列接続に対して直列に接続されている電力変換用の第３トランジスタと、
   アノードが第１トランジスタのゲートに接続している第１ダイオードと、
   一方の電極が前記第１ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が前記第１トランジスタの負電極に接続している第１コンデンサと、
   アノードが第２トランジスタのゲートに接続している第２ダイオードと、
   一方の電極が前記第２ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が前記第２トランジスタの負電極に接続している第２コンデンサと、
   前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサに直列に接続されているインダクタと、
   を備えている電力変換器。

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