JP2020182338A - 半導体スイッチング素子駆動回路及びマルチレベル電力変換器 - Google Patents
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Abstract
Description
すなわち、閾値電圧が低い半導体スイッチング素子をスイッチング制御するには、駆動電圧として正電圧の他に負電圧を生成する必要がある。
本実施形態のマルチレベル電力変換器Aは、ダイオードクランプ方式の3レベルNPC(Neutral Point Clamped)インバータである。ただし、これに限定されず、マルチレベル電力変換器Aは、フライングキャパシタ方式であってもよい。
第2の入力端子Nは、第1の直流電源100の負極端子に接続される。
第3の入力端子NPは、第1の直流電源100の中間電位点に接続される。ただし、これに限定されず、第3の入力端子NPは、グランドに接続されてもよい。
スイッチング素子SW1〜SW4は、第1の入力端子Pと第2の入力端子Nとの間において、直列に接続されている。各スイッチング素子SW1〜SW4は、半導体スイッチング素子駆動回路6から供給されるゲート電圧に基づいてオン又オフする半導体スイッチング素子である。これにより、マルチレベル電力変換器Aは、第1の直流電源100から供給される入力電圧を所望のレベルの電圧に変換して負荷に出力する。
スイッチング素子SW2のソース端子は、スイッチング素子SW1のドレイン端子に接続されている。スイッチング素子SW2のゲート端子は、半導体スイッチング素子駆動回路6に接続されている。
コンデンサC2は、第1の端部がコンデンサC1の第2の端部及び第3の入力端子NPに接続され、第2の端部が第2の入力端子Nに接続されている。
ダイオードD2は、カソードが第3の入力端子NPに接続され、アノードがスイッチング素子SW2のソース端子及びスイッチング素子SW1のドレイン端子に接続されている。
逆流防止用ダイオード11aは、アノードが負電源バッファ用コンデンサ10aの第1の端子に接続され、カソードが制限抵抗12aを介してスイッチング素子SW1のドレイン端子に接続されている。
充放電制御部13aは、制御信号発生部5から出力される制御信号に基づいて、正電源用コンデンサ9a、負電源バッファ用コンデンサ10a、及び負電源用コンデンサ16aの充放電を制御する。以下に、充放電制御部13aの構成について、具体的に説明する。
スイッチング素子20aは、スイッチング素子SW1のゲート端子に導通用駆動信号を供給する。導通用駆動信号とは、スイッチング素子20aをオンさせる信号であり、例えば、正電圧のゲート電圧である。例えば、スイッチング素子20aは、NPN型のIGBTである。
なお、本実施形態では、充放電制御部13aは、スイッチング素子20a及びスイッチング素子21aを用いたプッシュプル回路であるが、これに限定されず、スイッチング素子SW1のオン又はオフを制御する制御回路であれば特に限定されない。
逆流防止用ダイオード11bは、アノードが負電源バッファ用コンデンサ10bの第1の端子に接続され、カソードが制限抵抗12bを介してスイッチング素子SW2のドレイン端子に接続されている。
充放電制御部13bは、制御信号発生部5から出力される制御信号に基づいて、正電源用コンデンサ9b、負電源バッファ用コンデンサ10b、及び負電源用コンデンサ16bの充放電を制御する。以下に、充放電制御部13bの構成について、具体的に説明する。
スイッチング素子20bは、スイッチング素子SW2のゲート端子に導通用駆動信号を供給する。例えば、スイッチング素子20bは、NPN型のIGBTである。
なお、本実施形態では、充放電制御部13bは、スイッチング素子20b及びスイッチング素子21bを用いたプッシュプル回路であるが、これに限定されず、スイッチング素子SW2のオン又はオフを制御する制御回路であれば特に限定されない。
逆流防止用ダイオード19bは、アノードが制限抵抗18bを介して第2の直流電源7の正極端子に接続され、カソードが正電源用コンデンサ9bの第1の端部及び負電源バッファ用コンデンサ10bの第1の端部に接続されている。
逆流防止用ダイオード11cは、アノードが負電源バッファ用コンデンサ10cの第1の端子に接続され、カソードが制限抵抗12cを介してスイッチング素子SW3のドレイン端子に接続されている。
充放電制御部13cは、制御信号発生部5から出力される制御信号に基づいて、正電源用コンデンサ9c、負電源バッファ用コンデンサ10c、及び負電源用コンデンサ16cの充放電を制御する。以下に、充放電制御部13cの構成について、具体的に説明する。
スイッチング素子20cは、スイッチング素子SW3のゲート端子に導通用駆動信号を供給する。例えば、スイッチング素子20cは、NPN型のIGCTである。
なお、本実施形態では、充放電制御部13cは、スイッチング素子20c及びスイッチング素子21cを用いたプッシュプル回路であるが、これに限定されず、スイッチング素子SW3のオン又はオフを制御する制御回路であれば特に限定されない。
逆流防止用ダイオード19cは、アノードが制限抵抗18cを介して逆流防止用ダイオード19bのカソードに接続され、カソードが正電源用コンデンサ9cの第1の端部及び負電源バッファ用コンデンサ10cの第1の端部に接続されている。
逆流防止用ダイオード11dは、アノードが負電源バッファ用コンデンサ10dの第1の端子に接続され、カソードが制限抵抗12dを介してスイッチング素子SW4のドレイン端子に接続されている。
充放電制御部13dは、制御信号発生部5から出力される制御信号に基づいて、正電源用コンデンサ9d、負電源バッファ用コンデンサ10d、及び負電源用コンデンサ16dの充放電を制御する。以下に、充放電制御部13dの構成について、具体的に説明する。
スイッチング素子20dは、スイッチング素子SW4のゲート端子に導通用駆動信号を供給する。例えば、スイッチング素子20dは、NPN型のIGCTである。
なお、本実施形態では、充放電制御部13dは、スイッチング素子20d及びスイッチング素子21dを用いたプッシュプル回路であるが、これに限定されず、スイッチング素子SW4のオン又はオフを制御する制御回路であれば特に限定されない。
逆流防止用ダイオード19dは、アノードが制限抵抗18dを介して逆流防止用ダイオード19cのカソードに接続され、カソードが正電源用コンデンサ9dの第1の端部及び負電源バッファ用コンデンサ10dの第1の端部に接続されている。
なお、動作パターン(1)は、出力電圧V及び出力電流Iがともに正(V>0、I>0)の場合に行われる動作パターンである。
なお、動作パターン(2)は、出力電圧Vが負であり、出力電流Iが正(V<0、I>0)の場合に行われる動作パターンである。
なお、動作パターン(3)は、出力電圧V及び出力電流Iがともに負(V<0、I<0)の場合に行われる動作パターンである。
なお、動作パターン(4)は、出力電圧Vが正であり、出力電流Iが負(V>0、I<0)の場合に行われる動作パターンである。
以下に、本実施形態に係る充電動作について、図8〜12を用いて説明する。
第1の動作モードは、図8に示すように、半導体スイッチング素子駆動回路6が、スイッチング素子SW1をオン状態に制御し、スイッチング素子SW2〜SW4をオフ状態に制御するモードである。第1のモードでは、第2の直流電源7からの電流は、制限抵抗18b、逆流防止用ダイオード19b、正電源用コンデンサ9b、スイッチング素子SW1からなる第1の充電回路W1を通る。これにより、正電源用コンデンサ9bが充電される。また、第2の直流電源7からの電流は、制限抵抗18b、逆流防止用ダイオード19b、負電源バッファ用コンデンサ10b、電圧制限用ダイオード15b、スイッチング素子SW1からなる第2の充電回路W2を通る。これにより、負電源バッファ用コンデンサ10bが充電される。したがって、第1の動作モードでは、スイッチング素子SW1がオン状態に制御されることで、第2の直流電源7から正電源用コンデンサ9b及び負電源バッファ用コンデンサ10bに対して電荷が充電される。
第2の動作モードは、図9に示すように、半導体スイッチング素子駆動回路6がスイッチング素子SW1及びSW2をオン状態に制御し、スイッチング素子SW3及びSW4をオフ状態に制御するモードである。したがって、第1の充電回路W1及び第2の充電回路W2が形成されるため、第2の直流電源7から正電源用コンデンサ9b及び負電源バッファ用コンデンサ10bに対して電荷が充電される。
さらに、第2の動作モードでは、スイッチング素子SW2がオン状態であるため、第2の直流電源7からの電流は、制限抵抗18b、逆流防止用ダイオード19b、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、正電源用コンデンサ9c、スイッチング素子SW2、スイッチング素子SW1からなる第3の充電回路W3を通る。これにより、正電源用コンデンサ9cが充電される。また、第2の直流電源7からの電流は、制限抵抗18b、逆流防止用ダイオード19b、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、負電源バッファ用コンデンサ10c、電圧制限用ダイオード15c、スイッチング素子SW2、スイッチング素子SW1からなる第4の充電回路W4を通る。これにより、負電源バッファ用コンデンサ10cが充電される。
第3の動作モードは、図10に示すように、半導体スイッチング素子駆動回路6がスイッチング素子SW2をオン状態に制御し、スイッチング素子SW1、SW3及びSW4をオフ状態に制御するモードである。第3の動作モードでは、正電源用コンデンサ9bが充電されている状態において実行される動作モードであって、スイッチング素子SW2のみがオン状態に制御されることで、正電源用コンデンサ9bの電荷が正電源用コンデンサ9c及び負電源バッファ用コンデンサ10cへ充電される。正電源用コンデンサ9bが充電されている状態とは、例えば、正電源用コンデンサ9bが第2の直流電源7の正極端子の電位(VDD)と同電位まで充電されている状態である。
具体的には、正電源用コンデンサ9bからの電流は、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、正電源用コンデンサ9c、スイッチング素子SW2からなる第5の充電回路W5を通る。これにより、正電源用コンデンサ9cが充電される。また、正電源用コンデンサ9bからの電流は、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、負電源バッファ用コンデンサ10c、電圧制限用ダイオード15c、スイッチング素子SW2からなる第6の充電回路W6を通る。これにより、負電源バッファ用コンデンサ10cが充電される。
第4の動作モードは、図11に示すように、半導体スイッチング素子駆動回路6がスイッチング素子SW2及びSW3をオン状態に制御し、スイッチング素子SW1及びSW4をオフ状態に制御するモードである。第4の動作モードでは、正電源用コンデンサ9bが充電されている状態において実行される動作モードであって、スイッチング素子SW2及びSW3がオン状態に制御されることで、正電源用コンデンサ9bの電荷が正電源用コンデンサ9c,9d及び負電源バッファ用コンデンサ10c,10dへ充電される。
具体的には、第5の充電回路W5及び第6の充電回路W6が形成されているため、正電源用コンデンサ9c及び負電源バッファ用コンデンサ10cが充電される。
さらに、スイッチング素子SW3がオン状態であるため、正電源用コンデンサ9bからの電流は、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、制限抵抗18d、逆流防止用ダイオード19d、正電源用コンデンサ9d、スイッチング素子SW3、スイッチング素子SW2からなる第7の充電回路W7を通る。これにより、正電源用コンデンサ9dが充電される。また、正電源用コンデンサ9bからの電流は、制限抵抗18c、逆流防止用ダイオード19c、制限抵抗18d、逆流防止用ダイオード19d、負電源バッファ用コンデンサ10d、電圧制限用ダイオード15d、スイッチング素子SW3、スイッチング素子SW2からなる第8の充電回路W8を通る。これにより、負電源バッファ用コンデンサ10dが充電される。
第5の動作モードは、図12に示すように、半導体スイッチング素子駆動回路6がスイッチング素子SW3をオン状態に制御し、スイッチング素子SW1、SW2及びSW4をオフ状態に制御するモードである。第5の動作モードでは、正電源用コンデンサ9cが充電されている状態において実行される動作モードであって、スイッチング素子SW3のみがオン状態に制御されることで、正電源用コンデンサ9cの電荷が正電源用コンデンサ99d及び負電源バッファ用コンデンサ10dへ充電される。正電源用コンデンサ9cが充電されている状態とは、例えば、正電源用コンデンサ9cが第2の直流電源7の正極端子の電位(VDD)と同電位まで充電されている状態である。
具体的には、スイッチング素子SW3がオン状態であるため、正電源用コンデンサ9cからの電流は、制限抵抗18d、逆流防止用ダイオード19d、正電源用コンデンサ9d、スイッチング素子SW3からなる第9の充電回路W9を通る。これにより、正電源用コンデンサ9dが充電される。また、正電源用コンデンサ9cからの電流は、制限抵抗18d、逆流防止用ダイオード19d、負電源バッファ用コンデンサ10d、電圧制限用ダイオード15d、スイッチング素子SW3からなる第10の充電回路W10を通る。これにより、負電源バッファ用コンデンサ10dが充電される。
図13は、本実施形態に係る第1の状態のときの半導体スイッチング素子駆動回路6の動作の流れを示す説明図である。
図14は、本実施形態に係る第2の状態のときの半導体スイッチング素子駆動回路6の動作の流れを示す説明図である。
図14に示すように、充放電制御部13aは、スイッチング素子21aをオン状態に制御して、負電源用コンデンサ16aの第1の端部とスイッチング素子SW1のゲート端子とを導通させる。これにより、負電源用コンデンサ16aの第1の端部からスイッチング素子SW1のゲート端子に負電荷が供給され、スイッチング素子SW1のゲート端子に負電圧のゲート電圧が印加される。したがって、スイッチング素子SW1がオフ状態になる。
<第3の状態>
図15は、本実施形態に係る第3の状態のときの半導体スイッチング素子駆動回路6の動作の流れを示す説明図である。
図16は、本実施形態に係る第4の状態のときの半導体スイッチング素子駆動回路6の動作の流れを示す説明図である。
正電源用コンデンサ9は、半導体スイッチング素子SWを導通状態にするための正電圧を生成する。負電源バッファ用コンデンサ10は、第1の端部が正電源用コンデンサ9の第1の端部に接続されている。負電源用コンデンサ16は、充電状態の負電源バッファ用コンデンサ10から放電された電力を充電することで半導体スイッチング素子SWを遮断状態にするための負電圧を生成する。スイッチング素子20は、正電源用コンデンサ9の第1の端部と半導体スイッチング素子SWの制御端子とを接続することにより正電圧を半導体スイッチング素子SWの制御端子に印加して半導体スイッチング素子SWを導通状態とする。スイッチング素子21は、負電源用コンデンサ16の第1の端部と半導体スイッチング素子SWの制御端子とを接続することにより負電圧を半導体スイッチング素子SWの制御端子に印加して半導体スイッチング素子SWを遮断状態とする。
SW1〜SW4 スイッチング素子(半導体スイッチング素子)
9a〜9d 正電源用コンデンサ(第1のコンデンサ)
10a〜10d 負電源バッファ用コンデンサ(第2のコンデンサ)
16a〜16d 負電源用コンデンサ(第3のコンデンサ)
20a〜20d スイッチング素子(導通用駆動回路)
21a〜21d スイッチング素子(遮断用駆動回路)
7 第2の直流電源(制御用電源)
Claims (5)
- マルチレベル電力変換器に設けられたn個(nは4以上の整数)の半導体スイッチング素子を駆動する半導体スイッチング素子駆動回路であって、
前記半導体スイッチング素子ごとに設けられた複数の駆動回路を備え、
前記各駆動回路は、
前記半導体スイッチング素子を導通状態にするための正電圧を生成する第1のコンデンサと、
第1の端部が前記第1のコンデンサの第1の端部に接続されている第2のコンデンサと、
充電状態の前記第2のコンデンサから放電された電力を充電することで前記半導体スイッチング素子を遮断状態にするための負電圧を生成する第3のコンデンサと、
前記第1のコンデンサの第1の端部と前記半導体スイッチング素子の制御端子とを接続することにより前記正電圧を前記半導体スイッチング素子の制御端子に印加して前記半導体スイッチング素子を導通状態とする導通用駆動回路と、
前記第3のコンデンサの第1の端部と前記制御端子とを接続することにより前記負電圧を前記半導体スイッチング素子の制御端子に印加して前記半導体スイッチング素子を遮断状態とする遮断用駆動回路と、
を備えることを特徴とする半導体スイッチング素子駆動回路。 - 前記第3のコンデンサは、第1の端部が前記第2のコンデンサの第2の端部に接続され、
充電状態の前記第2のコンデンサの第1の端部と前記第3のコンデンサの第2の端部とを接続することにより前記第3のコンデンサを充電させる充電回路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体スイッチング素子駆動回路。 - 前記充電回路は、導通状態の前記半導体スイッチング素子を経由して前記第3のコンデンサを充電させることを特徴とする請求項2に記載の半導体スイッチング素子駆動回路。
- 正極性の制御用電源をさらに備え、
前記複数の駆動回路は、第1〜第nの駆動回路を備え、
前記第m(mは1以上かつn未満の整数)の駆動回路に設けられた前記第1のコンデンサの第1の端部と、前記第(m+1)の駆動回路に設けられた前記第1のコンデンサの第1の端部とは、ダイオードを介して接続されており、
前記第1の駆動回路に設けられた前記第1のコンデンサの第1の端部は、前記制御用電源の正極端子に接続されている、
ことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子駆動回路。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体スイッチング素子駆動回路と、
前記半導体スイッチング素子駆動回路により駆動されるn個の半導体スイッチング素子と、
を備えることを特徴とするマルチレベル電力変換器。
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