JP2021010132A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング素子を適切な温度で使用する。【解決手段】 スイッチング回路であって、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を制御する制御回路、を有する。前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の温度が第１基準温度以上の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に一方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を冷却する。前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の前記温度が第２基準温度未満の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に前記一方向とは逆方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を加熱する。【選択図】図１

Description

本明細書に開示の技術は、スイッチング回路に関する。

特許文献１に、スイッチング素子とペルチェ素子と制御回路を備えるスイッチング回路が開示されている。スイッチング素子が高温になると、制御回路はペルチェ素子によってスイッチング素子を冷却する。これによって、スイッチング素子が過度に温度上昇することが防止される。

特開２０１５−１２８０８２号公報

スイッチング素子が低温になると、スイッチング素子の耐圧が低下する。特許文献１のスイッチング回路では、スイッチング素子が低温の場合に、スイッチング素子の温度を上昇させることが困難であり、低耐圧の状態でスイッチング素子を使用される場合があった。本明細書では、スイッチング素子をより適切な温度で使用可能なスイッチング回路を提案する。

スイッチング回路であって、スイッチング素子と、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子を制御する制御回路、を有する。 前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の温度が第１基準温度以上の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に一方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を冷却する。前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の前記温度が前記第１基準温度と同じかそれよりも低い第２基準温度未満の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に前記一方向とは逆方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を加熱する。

なお、第１基準温度と第２基準温度が同じ場合（すなわち、共通の基準温度である場合）、共通の基準温度以上の場合にペルチェ素子によってスイッチング素子を冷却し、共通の基準温度未満の場合にペルチェ素子によってスイッチング素子を加熱することができる。

このスイッチング回路では、スイッチング素子が高温の場合には、ペルチェ素子によってスイッチング素子が冷却される。したがって、スイッチング素子の過度な温度上昇を防止できる。また、スイッチング素子が低温の場合には、ペルチェ素子によってスイッチング素子が加熱される。したがって、低温によってスイッチング素子の耐圧が低くなることを防止できる。

スイッチング回路の回路図。 スイッチング素子の耐圧を示すグラフ。 スイッチング損失とサージ電圧を示すグラフ。 ペルチェ素子制御回路の動作を示すフローチャート。

図１は、実施形態のスイッチング回路１０を示している。スイッチング回路１０は、半導体モジュール２０と、制御基板３０を有している。

半導体モジュール２０は、スイッチング素子２２と、温度センスダイオード２４と、ペルチェ素子２６を有している。

スイッチング素子２２は、大電流をオン−オフするパワースイッチング素子である。本実施形態では、スイッチング素子２２はＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）である。但し、スイッチング素子２２にＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）等を用いることもできる。図２は、スイッチング素子２２の耐圧の温度特性を示している。図２に示すように、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが高いほど、スイッチング素子２２の耐圧は高くなる。スイッチング素子２２は、ゲート電圧Ｖｇに応じてオン−オフする。図３は、ゲート電圧Ｖｇの変化速度ｄＶｇ／ｄｔに対するスイッチング損失Ｅｏｆｆとサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅの変化を示している。スイッチング損失Ｅｏｆｆは、スイッチング素子２２がターンオフするときに生じる損失である。サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅは、スイッチング素子２２がターンオフするときにコレクタ−エミッタ間に生じるサージ電圧である。図３に示すように、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが速いほど、スイッチング損失Ｅｏｆｆが低くなり、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが高くなる。

温度センスダイオード２４は、スイッチング素子２２の近傍に設けられたダイオードである。温度センスダイオード２４の順方向電圧は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓによって変化する。したがって、温度センスダイオード２４の順方向電圧は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓを示す。

ペルチェ素子２６は、スイッチング素子２２の近傍に設けられている。ペルチェ素子２６は、第１電極２６ａ、ｎ層２６ｂ、中間電極２６ｃ、ｐ層２６ｄ、及び、第２電極２６ｅを有している。中間電極２６ｃがスイッチング素子２２側に配置されている。第１電極２６ａから中間電極２６ｃを経て第２電極２６ｅに向かう向き（以下、順方向という）にペルチェ素子２６に電流を流すと、中間電極２６ｃの温度が低下し、スイッチング素子２２が冷却される。第２電極２６ｅから中間電極２６ｃを経て第１電極２６ａに向かう向き（以下、逆方向という）にペルチェ素子２６に電流を流すと、中間電極２６ｃの温度が上昇し、スイッチング素子２２が加熱される。

制御基板３０は、温度制御回路４０とゲート制御回路６０を有している。

温度制御回路４０は、温度モニタ回路４２とペルチェ素子制御回路５０を有している。

温度モニタ回路４２は、温度センスダイオード２４に順方向に一定電流を流しながら、温度センスダイオード２４の順方向電圧を検出する。上記の通り、温度センスダイオード２４の順方向電圧は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓを示す。したがって、温度モニタ回路４２は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓを検出する。

ペルチェ素子制御回路５０は、直流電源５２、直流電源５４、及び、スイッチ５６を有している。直流電源５２の正極と直流電源５４の負極は、ペルチェ素子２６の第１電極２６ａに接続されている。直流電源５２の負極と直流電源５４の正極は、スイッチ５６を介して、ペルチェ素子２６の第２電極２６ｅに接続されている。スイッチ５６は、直流電源５２の負極が第２電極２６ｅに導通している状態と、直流電源５４の正極が第２電極２６ｅに導通している状態とを切り換える。スイッチ５６が直流電源５２の負極を第２電極２６ｅに導通させると、ペルチェ素子２６に順方向に電流が流れ、スイッチング素子２２が冷却される。スイッチ５６が直流電源５４の正極を第２電極２６ｅに導通させると、ペルチェ素子２６に逆方向に電流が流れ、スイッチング素子２２が加熱される。

ゲート制御回路６０は、スイッチング素子２２のゲート電圧Ｖｇを制御することで、スイッチング素子２２をスイッチングさせる。ゲート制御回路６０には、温度モニタ回路４２からスイッチング素子２２の温度Ｔｓが入力される。ゲート制御回路６０は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓに応じて、スイッチング時のゲート電圧Ｖｇの変化速度ｄＶｇ／ｄｔを変更する。図２を用いて上述したように、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが高いほど、スイッチング素子２２の耐圧が高くなる。また、図３を用いて上述したように、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが速いほど、スイッチング損失Ｅｏｆｆが小さくなり、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが大きくなる。ゲート制御回路６０は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが高いほど、スイッチング時のゲート電圧Ｖｇの変化速度ｄＶｇ／ｄｔを速くする（すなわち、スイッチング素子２２を高速でスイッチングさせる）。温度Ｔｓが高い場合には、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが速いので、発生するサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが高くなる。しかしながら、温度Ｔｓが高いときには、スイッチング素子２２の耐圧が高いので、スイッチング素子２２で問題は生じない。また、この場合、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが高いので、スイッチング損失Ｅｏｆｆが抑制される。温度Ｔｓが低い場合には、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが遅いので、発生するサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが低くなる。このように、耐圧が低い低温時にサージ電圧Ｖｓｕｒｇｅが抑制されることで、スイッチング素子２２が保護される。但し、この場合、変化速度ｄＶｇ／ｄｔが低いので、スイッチング損失Ｅｏｆｆが高くなる。したがって、温度Ｔｓが低い状態でスイッチング素子２２を動作させることは、好ましくない。

スイッチング回路１０が動作を開始すると、温度制御回路４０は、図４に示す動作を繰り返し実行する。ステップＳ２では、温度制御回路４０は、温度モニタ回路４２でスイッチング素子２２の温度Ｔｓを検出する。ステップＳ４では、温度制御回路４０は、検出された温度Ｔｓが設定温度（例えば、１４０℃）以上か否かを判定する。温度Ｔｓが設定温度以上である場合（すなわち、ステップＳ４でＹＥＳの場合）には、ステップＳ６で、温度制御回路４０は、スイッチ５６によって直流電源５２の負極をペルチェ素子２６の第２電極２６ｅに導通させる。すると、ペルチェ素子２６に順方向に電流が流れ、スイッチング素子２２が冷却される。これによって、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが過度に上昇することが防止される。他方、温度Ｔｓが設定温度未満である場合（すなわち、ステップＳ４でＮＯの場合）には、ステップＳ８で、温度制御回路４０は、スイッチ５６によって直流電源５４の正極をペルチェ素子２６の第２電極２６ｅに導通させる。すると、ペルチェ素子２６に逆方向に電流が流れて、スイッチング素子２２が加熱される。これによって、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが過度に低下することが防止される。

以上に説明したように、スイッチング回路１０では、温度Ｔｓが設定温度以上の場合にペルチェ素子２６がスイッチング素子２２を冷却する一方で、温度Ｔｓが設定温度未満の場合にペルチェ素子２６がスイッチング素子２２を加熱する。上述したように、ゲート制御回路６０は、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが低いときに、ゲート電圧Ｖｇの変化速度ｄＶｇ／ｄｔを遅くして、サージ電圧Ｖｓｕｒｇｅを抑制する。このため、温度Ｔｓが低いときは、スイッチング損失Ｅｏｆｆが高くなる。温度Ｔｓが低いときにペルチェ素子２６がスイッチング素子２２を加熱するので、スイッチング素子２２の温度Ｔｓが過度に低下することが防止される。これによって、低温（すなわち、スイッチング損失Ｅｏｆｆが高い状態）でスイッチング素子２２が動作することが防止され、スイッチング損失Ｅｏｆｆが低減される。

なお、複数の設定温度（すなわち、第１設定温度とそれより低い第２設定温度）を設け、温度Ｔｓが第１設定温度以上の場合にペルチェ素子２６がスイッチング素子２２を冷却し、温度Ｔｓが第２設定温度未満の場合にペルチェ素子２６がスイッチング素子２２を加熱してもよい。この場合、温度Ｔｓが第１設定温度未満かつ第２設定温度以上の場合に、ペルチェ素子２６を動作させなくてもよい。このように、３段階の温度範囲によってペルチェ素子２６を制御してもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０ ：スイッチング回路
２０ ：半導体モジュール
２２ ：スイッチング素子
２４ ：温度センスダイオード
２６ ：ペルチェ素子
２６ａ ：第１電極
２６ｂ ：ｎ層
２６ｃ ：中間電極
２６ｄ ：ｐ層
２６ｅ ：第２電極
３０ ：制御基板
４０ ：温度制御回路
４２ ：温度モニタ回路
５０ ：ペルチェ素子制御回路
５２ ：直流電源
５４ ：直流電源
５６ ：スイッチ
６０ ：ゲート制御回路

Claims (1)

1. スイッチング回路であって、
   スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
   ペルチェ素子と、
   前記ペルチェ素子を制御する制御回路、
   を有し、
   前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の温度が第１基準温度以上の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に一方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を冷却し、
   前記温度センサにより検出される前記スイッチング素子の前記温度が前記第１基準温度と同じかそれよりも低い第２基準温度未満の場合に、前記制御回路が前記ペルチェ素子に前記一方向とは逆方向に電流を流すことによって前記スイッチング素子を加熱する、
   スイッチング回路。

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