JP2022134687A - Semiconductor drive circuit and power conversion device - Google Patents

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俊之 渡邉
Toshiyuki Watanabe
健一 鈴木
Kenichi Suzuki
亘 宮澤
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Abstract

To reduce a reverse conduction voltage drop at reverse current conduction from a source to a drain of a switching element and reduce a reverse conduction loss, in a case where there is a low risk of erroneous ignition of the switching element caused by noise or the like.SOLUTION: A power conversion device such as an LLC circuit has a semiconductor drive circuit. The semiconductor drive circuit comprises: an arm in which switching elements 32 and 33 are connected in series; and drive circuits 34 and 35 that perform on/off driving in a complementary manner while putting a dead time during which the switching elements 32 and 33 are simultaneously in an off state. Each drive circuit 34, 35 changes a bias amount of negative bias for turning off the switching element 32 or 33 on the basis of information on the likelihood of occurrence of erroneous ignition of the switching element 32 or 33.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スイッチング素子を駆動する半導体駆動回路と、その半導体駆動回路を用いた電力変換装置と、に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor drive circuit for driving switching elements and a power converter using the semiconductor drive circuit.

電力変換装置は、交流(AC)から直流(DC)、直流から交流、或いは交流の周波数変換、直流の電力変換等、電気エネルギーを変換する装置であり、例えば、AC/DCコンバータ、DC/ACインバータ、DC/DCコンバータ、LLC形DC/DCコンバータ(以下「LLC回路」という。)、位相シフトをするフルブリッジ回路(以下「位相シフト回路」という。)等の種々の装置が知られている。 A power conversion device is a device that converts electric energy such as alternating current (AC) to direct current (DC), direct current to alternating current, or alternating current frequency conversion, direct current power conversion, etc. For example, AC / DC converter, DC / AC Various devices are known, such as inverters, DC/DC converters, LLC-type DC/DC converters (hereinafter referred to as "LLC circuits"), and phase-shifting full bridge circuits (hereinafter referred to as "phase shift circuits"). .

特許文献1には、電力変換装置(例えば、位相シフト回路)について記載されている。位相シフト回路を構成するスイッチング素子として、化合物半導体を用いたノーマリオフ型のGaNトランジスタ、SiCトランジスタの例が記載されている。特に、GaNトランジスタは、Siトランジスタよりも電気的、物理的特性に優れ、大電力、小型、低損失のパワー半導体素子として注目されている。
特許文献2,3には、スイッチング素子として、ノーマリオフ型のGaNトランジスタ、SiCトランジスタ等が直列接続され、上アーム及び下アームで形成されたアームと、それらのスイッチング素子を駆動するための駆動回路を備えた半導体駆動回路が記載されている。
特許文献4には、電界効果トランジスタ(以下「FET」という。)からなるブリッジ構成の主スイッチング部と、前記FETのゲートを駆動する変圧器と、前記変圧器の1次巻線に接続され、前記1次巻線を駆動する駆動部と、を有する電源回路が記載されている。
Patent Literature 1 describes a power converter (for example, a phase shift circuit). Examples of normally-off GaN transistors and SiC transistors using compound semiconductors are described as switching elements constituting the phase shift circuit. In particular, GaN transistors are attracting attention as power semiconductor devices that are superior in electrical and physical characteristics to Si transistors and that have high power, small size, and low loss.
In Patent Documents 2 and 3, normally-off type GaN transistors, SiC transistors, etc. are connected in series as switching elements, an arm formed of an upper arm and a lower arm, and a drive circuit for driving these switching elements. A semiconductor drive circuit is described.
In Patent Document 4, a main switching unit having a bridge configuration composed of field effect transistors (hereinafter referred to as "FET"), a transformer for driving the gate of the FET, and a primary winding of the transformer are connected, and a driving portion for driving the primary winding.

図6(a),(b),(c)は、特許文献1に記載された位相シフト回路と類似の回路構成である従来の単相のハーフブリッジ形LLC回路を示す図である。この図6(a)~(c)において、(a)はLLC回路の全体の回路図、(b)は(a)中の駆動回路の回路図、及び、(c)はその駆動回路の出力電圧波形図である。 6A, 6B, and 6C are diagrams showing a conventional single-phase half-bridge LLC circuit having a circuit configuration similar to the phase shift circuit described in Patent Document 1. FIG. 6A to 6C, (a) is the circuit diagram of the entire LLC circuit, (b) is the circuit diagram of the driving circuit in (a), and (c) is the output of the driving circuit. It is a voltage waveform diagram.

図6(a)の単相のハーフブリッジ形LLC回路は、直流電源1の正極(正電源側)と負極(負電源側)との間に直列に接続された第1及び第2スイッチング素子2,3からなるアームと、そのスイッチング素子2,3をオン/オフ駆動する2つの駆動回路4,5と、を有する矩形波発生用の半導体駆動回路を備えている。スイッチング素子2,3は、例えば、ノーマリオフ型のGaNトランジスタで構成され、それらのゲート(G)が駆動回路4,5にて、同時にオフ状態になるデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動される。ノーマリオフ型のGaNトランジスタは、ゲートが低レベル(以下「Lレベル」という。)の例えば0V以下でドレイン(D)及びソース(S)間がオフ状態、高レベル(以下「Hレベル」という。)でドレイン・ソース間がオン状態になる。スイッチング素子2,3のアーム構成については、特許文献2,3にも記載されている。スイッチング素子2,3の出力側には、共振コンデンサ6、変圧器7の漏れインダクタンス7a、及び励磁インダクタンス7bからなる直列共振回路が接続されている。変圧器7の出力側には、4つのダイオード8,9,10,11からなる全波整流回路が接続され、更に、その出力側に、平滑用の出力コンデンサ12が接続され、負荷13に対して直流電力を供給するようになっている。 The single-phase half-bridge type LLC circuit of FIG. , 3 and two drive circuits 4 and 5 for turning on/off the switching elements 2 and 3 of the arms. The switching elements 2 and 3 are composed of, for example, normally-off GaN transistors, and their gates (G) are complementarily driven on/off by drive circuits 4 and 5 with a dead time in which they are simultaneously turned off. be done. In a normally-off GaN transistor, when the gate is at a low level (hereinafter referred to as "L level"), for example, 0 V or less, the drain (D) and source (S) are in an off state and at a high level (hereinafter referred to as "H level"). is turned on between the drain and the source. The arm configurations of the switching elements 2 and 3 are also described in Patent Documents 2 and 3. A series resonance circuit composed of a resonance capacitor 6, a leakage inductance 7a of a transformer 7, and an exciting inductance 7b is connected to the output sides of the switching elements 2 and 3. FIG. A full-wave rectifier circuit consisting of four diodes 8, 9, 10, and 11 is connected to the output side of the transformer 7, and an output capacitor 12 for smoothing is connected to the output side thereof. DC power is supplied to the

図6(b)の駆動回路4及び5は、同一の回路構成であり、直流電源21、抵抗22、ツェナーダイオード23、及びコンデンサ24を有するツェナー回路と、パルス信号源25と、により構成されている。ツェナー回路は、0Vよりも高いツェナー電圧Vzを生成し、スイッチング素子2,3のソース(S)に供給する。パルス信号源25は、例えば、目標電圧と出力電圧との電圧誤差を零にするような周波数信号を入力し、その周波数信号を、搬送波によりパルス幅変調(以下「PWM」という。)して0Vよりも高い波高値Vhの駆動パルスGPを生成し、スイッチング素子2,3のゲート(G)に供給する。図6(c)に示すように、駆動回路4,5の出力電圧波形において、ツェナー電圧Vz分がスイッチング素子2,3のオフ時の負バイアス量に相当する。このような駆動回路4,5の出力電圧により、スイッチング素子2,3を、一定のデッドタイムをおいて相補的にオン/オフさせている。 The drive circuits 4 and 5 in FIG. 6B have the same circuit configuration, and are composed of a Zener circuit having a DC power supply 21, a resistor 22, a Zener diode 23, and a capacitor 24, and a pulse signal source 25. there is The Zener circuit generates a Zener voltage Vz higher than 0V and supplies it to the sources (S) of the switching elements 2 and 3 . The pulse signal source 25 receives, for example, a frequency signal that makes the voltage error between the target voltage and the output voltage zero. A drive pulse GP having a crest value Vh higher than the peak value Vh is generated and supplied to the gates (G) of the switching elements 2 and 3 . As shown in FIG. 6C, in the output voltage waveforms of the drive circuits 4 and 5, the Zener voltage Vz corresponds to the amount of negative bias when the switching elements 2 and 3 are turned off. The output voltages of the driving circuits 4 and 5 are used to complementarily turn on/off the switching elements 2 and 3 with a certain dead time.

図7は、図6(a)のLLC回路の動作波形図である。Icは共振コンデンサ6を流れる共振電流、Vgs1はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子2のゲート・ソース間電圧、Vgs2はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子3のゲート・ソース間電圧、Id1はスイッチング素子2のドレイン電流、及び、Vds1はスイッチング素子2のドレイン・ソース間電圧である。 FIG. 7 is an operation waveform diagram of the LLC circuit of FIG. 6(a). Ic is the resonant current flowing through the resonant capacitor 6, Vgs1 is the voltage between the gate and source of the switching element 2 composed of a GaN transistor, Vgs2 is the voltage between the gate and source of the switching element 3 composed of a GaN transistor, and Id1 is the switching element. 2 drain current and Vds1 is the drain-source voltage of the switching element 2 .

図6のLLC回路は、図7に示す期間(1)~(4)において、以下のように動作する。
期間(1):スイッチング素子2がオン、スイッチング素子3がオフの場合
スイッチング素子2がオンしており、直流電源1の正極→スイッチング素子2→共振コンデンサ6→漏れインダクタンス7a→励磁インダクタンス7b及び変圧器7の1次巻線→直流電源1の負極の経路で、スイッチング素子2に正方向のドレイン電流Id1が流れると共に、共振コンデンサ6に正方向の共振電流Icが流れる。
期間(2):スイッチング素子2がオフ、スイッチング素子3の還流動作の場合
スイッチング素子2がオフすると、共振コンデンサ6→漏れインダクタンス7a→励磁インダクタンス7b→スイッチング素子3→共振コンデンサ6の経路で、共振電流Icが流れる。共振電流Icがスイッチング素子3のソースからドレインに流れ、ドレイン・ソース間の寄生容量が放電された後に、Hレベルに立ち上げたゲート・ソース間電圧Vgs2によりスイッチング素子3をオンさせる。
The LLC circuit in FIG. 6 operates as follows during periods (1) to (4) shown in FIG.
Period (1): When switching element 2 is on and switching element 3 is off Switching element 2 is on, positive electrode of DC power supply 1→switching element 2→resonance capacitor 6→leakage inductance 7a→excitation inductance 7b and transformation A positive drain current Id1 flows through the switching element 2 and a positive resonance current Ic flows through the resonance capacitor 6 along the path from the primary winding of the device 7 to the negative electrode of the DC power supply 1 .
Period (2): When the switching element 2 is off and the switching element 3 is in the freewheeling operation When the switching element 2 is turned off, resonance occurs in the path of the resonance capacitor 6→leakage inductance 7a→excitation inductance 7b→switching element 3→resonance capacitor 6. A current Ic flows. After the resonance current Ic flows from the source to the drain of the switching element 3 and the parasitic capacitance between the drain and source is discharged, the switching element 3 is turned on by the gate-source voltage Vgs2 raised to H level.

期間(3):スイッチング素子2がオフ、スイッチング素子3がオンの場合
共振電流IcがLC共振により正から負方向に変わると、スイッチング素子3→励磁インダクタンス7b及び変圧器7の1次巻線→漏れインダクタンス7a→共振コンデンサ6→スイッチング素子3の経路で、そのスイッチング素子3に正方向のドレイン電流が流れる。
期間(4):スイッチング素子2の還流動作、スイッチング素子3がオフの場合
スイッチング素子3のドレイン電流が正方向の状態で、Lレベルに立ち下げたゲート・ソース間電圧Vgs2によりスイッチング素子3をオフさせると、直流電源1の負極→励磁インダクタンス7b→漏れインダクタンス7a→共振コンデンサ6→スイッチング素子2→直流電源1の正極の経路で、スイッチング素子2のドレイン電流Id1が逆方向に流れる。そのため、スイッチング素子2のドレイン・ソース間電圧Vds1に、逆導通電圧降下ΔVが生じる。スイッチング素子2を通して電流が流れている期間の経過後に、スイッチング素子2をオンさせる。
Period (3): When switching element 2 is off and switching element 3 is on When the resonance current Ic changes from positive to negative due to LC resonance, switching element 3→excitation inductance 7b and primary winding of transformer 7→ A forward drain current flows through the switching element 3 along the path of the leakage inductance 7 a →the resonance capacitor 6 →the switching element 3 .
Period (4): Freewheeling operation of switching element 2, switching element 3 off Switching element 3 is turned off by gate-source voltage Vgs2 falling to L level in a state in which the drain current of switching element 3 is in the positive direction. Then, the drain current Id1 of the switching element 2 flows in the opposite direction along the path of the negative pole of the DC power supply 1→the exciting inductance 7b→the leakage inductance 7a→the resonant capacitor 6→the switching element 2→the positive pole of the DC power supply 1. Therefore, a reverse conduction voltage drop ΔV occurs in the drain-source voltage Vds1 of the switching element 2 . After a period in which the current is flowing through the switching element 2, the switching element 2 is turned on.

以上の動作において、期間(2)では、最初にスイッチング素子3のソースからドレインに電流が流れてドレイン・ソース間の寄生容量の電荷が放電され、その期間(2)の経過後、スイッチング素子3のドレイン・ソース間電圧が略0Vになった状態で、スイッチング素子3をオンにするゼロボルトスイッチング(以下「ZVS」という。)動作を行っている。期間(4)の経過後でも、同様のZVS動作を行っている。 In the above operation, in the period (2), a current first flows from the source to the drain of the switching element 3 to discharge the parasitic capacitance between the drain and the source. , the voltage between the drain and the source of is approximately 0 V, a zero-volt switching (hereinafter referred to as "ZVS") operation for turning on the switching element 3 is performed. A similar ZVS operation is performed even after the period (4) has elapsed.

スイッチング素子2,3を構成するGaNトランスジスタは、高速スイッチングが可能な素子として利用されているが、ゲート閾値が低く、ノイズ等により誤点弧する恐れがある。誤点弧の具体例としては、ZVS動作ではないハードスイッチングによるスイッチドレイン電圧の急激な変化により、GaNトランジスタ内のドレイン・ゲート間寄生容量を介してゲート電圧が持ち上がり、これがゲート閾値を超えると誤点弧となる。この対策として、スイッチオフ時のゲート電圧を負バイアスすると、誤点弧を防止できる。 The GaN transistors that constitute the switching elements 2 and 3 are used as elements capable of high-speed switching, but have a low gate threshold value and may be erroneously fired due to noise or the like. As a specific example of false firing, a rapid change in the switch drain voltage due to hard switching, which is not ZVS operation, causes the gate voltage to rise via the drain-gate parasitic capacitance in the GaN transistor. Arc is fired. As a countermeasure against this, erroneous ignition can be prevented by negatively biasing the gate voltage when the switch is turned off.

国際公開第2012/153676号公報International Publication No. 2012/153676 国際公開第2013/046420号公報International Publication No. 2013/046420 中国特許出願公開第102611288号公報Chinese Patent Application Publication No. 102611288 特開平1-122373号公報JP-A-1-122373

図6(a)のスイッチング素子2,3を構成するGaNトランジスタは、ソースからドレインに電流が流れる(逆導通する)場合、もともとのソース・ドレイン間の電圧降下に更にゲートの負バイアス分が加算さてしまう特性がある。そのため、LLC回路や位相シフト回路のように、デッドタイム期間中にスイッチング素子2,3のソースからドレインに電流が流れる(逆導通する)場合では、図7のドレイン・ソース間電圧Vds1の逆導通電圧降下ΔVに示すように、導通損失が増加してしまう弊害がある。 In the GaN transistors that constitute the switching elements 2 and 3 in FIG. 6(a), when a current flows from the source to the drain (reverse conduction), the original voltage drop between the source and the drain is added to the negative bias of the gate. It has some peculiarities. Therefore, when a current flows from the source to the drain of the switching elements 2 and 3 during the dead time period (reverse conduction) as in the LLC circuit or the phase shift circuit, the reverse conduction of the drain-source voltage Vds1 in FIG. As shown by the voltage drop ΔV, there is a detrimental effect of increasing the conduction loss.

本発明の半導体駆動回路は、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子が、正電源側と負電源側との間に直列に接続されたアームと、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが同時にオフ状態になるデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動する2つの駆動回路と、を備え、前記各駆動回路は、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子の誤点弧が発生し易くなる情報(例えば、負荷の状態が重負荷か又は軽負荷かの情報等)を基に、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させることを特徴とする。 A semiconductor drive circuit of the present invention has a first switching element and a second switching element, and the first switching element and the second switching element are connected in series between a positive power supply side and a negative power supply side. an arm; and two drive circuits that complementarily drive on/off with a dead time during which the first switching element and the second switching element are turned off at the same time, and each of the drive circuits Based on information (for example, information on whether the load state is heavy load or light load, etc.) that erroneous firing of the first switching element or the second switching element is likely to occur, the first switching element or the second switching element 2, the bias amount of the negative bias for turning off the switching element is changed.

例えば、前記負荷の状態が前記重負荷の時には、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための前記負バイアスのバイアス量を減少させる。或いは、前記負荷の状態が前記軽負荷の時には、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための前記負バイアスのバイアス量を増加させる。 For example, when the state of the load is the heavy load, the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element is decreased. Alternatively, when the load state is the light load, the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element is increased.

本発明の電力変換装置は、前記半導体駆動回路を用いたことを特徴とする。 A power conversion device according to the present invention is characterized by using the above semiconductor drive circuit.

本発明は、LLC回路や位相シフト回路等の従来の電力変換装置において、軽負荷時にZVSが困難となり、ハードスイッチングによるノイズ発生により、ゲートの誤点弧が発生し易く、逆に重負荷時はZVSによりノイズが発生しにくい点に着目し、第1スイッチング素子又は第2スイッチング素子の誤点弧が発生し易くなる情報(例えば、負荷の状態が重負荷か又は軽負荷かの情報等)を基に、第1スイッチング素子又は第2スイッチング素子をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させている。これにより、ノイズ等により誤点弧する恐れが低い場合に、スイッチオフ時の負バイアス量を変化させることで、LLC回路や位相シフト回路等のデッドタイム期間中に生じるような、ソースからドレインへの逆電流導通時の電圧降下を減少させ、逆導通損失を低減することができる。 In the present invention, in conventional power converters such as LLC circuits and phase shift circuits, ZVS becomes difficult when the load is light. Focusing on the fact that noise is less likely to occur due to ZVS, information that makes it easier for erroneous firing of the first switching element or the second switching element to occur (for example, information on whether the load state is heavy load or light load, etc.) Based on this, the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element is changed. As a result, when there is a low risk of erroneous firing due to noise or the like, by changing the amount of negative bias when the switch is turned off, it is possible to reduce the amount of noise from the source to the drain that occurs during the dead time period of LLC circuits, phase shift circuits, and the like. can reduce the voltage drop during reverse current conduction and reduce the reverse conduction loss.

本発明の実施例1における電力変換装置(例えば、ハーフブリッジ形LLC回路)を示す図1 is a diagram showing a power conversion device (for example, a half-bridge LLC circuit) in Embodiment 1 of the present invention; FIG. 図1(a)のLLC回路の動作波形図Operating waveform diagram of the LLC circuit of FIG. 1(a) 本発明の実施例2における電力変換装置(例えば、ハーフブリッジ形LLC回路)を示す図The figure which shows the power converter device (for example, half bridge type LLC circuit) in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3における電力変換装置(例えば、フルブリッジ形LLC回路)を示す回路図A circuit diagram showing a power conversion device (for example, a full-bridge LLC circuit) in Embodiment 3 of the present invention 本発明の実施例4における電力変換装置(例えば、位相シフト回路)を示す回路図A circuit diagram showing a power conversion device (for example, a phase shift circuit) in Embodiment 4 of the present invention 従来のハーフブリッジ形LLC回路を示す図Diagram showing a conventional half-bridge LLC circuit 図6(a)のLLC回路の動作波形図Operating waveform diagram of the LLC circuit of FIG. 6(a)

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。 Modes for carrying out the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, read in conjunction with the accompanying drawings. However, the drawings are for illustrative purposes only and do not limit the scope of the invention.

(実施例1の構成)
図1(a),(b),(c)は、本発明の実施例1における電力変換装置(例えば、単相のハーフブリッジ形LLC回路)を示す図であり、同図(a)は全体の回路図、同図(b)は(a)中の駆動回路の回路図、及び同図(c)は駆動回路の出力電圧波形図である。
(Configuration of Embodiment 1)
1(a), (b), and (c) are diagrams showing a power converter (for example, a single-phase half-bridge LLC circuit) according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 3B is a circuit diagram of the drive circuit in FIG. 3A, and FIG. 3C is an output voltage waveform diagram of the drive circuit.

図1(a)の単相のハーフブリッジ形LLC回路は、従来の図6(a)に示す単相のハーフブリッジ形LLC回路と同様に、直流電源31の正極(正電源側)と負極(負電源側)との間に直列に接続された第1及び第2スイッチング素子32,33からなるアームと、そのスイッチング素子32,33をオン/オフ駆動する2つの駆動回路34,35と、を有する矩形波発生用の半導体駆動回路を備えている。スイッチング素子32,33は、例えば、ノーマリオフ型のGaNトランジスタで構成され、それらのゲート(G)が駆動回路34,35により、同時にオフ状態になるデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動される。ノーマリオフ型のGaNトランジスタは、ゲートがLレベル(例えば、0V以下)でドレイン(D)及びソース(S)間がオフ状態、0Vよりも高いHレベルでドレイン・ソース間がオン状態になる。スイッチング素子32及びスイッチング素子33の接続点と、スイッチング素子33のソース及び直流電源31の負極と、の間には、共振コンデンサ36、変圧器37の漏れインダクタンス37a、及び励磁インダクタンス37bからなる直列共振回路が接続されている。
なお、漏れインダクタンス37aに代えて、共振インダクタを設けても良い。共振コンデンサ36には、交流の共振電流Icが流れる。
The single-phase half-bridge LLC circuit of FIG. 1(a) is similar to the conventional single-phase half-bridge LLC circuit shown in FIG. an arm composed of first and second switching elements 32 and 33 connected in series between the negative power supply side) and two drive circuits 34 and 35 for driving the switching elements 32 and 33 on/off. A semiconductor driving circuit for generating a rectangular wave is provided. The switching elements 32 and 33 are composed of, for example, normally-off GaN transistors, and their gates (G) are complementarily driven on/off by drive circuits 34 and 35 with a dead time in which they are turned off at the same time. be. In a normally-off GaN transistor, when the gate is L level (for example, 0 V or less), the drain (D) and source (S) are in the OFF state, and when the H level is higher than 0 V, the drain and source are in the ON state. Between the connection point of the switching element 32 and the switching element 33 and the source of the switching element 33 and the negative electrode of the DC power supply 31, there is a series resonance capacitor 36 composed of a resonance capacitor 36, a leakage inductance 37a of a transformer 37, and an exciting inductance 37b. Circuit is connected.
A resonance inductor may be provided instead of the leakage inductance 37a. An AC resonance current Ic flows through the resonance capacitor 36 .

変圧器37は、1次巻線及び2次巻線を有している。その変圧器37の2次巻線には、4つのダイオード38,39,40,41からなる全波整流回路が接続され、更に、その出力側に、平滑用の出力コンデンサ42が接続され、負荷43に対して直流の負荷電流Irを供給するようになっている。 Transformer 37 has a primary winding and a secondary winding. A full-wave rectifier circuit consisting of four diodes 38, 39, 40 and 41 is connected to the secondary winding of the transformer 37, and a smoothing output capacitor 42 is connected to the output side of the transformer 37 to 43 is supplied with a DC load current Ir.

負荷43に対して直列に、シャント抵抗等の電流検出回路44が接続されている。電流検出回路44は、負荷43に流れる負荷電流Irを検出する回路であり、その出力側に、比較器45が接続されている。比較器45は、検出された負荷電流Irと閾値電流Ithとの大小を比較し、負荷電流Irが閾値電流Ithを超えると、負荷43を「重負荷」であると判定して負荷判定信号S45を出力する回路であり、その出力側に、2つの絶縁回路46,47が接続されている。各絶縁回路46,47は、負荷判定信号S45を絶縁して各制御信号S46,S47の形で各駆動回路34,35へそれぞれ帰還する回路であり、パルス変圧器、絶縁増幅器、ハイサイドドライバ等により構成されている。 A current detection circuit 44 such as a shunt resistor is connected in series with the load 43 . The current detection circuit 44 is a circuit for detecting the load current Ir flowing through the load 43, and the comparator 45 is connected to its output side. Comparator 45 compares the magnitudes of detected load current Ir and threshold current Ith. When load current Ir exceeds threshold current Ith, comparator 45 determines that load 43 is a “heavy load” and outputs a load determination signal S45. , and two isolation circuits 46 and 47 are connected to its output side. Each isolation circuit 46, 47 is a circuit that isolates the load determination signal S45 and feeds it back to each drive circuit 34, 35 in the form of each control signal S46, S47. It is composed of

図1(b)の駆動回路34及び35は、同一の回路構成であり、直流電源51、抵抗52、ツェナーダイオード53、制御信号S46(S47)によりオンするノーマリオフ型のスイッチ54、NPN型トランジスタ55、コンデンサ56、及びそのコンデンサ56の放電抵抗57を有する降圧回路であるドロッパ回路と、パルス信号源58と、により構成されている。 The drive circuits 34 and 35 in FIG. 1(b) have the same circuit configuration, and include a DC power supply 51, a resistor 52, a Zener diode 53, a normally-off switch 54 that is turned on by a control signal S46 (S47), and an NPN transistor 55. , a capacitor 56, and a dropper circuit, which is a step-down circuit having a discharge resistor 57 for the capacitor 56, and a pulse signal source 58.

図1(c)に示すように、絶縁回路46(47)から制御信号S46(S47)が出力されていないオフ時には、スイッチ54がオフ状態になっている。トランジスタ55のベースには、0Vよりも高いツェナーダイオード53のツェナー電圧Vzが掛かり、そのトランジスタ55のエミッタに、ドロッパ回路の直流の出力電圧(Vz-Vbe)が生じる(但し、Vbe;トランジスタ55のベース・エミッタ間電圧)。出力電圧(Vz-Vbe)は、スイッチング素子32(33)のソース(S)に供給される。パルス信号源58は、例えば、目標電圧と出力電圧との電圧誤差を零にするような周波数信号を入力し、その周波数信号を、三角波等の搬送波によりPWMして0Vよりも高い波高値Vhの駆動パルスGPを生成し、スイッチング素子32(33)のゲート(G)に供給する機能を有している。 As shown in FIG. 1(c), the switch 54 is off when the control signal S46 (S47) is not output from the isolation circuit 46 (47). A Zener voltage Vz of a Zener diode 53 higher than 0 V is applied to the base of the transistor 55, and a DC output voltage (Vz-Vbe) of the dropper circuit is generated at the emitter of the transistor 55 (Vbe; base-emitter voltage). The output voltage (Vz-Vbe) is supplied to the source (S) of the switching element 32 (33). The pulse signal source 58 receives, for example, a frequency signal that makes the voltage error between the target voltage and the output voltage zero, and PWMs the frequency signal with a carrier wave such as a triangular wave to obtain a crest value Vh higher than 0V. It has a function of generating a driving pulse GP and supplying it to the gate (G) of the switching element 32 (33).

絶縁回路46(47)から制御信号S46(S47)が出力されるオン時には、スイッチ54がオンし、トランジスタ55のベースが短絡される。そのため、トランジスタ55がオフし、スイッチング素子32(33)のソースに供給されるドロッパ回路の出力電圧(Vz-Vbe)は、コンデンサ56と抵抗57の放電時定数で放電し、これに応じてスイッチオフ時のゲートの負バイアス(Vz-Vbe)量が減少する構成になっている。 When the control signal S46 (S47) is output from the isolation circuit 46 (47), the switch 54 is turned on and the base of the transistor 55 is short-circuited. Therefore, the transistor 55 is turned off, and the output voltage (Vz-Vbe) of the dropper circuit supplied to the source of the switching element 32 (33) is discharged with the discharge time constant of the capacitor 56 and the resistor 57. The configuration is such that the amount of negative bias (Vz-Vbe) of the gate when turned off is reduced.

(実施例1の動作)
図2は、図1(a)のLLC回路の動作波形図である。従来の図7と同様に、図2において、Icは共振コンデンサ36を流れる共振電流、Vgs1はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子32のゲート・ソース間電圧、Vgs2はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子33のゲート・ソース間電圧、Id1はスイッチング素子32のドレイン電流、及び、Vds1はスイッチング素子32のドレイン・ソース間電圧である。
(Operation of Embodiment 1)
FIG. 2 is an operation waveform diagram of the LLC circuit of FIG. 1(a). 2, Ic is the resonant current flowing through the resonant capacitor 36, Vgs1 is the voltage between the gate and source of the switching element 32 composed of the GaN transistor, and Vgs2 is the switching element composed of the GaN transistor. 33 , Id 1 is the drain current of the switching element 32 , and Vds 1 is the drain-source voltage of the switching element 32 .

図1のLLC回路は、図2に示す期間(1)~(4)において、以下のように動作する。
期間(1):スイッチング素子32がオン、スイッチング素子33がオフ、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷の場合
負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷の場合、電流検出回路44及び比較器45を介して、絶縁回路46(47)から制御信号S46(S47)が出力されないので、駆動回路34(35)内のスイッチ54がオフ状態である。そのため、駆動回路34(35)内のドロッパ回路の出力電圧(Vz-Vbe)がスイッチング素子32(33)のソースに供給され、パルス信号源58から出力された波高値Vhの駆動パルスGPのHレベルが、スイッチング素子32(33)のゲートに供給される。
The LLC circuit in FIG. 1 operates as follows during periods (1) to (4) shown in FIG.
Period (1): When the switching element 32 is on, the switching element 33 is off, and the load current Ir is less than the threshold current Ith, the load is light. And since the control signal S46 (S47) is not output from the isolation circuit 46 (47) via the comparator 45, the switch 54 in the drive circuit 34 (35) is in the OFF state. Therefore, the output voltage (Vz-Vbe) of the dropper circuit in the drive circuit 34 (35) is supplied to the source of the switching element 32 (33), and the drive pulse GP having the crest value Vh output from the pulse signal source 58 is high. A level is supplied to the gate of switching element 32 (33).

スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1は、0Vよりも高いHレベルであるので、そのスイッチング素子32がオンしている。スイッチング素子33のゲート・ソース間電圧Vgs2は、0Vよりも低いLレベルであるので、そのスイッチング素子33がオフしている。そのため、直流電源31の正極→オン状態のスイッチング素子32→共振コンデンサ36→漏れインダクタンス37a→励磁インダクタンス37b及び変圧器37の1次巻線→直流電源31の負極の経路で、スイッチング素子32に正方向のドレイン電流Id1が流れると共に、共振コンデンサ36に正方向の共振電流Icが流れる。変圧器37の1次巻線に電流が流れると、その変圧器37の2次巻線に誘導電流が流れ、その誘導電流が、ダイオード38~41で全波整流されて出力コンデンサ42で平滑される。平滑された直流の負荷電流Irは、負荷43へ供給される。負荷43が軽負荷であるので、共振電流Ic、及びスイッチング素子32に流れるドレイン電流Id1は、振幅が小さい。 Since the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 is at the H level higher than 0V, the switching element 32 is on. Since the gate-source voltage Vgs2 of the switching element 33 is at L level, which is lower than 0V, the switching element 33 is turned off. Therefore, the positive electrode of the DC power supply 31→the switching element 32 in the ON state→the resonance capacitor 36→the leakage inductance 37a→the exciting inductance 37b and the primary winding of the transformer 37→the negative electrode of the DC power supply 31→the positive electrode of the switching element 32. A positive-direction resonance current Ic flows through the resonance capacitor 36 while the direction drain current Id1 flows. When a current flows through the primary winding of the transformer 37, an induced current flows through the secondary winding of the transformer 37. The induced current is full-wave rectified by the diodes 38 to 41 and smoothed by the output capacitor 42. be. The smoothed DC load current Ir is supplied to the load 43 . Since the load 43 is a light load, the resonance current Ic and the drain current Id1 flowing through the switching element 32 have small amplitudes.

期間(2):スイッチング素子32がオフ、スイッチング素子33の還流動作、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷の場合
負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷の場合、駆動回路34(35)内のスイッチ54がオフしている。そのため、駆動回路34(35)内のドロッパ回路の出力電圧(Vz-Vbe)が、スイッチング素子32(33)のソースに供給され、パルス信号源58から出力された駆動パルスGPのLレベル(=0V)がスイッチング素子32(33)のゲートに供給される。
Period (2): When the switching element 32 is off, the switching element 33 is freewheeling, and the load current Ir is smaller than the threshold current Ith. The switch 54 inside (35) is off. Therefore, the output voltage (Vz−Vbe) of the dropper circuit in the drive circuit 34 (35) is supplied to the source of the switching element 32 (33), and the drive pulse GP output from the pulse signal source 58 is at L level (= 0V) is supplied to the gate of the switching element 32 (33).

スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1が0Vよりも低いLレベルになるので、そのスイッチング素子32がオフする。スイッチング素子33のゲート・ソース間電圧Vgs2は、0Vよりも低いLレベルのままであるので、オフしている。スイッチング素子32がオフすると、共振コンデンサ36→漏れインダクタンス37a→励磁インダクタンス37b→スイッチング素子33→共振コンデンサ36の経路で、共振電流Icが流れる。共振電流Icがスイッチング素子33のソースからドレインに流れるが、軽負荷で電流値が小さいため、ドレイン・ソース間の寄生容量が十分放電されない状態で、Hレベルに立ち上げたゲート・ソース間電圧Vgs2により、スイッチング素子33がオンする。この時、スイッチング素子33のドレイン・ソース間電圧が急激に0Vになるため、直流電源31に直列に接続されているスイッチング素子32のドレイン・ソース間電圧Vds1も同時に急激に直流電源31の電圧まで上昇する。すると、スイッチング素子32のドレイン・ゲート間寄生容量を介して、そのスイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1に、正方向のスパイク状のノイズNSが発生する。しかし、スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1は負バイアスされているため、ゲート閾値を超え誤点弧することは無い。 Since the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 becomes L level lower than 0V, the switching element 32 is turned off. The gate-source voltage Vgs2 of the switching element 33 remains at the L level, which is lower than 0V, and is therefore turned off. When the switching element 32 is turned off, the resonance current Ic flows through the path of the resonance capacitor 36→leakage inductance 37a→excitation inductance 37b→switching element 33→resonance capacitor 36. FIG. The resonance current Ic flows from the source to the drain of the switching element 33, but since the load is light and the current value is small, the gate-source voltage Vgs2 rises to the H level in a state in which the parasitic capacitance between the drain and the source is not sufficiently discharged. As a result, the switching element 33 is turned on. At this time, since the drain-source voltage of the switching element 33 suddenly drops to 0 V, the drain-source voltage Vds1 of the switching element 32 connected in series with the DC power supply 31 also suddenly rises to the voltage of the DC power supply 31 at the same time. Rise. Then, a positive spike noise NS is generated in the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 via the drain-gate parasitic capacitance of the switching element 32 . However, since the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 is negatively biased, it does not exceed the gate threshold value and cause erroneous ignition.

期間(3):スイッチング素子32がオフ、スイッチング素子33がオン、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷から閾値電流Ithよりも大きい重負荷へ変化する場合
共振電流IcがLC共振により正から負方向に変わると、スイッチング素子33→励磁インダクタンス37b及び変圧器37の1次巻線→漏れインダクタンス37a→共振コンデンサ36→スイッチング素子33の経路で、そのスイッチング素子33に正方向のドレイン電流が流れる。負荷電流Irが重負荷に変化すると、これが電流検出回路44及び比較器45で検出及び判定され、絶縁回路46(47)から制御信号S46(S47)が出力される。すると、駆動回路34内のスイッチ54がオンし、トランジスタ55のベースが短絡される。そのため、トランジスタ55がオフし、スイッチング素子32のソースに供給されるドロッパ回路の出力電圧(Vz-Vbe)は、コンデンサ56と抵抗57の放電時定数で放電し、これに応じてスイッチオフ時のゲートの負バイアス(Vz-Vbe)量が減少し、スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1が0Vまで上昇していく。
Period (3): When the switching element 32 is turned off, the switching element 33 is turned on, and the load current Ir changes from a light load smaller than the threshold current Ith to a heavy load larger than the threshold current Ith, the resonant current Ic becomes positive due to LC resonance. , the switching element 33→the exciting inductance 37b and the primary winding of the transformer 37→the leakage inductance 37a→the resonant capacitor 36→the switching element 33. A positive drain current flows through the switching element 33. flow. When the load current Ir changes to a heavy load, this is detected and determined by the current detection circuit 44 and the comparator 45, and the control signal S46 (S47) is output from the isolation circuit 46 (47). Then, the switch 54 in the drive circuit 34 is turned on and the base of the transistor 55 is short-circuited. Therefore, the transistor 55 is turned off, and the output voltage (Vz-Vbe) of the dropper circuit supplied to the source of the switching element 32 is discharged with the discharge time constant of the capacitor 56 and the resistor 57. The amount of negative bias (Vz-Vbe) of the gate decreases, and the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 rises to 0V.

期間(4):スイッチング素子32の還流動作、スイッチング素子33がオフ、負荷電流Irが重負荷の場合
スイッチング素子33のドレイン電流が正方向の状態で、Lレベルに立ち下げたゲート・ソース間電圧Vgs2によりスイッチング素子33をオフさせると、直流電源31の負極→励磁インダクタンス37b→漏れインダクタンス37a→共振コンデンサ36→スイッチング素子32→直流電源31の正極の経路で、スイッチング素子32のドレイン電流Id1が逆方向に流れる。重負荷で電流値が大きいため、スイッチング素子32のドレイン・ソース間の寄生容量が十分放電されるので、スイッチング素子32のドレイン・ソース間電圧Vds1に、逆導通電圧降下ΔVが生じる。しかし、スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1が上昇して0Vになっているので、スイッチング素子32のドレイン・ソース間電圧Vds1に生じる逆導通電圧降下ΔVが、従来よりも減少する。そして、スイッチング素子32を通して電流が流れている期間の経過後に、スイッチング素子32をオンさせる。この時、スイッチング素子32のドレイン・ソース間電圧Vds1は略0Vになっているため、スイッチング素子33のドレイン・ソース間電圧の急激な変化が生じず、そのスイッチング素子33のゲート・ソース間電圧Vgs2に、正方向のスパイク状のノイズNSが発生するのが抑制される。
Period (4): Freewheeling operation of switching element 32, switching element 33 off, load current Ir is heavy. Gate-source voltage dropped to L level with drain current of switching element 33 in the positive direction. When the switching element 33 is turned off by Vgs2, the drain current Id1 of the switching element 32 is reversed along the path of the negative electrode of the DC power supply 31→excitation inductance 37b→leakage inductance 37a→resonant capacitor 36→switching element 32→positive electrode of the DC power supply 31. flow in the direction Since the load is heavy and the current value is large, the parasitic capacitance between the drain and source of the switching element 32 is sufficiently discharged. However, since the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 rises to 0 V, the reverse conduction voltage drop ΔV occurring in the drain-source voltage Vds1 of the switching element 32 is reduced compared to the conventional case. Then, after the period in which the current is flowing through the switching element 32, the switching element 32 is turned on. At this time, since the drain-source voltage Vds1 of the switching element 32 is approximately 0 V, the drain-source voltage of the switching element 33 does not change abruptly, and the gate-source voltage Vgs2 of the switching element 33 does not change. In addition, the positive spike noise NS is suppressed.

以降の期間では、スイッチング素子32のゲート・ソース間電圧Vgs1は、HレベルとLレベル(=0V)の間で遷移し、同様に、スイッチング素子33のドレイン・ソース間電圧Vds2も、HレベルとLレベル(=0V)の間で遷移し、重負荷でのDC/DC変換動作を行う。 In subsequent periods, the gate-source voltage Vgs1 of the switching element 32 transitions between the H level and the L level (=0 V), and similarly, the drain-source voltage Vds2 of the switching element 33 also changes between the H level and the L level. It transitions between the L level (=0V) and performs DC/DC conversion operation with a heavy load.

(実施例1の効果)
本実施例1によれば、LLC回路等の従来の電力変換装置において、軽負荷時にZVSが困難となり、ハードスイッチングによるノイズ発生により、ゲートの誤点弧が発生し易く、逆に重負荷時はZVSによりノイズが発生しにくい点に着目し、負荷電流Irの情報を基に、重負荷時はゲートの負バイアス(Vz-Vbe)量を減少させている。これにより、ノイズ等により誤点弧する恐れが低い場合に、スイッチオフ時のゲートの負バイアス量を減少させることで、LLC回路のデッドタイム期間中に生じるような、ソースからドレインへの逆電流導通時の逆導通電圧降下ΔVを減少させ、逆導通損失を低減することができる。
(Effect of Example 1)
According to the present embodiment 1, in a conventional power conversion device such as an LLC circuit, ZVS becomes difficult at light load, and erroneous firing of the gate is likely to occur due to noise generated by hard switching. Focusing on the fact that noise is less likely to occur due to ZVS, the amount of negative bias (Vz-Vbe) of the gate is reduced during a heavy load based on information on the load current Ir. As a result, when the risk of false firing due to noise or the like is low, by reducing the negative bias amount of the gate when the switch is turned off, the reverse current from the source to the drain that occurs during the dead time period of the LLC circuit can be reduced. The reverse conduction voltage drop ΔV during conduction can be reduced, and the reverse conduction loss can be reduced.

(実施例2の構成)
図3(a),(b),(c)は、本発明の実施例2における電力変換装置(例えば、単相のハーフブリッジ形LLC回路)を示す図であり、同図(a)は全体の回路図、同図(b)は(a)中の駆動回路の回路図、及び同図(c)は駆動回路の出力電圧波形図である。この図3において、実施例1の図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
(Configuration of Embodiment 2)
3A, 3B, and 3C are diagrams showing a power converter (for example, a single-phase half-bridge LLC circuit) according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 3B is a circuit diagram of the drive circuit in FIG. 3A, and FIG. 3C is an output voltage waveform diagram of the drive circuit. In FIG. 3, elements common to those in FIG. 1 of Embodiment 1 are denoted by common reference numerals.

本実施例2における図3(a)のハーフブリッジ形LLC回路では、実施例1における図1(a)のハーフブリッジ形LLC回路中の比較器45に代えて、例えば、演算増幅器(以下「オペアンプ」という。)48が設けられている。比較器48は、実施例1と同様の電流検出回路44で検出された負荷電流Irの大きさに比例した電圧の負荷判定信号S48を、実施例1と同様の絶縁回路46,47へ出力する機能を有している。絶縁回路46,47は、入力された負荷判定信号S48を絶縁し、負荷電流Irの大きさに応じたレベルの制御信号S46,S47を出力し、駆動回路34,35へ帰還する構成になっている。 In the half-bridge LLC circuit of FIG. 3A in the second embodiment, instead of the comparator 45 in the half-bridge LLC circuit of FIG. ) 48 is provided. The comparator 48 outputs a load determination signal S48 having a voltage proportional to the magnitude of the load current Ir detected by the current detection circuit 44 similar to that of the first embodiment to the isolation circuits 46 and 47 similar to that of the first embodiment. have a function. The isolation circuits 46 and 47 isolate the input load determination signal S48, output control signals S46 and S47 having levels corresponding to the magnitude of the load current Ir, and feed them back to the drive circuits 34 and 35. there is

本実施例2における図3(b)の駆動回路34(35)では、実施例1の駆動回路34(35)中の抵抗52、ツェナーダイオード53及びスイッチ54に代えて、例えば、演算増幅器(以下「オペアンプ」という。)59が設けられている。オペアンプ59は、絶縁回路46(47)から出力される制御信号S46(S47)に基づき、ドロッパ回路を構成するトランジスタ55のベース電圧Vicを変化させる回路である。トランジスタ55のエミッタからは、電圧(Vic-Vbe)(但し、Vbe;トランジスタ55のベース・エミッタ間電圧)が出力され、図3(a)のスイッチング素子32(33)のソース(S)に供給される。パルス信号源58から出力された波高値Vhの駆動パルスGPは、そのスイッチング素子32(33)のゲート(G)に供給される。 In the drive circuit 34 (35) of FIG. 3B in the second embodiment, instead of the resistor 52, the Zener diode 53 and the switch 54 in the drive circuit 34 (35) of the first embodiment, for example, an operational amplifier (hereinafter referred to as (referred to as an "operational amplifier") 59 is provided. The operational amplifier 59 is a circuit that changes the base voltage Vic of the transistor 55 forming the dropper circuit based on the control signal S46 (S47) output from the isolation circuit 46 (47). A voltage (Vic-Vbe) (where Vbe is the voltage between the base and the emitter of the transistor 55) is output from the emitter of the transistor 55 and supplied to the source (S) of the switching element 32 (33) in FIG. be done. A driving pulse GP having a peak value Vh output from the pulse signal source 58 is supplied to the gate (G) of the switching element 32 (33).

(実施例2の動作)
図3(a)のハーフブリッジ形LLC回路において、オペアンプ48は、負荷電流Irの大きさに比例した電圧の負荷判定信号S48を絶縁回路46,(47)へ出力する。絶縁回路46(47)は、その負荷判定信号S48を絶縁し、負荷電流Irの大きさに応じたレベルの、図3(c)に示すような制御信号S46(S47)をオペアンプ59へ出力する。すると、オペアンプ59から出力されるトランジスタ55のベース電圧Vicが変化し、そのトランジスタ55のエミッタから出力されるドロッパ回路の出力電圧(Vic-Vbe)が変化するので、スイッチング素子32(33)に供給するゲートの負バイアス(Vic-Vbe)量をリニア(自由)に調整できる。
(Operation of Embodiment 2)
In the half-bridge LLC circuit of FIG. 3(a), the operational amplifier 48 outputs a load determination signal S48 having a voltage proportional to the magnitude of the load current Ir to the isolation circuits 46 (47). The isolation circuit 46 (47) isolates the load determination signal S48 and outputs to the operational amplifier 59 a control signal S46 (S47) having a level corresponding to the magnitude of the load current Ir, as shown in FIG. . Then, the base voltage Vic of the transistor 55 output from the operational amplifier 59 changes, and the output voltage (Vic-Vbe) of the dropper circuit output from the emitter of the transistor 55 changes. It is possible to linearly (freely) adjust the amount of negative bias (Vic-Vbe) of the gate to be applied.

(実施例2の効果)
実施例1の駆動回路34(35)では、スイッチ54によりゲートの負バイアスの有無を切り替えるのみで、負バイアスする電圧レベルを調整する機能はないが、回路構成が簡単である。これに対して本実施例2の駆動回路34(35)は、ドロッパ回路の出力電圧(Vic-Vbe)を変化させることで、スイッチオフ時のゲートの負バイアス(Vic-Vbe)量を調整できる。これにより、例えば、ノイズ等の大きさに応じて、ゲートが誤点弧しない程度の負バイアス量を調整できる。
(Effect of Example 2)
In the drive circuit 34 (35) of the first embodiment, the switch 54 is used only to switch the presence or absence of the negative bias of the gate, and there is no function of adjusting the voltage level of the negative bias, but the circuit configuration is simple. On the other hand, the driving circuit 34 (35) of the second embodiment can adjust the amount of negative bias (Vic-Vbe) of the gate when the switch is turned off by changing the output voltage (Vic-Vbe) of the dropper circuit. . As a result, for example, the negative bias amount can be adjusted to the extent that the gate does not erroneously fire according to the magnitude of noise or the like.

(実施例3の構成)
図4は、本発明の実施例3における電力変換装置(例えば、単相のフルブリッジ形LLC回路)を示す回路図であり、実施例1,2を示す図1(a)及び図3(a)の単相のハーフブリッジ形LLC回路と共通の要素には共通の符号が付されている。
(Configuration of Example 3)
Embodiment 3 FIG. 4 is a circuit diagram showing a power converter (for example, a single-phase full-bridge LLC circuit) according to Embodiment 3 of the present invention. ) are denoted by common reference numerals.

本実施例3の単相のフルブリッジ形LLC回路では、実施例1,2のハーフブリッジ形LLC回路における直列接続された第1、第2スイッチング素子32,33を有するアーム(第1アーム)に対して、これと並列に、直列接続された第3、第4スイッチング素子62,63を有する第2アームが追加されている。各スイッチング素子32,33,62,63は、例えば、ノーマリオフ型のGaNトランジスタで構成され、それぞれ同一の回路構成の駆動回路34,35,64,65によりゲートが駆動されるようになっている。各駆動回路34,35,64,65は、実施例1の図1(b)又は実施例2の図3(b)と同様の回路により構成されている。 In the single-phase full-bridge LLC circuit of the third embodiment, in the arm (first arm) having the first and second switching elements 32 and 33 connected in series in the half-bridge LLC circuits of the first and second embodiments, In parallel therewith, a second arm having third and fourth switching elements 62, 63 connected in series is added. Each switching element 32, 33, 62, 63 is composed of, for example, a normally-off GaN transistor, and its gate is driven by drive circuits 34, 35, 64, 65 having the same circuit configuration, respectively. Each drive circuit 34, 35, 64, 65 is configured by a circuit similar to FIG. 1(b) of the first embodiment or FIG. 3(b) of the second embodiment.

第1アーム及び第2アームの出力側には、実施例1,2と同様に、共振コンデンサ36、変圧器37の漏れインダクタンス37a(又は共振インダクタ)、及び励磁インダクタンス37bからなる直列共振回路が接続され、更に、その出力側に、ダイオード38~41からなる全波整流回路、出力コンデンサ42、負荷43、及び電流検出回路44が接続されている。電流検出回路44の出力側には、実施例1の比較器45又は実施例2のオペアンプ48が接続されている。実施例1の比較器45では、電流検出回路44で検出された負荷電流Irと閾値電流Ithとの大小を比較し、負荷電流Irが閾値電流Ithを超えると、負荷43を「重負荷」であると判定して負荷判定信号S45を出力する回路により構成されている。又、実施例2のオペアンプ48は、負荷電流Irの大きさに比例した電圧の負荷判定信号S48を出力する回路により構成されている。 A series resonance circuit composed of a resonance capacitor 36, a leakage inductance 37a (or a resonance inductor) of a transformer 37, and an exciting inductance 37b is connected to the output sides of the first and second arms, as in the first and second embodiments. Further, a full-wave rectifier circuit composed of diodes 38 to 41, an output capacitor 42, a load 43, and a current detection circuit 44 are connected to the output side. The output side of the current detection circuit 44 is connected to the comparator 45 of the first embodiment or the operational amplifier 48 of the second embodiment. The comparator 45 of the first embodiment compares the magnitude of the load current Ir detected by the current detection circuit 44 with the threshold current Ith. It is composed of a circuit that determines that there is a load and outputs a load determination signal S45. Further, the operational amplifier 48 of the second embodiment is composed of a circuit that outputs the load determination signal S48 having a voltage proportional to the magnitude of the load current Ir.

比較器45(48)の出力側には、実施例1,2の絶縁回路46,47と略同様に、4つの制御信号S66を出力する絶縁回路66が接続されている。絶縁回路66から出力された4つの制御信号S66は、4つの駆動回路34,35,64,65にそれぞれ供給される。その他の構成は、実施例1,2と同様である。 An isolation circuit 66 for outputting four control signals S66 is connected to the output side of the comparator 45 (48) in substantially the same manner as the isolation circuits 46 and 47 of the first and second embodiments. The four control signals S66 output from the isolation circuit 66 are supplied to the four drive circuits 34, 35, 64, 65, respectively. Other configurations are the same as those of the first and second embodiments.

(実施例3の動作)
本実施例3のフルブリッジ形LLC回路では、駆動回路34,35,64,65により、第1、第4スイッチング素子32,63と第2、第3スイッチング素子33,62とが、デッドタイムをおいて相補的にオン/オフ動作し、直流電源31から出力される直流電力を交流電力に変換する。変換された交流電力は、実施例1,2のLLC回路と同様に、後段の共振回路により共振し、変圧器37を介して整流ダイオード38~41及び出力コンデンサ42により整流平滑され、負荷43へ供給される。
(Operation of Example 3)
In the full-bridge LLC circuit of the third embodiment, the driving circuits 34, 35, 64, 65 cause the first and fourth switching elements 32, 63 and the second and third switching elements 33, 62 to set dead time. are complementarily turned on/off to convert the DC power output from the DC power supply 31 into AC power. The converted AC power, like the LLC circuits of Embodiments 1 and 2, resonates in a subsequent resonance circuit, is rectified and smoothed by rectifying diodes 38 to 41 and an output capacitor 42 via a transformer 37, and is sent to a load 43. supplied.

例えば、負荷43に流れる負荷電流Irが軽負荷から重負荷に変化すると、これが電流検出回路44及び比較器45(48)で検出及び判定され、絶縁回路66から4つの制御信号S66が出力される。これにより、各駆動回路34,35,64,65が、実施例1,2の駆動回路34,35と同様の動作を行う。 For example, when the load current Ir flowing through the load 43 changes from a light load to a heavy load, this is detected and determined by the current detection circuit 44 and the comparator 45 (48), and four control signals S66 are output from the isolation circuit 66. . Thereby, each drive circuit 34, 35, 64, 65 performs the same operation as the drive circuits 34, 35 of the first and second embodiments.

(実施例3の効果)
本実施例3によれば、実施例1,2と同様に、負荷電流Irの情報を基に、重負荷時はゲートの負バイアス(Vz-Vbe)量を減少させているので、LLC回路のデッドタイム期間中に生じるような、ソースからドレインへの逆電流導通時の逆導通電圧降下ΔVを減少させ、逆導通損失を低減することができる。
(Effect of Example 3)
According to the third embodiment, as in the first and second embodiments, the amount of negative bias (Vz-Vbe) of the gate is reduced during a heavy load based on the information of the load current Ir. The reverse conduction voltage drop ΔV during reverse current conduction from source to drain, such as occurs during the dead time period, can be reduced to reduce reverse conduction losses.

(実施例4の構成)
図5は、本発明の実施例4における電力変換装置(例えば、単相の位相シフト回路)を示す回路図であり、実施例3を示す図4の単相のフルブリッジ形LLC回路と共通の要素には共通の符号が付されている。
(Configuration of Example 4)
Embodiment 4 FIG. 5 is a circuit diagram showing a power converter (for example, a single-phase phase shift circuit) according to Embodiment 4 of the present invention. Elements are given common reference numerals.

本実施例4の単相の位相シフト回路では、実施例3と同様に、直列接続された第1、第2スイッチング素子32,33を有する第1アームと、直列接続された第3、第4スイッチング素子62,63を有する第2アームと、が並列に接続されている。実施例3の共振コンデンサ36に代えて、本実施例4では、各スイッチング素子32,33,62,63のドレイン・ソース間に、出力共振コンデンサ36a,36b,36c,36dがそれぞれ並列に接続されている。
なお、出力共振コンデンサ36a,36b,36c,36dに代えて、各スイッチング素子32,33,62,63のドレイン・ソース間の寄生容量を利用しても良い。又、変圧器37の漏れインダクタンス37aは、他の共振インダクタで構成しても良い。
In the single-phase phase shift circuit of the fourth embodiment, as in the third embodiment, a first arm having first and second switching elements 32 and 33 connected in series, and third and fourth switching elements connected in series. and a second arm having switching elements 62 and 63 are connected in parallel. In place of the resonant capacitor 36 of the third embodiment, in the fourth embodiment, output resonant capacitors 36a, 36b, 36c, and 36d are connected in parallel between the drains and sources of the switching elements 32, 33, 62, and 63, respectively. ing.
Parasitic capacitance between the drain and source of each switching element 32, 33, 62, 63 may be used instead of the output resonance capacitors 36a, 36b, 36c, 36d. Also, the leakage inductance 37a of the transformer 37 may be composed of another resonant inductor.

実施例3と同様に、各スイッチング素子32,33,62,63は、例えば、ノーマリオフ型のGaNトランジスタで構成され、それぞれ同一の回路構成の駆動回路34,35,64,65によりゲートが駆動されるようになっている。各駆動回路34,35,64,65は、実施例1の図1(b)又は実施例2の図3(b)と同様の回路により構成されている。
更に、実施例3と同様に、負荷電流Irを検出する電流検出回路44が設けられ、その出力側に、比較器45(又はオペアンプ48)と絶縁回路66が接続されている。その他の構成は、実施例3と同様である。
As in the third embodiment, each switching element 32, 33, 62, 63 is composed of, for example, a normally-off GaN transistor, and gates thereof are driven by drive circuits 34, 35, 64, 65 having the same circuit configuration. It has become so. Each drive circuit 34, 35, 64, 65 is configured by a circuit similar to FIG. 1(b) of the first embodiment or FIG. 3(b) of the second embodiment.
Further, as in the third embodiment, a current detection circuit 44 for detecting the load current Ir is provided, and a comparator 45 (or an operational amplifier 48) and an isolation circuit 66 are connected to its output side. Other configurations are the same as those of the third embodiment.

(実施例4の動作)
本実施例4の位相シフト回路では、スイッチング素子32,33とスイッチング素子62,63とが交互にオン/オフ動作すると共に、スイッチング素子32,33を有する第1アームと、スイッチング素子62,63を有する第2アームと、の位相が変化することで、出力電圧を制御できるようになっている。スイッチング素子32,33,62,63のターンオン/ターンオフ時は、そのスイッチング素子32,33,62,63の出力共振コンデンサ(又はドレイン・ソース間の寄生容量)36a~36dと漏れインダクタンス(又は共振インダクタ)37aとで共振が行われ、ZVS動作となる。実施例3のLLC回路では、スイッチング周期に近い周期で共振が行われる(つまり、電流波形が正弦波状になる)のに対し、本実施例4の位相シフト回路では、スイッチング素子32,33,62,63のターンオン/ターンオフ時の短時間のみ共振(部分共振)が行われる。
実施例3と同様に、例えば、負荷43を流れる負荷電流Irが軽負荷から重負荷に変化すると、これが電流検出回路44及び比較器45(又はオペアンプ48)で検出及び判定され、絶縁回路66から4つの制御信号S66が出力される。これにより、各駆動回路34,35,64,65が、実施例3と同様の動作を行う。
(Operation of Example 4)
In the phase shift circuit of the fourth embodiment, the switching elements 32, 33 and the switching elements 62, 63 are alternately turned on/off, and the first arm having the switching elements 32, 33 and the switching elements 62, 63 are The output voltage can be controlled by changing the phase of the second arm. When the switching elements 32, 33, 62, 63 are turned on/off, output resonance capacitors (or parasitic capacitances between drain and source) 36a to 36d and leakage inductances (or resonance inductors) of the switching elements 32, 33, 62, 63 ) 37a, resulting in ZVS operation. In the LLC circuit of Example 3, resonance occurs at a cycle close to the switching cycle (that is, the current waveform becomes sinusoidal), whereas in the phase shift circuit of Example 4, the switching elements 32, 33, 62 , 63 resonate (partial resonance) only for a short time at turn-on/turn-off.
As in the third embodiment, for example, when the load current Ir flowing through the load 43 changes from a light load to a heavy load, this is detected and determined by the current detection circuit 44 and the comparator 45 (or the operational amplifier 48). Four control signals S66 are output. As a result, each drive circuit 34, 35, 64, 65 performs the same operation as in the third embodiment.

(実施例4の効果)
本実施例4によれば、実施例1~3と同様に、負荷電流Irの情報を基に、重負荷時はゲートの負バイアス(Vz-Vbe)又は(Vic-Vbe)量を減少させているので、位相シフト回路のデッドタイム期間中に生じるような、ソースからドレインへの逆電流導通時の逆導通電圧降下ΔVを減少させ、逆導通損失を低減することができる。
(Effect of Example 4)
According to the fourth embodiment, as in the first to third embodiments, the negative bias (Vz-Vbe) or (Vic-Vbe) of the gate is reduced during heavy load based on the information of the load current Ir. Therefore, the reverse conduction voltage drop .DELTA.V during reverse current conduction from source to drain, which occurs during the dead time period of the phase shift circuit, can be reduced, thereby reducing the reverse conduction loss.

(実施例1~4の変形例)
本発明は、上記実施例1~4に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)~(e)のようなものがある。
(a) 本発明は、スイッチング素子として、GaNトランジスタ以外のSiトランジスタ等にも適用が可能である。
(b) 実施例1において、例えば、負荷の状態が軽負荷の時には、第1スイッチング素子32又は第2スイッチング素子33をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を減少させるような構成に変形しても良い。実施例2~4についても、同様の変形が可能である。このように変形しても、実施例1と略同様の作用効果を奏することができる。
(Modifications of Examples 1 to 4)
The present invention is not limited to Examples 1 to 4 above, and various forms of use and modifications are possible. Examples of usage patterns and modifications include the following (a) to (e).
(a) The present invention can also be applied to Si transistors other than GaN transistors as switching elements.
(b) In the first embodiment, for example, when the load state is light, the configuration is modified such that the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element 32 or the second switching element 33 is reduced. You can Similar modifications are possible for Examples 2 to 4 as well. Even with this modification, substantially the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

(c) 実施例1~4の半導体駆動回路において、負荷43の状態が重負荷か又は軽負荷かは、第1スイッチング素子32(62)又は第2スイッチング素子33(63)に流れるスイッチング電流を検出し、この検出結果が閾値を超えると重負荷と判定し、検出結果が閾値を超えなければ軽負荷と判定するように変形しても良い。この場合、スイッチング周波数に対応した速度で第1スイッチング素子32(62)又は第2スイッチング素子33(63)をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させることが可能となり、制御の応答性の面で有利な効果を奏する半導体駆動回路を提供できる。 (c) In the semiconductor drive circuits of Examples 1 to 4, whether the load 43 is in a heavy load state or a light load state depends on the switching current flowing through the first switching element 32 (62) or the second switching element 33 (63). If the detection result exceeds the threshold, it is determined that the load is heavy, and if the detection result does not exceed the threshold, it is determined that the load is light. In this case, it becomes possible to change the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element 32 (62) or the second switching element 33 (63) at a speed corresponding to the switching frequency. It is possible to provide a semiconductor driving circuit that has an advantageous effect in terms of performance.

(d) 実施例1~4の各駆動回路34,35,65,66では、負荷43の状態が重負荷か又は軽負荷かの情報(例えば、負荷電流Ir)を基に、スイッチング素子32又は33等をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させているが、これに限定されない。負荷43の状態が重負荷か又は軽負荷かの情報は、負荷電流Ir以外の入力電圧、周波数、負荷電圧、垂下条件等から検出しても良い。又、スイッチング素子32又は33等の誤点弧が発生し易くなる情報を基に、スイッチング素子32又は33等をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させる構成に変更しても、実施例1~4と略同様の作用効果を奏することができる。
(e) 本発明は、単相のLLC回路や単相の位相シフト回路以外の三相等の多相のLLC回路や、三相等の多相の位相シフト回路等の他の電力変換装置にも適用が可能である。
(d) In each of the drive circuits 34, 35, 65, 66 of Examples 1 to 4, the switching element 32 or Although the bias amount of the negative bias for turning off 33 etc. is changed, it is not limited to this. Information as to whether the load 43 is heavy or light may be detected from input voltage, frequency, load voltage, drooping conditions, etc., other than the load current Ir. Further, even if the configuration is changed to change the bias amount of the negative bias for turning off the switching element 32 or 33 or the like based on the information that erroneous firing of the switching element 32 or 33 or the like is likely to occur, Approximately the same effects as those of Examples 1 to 4 can be obtained.
(e) The present invention is also applicable to other power converters such as a single-phase LLC circuit, a polyphase LLC circuit such as a three-phase phase shift circuit other than a single-phase phase shift circuit, and a polyphase phase shift circuit such as a three-phase circuit. is possible.

31 直流電源
32,33,62,63 スイッチング素子
34,35,64,65 駆動回路
36 共振コンデンサ
36a~36d 出力容量
37 変圧器
37a 漏れインダクタンス
37b 励磁インダクタンス
38~41 ダイオード
42 出力コンデンサ
43 負荷
44 電流検出回路
45 比較器
46,47,66 絶縁回路
48 オペアンプ
31 DC power supply 32, 33, 62, 63 switching element 34, 35, 64, 65 drive circuit 36 resonance capacitor 36a-36d output capacitance 37 transformer 37a leakage inductance 37b exciting inductance 38-41 diode 42 output capacitor 43 load 44 current detection Circuit 45 Comparator 46, 47, 66 Insulation circuit 48 Operational amplifier

Claims (10)

第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子が、正電源側と負電源側との間に直列に接続されたアームと、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とが同時にオフ状態になるデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動する2つの駆動回路と、
を備える半導体駆動回路において、
前記各駆動回路は、
前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子の誤点弧が発生し易くなる情報を基に、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための負バイアスのバイアス量を変化させる、
ことを特徴とする半導体駆動回路。
an arm having a first switching element and a second switching element, wherein the first switching element and the second switching element are connected in series between a positive power supply side and a negative power supply side;
two driving circuits for complementary on/off driving with a dead time in which the first switching element and the second switching element are turned off at the same time;
In a semiconductor drive circuit comprising
Each drive circuit is
Varying the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element based on information that false firing of the first switching element or the second switching element is likely to occur. let
A semiconductor drive circuit characterized by:
前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子の前記誤点弧が発生し易くなる情報は、
負荷の状態が重負荷か又は軽負荷かの情報である、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体駆動回路。
The information that the erroneous firing of the first switching element or the second switching element is likely to occur is
information as to whether the load state is heavy load or light load,
2. The semiconductor drive circuit according to claim 1, wherein:
前記負荷の状態が前記重負荷か又は前記軽負荷かは、
前記負荷に流れる負荷電流を検出し、この検出結果が閾値を超えると前記重負荷と判定し、前記検出結果が前記閾値を超えなければ前記軽負荷と判定する、
ことを特徴とする請求項2記載の半導体駆動回路。
Whether the state of the load is the heavy load or the light load,
detecting the load current flowing through the load, determining the heavy load when the detection result exceeds the threshold, and determining the light load when the detection result does not exceed the threshold;
3. The semiconductor drive circuit according to claim 2, wherein:
前記負荷の状態が前記重負荷か又は前記軽負荷かは、
前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出し、この検出結果が閾値を超えると前記重負荷と判定し、前記検出結果が前記閾値を超えなければ前記軽負荷と判定する、
ことを特徴とする請求項2記載の半導体駆動回路。
Whether the state of the load is the heavy load or the light load,
A switching current flowing through the first switching element or the second switching element is detected, and if the detection result exceeds a threshold, the heavy load is determined, and if the detection result does not exceed the threshold, the light load is determined. ,
3. The semiconductor drive circuit according to claim 2, wherein:
前記負荷の状態が前記重負荷の時には、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための前記負バイアスのバイアス量を減少させる、
ことを特徴とする請求項2~4のいずれか1項記載の半導体駆動回路。
when the state of the load is the heavy load, reducing the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element;
5. The semiconductor driving circuit according to claim 2, wherein:
前記負荷の状態が前記軽負荷の時には、前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子をオフ状態にするための前記負バイアスのバイアス量を増加させる、
ことを特徴とする請求項2~4のいずれか1項記載の半導体駆動回路。
when the load state is the light load, increasing the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element;
5. The semiconductor driving circuit according to claim 2, wherein:
前記負バイアスのバイアス量は、リニアに変化させる、
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか1項記載の半導体駆動回路。
The bias amount of the negative bias is changed linearly,
The semiconductor driving circuit according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
前記アームは、
並列接続された複数のアームを有し、
前記各アームは、
前記2つの駆動回路により相補的にオン/オフ駆動される前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子を有する、
ことを特徴とする請求項1~7のいずれか1項記載の半導体駆動回路。
The arm is
having a plurality of arms connected in parallel,
Each arm is
Having the first switching element and the second switching element that are complementarily on/off driven by the two drive circuits,
8. The semiconductor driving circuit according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子は、
化合物半導体を用いた素子である、
ことを特徴とする請求項1~8のいずれか1項記載の半導体駆動回路。
The first switching element and the second switching element are
An element using a compound semiconductor,
The semiconductor driving circuit according to any one of claims 1 to 8, characterized in that:
請求項1~9のいずれか1項記載の半導体駆動回路を用いた、
ことを特徴とする電力変換装置。
Using the semiconductor drive circuit according to any one of claims 1 to 9,
A power conversion device characterized by:
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