JP2023109886A - 電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子をオン・オフさせて生成される交流電圧等の測定対象ノードの電圧の時間変化率を簡易かつ精度よく検出できる。【解決手段】測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路は、測定対象ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続された第１キャパシタ及び第１抵抗と、前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器に関する。

ＥＶ車やＨＶ車などでは、モータを駆動するために大きな駆動電圧を必要とするため、１００Ｖを超える直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器が設けられる。電力変換器は、パワーMOSFETやIGBT等のスイッチング素子をオン・オフさせて交流電圧を生成するが、ノイズや負荷変動等により、スイッチング素子で生成される交流電圧の時間変化率が変動すると、モータの動作が不安定になるおそれがある。

スイッチング素子をオン・オフさせて生成される交流電圧は、時間に応じて電圧レベルが大きく変動するため、その時間変化率を精度よく計測するのは容易ではない。例えば、オシロスコープなどの計測器の表示部に交流電圧の電圧波形を表示させ、その電圧波形から時間変化率を換算することが考えられるが、手間がかかる上に、リアルタイムに交流電圧の時間変化率を検出できないという問題がある。

特許第３７７４３５０号公報

本発明の一態様は、スイッチング素子をオン・オフさせて生成される交流電圧等の測定対象ノードの電圧の時間変化率を簡易かつ精度よく検出可能な電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路であって、
測定対象ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続された第１キャパシタ及び第１抵抗と、
前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、を備える、電圧変化率検出回路が提供される。

第１の実施形態による電圧変化率検出回路を備えた電力変換器の回路図。 電力変換回路の出力ノードの電圧波形を示す図。 電圧変化率検出回路内の回路パラメータを決定する手順を示す図。 本実施形態による電圧変化率検出回路のシミュレーションに用いた回路図。 図４Ａにダイオードを追加した回路図。 図４Ａの交流電源の出力電圧が０Ｖから立ち上がる過渡状態のシミュレーションによる電圧波形図。 図５Ａの電圧が与えられたときに、シミュレーションにより得られた図４Ａの電圧変化率検出回路の出力電圧波形図。 図１の電圧変化率検出回路の実験結果を示す電圧波形図。 電圧変化率検出回路の検出感度を示すグラフ。 一変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 一変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 一変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 図１０の第１切替器の回路図。 第２の実施形態による電圧変化率検出回路を備えた電力変換器の概略構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による電圧変化率検出回路１を備えた電力変換器２の回路図である。図１の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードである測定対象ノードｎ１に接続されている。電力変換器２は、電圧変化率検出回路１と電力変換回路３を備えている。電力変換回路３は、例えば、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を用いて直流電圧を交流電圧に変換する。図１の電力変換回路３は、直流電源４と、キャパシタＣ１０と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とを有するが、電力変換回路３の具体的な回路構成は問わない。

図１の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出する。以下では、電力変換回路３の出力ノードを測定対象ノードｎ１と呼ぶ。図１の電圧変化率検出回路１は、第１キャパシタＣ１と、第１抵抗Ｒ１と、第１整流回路Ｄ１と、第２キャパシタＣ２とを有する。第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１は、測定対象ノードｎ１と基準電圧ノードＶssとの間に直列に接続されている。基準電圧ノードＶssとは、例えば接地ノードである。図１の電力変換回路３の少なくとも一部の構成部品は、基板上に半導体プロセスにより形成でき、チップ化することが可能である。

第１整流回路Ｄ１は、例えばダイオードＤ１である。図１の例では、ダイオードＤ１のアノードは、第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１との接続ノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴに接続されている。第２キャパシタＣ２は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴと基準電圧ノードＶssとの間に接続されている。第２キャパシタＣ２は、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を蓄積する。よって、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴからは、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷に応じた電圧レベルを持つ直流信号が出力される。この直流信号は、電力変換回路３の出力ノードの時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す信号である。

また、図１の電圧変化率検出回路１は、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電するか否かを切り替える第１切替器ＳＷ１を有する。第１切替器ＳＷ１は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴと基準電圧ノードＶssとの間に接続されている。すなわち、第２キャパシタＣ２と第１切替器ＳＷ１は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴと基準電圧ノードＶssとの間に並列接続されている。

電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出するという観点では、第１切替器ＳＷ１は必須の構成部品ではないが、ある時刻での時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号が電圧変化率検出回路１から出力された後は、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電させない限り、別の時刻での電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出できない。このため、定期的に第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電させるために第１切替器ＳＷ１が設けられている。

次に、図１の電圧変化率検出回路１の動作を説明する。電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が上昇すると、過渡的に第１キャパシタＣ１を介して第１抵抗Ｒ１に電流が流れる。これにより、第１抵抗Ｒ１の両端電圧が大きくなるとともに、ダイオードＤ１を介して第２キャパシタＣ２にも電流が流れて電荷が蓄積され、それに応じて電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧レベルが大きくなる。電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧がピーク値に達したり、あるいは下がり始めても、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷は第１切替器ＳＷ１がオフである限りは放電しないため、第２キャパシタＣ２の一端に接続された出力ノードＯＵＴの電圧レベルは保持される。よって、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴからは、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号が出力される。

電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧は周期的に変化するため、ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第２キャパシタＣ２に蓄積された後、次に、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧のｄｖ／ｄｔを検出したいタイミングに到達する前に、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電する必要がある。具体的には、第１切替器ＳＷ１をオンすることで、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷が放電される。第２キャパシタＣ２の放電後は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が再び第２キャパシタＣ２に蓄積され、ｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号が電圧変化率検出回路１から出力される。

このように、図１の電圧変化率検出回路１は、第１切替器ＳＷ１にて第２キャパシタＣ２を放電するたびに、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを直流信号として検出できる。

図２は電力変換回路３の出力ノード（測定対象ノードｎ１）の電圧波形を示す図である。電力変換回路３は、その出力ノードｎ１から、周期的に電圧レベルが変化する交流電圧を出力する。図２は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧レベルが０Ｖから立ち上がる過渡状態の電圧波形を示している。本実施形態による電圧変化率検出回路１は、図２に示した過渡状態の電圧波形における、電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔの値を電圧レベルとする直流信号を出力する。図２の電圧波形に示すように、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔは過渡状態においてほぼ一定であり、このときの時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第２キャパシタＣ２に蓄積され、この蓄積電荷に応じて、出力ノードＯＵＴからは直流信号が出力される。

本実施形態による電圧変化率検出回路１内の第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の容量値と第１抵抗Ｒ１の抵抗値は、図３に示す手順で決定される。まず、第１キャパシタＣ１の容量値を決定する（ステップＳ１）。ここでは、例えば、第１キャパシタＣ１の容量値を、電力変換回路３の寄生容量の１／１０以下に設定する。これにより、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧を迅速に変化させることができる。

次に、第１抵抗Ｒ１の抵抗値を決定する（ステップＳ２）。第１抵抗Ｒ１の抵抗値によって、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される直流信号の電圧レベル、すなわち利得を制御することができる。

ここで、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される直流信号Ｖoutは、以下の式（１）で表すことができる。式（１）は、入力から出力までの伝達関数をラプラス変換することにより得られる。
Ｖout＝Ｃ１×Ｒ×(ｄｖ／ｄｔ)×[１－exp{－ｔ／Ｒ(Ｃ１＋Ｃ２)}] …（１）

次に、第２キャパシタＣ２の容量値を決定する（ステップＳ３）。ここでは、電力変換回路３の時定数Ｔと、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の容量値と、第１抵抗Ｒ１の抵抗値との関係が以下の式（２）を満たすように、第２キャパシタＣ２の容量値を決定する。ステップＳ２とＳ３を統合して、式（２）を満たすように、第１抵抗Ｒ１の抵抗値と第２キャパシタＣ２の容量値とを決定してもよい。式（２）の右辺の２．２は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧が１０％から９０％になるまでの時間に対応する係数である。
Ｔ≧２．２×Ｒ×(Ｃ１＋Ｃ２) …（２）

ここで、電力変換回路３の出力ノードｎ１の時定数Ｔは、例えば１００ｎ秒以下に設定される。この場合、式（２）より、第１抵抗Ｒ１の抵抗値と第２キャパシタＣ２の容量値は以下の式（３）を満たすように決定される。
４５．５≧Ｒ×(Ｃ１＋Ｃ２) …（３）

図４Ａは本実施形態による電圧変化率検出回路１のシミュレーションに用いた回路図である。図４Ａの回路は、図１の電圧変化率検出回路１からダイオードＤ１を省略した回路構成になっている。本来であれば、ダイオードＤ１は図４Ｂに示すように、キャパシタＣ１，Ｃ２の間に接続される。図４Ａの電力変換回路３の代わりに交流電源１０を接続している。図５Ａは図４Ａの交流電源１０の出力電圧が０Ｖから立ち上がる過渡状態のシミュレーションによる電圧波形図である。図５Ｂは、交流電源１０の出力電圧として図５Ａの電圧が与えられたときに、シミュレーションにより得られた図４Ａの電圧変化率検出回路１の出力電圧波形図である。

図５Ｂの電圧波形からわかるように、交流電源１０の電圧が線形に上昇すると、それに伴って、図４Ａの電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧も急激に上昇し、第２キャパシタＣ２にフルに電荷が蓄積されると、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧は一定になる。これは、図１の電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔの値に応じた直流信号を出力している状態である。

図４Ａの電圧変化率検出回路１はダイオードＤ１を持たないため、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧がピークに達した時点で、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷が第１抵抗Ｒ１を通して放電される。

仮に、図４Ｂのように、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の接続ノードと、第２キャパシタＣ２との間にダイオードＤ１が接続されている場合には、図１の電圧変化率検出回路１と同じになり、図５Ｂに破線で示すように、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧は、一定の電圧振幅を保持することになる。

図６は図１の電圧変化率検出回路１の実験結果を示す電圧波形図である。図６の波形ｗ１は電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧波形、波形ｗ２は波形ｗ１の一部を拡大した電圧波形図、波形ｗ３は電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧波形図である。波形ｗ１～ｗ３は、オシロスコープで測定した電圧波形である。

図６に示すように、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が０Ｖから立ち上がると、波形ｗ２に示すように、しばらくの間は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧は大きく変動するが、０．８μ秒を過ぎると、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧に応じたほぼ直流信号になる。安定化した直流信号の電圧レベルの時間変化率ｄｖ／ｄｔは、３５Ｖ／ｎ秒程度である。

一方、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧は、波形ｗ３に示すように、極めて短い時間だけ変化しており、そのピーク値は３５Ｖ／ｎ秒程度である。波形ｗ３とｗ２を比較すればわかるように、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される電圧レベルは、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔの値と同程度である。このことから、図１の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを正しく検出していることがわかる。

図７は、電圧変化率検出回路１の検出感度を示すグラフである。図７のグラフｇ１は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを変化させた場合に、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧がどのように変化するかを示すグラフである。また、グラフｇ２は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを変化させた場合に、電圧変化率検出回路１の検出感度がどのように変化するかを示すグラフである。

グラフｇ２からわかるように、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔが変化しても、電圧変化率検出回路１の検出感度はほとんど変化しないことから、電圧変化率検出回路１の実用性及び信頼性が十分に高いことが分かる。また、グラフｇ１からわかるように、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔの変化に対して略線形に、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの直流信号レベルを変化させることができ、線形性に優れていることがわかる。

図１の電圧変化率検出回路１は、第１整流回路Ｄ１内に１つのダイオードＤ１のみを有し、このダイオードＤ１のアノードは第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１との接続ノードに接続されており、ダイオードＤ１のカソードは出力ノードＯＵＴに接続されているため、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち上がる際しか、ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力できない。電力変換回路３の出力ノード電圧が立ち上がる場合だけでなく、立ち下がる場合にも、ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力するには、電圧変化率検出回路１は例えば図８のような回路構成が考えられる。

図８の電圧変化率検出回路１は、第１電圧変化率検出部１ａと、第２電圧変化率検出部１ｂとを有する。第１電圧変化率検出部１ａは、電力変換回路３の出力ノード（測定対象ノードｎ１）に接続されており、測定対象ノードｎ１の立ち上がり電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す第１直流信号を第１出力ノードＯＵＴ１から出力する。第１電圧変化率検出部１ａの回路構成は、図１の電圧変化率検出回路１の回路構成と同様である。

より具体的には、第１電圧変化率検出部１ａは、第１キャパシタＣ１に対応する第３キャパシタＣ３と、第１抵抗Ｒ１に対応する第２抵抗Ｒ２と、第１整流回路Ｄ１に対応する第２整流回路Ｄ２と、第２キャパシタＣ２に対応する第４キャパシタＣ４と、第１切替器ＳＷ１に対応する第２切替器ＳＷ２とを有する。

第２電圧変化率検出部１ｂは、電力変換回路３の出力ノード（測定対象ノードｎ１）に接続されており、測定対象ノードｎ１の立ち上がり電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す第２直流信号を第２出力ノードＯＵＴ２から出力する。第２電圧変化率検出部１ｂの回路構成は、図１の電圧変化率検出回路１の回路構成と同様である。

より具体的には、第２電圧変化率検出部１ｂは、第１キャパシタＣ１に対応する第５キャパシタＣ５と、第１抵抗Ｒ１に対応する第３抵抗Ｒ３と、第１整流回路Ｄ１に対応する第３整流回路Ｄ３と、第２キャパシタＣ２に対応する第６キャパシタＣ６と、第１切替器ＳＷ１に対応する第３切替器ＳＷ３とを有する。

図８の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードの電圧が立ち上がる場合の回路（第１電圧変化率検出部１ａ）と、立ち下がる場合の回路（第２電圧変化率検出部１ｂ）とを別個に設けるため、回路規模が図１の電圧変化率検出回路１の約２倍になる。

図９は図８よりも回路構成を簡略化した電圧変化率検出回路１の他の一例を示す回路図である。図９の電圧変化率検出回路１は、第３電圧変化率検出部１ｃと、第４電圧変化率検出部１ｄとを有する。

第３電圧変化率検出部１ｃは、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードに接続され、測定対象ノードｎ１の立ち上がり電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す信号を第１出力ノードＯＵＴ１から出力する。より具体的には、第３電圧変化率検出部１ｃは、第１整流回路Ｄ１に対応する第４整流回路Ｄ４と、第２キャパシタＣ２に対応する第７キャパシタＣ７とを有する。また、第３電圧変化率検出部１ｃは、第７キャパシタＣ７に並列接続された第４切替器ＳＷ４を有する。第４切替器ＳＷ４は、第７キャパシタＣ７の蓄積電荷を放電するか否かを切り替える。第４整流回路Ｄ４は、第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１との間に接続されるアノードと、第１出力ノードＯＵＴに接続されるカソードとを有するダイオードである。

第４電圧変化率検出部１ｄは、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードに接続され、測定対象ノードｎ１の立ち下がり電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す信号を第２出力ノードＯＵＴから出力する。より具体的には、第４電圧変化率検出部１ｄは、第１整流回路Ｄ１に対応する第５整流回路Ｄ５と、第２キャパシタＣ２に対応する第８キャパシタＣ８とを有する。また、第４電圧変化率検出部１ｄは、第８キャパシタＣ８に並列接続された第５切替器ＳＷ５を有する。第５切替器ＳＷ５は、第８キャパシタの蓄積電荷を放電するか否かを切り替える。第５整流回路Ｄ５は、第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１との間に接続されるアノードと、第２出力ノードＯＵＴに接続されるカソードとを有するダイオードである。

図９の電圧変化率検出回路１は、第３電圧変化率検出部１ｃと第４電圧変化率検出部１ｄが、第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１を共有するため、図８の電圧変化率検出回路１よりも、回路構成を簡略化できる。

図１０は図９よりも回路構成を簡略化した電圧変化率検出回路１の他の一例を示す回路図である。図１０の電圧変化率検出回路１は、図１の電圧変化率検出回路１とは第１整流回路Ｄ１の内部構成が異なっている。より具体的には、図１０の第１整流回路Ｄ１は、第１ダイオードｄ１と第２ダイオードｄ２を有する。第１ダイオードｄ１は、図１のダイオードと同様に、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードに接続されるアノードと、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴに接続されるカソードとを有する。第２ダイオードｄ２は、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードに接続されるカソードと、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴに接続されるアノードとを有する。

図１０の電圧変化率検出回路１内の第１切替器ＳＷ１は、例えば図１１に示すように、カスコード接続されたＰＭＯＳトランジスタＱ３及びＮＭＯＳトランジスタＱ４を有する。ＰＭＯＳトランジスタＱ３とＮＭＯＳトランジスタＱ４のそれぞれには、ソースに接続されるアノードと、ドレインに接続されるカソードとを有するボディダイオードＤ６，Ｄ７が内蔵されている。これらボディダイオードＤ６，Ｄ７の接続方向は互いに逆であるため、第１ダイオードＤ４と第２ダイオードＤ５の動作を妨げるおそれがない。

このように、第１の実施形態では、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを、直流信号として検出するため、オシロスコープ等を使って計測した電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧波形からｄｖ／ｄｔを算出しなくて済み、ｄｖ／ｄｔを簡易かつ精度よく検出できる。特に、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の立ち上がり期間や立ち下がり期間が終了した後でも、電圧変化率検出回路１は、ｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号を出力するため、事後的にｄｖ／ｄｔの解析を行うことができる。

また、本実施形態による電圧変化率検出回路１は、第１キャパシタＣ１、第１抵抗Ｒ１、第１整流回路Ｄ１及び第２キャパシタＣ２を含む簡易な回路で構成できるため、低コストでｄｖ／ｄｔの値を検出できる。

さらに、本実施形態による電圧変化率検出回路１は、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電させる第１切替器ＳＷ１を有するため、定期的に第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電することにより、継続的に電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力できる。

本実施形態による電圧変化率検出回路１から出力された直流信号は、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率の情報を含んでいるため、後述するように、電力変換回路３の電力変換動作に帰還させることができる。すなわち、電圧変化率検出回路１から出力された直流信号により、電力変換回路３の電力変換動作が正常か否かを判断できるため、この直流信号を帰還させて電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧を制御することで、電力変換回路３の電力変換動作を最適化することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、電圧変化率検出回路１から出力された直流信号を、電力変換回路３の制御に用いるものである。

図１２は第２の実施形態による電圧変化率検出回路１を備えた電力変換器２の概略構成を示すブロック図である。図１２の電力変換器２は、電圧変化率検出回路１と、電力変換回路３と、制御回路１１とを備えている。

電圧変化率検出回路１は、上述した図１、図８、図９又は図１０と同様の回路構成を有する。電力変換回路３は、例えば、カスコード接続された複数のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに接続された可変抵抗器１２，１３と、を有する。なお、電力変換回路３の内部構成は任意であり、種々の回路構成が考えられる。電力変換回路３で電力変換された交流電圧は、例えばモータなどの負荷を駆動するために用いられる。

制御回路１１は、電圧変化率検出回路１から出力された直流信号の電圧レベルに応じて、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧を制御する。より具体的な一例では、制御回路１１は、直流信号の電圧レベルに応じて可変抵抗器１２，１３の抵抗値を制御することにより、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧を制御する。

電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、予め定めた周波数及びデューティでスイッチング動作を行うことが期待されている。温度や電圧変動、あるいは負荷変動などにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング動作が所望の動作からずれることがあり、その場合には、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔが所望の値とは異なる値になる。そこで、本実施形態では、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを電圧変化率検出回路１でモニタし、電圧変化率検出回路１から出力されたｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号を制御回路１１に供給する。制御回路１１は、この直流信号の電圧レベルに基づいて、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔが所望の値になるように、電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧を制御する。

このように、電圧変化率検出回路１から、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率を示す直流信号を出力することで、この直流信号を用いて電力変換回路３の電力変換動作を最適化することができる。より具体的には、上述した直流信号にて、電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧を制御することで、簡易な回路構成でありながら、電力変換回路３の出力電圧波形を所望の電圧波形に制御できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 電圧変化率検出回路、１ａ 第１電圧変化率検出部、１ｂ 第２電圧変化率検出部、１ｃ 第３電圧変化率検出部、１ｄ 第４電圧変化率検出部、２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 電力変換器、３ 電力変換回路、４ 直流電源、Ｄ１ 第１整流回路、Ｄ２ 第２整流回路、Ｄ３ 第３整流回路、Ｄ４ 第４整流回路、Ｄ５ 第５整流回路、ｄ１ 第１ダイオード、ｄ２ 第２ダイオード

Claims (21)

1. 電力変換を行う電力変換回路の出力電圧ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路であって、
   出力電圧ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
   前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
   前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
   前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す第１直流信号を第１出力ノードから出力する第１電圧変化率検出部と、
   前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す第２直流信号を第２出力ノードから出力する第２電圧変化率検出部と、を備え、
   前記第１電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第３キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第２抵抗と、前記第１整流回路に対応する第２整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第４キャパシタとを有し、
   前記第２電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第５キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第３抵抗と、前記第１整流回路に対応する第３整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第６キャパシタとを有する、電圧変化率検出回路。
2. 電力変換を行う電力変換回路の出力電圧ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路であって、
   出力電圧ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
   前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
   前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
   前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す信号を第１出力ノードから出力する第３電圧変化率検出部と、
   前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す信号を第２出力ノードから出力する第４電圧変化率検出部と、を備え、
   前記第３電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第４整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第７キャパシタとを有し、
   前記第４電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第５整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第８キャパシタとを有する、電圧変化率検出回路。
3. 前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続され、前記第２キャパシタの蓄積電荷を放電するか否かを切り替える切替器を備える、請求項１又は２に記載の電圧変化率検出回路。
4. 前記切替器は、前記出力ノードから出力される前記直流信号の電圧レベルが安定した後にオンして、前記第２キャパシタを放電させる、請求項３に記載の電圧変化率検出回路。
5. 前記第１キャパシタは、前記出力電圧ノードの寄生容量の１／１０以下の容量値を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
6. 前記出力電圧ノードの電圧変化に応じた前記直流信号が前記出力ノードから出力されるまでに要する時定数が１００ｎ秒以下になるように、前記第１キャパシタの容量、前記第２キャパシタの容量及び前記第１抵抗の抵抗値が設定される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
7. 前記時定数Ｔが式（１）を満たすように、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒが設定される、請求項６に記載の電圧変化率検出回路。
   Ｔ≧２．２×Ｒ×(Ｃ１＋Ｃ２） …（１）
8. 前記出力ノードの電圧Ｖoutは、前記出力電圧ノードの電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔ、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒを用いて、式（２）で表される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
   Ｖout＝Ｃ１×Ｒ×(ｄｖ／ｄｔ)×[１－exp{－ｔ／Ｒ(Ｃ１＋Ｃ２)}] …（２）
9. 出力電圧ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路を基板上に配置した半導体装置であって、
   前記電圧変化率検出回路は、
   出力電圧ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
   前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
   前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
   前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す第１直流信号を第１出力ノードから出力する第１電圧変化率検出部と、
   前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す第２直流信号を第２出力ノードから出力する第２電圧変化率検出部と、を備え、
   前記第１電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第３キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第２抵抗と、前記第１整流回路に対応する第２整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第４キャパシタとを有し、
   前記第２電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第５キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第３抵抗と、前記第１整流回路に対応する第３整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第６キャパシタとを有する、半導体装置。
10. 出力電圧ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路を基板上に配置した半導体装置であって、
    前記電圧変化率検出回路は、
    出力電圧ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
    前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す信号を第１出力ノードから出力する第３電圧変化率検出部と、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す信号を第２出力ノードから出力する第４電圧変化率検出部と、を備え、
    前記第３電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第４整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第７キャパシタとを有し、
    前記第４電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第５整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第８キャパシタとを有する、半導体装置。
11. 電力変換を行う電力変換回路と、
    前記電力変換回路の出力電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードを有する電圧変化率検出回路と、
    前記直流信号に基づいて前記電力変換回路を制御する制御回路と、を備える電力変換器であって、
    前記電圧変化率検出回路は、
    前記電力変換回路で電力変換された電圧を出力する測定対象ノードと基準電圧ノードとの間に直列に接続された第１キャパシタ及び第１抵抗と、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードと、前記出力ノードとの間に接続される第１整流回路と、
    前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、を有する、電力変換器。
12. 前記電力変換回路は、前記測定対象ノードに接続されるスイッチング素子を有し、
    前記制御回路は、前記直流信号が所定の電圧レベルになるように、前記直流信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子の電圧を制御する、請求項１２に記載の電力変換器。
13. 前記出力ノードと前記基準電圧ノードとの間に接続され、前記第２キャパシタの蓄積電荷を放電するか否かを切り替える切替器を備える、請求項１１又は１２に記載の電圧変化率検出回路。
14. 前記切替器は、前記出力ノードから出力される前記直流信号の電圧レベルが安定した後にオンして、前記第２キャパシタを放電させる、請求項１３に記載の電圧変化率検出回路。
15. 前記第１キャパシタは、前記出力電圧ノードの寄生容量の１／１０以下の容量値を有する、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
16. 前記出力電圧ノードの電圧変化に応じた前記直流信号が前記出力ノードから出力されるまでに要する時定数が１００ｎ秒以下になるように、前記第１キャパシタの容量、前記第２キャパシタの容量及び前記第１抵抗の抵抗値が設定される、請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
17. 前記時定数Ｔが式（１）を満たすように、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒが設定される、請求項１６に記載の電圧変化率検出回路。
    Ｔ≧２．２×Ｒ×(Ｃ１＋Ｃ２） …（１）
18. 前記出力ノードの電圧Ｖoutは、前記出力電圧ノードの電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔ、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒを用いて、式（２）で表される、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
    Ｖout＝Ｃ１×Ｒ×(ｄｖ／ｄｔ)×[１－exp{－ｔ／Ｒ(Ｃ１＋Ｃ２)}] …（２）
19. 前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す第１直流信号を第１出力ノードから出力する第１電圧変化率検出部と、
    前記出力電圧ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す第２直流信号を第２出力ノードから出力する第２電圧変化率検出部と、を備え、
    前記第１電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第３キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第２抵抗と、前記第１整流回路に対応する第２整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第４キャパシタとを有し、
    前記第２電圧変化率検出部は、前記第１キャパシタに対応する第５キャパシタと、前記第１抵抗に対応する第３抵抗と、前記第１整流回路に対応する第３整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第６キャパシタとを有する、請求項１１乃至１８のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
20. 前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち上がり電圧の時間変化率を示す信号を第１出力ノードから出力する第３電圧変化率検出部と、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続され、前記出力電圧ノードの立ち下がり電圧の時間変化率を示す信号を第２出力ノードから出力する第４電圧変化率検出部と、を備え、
    前記第３電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第４整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第７キャパシタとを有し、
    前記第４電圧変化率検出部は、前記第１整流回路に対応する第５整流回路と、前記第２キャパシタに対応する第８キャパシタとを有する、請求項１１乃至１８のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
21. 前記第１整流回路は、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続されるアノードと、前記出力ノードに接続されるカソードとを有する第１ダイオードと、
    前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに接続されるカソードと、前記出力ノードに接続されるアノードとを有する第２ダイオードと、を有する、請求項１１乃至１８のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。

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