JP2024049218A - Semiconductor drive circuit and power conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】電力変換装置のデッドタイム期間中に生じるような、スイッチング素子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。【解決手段】電力変換装置(例えば、コンバータ内のPFC回路)は、交流電源21と、整流回路22と、チョークコイル23と、第1スイッチ回路24内のノーマリオン型のスイッチング素子24a及び常時オン状態のスイッチ24bと、第2スイッチ回路25内のノーマリオン型のスイッチング素子25a及び常時オン状態のスイッチ25bと、前記スイッチ回路24,25を駆動する駆動回路26,27と、を備えている。駆動回路26又は27は、スイッチング素子24a,25a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24a又は25a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。【選択図】図1[Problem] To reduce a voltage drop occurring during reverse current conduction of a switching element during a dead time period of a power conversion device, thereby reducing reverse conduction loss. [Solution] A power conversion device (e.g., a PFC circuit in a converter) includes an AC power source 21, a rectifier circuit 22, a choke coil 23, a normally-on switching element 24a and a switch 24b in a normally-on state in a first switch circuit 24, a normally-on switching element 25a and a switch 25b in a normally-on state in a second switch circuit 25, and drive circuits 26 and 27 for driving the switch circuits 24 and 25. The drive circuit 26 or 27 changes the amount of negative bias for turning off the switching element 24a or 25a based on information indicating that erroneous firing of the switching element 24a or 25a is likely to occur. [Selected Figure] 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 that drives a switching element and a power conversion device that uses 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、力率改善回路(以下「PFC回路」という。)を有するコンバータ等の種々の装置が知られている。 A power conversion device is a device that converts electrical energy, such as from alternating current (AC) to direct current (DC), from DC to AC, or AC frequency conversion, or DC power conversion. Various types of devices are known, such as AC/DC converters, DC/AC inverters, DC/DC converters, and converters with power factor correction circuits (hereinafter referred to as "PFC circuits").
例えば、特許文献1~4において、特許文献1には、ゲートが無電圧の時にオン状態となるノーマリオン型のスイッチング素子(スイッチングの高速性や耐電圧に優れ、オン抵抗が低いGaNトランジスタやSiCトランジスタ)を有するインバータにおけるスイッチング素子の駆動方式が記載されている。
特許文献2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。
For example, among Patent Documents 1 to 4, Patent Document 1 describes a driving method for a switching element in an inverter having a normally-on type switching element (a GaN transistor or a SiC transistor which has excellent switching speed and withstand voltage and low on-resistance) that is turned on when no voltage is applied to the gate.
特許文献3には、ノーマリオン型の第1スイッチング素子を有するハイサイド(高レベル側)のスイッチ部と、カスコード(縦続)接続されたノーマリオン型の第2スイッチング素子及びノーマリオフ型の第3スイッチング素子を有するローサイド(低レベル側)のスイッチ部と、が直列接続されたインバータ回路を備えたスイッチング電源装置が記載されている。
又、特許文献4には、半導体スイッチング素子の駆動回路を備え、交流系統及び直流系統の間を連系して、交流系統と直流系統の間における電力潮流の制御を行う電力変換装置が記載されている。半導体スイッチング素子としては、ゲート電圧が閾値電圧よりも高い時にオン、低い時にオフする電界効果トランジスタ(以下「FET」という。)や、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)等が開示されている。
Also,
図4(a),(b),(c)は、特許文献2等に記載されたコンバータ内のPFC回路と類似の従来のPFC回路を示す図であり、同図(a)はPFC回路の全体の回路図、同図(b)は同図(a)中の駆動回路の回路図、及び、同図(c)は(b)の駆動回路の出力電圧波形図である。
Figures 4(a), (b), and (c) show a conventional PFC circuit similar to the PFC circuit in the converter described in
このPFC回路は、交流電源1から供給される交流電力を全波整流する整流回路2と、この出力側に直列接続されたチョークコイル3及び低レベル(以下「Lレベル」という。)側のスイッチング素子4と、を有している。スイッチング素子4に対して並列に、同期整流用の高レベル(以下「Hレベル」という。)側のスイッチング素子5と平滑用のコンデンサ8との直列回路が接続されている。コンデンサ8の両電極には、負荷9が接続される。スイッチング素子4,5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6,7にて駆動される。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)・ソース(S)間がオフ、ゲートがHレベルでドレイン(D)・ソース(S)間がオンする。
This PFC circuit has a
スイッチング素子4がオン、スイッチング素子5がオフの時、交流電源1→整流回路2→チョークコイル3→スイッチング素子4→整流回路2→交流電源1の経路で電流が流れる。スイッチング素子4がオフ、スイッチング素子5がオンの時、交流電源1→整流回路2→チョークコイル3→スイッチング素子5→コンデンサ8及び負荷9→整流回路2→交流電源1の経路で電流が流れる。これにより、交流電源1の交流電力が、整流回路2で整流され、その電力が、チョークコイル3、スイッチング素子4及びスイッチング素子5を通して昇圧され、コンデンサ8で平滑されて負荷9へ供給される。スイッチング素子4をオン/オフし、これに同期してスイッチング素子5をオフ/オンすることにより、電流を制御し、電源電圧と位相を同期させ、チョークコイル3に流れる電流の波形を正弦波に近づけている。スイッチング素子4への通電電流と同期整流用のスイッチング素子5の順電流の和が、チョークコイル3に流れる電流になる。
When the
図4(b)の駆動回路6及び7は、同一の回路構成であり、直流電源11、抵抗12、ツェナーダイオード13、及びコンデンサ14を有するツェナー回路と、パルス信号源15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4,5のソース(S)に供給する。パルス信号源15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出力制御信号を入力し、その出力制御信号を、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4,5のゲート(G)に供給する。
図4(c)に示すように、駆動回路6,7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4,5のオフ時のゲートの負バイアス量に相当する。このような駆動回路6,7の出力電圧により、スイッチング素子4,5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。
4B have the same circuit configuration, and are composed of a Zener circuit having a
4C, in the output voltage waveforms of the
図5は、図4(a)のPFC回路の動作波形図である。
Vgs1はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子4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5のゲート・ソース間電圧、Id2はスイッチング素子5のソースからドレインに流れる逆方向のドレイン電流、及び、Vds2はスイッチング素子5のドレイン・ソース間電圧である。td1,td2は、2つのスイッチング素子4,5のゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムである。
FIG. 5 is an operational waveform diagram of the PFC circuit of FIG.
Vgs1 is the gate-source voltage of the
図5において、ゲート・ソース間電圧Vgs1のHレベルによってスイッチング素子4がオン、ゲート・ソース間電圧Vgs2のLレベルによってスイッチング素子5がオフの状態では、交流電源1→整流回路2→チョークコイル3→スイッチング素子4→整流回路2→交流電源1の経路で電流が流れる。この状態で、ゲート・ソース間電圧Vgs1がLレベルに立ち下がってスイッチング素子4がターンオフし、スイッチング素子4,5のゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムtd1期間へ遷移すると、スイッチング素子5のソースからドレインへ逆導通電流(-Id2)が流れ、ドレイン・ソース間電圧Vds2がLレベル(0V以下の負電位)に立ち下がって逆導通電圧降下ΔVが生じる。
In FIG. 5, when the
次に、ゲート・ソース間電圧Vgs2のHレベルへの立ち上がりによってスイッチング素子5がオン、ゲート・ソース間電圧Vgs1のLレベルによってスイッチング素子4がオフの状態では、交流電源1→整流回路2→チョークコイル3→スイッチング素子5→コンデンサ8及び負荷9→整流回路2→交流電源1の経路で電流が流れる。この状態で、ゲート・ソース間電圧Vgs2がLレベルに立ち下がってスイッチング素子5がターンオフし、スイッチング素子4,5のゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムtd2期間へ遷移すると、スイッチング素子5のソースからドレインへ逆導通電流(-Id2)が流れ、ドレイン・ソース間電圧Vds2がLレベル(0V以下の負電位)に立ち下がって逆導通電圧降下ΔVが生じる。
Next, when the gate-source voltage Vgs2 rises to H level and the
スイッチング素子4,5を構成している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、PFC回路のスイッチング素子4の、ゼロボルトスイッチング(以下「ZVS」という。)ではないハードスイッチングによる、スイッチング素子5におけるドレイン電圧の急激な変化により、そのスイッチング素子5内のドレイン・ゲート間寄生容量を通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、スイッチング素子5のオフ時のゲート電圧を負バイアスにすると、誤点弧を防止できる。
The GaN transistors that make up the
図4のPFC回路のスイッチング素子4,5を構成しているGaNトランジスタは、ソースからドレインへ電流が流れる(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れてしまう特性がある。そのため、PFC回路の同期整流用のスイッチング素子5のように、デッドタイムtd1,td2期間中にスイッチング素子5のソースからドレインへ電流が流れる(逆導通する)場合では、図5に示すように、逆導通電圧降下ΔVにより、導通損失が増加してしまう弊害がある。
The GaN transistors constituting the
本発明の半導体駆動回路は、正電源側と負電源側との間に直列に接続されたノーマリオン型の第1スイッチング素子及びノーマリオフ型の第1スイッチを有する第1スイッチ回路と、直列に接続されたノーマリオン型の第2スイッチング素子及びノーマリオフ型の第2スイッチを有し、前記第2スイッチング素子及び前記第2スイッチが、前記第1スイッチ回路に対して並列に接続された第2スイッチ回路と、前記第1スイッチング素子を、動作時にオン/オフ駆動し、前記第1スイッチを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする第1駆動回路と、前記第2スイッチング素子を、動作時に、前記第1スイッチング素子に対しデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動し、前記第2スイッチを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする第2駆動回路と、を備えている。
そして、前記第1駆動回路及び前記第2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。
The semiconductor drive circuit of the present invention includes a first switch circuit having a normally-on type first switching element and a normally-off type first switch connected in series between a positive power supply side and a negative power supply side, a second switch circuit having a normally-on type second switching element and a normally-off type second switch connected in series, the second switching element and the second switch being connected in parallel to the first switch circuit, a first drive circuit that drives the first switching element on/off during operation and sets the first switch to an on state during operation and an off state when a power supply is stopped, and a second drive circuit that drives the second switching element on/off complementarily with respect to the first switching element with a dead time during operation, and sets the second switch to an on state during operation and an off state when a power supply is stopped.
The first drive circuit and the second drive circuit change the amount of negative bias for turning off the first switching element or the second switching element based on information indicating that erroneous ignition of the first switching element or the second switching element is likely to occur.
上記構成において、例えば、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は、負荷の状態が重負荷の情報である。
前記負荷の状態が前記重負荷か否かは、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電流を超えれば前記重負荷と判定する。
前記負荷の状態が前記重負荷か否かは、前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路をそれぞれ流れるスイッチ回路電流を検出し、これらの各検出結果が閾値電流を超えれば前記重負荷と判定する。
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増加させる、構成にしても良い。
In the above configuration, for example, the information that erroneous turning on of the first switching element or the second switching element is likely to occur is information that the load state is a heavy load.
Whether the load state is the heavy load state or not is determined by detecting a load current flowing through the load, and if the detection result exceeds a threshold current, the load is determined to be the heavy load state.
Whether the load state is the heavy load state or not is determined by detecting the switch circuit currents flowing through the first switch circuit and the second switch circuit, and if each of these detection results exceeds a threshold current, it is determined that the load state is the heavy load state.
When the load state is the heavy load state, the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element may be increased.
前記負荷の状態が軽負荷の時には、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減少させる、構成にしても良い。
前記負バイアスのバイアス量は、リニアに変化させる、構成にしても良い。
前記半導体駆動回路は、前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路を有するコンバータを含む回路である。
When the load state is a light load, the bias amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element may be reduced.
The amount of the negative bias may be changed linearly.
The semiconductor drive circuit is a circuit including a converter having the first switch circuit and the second switch circuit.
又、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。 The power conversion device of the present invention is characterized by using the semiconductor drive circuit.
本発明によれば、ハードスイッチングによるノイズ等により誤点弧する恐れが高い場合に、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を基に、その第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、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を防ぐことができる。又、軽負荷においては、負バイアス量を減少させることで、電力変換装置のデッドタイム期間中に生じるような、第1スイッチング素子又は第2スイッチング素子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。 According to the present invention, when there is a high possibility of erroneous firing due to noise caused by hard switching, the amount of negative bias for turning off the first or second switching element is changed based on information that indicates that the first or second switching element is more likely to erroneously fire. This makes it possible to prevent erroneous firing of the first or second switching element. In addition, by reducing the amount of negative bias under light loads, it is possible to reduce the voltage drop during reverse current conduction of the first or second switching element, which occurs during the dead time period of the power conversion device, and to reduce reverse conduction loss.
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。 The mode for carrying out the present invention will become clear from the following description of the preferred embodiment when read in conjunction with the accompanying drawings, which are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of the present invention.
(実施例1の構成)
図1(a),(b)は、本発明の実施例1における電力変換装置(例えば、コンバータ内のPFC回路)を示す図であり、同図(a)はPFC回路の全体の回路図、及び同図(b)は同図(a)中の駆動回路の回路図である。
(Configuration of the First Embodiment)
1(a) and (b) are diagrams showing a power conversion device (e.g., a PFC circuit in a converter) according to a first embodiment of the present invention, where (a) is an overall circuit diagram of the PFC circuit, and (b) is a circuit diagram of a drive circuit in (a).
図1(a)のPFC回路は、従来の図4と同様に、交流電源21から供給される交流電力を全波整流する整流回路22を有している。整流回路22は、ブリッジ接続された4つの整流ダイオード22a,22b,22c,22dにより構成されている。整流回路22の出力の正電源側と負電源側との間には、チョークコイル23及びLレベル側の第1スイッチ回路24が直列に接続されている。第1スイッチ回路24に対して並列に、同期整流用のHレベル側の第2スイッチ回路25と平滑用のコンデンサ28との直列回路が接続されている。コンデンサ28の両電極には、負荷29が接続される。第1スイッチ回路24には、この回路をオン/オフ駆動する第1駆動回路26が接続されると共に、第2スイッチ回路25にも、この回路をオン/オフ駆動する第2駆動回路27が接続されている。
The PFC circuit of FIG. 1(a) has a
第1スイッチ回路24は、正電源側と負電源側との間に直列に接続されたノーマリオン型の第1スイッチング素子24a及びノーマリオフ型の第1スイッチ24bと、その第1スイッチ24bを常時オン状態にするための電圧を印加する2つの直列接続された分圧抵抗24c,24dと、を有している。第1スイッチング素子24aは、化合物半導体素子(例えば、ノーマリオン型のGaNトランジスタ)で構成され、そのゲート(G)が第1駆動回路26によりオン/オフ駆動される。ノーマリオン型のGaNトランジスタは、ゲートがHレベル(例えば、0V付近の負電位)でドレイン(D)・ソース(S)間がオン状態、Hレベルよりも低いLレベル(例えば、0V付近よりも低い負電位)でドレイン・ソース間がオフ状態になる。第1スイッチ24bは、ノーマリオフ型のFET等の半導体素子で構成され、そのゲート(G)がHレベル(例えば、数Vの正電位)でドレイン(D)・ソース(S)間がオン状態、Hレベルよりも低いLレベル(例えば、0V付近の電位)でドレイン・ソース間がオフ状態になる。第1駆動回路26は、第1スイッチング素子24aを、動作時にオン/オフ駆動し、第1スイッチ24bを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする回路である。
The
第2スイッチ回路25は、第1スイッチ回路24と同様に、正電源側に直列に接続されたノーマリオン型の第2スイッチング素子25a及びノーマリオフ型の第2スイッチ25bと、その第2スイッチ25bを常時オン状態にするための電圧を印加する2つの直列接続された分圧抵抗25c,25dと、を有している。第2スイッチング素子25aは、化合物半導体素子(例えば、ノーマリオン型のGaNトランジスタ)で構成され、第2スイッチ25bは、ノーマリオフ型のFET等の半導体素子で構成されている。第2駆動回路27は、第2スイッチング素子25aを、動作時に、第1スイッチング素子24aに対しデッドタイムtd1,td2をおいて相補的にオン/オフ駆動し、第2スイッチ25bを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする回路である。
The
整流回路22の負極の入力側には、例えば、シャント抵抗により構成される電流検出回路30が接続されている。電流検出回路30は、シャント抵抗を流れる負荷電流Irを検出する回路である。なお、電流検出回路30は、他の回路構成として、ロゴスキーコイル及び積分器等により構成しても良い。ロゴスキーコイルを使用した場合、接続線に非接触で電流の検出ができ、磁気損失による発熱やヒステリシスがなく、磁気飽和しないため、大電流の測定が可能である。
A
電流検出回路30の出力側には、比較器31が接続されている。比較器31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よりも大きい時には、負荷29が「重負荷」であると判定してHレベルの電流判定信号S31を出力し、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい時には、負荷29が「軽負荷」であると判定してLレベルの電流判定信号S31を出力する回路である。比較器31の出力側には、2つの絶縁回路32,33が接続されている。各絶縁回路32,33は、電流判定信号S31を絶縁し、負荷29が「重負荷」の時にはLレベルの制御信号S32,S33を出力し、負荷29が「軽負荷」の時にはHレベルの制御信号S32,S33を出力し、各駆動回路26,27へそれぞれ帰還する回路であり、パルス変圧器、絶縁反転増幅器、Lレベル側ドライバ等により構成されている。
The
図1(b)の駆動回路26及び27は、同一の回路構成であり、直流電源41、抵抗42、ツェナー電圧Vz1を有するツェナーダイオード43、ツェナー電圧Vz2(但し、Vz2=Vz1又はVz2≠Vz1)を有するツェナーダイオード44、Hレベルの制御信号S32(S33)によりオンするノーマリオフ型の短絡用スイッチ45、NPN型トランジスタ46、コンデンサ47、及びそのコンデンサ47の放電抵抗48を備えた降圧回路であるドロッパ回路と、そのトランジスタ46のエミッタ(E)に接続された直流電源49と、ノーマリオフ型のスイッチ50と、パルス信号源51と、により構成されている。
The
ドロッパ回路において、直流電源41の正極と負極との間には、抵抗42及びツェナーダイオード43,44の直列回路と、トランジスタ46のコレクタ(C)・エミッタ(E)及びコンデンサ47の直列回路と、が並列に接続されている。ツェナーダイオード44には、スイッチ45が並列に接続されている。トランジスタ46のエミッタと直流電源41の負極との間に接続されたコンデンサ47には、放電抵抗48が並列に接続されている。トランジスタ46のエミッタとコンデンサ47及び放電抵抗48との接続点は、スイッチ24b(25b)のソース(S)に接続されている。更に、トランジスタ46のエミッタとコンデンサ47及び放電抵抗48との接続点には、直流電源49の負極・正極及びスイッチ50が直列に接続され、そのスイッチ50が、図1(a)の分圧抵抗24c(25c)を介してスイッチ24b(25b)のゲート(G)に接続されている。放電抵抗48の負極側には、パルス信号源51を介して、スイッチング素子24a(25a)のゲート(G)が接続されている。パルス信号源51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24a(25a)のゲートに供給する機能を有している。
In the dropper circuit, a series circuit of a
このように構成される駆動回路26(27)において、動作時にスイッチ50がオンし、直流電源49により、分圧抵抗24c(25c)を介してスイッチ24b(25b)のゲートがHレベルになり、そのスイッチ24b(25b)がオン状態になる。重負荷時に、絶縁回路32(33)からLレベルの制御信号S32(S33)が出力されと、スイッチ45がオフ状態のままであり、ツェナーダイオード43のツェナー電圧Vz1とツェナーダイオード44のツェナー電圧Vz2とが、トランジスタ46のベースに掛かり、そのトランジスタ46のエミッタに、ドロッパ回路の直流の出力電圧(Vz1+Vz2-Vbe)が生じる(但し、Vbe;トランジスタ46のベース・エミッタ間電圧)。そのため、スイッチング素子24a(25a)のオフ時のゲートの負バイアス量が増加する。
In the drive circuit 26 (27) configured in this way, the
軽負荷時に、絶縁回路32(33)からHレベルの制御信号S32(S33)が出力されると、スイッチ45がオンし、ツェナーダイオード44が短絡される。ツェナーダイオード44が短絡されると、トランジスタ46のベースには、ツェナーダイオード43のツェナー電圧Vz1が掛かり、そのトランジスタ46がオフする。トランジスタ46のエミッタ側の出力電圧(Vz1+Vz2-Vbe)は、コンデンサ47と放電抵抗48の放電時定数で放電し、そのエミッタ側の出力電圧が(Vz1-Vbe)へ変化する。そのため、スイッチング素子24a(25a)のオフ時のゲートの負バイアス量が減少する。
When the isolation circuit 32 (33) outputs an H-level control signal S32 (S33) under light load, the
(実施例1の動作)
図2は、図1(a)のPFC回路の動作波形図である。Vgs1はGaNトランジスタで構成されたスイッチング素子24a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25aのゲート・ソース間電圧、Id2はスイッチング素子25aのドレインからソースへ流れる順方向のドレイン電流、及び、Vds2はスイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧である。td1,td2は、2つのスイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになってオフ状態になるデッドタイムである。
図1のPFC回路は、図2に示す期間T1~T3において、以下の(1)~(3)のように動作する。
(Operation of Example 1)
Fig. 2 is an operation waveform diagram of the PFC circuit of Fig. 1(a). Vgs1 is the gate-source voltage of the
The PFC circuit in FIG. 1 operates as follows (1) to (3) in the periods T1 to T3 shown in FIG.
(1) 期間T1:スイッチング素子24aがオンからオフへ遷移し、スイッチング素子25aがオフからオンへ遷移し、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも大きい重負荷の場合
駆動回路26,27が動作すると、スイッチ50がオンし、直流電源49の直流電圧が、分圧抵抗24c,25cを介してスイッチ24b,25bのゲートに印加され、そのスイッチ24b,25bがオン状態になる。パルス信号源51から出力された駆動パルスGPは、スイッチング素子24a,25aのゲートに印加される。
負荷電流Irが閾値電流Ithよりも大きい重負荷であるから、絶縁回路32,33から出力されるLレベルの制御信号S32,S33により、駆動回路26,27内のスイッチ45がオフ状態のままである。すると、ツェナーダイオード43のツェナー電圧Vz1とツェナーダイオード44のツェナー電圧Vz2とにより、トランジスタ46がオンする。トランジスタ46がオンすると、このトランジスタ46のエミッタ側の出力電圧が、(Vz1+Vz2-Vbe)へと上昇していく。この電圧は、オン状態のスイッチ24b,25bを介して、スイッチング素子24a,25aのソースに印加される。駆動パルスGPのHレベルとLレベルの遷移により、スイッチング素子24aのゲート・ソース間電圧Vgs1がHレベルになってオン状態になると共に、スイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2が、ゲートの負バイアスの増加により、Lレベルになってオフ状態になる。
そのため、交流電源21→整流回路22の正極→チョークコイル23→スイッチ回路24内のオン状態のスイッチング素子24a及びスイッチ24b→整流回路22の負極→交流電源21の経路で電流が流れる。
(1) Period T1: In the case of a heavy load in which the
Since the load current Ir is a heavy load larger than the threshold current Ith, the
Therefore, a current flows through the path of the
この状態で、ゲート・ソース間電圧Vgs1が、ゲートの負バイアスの増加により、Lレベルに立ち下がってスイッチング素子24aがターンオフし、スイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムtd1期間へ遷移する。すると、スイッチング素子25aのソースからドレインへ逆導通電流(-Id2)が流れ、交流電源21→整流回路22の正極→チョークコイル23→スイッチ回路25内のスイッチ25b及びスイッチング素子25a→コンデンサ28及び負荷29→整流回路22の負極→交流電源21の経路で負荷電流Irが流れる。これにより、交流電源21の交流電力が、整流回路22で整流され、その電力が、チョークコイル23、スイッチ回路24及びスイッチ回路25を通して昇圧され、コンデンサ28で平滑されて負荷29へ供給される。スイッチング素子25aのソースからドレインへ逆導通電流(-Id2)が流れると、ドレイン・ソース間電圧Vds2がLレベル(0V以下の電位)に立ち下がって逆導通電圧降下ΔVが生じる。
In this state, the gate-source voltage Vgs1 falls to the L level due to an increase in the negative bias of the gate, turning off the
デッドタイムtd1期間の経過後、スイッチング素子24aはオフ状態であるが、ゲート・ソース間電圧Vgs2がHレベルに立ち上がって、スイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧Vds2が略0V(正確には、Id2×Ron、但し、Ron;スイッチング素子25aのオン抵抗)になる。そして、交流電源21→整流回路22の正極→チョークコイル23→スイッチ回路25内のスイッチ25b及びスイッチング素子25a→コンデンサ28及び負荷29→整流回路22の負極→交流電源21の経路で負荷電流Irが流れ続ける。
After the dead time td1 has elapsed, the switching
次に、ゲート・ソース間電圧Vgs2が、ゲートの負バイアスの増加により、Lレベルに立ち下がってスイッチング素子25aがターンオフし、スイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムtd2期間へ遷移する。すると、スイッチング素子25aのソースからドレインへ逆導通電流(-Id2)が流れ続け、スイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧Vds2がLレベル(0V以下の電位)に降下して逆導通電圧降下ΔVが生じる。
Next, the gate-source voltage Vgs2 falls to the L level due to an increase in the negative bias of the gate, turning off the
(2) 期間T2:スイッチング素子24aがオフからオンへ遷移し、スイッチング素子25aがオフ状態を維持し、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷へ変化する場合
デッドタイムtd2期間の経過後、スイッチング素子25aはオフ状態であるが、ゲート・ソース間電圧Vgs1がHレベルに立ち上がってスイッチング素子24aがターンオンする。これにより、交流電源21→整流回路22の正極→チョークコイル23→スイッチ回路24内のスイッチング素子24a及びスイッチ24b→整流回路22の負極→交流電源21の経路で電流が流れる。スイッチング素子24aがターンオンする際に、ゲート・ソース間電圧Vgs2に、ゲートのノイズNSが生じる。この時、スイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2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く、ドレイン電流Id2が流れず(0A)、スイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧Vds2がHレベル(正電位)に立ち上がる。
(2) Period T2: When the switching
負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷になると、絶縁回路32,33からHレベルの制御信号S32,S33が出力されるので、駆動回路26,27内のスイッチ45がオンする。スイッチ45がオンすると、ツェナーダイオード44が短絡され、ツェナーダイオード43のツェナー電圧Vz1が、トランジスタ46のベースに掛かり、このトランジスタ46がオフする。すると、トランジスタ46のエミッタ側の出力電圧(Vz1+Vz2-Vbe)が、コンデンサ47及び放電抵抗48の放電時定数で放電するので、そのエミッタ側の出力電圧が(Vz1-Vbe)へ変化する。そのため、スイッチング素子24a(25a)のオフ時のゲートの負バイアス量が減少し、そのスイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2が0V以下の負電位へ上昇していく。
When the load current Ir becomes a light load smaller than the threshold current Ith, the
ゲート・ソース間電圧Vgs1がLレベル(0V以下の負電位)に立ち下がり、スイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベル(0V以下の負電位)になるデッドタイムtd1期間へ遷移する。すると、スイッチング素子25aのソースからドレインへ流れる逆導通電流(-Id2)により、そのスイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧Vds2が、Hレベル(正電位)からLレベル(0V以下の電位)へ立ち下がる。次に、スイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2がHレベルに立ち上がり、ドレイン電流Id2が正方向へ上昇していくと共に、ドレイン・ソース間電圧Vds2が略0Vを維持する。その後、スイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2がLレベルに立ち下がり、スイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベル(0V以下の負電位)になるデットタイムtd2期間へ遷移する。すると、スイッチング素子25aのドレインからソースへ流れる正のドレイン電流Id2により、ドレイン・ソース間電圧Vds2が、略0Vから正電位へ上昇していく。
The gate-source voltage Vgs1 falls to the L level (negative potential of 0 V or less), and the gate-source voltages Vgs1 and Vgs2 of the
(3) 期間T3:スイッチング素子24aがオフからオンへ遷移し、スイッチング素子25aがオフ状態を維持し、負荷電流Irが閾値電流Ithよりも小さい軽負荷を維持する場合
デッドタイムtd2期間の経過後、スイッチング素子25aはオフ状態であるが、ゲート・ソース間電圧Vgs1がHレベルに立ち上がってスイッチング素子24aがターンオンする。これにより、スイッチング素子25aには、ドレイン電流Id2が流れず(0A)、ドレイン・ソース間電圧Vds2がHレベルに立ち上がる。この時のスイッチング素子25aのドレイン・ソース間電圧Vds2の電圧変化量ΔVdsが減少するため、スイッチング素子25a内のドレイン・ゲート間寄生容量を通してゲート電圧が持ち上がるのが抑制される。
(3) Period T3: When the switching
スイッチング素子25aのゲート・ソース間電圧Vgs2が0V以下の負電圧を維持すると共に、ゲート・ソース間電圧Vgs1がLレベル(0V以下の負電位)に立ち下がってスイッチング素子24aがターンオフし、スイッチング素子24a,25aのゲート・ソース間電圧Vgs1,Vgs2が共にLレベルになるデッドタイムtd1期間へ遷移する。すると、スイッチング素子25aに負のドレイン電流Id2が流れ、ドレイン・ソース間電圧Vds2がLレベル(0V以下の電位)に立ち下がる。この時生じる逆導通電圧降下ΔVは、期間T1,T2の時よりも減少している。
その後、ゲート・ソース間電圧Vgs2がHレベルに立ち上がって前記と同様の動作を繰り返す。
While the gate-source voltage Vgs2 of the
Thereafter, the gate-source voltage Vgs2 rises to the H level, and the same operation as above is repeated.
(実施例1の効果)
図1のPFC回路によれば、ハードスイッチングによるノイズNS等により誤点弧する恐れが高い場合に、スイッチング素子24a又は25aの誤点弧が発生し易くなる情報を基に、そのスイッチング素子24a又は25aをオフ状態にするためのゲートの負バイアス量を変化させている。これにより、スイッチング素子24a又は25aの誤点弧を防ぐことができる。又、軽負荷においては、ゲートの負バイアス量を減少させることで、電力変換装置のデッドタイムtd1期間中に生じるような、スイッチング素子24a又は25aの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。
(Effects of Example 1)
1, when there is a high possibility of erroneous firing due to noise NS caused by hard switching, the amount of negative bias of the gate for turning off the
(実施例2の構成)
図3は、本発明の実施例2における電力変換装置(例えば、コンバータ内のPFC回路)を示す回路図である。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。
本実施例2における図3のPFC回路では、実施例1における図1(a)のPFC回路中の電流検出回路30に代えて、第1スイッチ回路24に対して直列に接続された実施例1と同様の電流検出回路30bと、第2スイッチ回路25に対して直列に接続された実施例1と同様の電流検出回路30cと、が設けられている。各電流検出回路30b,30cの出力側には、実施例1と同様の比較器31a,31bがそれぞれ接続され、その比較器31aから出力される電流判定信号S31aが、実施例1と同様の絶縁回路32で制御信号S32に変換されて第1駆動回路26へ与えられ、その比較器31bから出力される電流判定信号S31bが、実施例1と同様の絶縁回路33で制御信号S33に変換されて第2駆動回路27へ与えられる構成になっている。
(Configuration of Example 2)
3 is a circuit diagram showing a power conversion device (for example, a PFC circuit in a converter) according to a second embodiment of the present invention. In this Fig. 3, elements common to those in Fig. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
3 in the second embodiment, a
(実施例2の動作)
本実施例2では、負荷29の状態が重負荷か否かは、各電流検出回路30b,30cにより、各スイッチ回路24,25をそれぞれ流れるスイッチ回路電流を検出し、これらの各電流検出結果が、各比較器31a,31bに送られる。各比較器31a,31bにおいて、各電流検出結果が閾値電流Ithを超えれば、重負荷と判定されてHレベルの電流判定信号S31a,S31bが出力され、各絶縁回路32,33から出力されるLレベルの制御信号S32,S33が、各駆動回路26,27に与えられる。そして、各駆動回路26,27等において、実施例1と同様の動作が行われる。
(Operation of Example 2)
In the second embodiment, whether the
(実施例2の効果)
本実施例2では、各電流検出回路30b,30cにより、各スイッチ回路24,25をそれぞれ流れるスイッチ回路電流を検出し、各比較器31a,31bにより、負荷29の状態が重負荷か否かを判定している。そのため、スイッチング周波数に対応した速度でスイッチング素子24a又は25a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。その他、実施例1と略同様の効果がある。
(Effects of Example 2)
In the second embodiment, the
(実施例1,2の変形例)
本発明は、上記実施例1,2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)~(f)のようなものがある。
(a) 本発明は、スイッチング素子24a,25a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) 図1又は図3の半導体駆動回路において、整流回路22は、整流ダイオード22a~22dに代えて、FET等の双方向スイッチを用いて構成しても良い。
(c) 実施例1の駆動回路26,27では、負荷29の状態が重負荷か否かの情報(例えば、負荷電流Ir)を基に、スイッチング素子24a又は25a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29の状態が重負荷か否かの情報は、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。
(Modification of Examples 1 and 2)
The present invention is not limited to the above-mentioned first and second embodiments, and various uses and modifications are possible. Examples of the uses and modifications include the following (a) to (f).
(a) The present invention is also applicable to Si transistors other than GaN transistors as the
(b) In the semiconductor drive circuit of FIG. 1 or FIG. 3, the
(c) In the
(d) 図1(b)の駆動回路26,27は、他の回路構成に変形しても良い。例えば、抵抗42、ツェナーダイオード43,44、及びスイッチ45に代えて、演算増幅器(以下「オペアンプ」という。)を設ける。そして、そのオペアンプにより、絶縁回路32(33)から出力される制御信号S32(S33)に基づき、ドロッパ回路を構成するトランジスタ46のベース電圧Vicを変化させ、このドロッパ回路の出力電圧(Vic-Vbe)を変化させる。このような構成に変形すれば、スイッチング素子24a(25a)のオフ時のゲートの負バイアス量をリニアに調整できる。これにより、例えば、ノイズNS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。
(e) 図1(b)の駆動回路26,27は、更に、他の回路構成に変形しても良い。例えば、ツェナーダイオード43,44に代えて、電圧源を設けても良い。又、NPN型トランジスタ46に代えて、FET等の他のトランジスタを使用しても良い。
(f) 本発明は、コンバータ内のPFC回路以外のAC/DC電源回路、チョッパ回路等の他の電力変換装置にも適用が可能である。
(d) The
(e) The
(f) The present invention can also be applied to other power conversion devices such as AC/DC power supply circuits and chopper circuits other than the PFC circuit in a converter.
21 交流電源
22 整流回路
23 チョークコイル
24,25 スイッチ回路
24a,25a スイッチング素子
24b,25b スイッチ
26,27 駆動回路
28 コンデンサ
29 負荷
30,30b,30c 電流検出回路
31,31a,31b 比較器
32,33 絶縁回路
21
Claims (10)
直列に接続されたノーマリオン型の第2スイッチング素子及びノーマリオフ型の第2スイッチを有し、前記第2スイッチング素子及び前記第2スイッチが、前記第1スイッチ回路に対して並列に接続された第2スイッチ回路と、
前記第1スイッチング素子を、動作時にオン/オフ駆動し、前記第1スイッチを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする第1駆動回路と、
前記第2スイッチング素子を、動作時に、前記第1スイッチング素子に対しデッドタイムをおいて相補的にオン/オフ駆動し、前記第2スイッチを、動作時にオン状態、電源停止時にオフ状態にする第2駆動回路と、
を備える半導体駆動回路において、
前記第1駆動回路及び前記第2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。 a first switch circuit including a normally-on type first switching element and a normally-off type first switch connected in series between a positive power supply side and a negative power supply side;
a second switch circuit including a normally-on type second switching element and a normally-off type second switch connected in series, the second switching element and the second switch being connected in parallel to the first switch circuit;
a first drive circuit that drives the first switching element to turn on/off during operation and turns the first switch to an on state during operation and an off state when power is stopped;
a second drive circuit that drives the second switching element on/off in a complementary manner with respect to the first switching element with a dead time during operation, and sets the second switch to an on state during operation and to an off state when power is stopped;
In a semiconductor driving circuit comprising:
The first drive circuit and the second drive circuit are
changing an amount of a negative bias for turning off the first switching element or the second switching element based on information indicating that erroneous turning-on of the first switching element or the second switching element is likely to occur;
A semiconductor driver circuit comprising:
負荷の状態が重負荷の情報である、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体駆動回路。 Information on the likelihood of erroneous ignition of the first switching element or the second switching element occurring is as follows:
The load status is heavy load information.
2. The semiconductor drive circuit according to claim 1.
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電流を超えれば前記重負荷と判定する、
ことを特徴とする請求項2記載の半導体駆動回路。 Whether the load state is the heavy load or not is determined by
a load current flowing through the load is detected, and if the detected load current exceeds a threshold current, the load is determined to be heavy;
3. The semiconductor drive circuit according to claim 2.
前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路をそれぞれ流れるスイッチ回路電流を検出し、これらの各検出結果が閾値電流を超えれば前記重負荷と判定する、
ことを特徴とする請求項2記載の半導体駆動回路。 Whether the load state is the heavy load or not is determined by
detecting a switch circuit current flowing through each of the first switch circuit and the second switch circuit, and determining that the load is heavy when each of the detection results exceeds a threshold current;
3. The semiconductor drive circuit according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2~4のずれか1項記載の半導体駆動回路。 When the load state is the heavy load state, the amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element is increased.
5. The semiconductor driver circuit according to claim 2, wherein the semiconductor driver circuit is a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項2~4のずれか1項記載の半導体駆動回路。 When the load state is light, the amount of the negative bias for turning off the first switching element or the second switching element is reduced.
5. The semiconductor driver circuit according to claim 2, wherein the semiconductor driver circuit is a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項5又は6記載の半導体駆動回路。 The amount of the negative bias is changed linearly.
7. The semiconductor driver circuit according to claim 5 or 6.
前記第1スイッチ回路及び前記第2スイッチ回路を有するコンバータを含む回路である、
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 semiconductor drive circuit includes:
a circuit including a converter having the first switch circuit and the second switch circuit;
8. The semiconductor driver circuit according to claim 1, wherein the first and second electrodes are electrically connected to the first and second electrodes.
GaNトランジスタを含む化合物半導体素子である、
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
A compound semiconductor device including a GaN transistor.
9. The semiconductor driver circuit according to claim 1,
ことを特徴とする電力変換装置。
A semiconductor driving circuit according to any one of claims 1 to 9 is used.
A power conversion device comprising:
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