JP3772534B2 - 半導体電力変換器 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、IGBT等の電力用半導体素子を直列多重接続して主回路アームを高電圧化した半導体電力変換器に係り、特に直列多重化した半導体素子の電圧分担を均等にする装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体電力変換器は、その高電圧化のためにIGBT等の複数の素子を直列多重接続したものを用いる。一例としてIGBTの4直列多重ユニットのインバータの主回路例を図5に示す。
【0003】
直列多重接続した各IGBTには同じゲート信号を入力し、各IGBTのスイッチ動作のタイミングを揃えるためにゲートドライバやIGBTは特性のそろったものを使用する。IGBTを直列多重接続することで、低電圧IGBTの高速性と高い電圧定格を兼ね備えた半導体スイッチを実現する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成において、直列多重接続した各IGBT及びそれぞれのゲートドライバの特性が揃っている場合には、各々のIGBTのスイッチ動作のタイミングは揃い、各IGBTの電圧分担は均等になる。
【0005】
しかし、IGBTやゲートドライバの特性にばらつきがある場合には、各々のIGBTのターンオンやターンオフのタイミングがずれることがある。例えば、ターンオフのタイミングがずれて1つの素子のみ速くオフした場合、速くオフした素子は他の素子がオフするまでの間、1つの素子のみで電圧負担しなければならず、その素子にのみ高い電圧がかかることになる。この電圧がIGBTの定格電圧を超えた場合には素子が電圧破壊され、他の素子も電圧負担が増して次々に電圧破壊してしまう。
【0006】
このため、一般にIGBTを直列多重接続して使用する際にはIGBT及びゲートドライバの特性を揃える必要があり、回路設計や部品管理が難しくなる。また、IGBTやゲートドライバの特性を揃えた場合でも、時間の経過と共に特性にばらつきが生じる可能性もあり、経年変化まで含めて特性を保証しなければならないという問題もある。
【0007】
なお、IGBTやゲートドライバの特性を揃えてもスイッチ動作のタイミングが揃わない場合には、スナバコンデンサの容量を大きくすることで各IGBTの電圧分担を均一化することも可能であるが、この場合結果としてスナバ損失が増加し、半導体電力変換器の電力変換効率が低下してしまう。
【0008】
本発明の目的は、素子やゲートドライバの特性にばらつきがある場合にも素子の電圧分担を常に均等にでき、しかも電力変換効率も低下させることのない半導体電力変換器を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直列多重接続した各素子の分担電圧のばらつきを各素子に印加するゲート信号の遅れ時間調整で補正するようにし、この補正には各素子の分担電圧を検出し、この検出を基に各素子のゲート信号の遅れ時間を自動調整することで、各素子のスイッチ動作のタイミングのずれによる分担電圧のアンバランスを自動補正するようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
【0010】
電力用半導体素子を直列多重接続して主回路アームを高電圧化した半導体電力変換器において、
前記各素子のスイッチング特性やゲートドライバ及びスナバコンデンサのばらつきによる各素子のターンオフ時の分担電圧のばらつきを各素子に印加するゲート信号の遅れ時間調整で補正する補正回路を備え、
前記補正回路は、前記各素子に印加するゲート信号をそれぞれ遅らせることができる遅れ時間発生回路と、各素子のターンオフ時の分担電圧を検出し、最も電圧の低い素子との電圧差が所定値以上ある素子に対して前記遅れ時間発生回路の次回のゲート信号の遅れ時間を増加させる遅れ時間コントローラとを備えたことを特徴とする。
【0012】
前記補正回路は、主回路電圧の低い起動時に前記遅れ時間を最適化調整しておくことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態を示すゲート信号の自動補正回路図であり、1アーム分を示す。
【0014】
直列多重接続したIGBT1〜IGBTnに対して、そのゲート信号はそれぞれ遅れ時間発生回路T1〜Tnによって遅れ時間が調整されて印加される。遅れ時間コントローラCNTは、各IGBT1〜IGBTnがターンオフ状態にあるときの電圧v1〜vnを検出信号として取り込み、これら検出信号を基に各遅れ時間発生回路T1〜Tnの遅れ時間を制御する。
【0015】
この構成により、ゲート信号を各IGBT1〜IGBTnに分配する際に任意時間の遅れを発生させる。この遅れ時間調整を各IGBTの電圧のアンバランスが減少する方向に制御することで、スイッチ動作のタイミング補正する。
【0016】
電圧のアンバランスが発生するのはIGBT1〜IGBTnがオフしている期間であり、遅れ時間コントローラCNTはこの期間に各IGBT1〜IGBTnの電圧v1〜vnの測定を行い、電圧の高いIGBTのゲート信号を遅らせるように遅れ時間を設定し、設定した遅れ時間を次回のスイッチ動作で発生させることでフィードバック制御を行う。
【0017】
遅れ時間発生回路T1〜Tnによる遅れ時間調整には、アナログ回路構成で実現できるが、ディジタル回路を使用することもできる。例えば、50MHzのクロックを持つ同期回路で時間遅れの発生を実現した場合、2ns単位でゲート信号のタイミングを制御することが可能である。
【0018】
図2は、2つのIGBTを直列接続した回路構成で、スイッチ動作のタイミングがずれた場合の両素子にかかる電圧波形v1,v2の例を示す。2つのIGBTのターンオフのタイミングがずれた場合、速くオフしたIGBTの電圧v1は遅れてオフするIGBTがオフするまでの間、その素子のみでオフしなければならないため、高いサージ電圧が発生する。
【0019】
これに対し、ターンオン時には、遅れてオンする素子に速くオンした素子の分の電圧がかかるので、若干のサージ電圧が発生するが、その大きさはターンオフ時のサージ電圧と比較して小さく、素子の耐圧の観点からは大きな問題とはならない。
【0020】
また、ターンオフのタイミングのずれは各素子のオフ時の電圧から容易に検出することができるのに対し、ターンオンのタイミングのずれは上記のことから検出することが難しい。そこで、ターンオフ時のタイミングでの電圧検出によりゲート信号の遅れ時間を調整する。
【0021】
また、各IGBTのターンオフのタイミングがずれた場合、各IGBTのスナバコンデンサの充電時間にばらつきが生じるため、コンデンサ電圧のアンバランスが発生し、その電圧アンバランスはIGBTのオフ時の漏れ電流が小さいためにIGBTが次にターンオンするまでIGBTの電圧アンバランスとして維持される。このため、図2に示すように、オフ時の定常電圧を測定することでターンオフのタイミングのアンバランスを測定することが可能である。
【0022】
サージ電圧のピーク値のばらつきを測定する場合には高速なADコンバータで常時電圧を監視する必要があるが、本発明ではオフ時の定常電圧を測定すればよいため、特に高速なADコンバータは必要なく、またピーク値を求める必要がないため常時電圧を監視する必要もないという利点がある。
【0023】
電圧の測定には、例えばADコンバータを用いることができる。図3に測定回路の構成を示す。IGBTの電圧は、分圧抵抗R1,R2で検出し、このしバッファBUFを通した上でA/Dコンバータに入力する。A/Dコンバータにより得られた検出電圧のディジタル値は絶縁を施した上で、遅れ時間コントローラCNTに送られる。
【0024】
各IGBTの電圧は定格電圧の範囲に収まっていれば厳密に均一である必要はないため、A/Dコンバータはビット数の少ないものでよい。A/DコンバータおよびバッファBUFのGNDはIGBTのエミッタと等電位にしてあるため、電源は各IGBTのゲートドライバの電源と共用できる。
【0025】
なお、電圧の測定にはA/Dコンバータのかわりにコンパレータを用いることも可能である。コンパレータを用いた場合、IGBTがオフ時の電圧の最大値を設定しておき、それを越えたらゲート信号のタイミングを調整する。この場合、A/Dコンバータを用いる場合のように各IGBTの電圧分担を正確に均一化することはできないが、IGBTの耐圧上問題のない範囲に収めることは可能であり、回路構成の簡略化およびコストの低減といった利点がある。
【0026】
時間遅れコントローラCNTは、最も電圧の低い(最もスイッチ動作の遅い)IGBTを基準にし、他のIGBTのゲート信号のタイミングを遅らせてタイミングを合わせる。具体的には、最も電圧の低いIGBTとの電圧の差が設定値(電圧のばらつきの許容値)以上あるIGBTのみ遅れ時間をそれまでの設定値より1単位(=1/遅れ時間発生回路の動作周波数)だけ遅らせる。これを繰り返すことで、IGBTオフ時の電圧のばらつきを設定値以内にすることができる。
【0027】
また、以上の操作のみでは各ゲート信号の遅れ時間は増大するのみとなってしまうので、遅れ時間を設定する際には最も遅れ時間の小さいゲート信号の遅れ時間を0とし、これを基準に他のゲート信号の遅れ時間を決定することで、不必要に遅れ時間が大きくならないようにする。
【0028】
図4は、遅れ時間コントローラCNTの処理フローを示す。IGBTのターンオフ期間を検出し(S1)、この期間で各IGBTの電圧v1〜vnを検出し(S2)、最も低い検出電圧を基準電圧として決定し(S3)、この基準電圧にばらつき許容値を加算した値に対して各IGBTの検出電圧が高いとき(S41〜S4n)、そのIGBTの遅れ時間を1単位増加させ(S51〜S5n)、遅れの最も小さいIGBTの遅れ時間が0になるように各IGBTの遅れ時間を変更し(S6)、各遅れ時間発生回路T1〜Tnの遅れ時間を更新する(S7)。
【0029】
このような方式で遅れ時間を調整する場合、タイミングのずれが大きい場合にはタイミングが揃うまでに多数回のスイッチングを繰り返し行わなければならず、タイミングが揃うまでに時間がかかるという問題が考えられるが、実際には変換器の動作中に突然大きくタイミングがずれることは起こらないと考えられるので、問題ない。
【0030】
また、半導体電力変換器の起動時には遅れ時間の最適値がわからないためスイッチ動作のタイミングが揃わず、電圧が不均一になって最悪の場合IGBTを破壊する危険がある。これには、半導体電力変換器の起動時には電圧があまり高くない状態でスイッチ動作を行い、遅れ時間の最適化を行っておくことで対応できる。
【0031】
例えば、インバータの場合、一般に起動時には直流側コンデンサの予備充電を行うが、この予備充電の最中にIGBTのスイッチングを行い、遅れ時間の最適化を行っておく。この際のスイッチ動作の回数は最低で「タイミングのずれの最大値×遅れ時間発生回路の動作周波数」回必要である。
【0032】
IGBTの直列多重時の電圧アンバランスの原因はスイッチ動作のタイミングのずれだけでなく、スナバコンデンサの容量のばらつきもその原因となる。本実施形態では、オフ時の電圧値を用いてフィードバック制御を行うため、スナバコンデンサの容量にばらつきのあった場合にも結果的に電圧分担が均等になるようにスイッチ動作のタイミングを最適化することが可能である。
【0033】
以上までの説明は、IGBTを主回路スイッチとする場合であるが、他の電力用半導体素子、例えばパワートランジスタやGTOサイリスタを主回路スイッチとする電力変換器に適用して同等の作用効果を得ることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、直列多重接続した各素子の分担電圧のばらつきを各素子に印加するゲート信号の遅れ時間調整で補正することで、各素子のスイッチ動作のタイミングのずれによる分担電圧のアンバランスを自動補正するようにしたため、以下の効果がある。
【0035】
(1)電力用半導体素子やゲートドライバの特性にばらつきがある場合にも各素子のターンオフのタイミングを揃えることが可能となり、各素子の分担電圧を均一化することができる。このため、直列多重接続した素子を(素子個々の定格電圧×直列数)に近い定格電圧のスイッチング素子として使用することが可能となる。また、各素子やゲート回路の選別が不要となるため、コスト的に有利である。
【0036】
(2)各素子のスナバコンデンサの容量にばらつきがある場合の各素子の電圧のばらつきも補正することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すゲート信号の自動補正回路。
【図2】スイッチ動作のタイミングがずれた場合の素子の電圧波形の例。
【図3】実施形態における電圧測定回路の構成。
【図4】実施形態における遅れ時間コントローラの処理フロー。
【図5】IGBTの4直列多重ユニットのインバータ主回路。
【符号の説明】
1〜Tn…遅れ時間発生回路
CNT…遅れ時間コントローラ
BUF…バッファ
A/D…A/Dコンバータ

Claims (2)

  1. 電力用半導体素子を直列多重接続して主回路アームを高電圧化した半導体電力変換器において、
    前記各素子のスイッチング特性やゲートドライバ及びスナバコンデンサのばらつきによる各素子のターンオフ時の分担電圧のばらつきを各素子に印加するゲート信号の遅れ時間調整で補正する補正回路を備え、
    前記補正回路は、前記各素子に印加するゲート信号をそれぞれ遅らせることができる遅れ時間発生回路と、各素子のターンオフ時の分担電圧を検出し、最も電圧の低い素子との電圧差が所定値以上ある素子に対して前記遅れ時間発生回路の次回のゲート信号の遅れ時間を増加させる遅れ時間コントローラとを備えたことを特徴とする半導体電力変換器。
  2. 前記補正回路は、主回路電圧の低い起動時に前記遅れ時間を最適化調整しておくことを特徴とする請求項1に記載の半導体電力変換器。
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