JP4345541B2 - インバータ回路 - Google Patents

Description

本発明は、２個以上の半導体素子を並列に接続した回路構成を備えてなるインバータ回路に関する。

インバータ回路を構成するスイッチング素子として、例えばＩＧＢＴが使用されている。そして、３相のインバータ回路の場合、通常、６個のＩＧＢＴを３相ブリッジ接続して構成されている。また、ＩＧＢＴに流れる電流値を減らすために、複数個のＩＧＢＴを並列接続して１個のスイッチング素子を構成することが実施されており、例えば、２個並列の場合、３相のインバータ回路は１２個のＩＧＢＴで構成されることになる。
特開２００２−３６８１９２号公報

上記従来構成のインバータ回路において、並列接続された２個のＩＧＢＴがほとんど同じ特性を備えている場合（即ち、理想的な素子の場合）には、各ＩＧＢＴに流れる電流の大きさがほぼ等しくなることから、損失で発生する熱と放熱性とで決まる素子の温度もほぼ等しくなる。これに対して、並列接続された２個のＩＧＢＴの特性がある程度異なる場合、例えばＶｔｈ（しきい値電圧）にある程度差があるときには、Ｖｔｈが低い方のＩＧＢＴが先にスイッチング動作することから、この一方のＩＧＢＴに電流が集中するようになる。この結果、上記一方のＩＧＢＴの温度が、他方よりも高くなるという問題点があった。そして、実際に製造されるＩＧＢＴには、特性のばらつきがかなり存在するので、並列接続された２個の半導体素子の温度にかなり差が発生するという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、並列接続された複数の半導体素子に特性のばらつきがあっても、それら複数の半導体素子の温度をほぼ等しくすることができるインバータ回路を提供するにある。

更に、本発明のインバータ回路は、２個以上の半導体素子を並列に接続した回路構成を備えてなるインバータ回路において、前記２個以上の半導体素子として、Ｖｔｈが低い半導体素子とＶｔｈが高い半導体素子を使用すると共に、前記Ｖｔｈが低い半導体素子の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、前記Ｖｔｈが高い半導体素子の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値よりも小さくなるように設定したところに特徴を有する。この構成の場合、前記２個以上の半導体素子は、Ｖｔｈの差が設定電圧以下である特性を備えていることがより一層良い構成である。

また、本発明の他のインバータ回路は、２個以上の半導体素子を並列に接続した回路構成を備えてなるものにおいて、前記２個以上の半導体素子として、Ｖｔｈの差が設定電圧以下である特性を備えた半導体素子を使用するように構成したところに特徴を有する。

以下、本発明を３相のインバータ回路に適用した第１の実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。まず、図２は、本実施例のインバータ回路１を示す電気回路図である。この図２に示すように、本実施例のインバータ回路１は、直流電源２から導出された正側の電源線３と負側の電源線４の間に設けられている。尚、直流電源２の両端子（電源線３、４）には、コンデンサ５が接続されている。

上記インバータ回路１は、２個の例えばＩＧＢＴ（半導体素子）６、６を並列接続して成る並列回路７を６個、３相ブリッジ接続して構成されている。インバータ回路１の３相（個）の出力端子１ｕ、１ｖ、１ｗは、モータ等の負荷８に接続されている。また、各ＩＧＢＴ６のコレクタとエミッタには、フリーホイールダイオード９が接続されている。
ここで、図３に示すように、上記インバータ回路１の中から１つのアームを取り出し、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６に流れる電流について考察してみる。

まず、今、１アームに例えば４００Ａの電流が流れるとすると、２個のＩＧＢＴ６がその特性が揃った（即ち、同じ特性を有する）ＩＧＢＴである場合には、図３（ａ）に示すように、電流は２個のＩＧＢＴ６に均等に、つまり、２００Ａずつ分配されるように流れる。この結果、２個のＩＧＢＴ６は、損失で発生する発熱と放熱（冷却）の特性が同じになることから、各ＩＧＢＴ６の素子温度が同じ（例えばＴ℃）になり、素子間の温度差が生じない。

しかし、実際に製造されるＩＧＢＴは、特性がかなりばらつく。このため、２個のＩＧＢＴの特性を揃えようとすると、使用できるＩＧＢＴの個数が非常に少なくなる、即ち、歩止まりがかなり悪くなるという問題点があった。
次に、特性が揃っていない２個のＩＧＢＴ６を使用して並列回路７を構成した場合について、図３（ｂ）を参照して説明する。

この場合には、例えば、図３（ｂ）において、左側のＩＧＢＴ６のＶｔｈ（しきい値電圧）の方が、右側のＩＧＢＴ６のＶｔｈよりも高いとすると、左側のＩＧＢＴ６の方がスイッチングが先に行われるため、電流が集中するようになり（αだけ多く流れ）、その結果、左側のＩＧＢＴ６の素子温度が右側のＩＧＢＴ６よりも高く（βだけ高く）なる。つまり、２個のＩＧＢＴ６の間に温度差が発生してしまう。

さて、本発明者らは、製品ばらつきがあるＩＧＢＴ６（即ち、特性が揃っていないＩＧＢＴ６）から２個のＩＧＢＴ６をいろいろ選択して並列回路７を構成し、素子の温度差がどうなるかを実験してみた。すると、特性が揃っていない２個のＩＧＢＴ６でありながら、素子の温度差がほとんど生じないＩＧＢＴ６のペアがあることを発見した。そこで、本発明者らは、このペアを構成する２個のＩＧＢＴ６について、いろいろ調べてみた。その結果、次のようなことがわかった。

即ち、これら２個のＩＧＢＴ６は、常温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値（今の場合、２００Ａ）よりも小さいという特性を備えていた。具体的には、上記２個のＩＧＢＴ６は、図１に示すような特性を有していた。この図１においては、常温（室温）のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性を曲線Ａ１で示し、高温（例えば１５０℃）のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性を曲線Ａ２で示し、両者が交わる点（クロスポイント）の電流値は例えば５０Ａである。尚、図１の特性は、Ｖｇ（ゲート電圧）が１５Ｖの場合に測定したデータである。

ここで、本発明者らは、上記図１の特性によって、２個のＩＧＢＴ６の素子温度の差がほとんど生じない理由（理論）について考えてみた。図１の特性を備えたＩＧＢＴ６の場合、通電電流が５０Ａ以上になると、素子の温度上昇により、オン抵抗が上昇するため、電流が流れ難くなり、温度上昇が抑制されるようになる。従って、２個のＩＧＢＴ６のうちの一方のＩＧＢＴ６に電流が集中して流れたとしても、上記図１の特性を有しているので、該一方のＩＧＢＴ６は、通電電流が５０Ａ以上になると、オン抵抗が上昇して電流が流れ難くなり、温度上昇が抑制される。この結果、２個のＩＧＢＴ６の素子温度の差がほとんどなくなると、考察することができた。

これにより、図１の特性、即ち、常温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値（今の場合、２００Ａ）よりも小さいという特性を備えた２個のＩＧＢＴ６によって、インバータ回路１の各並列回路７を構成すれば、並列接続された２個のＩＧＢＴ６に特性のばらつきがあっても（ただし、図１の特性を有する）、それら２個のＩＧＢＴ６の温度をほぼ等しくすることができる。

そして、上記実施例の場合、常温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値よりも小さいという特性を備えたＩＧＢＴを、製造することは比較的容易である。また、上記実施例のＩＧＢＴを製造することは、特性が揃ったＩＧＢＴを製造する場合に比べて、製造の歩止まりも大幅に高くなる。
図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第２の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値（例えば２００Ａ）よりも小さいという特性を備えたＩＧＢＴを使用した。このＩＧＢＴの特性を、図４に示す。

上記図４においては、常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を曲線Ｂ１で示し、高温（例えば１５０℃）のＶｇ−Ｉｃｅ特性を曲線Ｂ２で示している。また、上記２つの曲線Ｂ１、Ｂ２が交わる点（クロスポイント）の電流値は、例えば１５０Ａである。そして、通常の通電電流は、第１の実施例と同様に、２００Ａとしている。尚、図４の特性は、Ｖｃｅ＝Ｖｇの条件で測定したデータである。

そして、図４の特性を備えたＩＧＢＴ６の場合、通電電流が１５０Ａ以上になると、素子の温度上昇により、Ｖｇ（ゲート電圧）が上昇し、Ｖｔｈが高くなることと同様になるため、電流が流れ難くなり、温度上昇が抑制されるようになる。従って、２個のＩＧＢＴ６のうちの一方のＩＧＢＴ６に電流が集中して流れたとしても、上記図４の特性を有しているので、該一方のＩＧＢＴ６は、通電電流が１５０Ａ以上になると、電流が流れ難くなり、温度上昇が抑制される。この結果、２個のＩＧＢＴ６の素子温度の差がほとんどなくなる。

尚、上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
また、上記第２の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図４の特性を備えたＩＧＢＴを使用したが、これに限られるものではなく、図４の特性と図１の特性を両方共に備えたＩＧＢＴを使用するように構成しても良い。

図５ないし図７は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第３の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６のうちの一方として、Ｖｔｈが低いＩＧＢＴ６を使用し、他方としてＶｔｈが高いＩＧＢＴを使用している。更に、上記第３の実施例では、上記Ｖｔｈが低いＩＧＢＴ６の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、前記Ｖｔｈが高い半導体素子の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値よりも小さくなるように設定されている。

具体的には、上記一方のＩＧＢＴ６（図６中の左側のＩＧＢＴ）として、図５（ａ）に示す特性を有するＩＧＢＴを使用した。そして、上記他方のＩＧＢＴ６（図６中の右側のＩＧＢＴ）として、図５（ｂ）に示す特性を有するＩＧＢＴを使用した。
図５（ａ）において、曲線Ｃ１は常温（室温）のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示し、曲線Ｃ２は高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示している。また、図５（ｂ）において、曲線Ｃ３は常温（室温）のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示し、曲線Ｃ４は高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示している。

上記第３の実施例の場合、Ｖｔｈが低いＩＧＢＴ６の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、Ｖｔｈが高いＩＧＢＴ６の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値よりも小さくなるように構成した。このため、図７に示すように、Ｖｔｈが低いＩＧＢＴ６に電流が集中して（ステップＳ１）、その素子温度が上昇すると（ステップＳ２）、この温度上昇により、Ｖｇ（Ｖｔｈ）が上昇し（ステップＳ３）、電流が流れ難くなり、温度上昇が抑制されるようになる（ステップＳ７、Ｓ８）。

これに対して、Ｖｔｈが高いＩＧＢＴ６の方は、電流が少ない（ステップＳ４）ことから、わずかに温度上昇するだけであり（ステップＳ５）、Ｖｇ（Ｖｔｈ）が低下する（ステップＳ６）。従って、２個のＩＧＢＴ６のＶｔｈ差が小さくなる（ステップＳ７）と共に、２個のＩＧＢＴ６の素子温度の差も小さくなる（ステップＳ８）。
尚、上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

また、上記第３の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図５（ａ）の特性を備えたＩＧＢＴと図５（ｂ）の特性を備えたＩＧＢＴを使用したが、これに限られるものではなく、図５の特性に加えて図１の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用しても良いし、また、図５の特性に加えて図１の特性及び図４の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用するように構成しても良い。

図８は、本発明の第４の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第４の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図８に示すように、常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性Ｄ１と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性Ｄ２とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値（例えば２００Ａ）よりも高いものであって、しかも、初期のＶｔｈ差と、素子の温度上昇により生じたＶｔｈ差との和が許容値（予め決められた設定値、例えば２Ｖ（望ましくは１Ｖ））以下であるという特性を備えたＩＧＢＴを使用した。

本発明者らは、実験により、２個のＩＧＢＴ６のＶｔｈ差と、２個のＩＧＢＴ６の素子温度の差との関係を求めており、今、１０℃の素子間の温度差を許容すると仮定すると、キャリア周波数が２．５ｋＨｚ時に初期のＶｔｈ差は１Ｖまで許容できるという実験結果を得ている。そして、そのときのＶｇ−Ｉｃｅ特性によると、２００Ａ通電時のＶｇの変化は約１Ｖであることがわかっているから、初期の素子間のＶｔｈ差が０であるとすると、２Ｖまで許容できることになる。しかし、実際には、初期の素子間のＶｔｈ差が存在するため、上記許容値を１Ｖ以下に設定することが望ましい。

尚、上述した以外の第４の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第４の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
また、上記第４の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図８の特性を備えたＩＧＢＴを使用したが、これに限られるものではなく、図８の特性に加えて図１の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用しても良いし、また、図８の特性に加えて図１の特性及び図４の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用するように構成しても良い。

図９は、本発明の第５の実施例を示すものである。尚、第４の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第５の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図９に示すように、常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性Ｄ３と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性Ｄ４とが交差しない（クロスポイントを有しない）ものであって、しかも、初期のＶｔｈ差と、素子の温度上昇により生じたＶｔｈ差との和が許容値（予め決められた設定値、例えば２Ｖ（望ましくは１Ｖ））以下であるという特性を備えたＩＧＢＴを使用した。

そして、上述した以外の第５の実施例の構成は、第４の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第５の実施例においても、第４の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
また、上記第５の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６として、図９の特性を備えたＩＧＢＴを使用したが、これに限られるものではなく、図９の特性に加えて図１の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用しても良いし、また、図９の特性に加えて図１の特性及び図４の特性を合わせて備えるＩＧＢＴを使用するように構成しても良い。

図１０は、本発明の第６の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一構成には、同一符号を付している。この第６の実施例においては、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６の代わりに、図１０に示すような特性を備えたダイオードを使用するように構成した。このダイオードは、常温のＶｆ−Ｉｆ特性Ｅ１と高温のＶｆ−Ｉｆ特性Ｅ２とが交わる点の電流値が、通常の通電電流の値（例えば２００Ａ）よりも小さいという特性を備えている。尚、Ｖｆは順方向電圧、Ｉｆは順方向電流である。

そして、上述した以外の第６の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第６の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
また、前記第１ないし前記第５の各実施例において、並列回路７を構成する２個のＩＧＢＴ６の各フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）として、図１０の特性を備えたダイオードを使用するように構成することが好ましい。

更にまた、前記第１ないし前記第５の各実施例において、ＩＧＢＴ６として、例えばトレンチ型ＩＧＢＴを適用することがより一層好ましい構成である。
また、上記各実施例においては、２個のＩＧＢＴ６（またはダイオード）を並列接続して１つの並列回路７（スイッチング素子）を構成したが、これに限られるものではなく、３個以上のＩＧＢＴ（またはダイオード）を並列接続して１つの並列回路を構成しても良い。

本発明の第１の実施例を示すもので、常温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｃｅ−Ｉｃｅ特性を示す図 インバータ回路の電気回路図 インバータ回路の１アーム分の電気回路図であって、（ａ）は特性が揃ったＩＧＢＴに流れる電流を説明する図、（ｂ）は特性が揃わないＩＧＢＴに流れる電流を説明する図 本発明の第２の実施例を示すもので、ＩＧＢＴの常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示す図 本発明の第３の実施例を示すもので、（ａ）はＶｔｈが低いＩＧＢＴの常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示す図、（ｂ）はＶｔｈが高いＩＧＢＴの常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示す図 インバータ回路の１アーム分の電気回路図 Ｖｔｈ差及び素子温度差が小さくなる動作を説明するフローチャート 本発明の第４の実施例を示すもので、ＩＧＢＴの常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示す図 本発明の第５の実施例を示すもので、ＩＧＢＴの常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性を示す図 本発明の第６の実施例を示すもので、ダイオードの常温のＶｆ−Ｉｆと高温のＶｆ−Ｉｆ特性を示す図

符号の説明

図面中、１はインバータ回路、２は直流電源、３、４は電源線、５はコンデンサ、６はＩＧＢＴ（半導体素子）、７は並列回路を示す。

Claims (3)

1. ２個以上の半導体素子を並列に接続した回路構成を備えてなるインバータ回路において、
   前記２個以上の半導体素子として、Ｖｔｈが低い半導体素子とＶｔｈが高い半導体素子を使用すると共に、
   前記Ｖｔｈが低い半導体素子の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値が、前記Ｖｔｈが高い半導体素子の常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わる点の電流値よりも小さくなるように設定したことを特徴とするインバータ回路。
2. 前記２個以上の半導体素子は、Ｖｔｈの差が設定電圧以下である特性を備えていることを特徴とする請求項1記載のインバータ回路。
3. ２個以上の半導体素子を並列に接続した回路構成を備えてなるインバータ回路において、
   前記２個以上の半導体素子として、常温のＶｇ−Ｉｃｅ特性と高温のＶｇ−Ｉｃｅ特性とが交わっておらず、且つ、Ｖｔｈの差が設定電圧以下である特性を備えた半導体素子を使用するように構成したことを特徴とするインバータ回路。

Images