JP4814908B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device including a switching element that performs power conversion by switching.
従来、スイッチング素子を含む電力変換装置において、上記スイッチング素子のスイッチング時におけるコレクタ電流の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧相当量等の物理量の少なくとも1つを検出する回路を設け、検出した物理量の値に応じてスイッチング素子のゲート・エミッタ間電圧を制御したり、上記スイッチング素子のゲート回路の電源電圧またはゲート抵抗を調整して低ノイズ化を図る技術がある。(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, in a power conversion device including a switching element, at least one of physical quantities such as a time differential equivalent of a collector current, a time differential equivalent of a collector-emitter voltage, and a collector-emitter voltage equivalent at the time of switching of the switching element. A circuit for detecting the voltage is provided, and the gate-emitter voltage of the switching element is controlled according to the detected physical quantity value, or the power supply voltage or gate resistance of the gate circuit of the switching element is adjusted to reduce the noise. There is technology. (For example, refer to Patent Document 1).
特許文献1に示されたものは、スイッチング素子のスイッチング時におけるコレクタ電流の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧相当量等の物理量の少なくとも1つを検出する回路を設け、検出した物理量の値に応じてスイッチング素子のゲート・エミッタ間電圧を制御したり、スイッチング素子のゲート回路の電源電圧またはゲート抵抗を調整するという構成になっているが、物理量の検出回路が必要となるため、装置が大型化し、高コスト化するという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、スイッチング時における物理量の検出を必要としない小型で安価な電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a small and inexpensive power conversion device that does not require detection of a physical quantity at the time of switching.
この発明に係る電力変換装置は、直流電源を交流電源に変換して交流負荷を駆動する電力変換装置において、電力変換制御を行なうマイコンを有する制御基板と冷却器との間に並置された複数のパワーモジュールを備え、上記各パワーモジュールは、ケースと、該ケースに収容された電力変換を行なう複数のスイッチング素子と、上記ケースから導出された上記スイッチング素子の端子と、上記ケースに貼り付けまたは刻印された上記スイッチング素子の固体特性情報を示すラベルまたはマークとを有し、上記制御基板のマイコンには、上記ラベルまたはマークから読み取られた上記スイッチング素子の固体特性情報が記憶されているものである。 The power conversion device according to the present invention is a power conversion device that drives an AC load by converting a DC power supply to an AC power supply, and includes a plurality of juxtapositions between a control board having a microcomputer that performs power conversion control and a cooler. Each power module includes a case, a plurality of switching elements that perform power conversion accommodated in the case, terminals of the switching element derived from the case, and affixed or stamped to the case A label or a mark indicating the solid characteristic information of the switching element, and the microcomputer of the control board stores the solid characteristic information of the switching element read from the label or mark. .
この発明に係る電力変換装置は上記のように構成され、スイッチング素子の個体特性に応じてスイッチング素子駆動回路を調整することができるため、スイッチング損失及び放射ノイズを低減することができる。また、パワーモジュールの完成品テストで実施される特性テストにおいて得られた情報をマイコンに書き込むようにしているため、従来のようにスイッチング素子の物理量を測定する回路を必要とせず、小型で安価な電力変換装置を構成することができる。 The power conversion device according to the present invention is configured as described above, and the switching element driving circuit can be adjusted according to the individual characteristics of the switching elements, so that switching loss and radiation noise can be reduced. In addition, since the information obtained in the characteristic test performed in the finished product test of the power module is written in the microcomputer, it does not require a circuit for measuring the physical quantity of the switching element as in the past, and is small and inexpensive. A power converter can be constituted.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。図1は、実施の形態1によるパワーモジュールの外観構成を示す正面図、図2は、パワーモジュールの回路構成を示す図で、図1と同一部分は同一符号で示している。
パワーモジュールの回路は、図2に示すように、スイッチング素子としての第1のIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)4aと第1のフライホイールダイオード5aとの並列接続体に対して、同じくスイッチング素子としての第2のIGBT4bと第2のフライホイールダイオード5bとの並列接続体を直列接続して構成されている。
As shown in FIG. 2, the circuit of the power module is the same as the switching element for the parallel connection body of the first IGBT (insulated gate bipolar transistor) 4a as the switching element and the
Pは第1のIGBT4aの外部直流端子、Nは第2のIGBT4bの外部直流端子、ACは第1のIGBT4aと第2のIGBT4bとの接続点から取り出される交流端子、G1は第1のIGBT4aのゲート端子、G2は第2のIGBT4bのゲート端子、E1は第1のIGBT4aのエミッタ端子、E2は第2のIGBT4bのエミッタ端子である。
P is the external DC terminal of the
このように構成されたパワーモジュールを例えば3個並列接続し、各パワーモジュールのP端子とN端子との間に直流を印加すると共に、各IGBTのG1−E1間及びG2−E2間に与えられる電圧によって各スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、3個のパワーモジュールの各AC端子から3相交流を取り出すように構成して直流を交流に変換するインバータ等の電力変換装置として使用されるものである。インバータの具体例については後述する。 For example, three power modules configured in this way are connected in parallel, and a direct current is applied between the P terminal and the N terminal of each power module, and is applied between G1-E1 and G2-E2 of each IGBT. It is used as a power conversion device such as an inverter for converting direct current into alternating current by taking out three-phase alternating current from each AC terminal of three power modules by controlling on / off of each switching element by voltage. Is. Specific examples of the inverter will be described later.
また、図1における1は上述したパワーモジュールの回路を収容するケース、2はパワーモジュールを構成するスイッチング素子(IGBT)の個体特性情報をバーコードや2次元コード、数値などで表示したラベルで、ケース1上に貼付またはレーザーマークされている。個体特性情報としては、パワーモジュールのオンしきい値電圧Vthや、ターンオン時のスイッチング損失EON、ターンオフ時のスイッチング損失EOFF、ゲート−エミッタ容量CGEなどが、例えば図3に示されるような形で表示されている。
Further, 1 in FIG. 1 is a case that accommodates the above-described power module circuit, and 2 is a label that displays individual characteristic information of a switching element (IGBT) that constitutes the power module in a barcode, a two-dimensional code, a numerical value, and the like. Affixed or laser-marked on
図4は、図1に示すパワーモジュールを3個使用して3相PWMインバータを構成した例
を示す電力変換装置の構成図である。各パワーモジュールは冷却器6上に並設され、それぞれの直流端子P、Nをバスバー7を介して外部直流端子8に接続すると共に、各パワーモジュールの交流端子ACを、それぞれバスバー9a、9b、9cを介して外部交流端子U、V、Wに接続している。10a、10b、10cはバスバー9a、9b、9c上にそれぞれ設けられた3相電流測定用の電流センサーである。
FIG. 4 is a configuration diagram of a power conversion device showing an example in which a three-phase PWM inverter is configured using three power modules shown in FIG. Each power module is juxtaposed on the
図5は、図4の装置上に装着された制御基板11を示す正面図である。制御基板11上には各スイッチング素子を駆動するためのIC12や電力変換制御を行うためのマイコン13が搭載されている。制御基板11は各パワーモジュールに貼付されたラベル2の個体特性情報を読み取った後に装着され、読み取った個体特性情報はマイコン13に記憶させている。
FIG. 5 is a front view showing the
ラベル2に表示された個体特性は、パワーモジュール単体の完成時に実施されるパワーモジュール単体ごとの完成品テストで実施される特性テストにおいて得られた情報とされている。
The individual characteristic displayed on the
電力変換装置の製造においては、電力変換装置が完成した時点で初めて良品判定テストを実施したのでは、スイッチング素子が不良であった場合に基板やケースなどを全て分解してパワーモジュールを組み替えなければならず、サルベージ工数が増えるため、まずパワーモジュール単体で良品判定テストを実施するのが一般的である。 In the manufacture of power converters, the first non-defective test was performed when the power converter was completed. If the switching element is defective, the power module must be reassembled by disassembling all the boards and cases. However, since the number of salvage man-hours increases, it is common to first perform a non-defective product determination test with a single power module.
通常、パワーモジュール単体での良品判定テストは、オンしきい値電圧Vthや、ターン
オン時のスイッチング損失EON、ターンオフ時のスイッチング損失EOFFなどを測定する。
そのデータを図3に示すような形でラベル2に表示し、その内容をマイコン13に記憶させることで従来例に比してスイッチング素子の物理量を測定する回路の分だけ小型化、低
コスト化した電力変換装置とすることができる。
Normally, the non-defective product determination test for the power module alone measures the ON threshold voltage Vth, the switching loss E ON at turn-on, the switching loss E OFF at turn- off, and the like.
The data is displayed on the
ここで、スイッチング素子のターンオン時におけるオンしきい値電圧Vthとスイッチン
グ素子のゲートへの充電電流、スイッチング損失、放射ノイズの関係について説明する。図6は、スイッチング素子のターンオン時における充電電流の経路を示す図で、図7は、スイッチング素子のターンオン時の動作説明用の図である。
Here, the relationship between the ON threshold voltage Vth when the switching element is turned on, the charging current to the gate of the switching element, the switching loss, and the radiation noise will be described. FIG. 6 is a diagram showing a path of a charging current when the switching element is turned on, and FIG. 7 is a diagram for explaining an operation when the switching element is turned on.
図7におけるミラー電圧は、ほぼオンしきい値電圧Vthと等しくなるため、スイッチン
グ素子のゲートへの充電電流は以下の式で求めることができる。
Since the mirror voltage in FIG. 7 is substantially equal to the ON threshold voltage Vth, the charging current to the gate of the switching element can be obtained by the following equation.
ターンオン時におけるオンしきい値電圧Vthと充電電流、スイッチング損失、放射ノイ
ズとの関係は次のようになる。
Vth大→充電電流小、スイッチング損失大、放射ノイズ小
Vth小→充電電流大、スイッチング損失小、放射ノイズ大
The relationship between the turn-on threshold voltage Vth and the charging current, switching loss, and radiation noise is as follows.
Large Vth → Small charging current, Large switching loss, Small radiation noise
Small Vth → Large charging current, Small switching loss, Large radiation noise
オンしきい値電圧Vthが大きい場合は、(1)式におけるゲート電源の正側バイアス電
圧VG+を大きくする、あるいはゲートオン抵抗Rgonをレーザートリミングなどにより抵抗値を小さくすることにより、放射ノイズの許容範囲まで充電電流を大きくすることができ、スイッチング損失を低減することができる。
If the on-threshold voltage Vth is large, increase the positive bias voltage VG + of the gate power supply in equation (1), or reduce the resistance value of the gate-on resistance Rgon by laser trimming, etc. The charging current can be increased until the switching loss can be reduced.
他方、オンしきい値電圧Vthが小さい場合は、(1)式におけるゲート電源の正側バイ
アス電圧VG+を小さくする、あるいはゲートオン抵抗Rgonをレーザートリミングなどにより抵抗値を大きくすることにより、ターンオン時のスイッチング損失の許容範囲まで充電電流を小さくすることができ、放射ノイズを低減することができる。
On the other hand, when the ON threshold voltage Vth is small, the positive bias voltage VG + of the gate power supply in equation (1) is reduced, or the gate ON resistance Rgon is increased by laser trimming, etc. The charging current can be reduced to an allowable range of switching loss, and radiation noise can be reduced.
次に、スイッチング素子のターンオフ時におけるオンしきい値電圧Vthとスイッチング
素子のゲートからの放電電流、スイッチング損失、放射ノイズの関係について説明する。図8は、スイッチング素子のターンオフ時における放電電流の経路を示す図で、図9は、スイッチング素子のターンオフ時の動作説明用の図である。
Next, the relationship between the ON threshold voltage Vth when the switching element is turned off, the discharge current from the gate of the switching element, the switching loss, and the radiation noise will be described. FIG. 8 is a diagram showing a path of a discharge current when the switching element is turned off, and FIG. 9 is a diagram for explaining an operation when the switching element is turned off.
図9におけるミラー電圧は、ほぼオンしきい値電圧Vthと等しくなるため、スイッチン
グ素子のゲートからの放電電流は以下の式で求めることができる。
Since the mirror voltage in FIG. 9 is substantially equal to the ON threshold voltage Vth, the discharge current from the gate of the switching element can be obtained by the following equation.
ターンオフ時におけるオンしきい値電圧Vthと放電電流、スイッチング損失、放射ノイ
ズとの関係は次のようになる。
Vth大→放電電流大、スイッチング損失小、放射ノイズ大
Vth小→放電電流小、スイッチング損失大、放射ノイズ小
The relationship between the ON threshold voltage Vth and the discharge current, switching loss, and radiation noise at turn-off is as follows.
Large Vth → Large discharge current, Small switching loss, Large radiation noise
Small Vth → Small discharge current, Large switching loss, Small radiation noise
オンしきい値電圧Vthが大きい場合は、(2)式におけるゲート電源の負側バイアス電
圧VG−を小さくする、あるいはゲートオフ抵抗Rgoffをレーザートリミングなどにより抵
抗値を大きくすることにより、ターンオフ時のスイッチング損失の許容範囲まで放電電流を小さくすることができ、放射ノイズを低減することができる。
When the on-threshold voltage Vth is large, switching at turn-off by reducing the negative bias voltage VG− of the gate power supply in equation (2) or increasing the gate-off resistance Rgoff by laser trimming or the like. The discharge current can be reduced to the allowable range of loss, and radiation noise can be reduced.
他方、オンしきい値電圧Vthが小さい場合は、(2)式におけるゲート電源の負側バイ
アス電圧VG−を大きくする、あるいはゲートオフ抵抗Rgoffをレーザートリミングなどに
より抵抗値を小さくすることにより、放射ノイズの許容範囲まで放電電流を大きくすることができ、ターンオフ時のスイッチング損失を低減することができる。
On the other hand, when the on-threshold voltage Vth is small, radiation noise is generated by increasing the negative bias voltage VG− of the gate power supply in the equation (2) or by reducing the resistance value of the gate-off resistance Rgoff by laser trimming or the like. The discharge current can be increased up to the permissible range, and the switching loss at turn-off can be reduced.
次に、ゲート電源電圧を調整する方法の具体例について説明する。図10は、実施の形態1におけるゲート電源正側電圧を調整する回路図である。IGBTのラベルから個体特性情報を記憶したマイコン13は、個体特性情報に応じたディジタル信号をD/Aコンバータ14に出力する。D/Aコンバータ14からの出力値をマイコン13に記憶された個体特性情報によって調整することにより、ゲート電源正側電圧15を調整することが可能となる。16は絶縁型トランスである。
Next, a specific example of a method for adjusting the gate power supply voltage will be described. FIG. 10 is a circuit diagram for adjusting the gate power supply positive side voltage in the first embodiment. The
1 ケース、 2 ラベル、 4a、4b 第1、第2のIGBT、 5a、5b 第1、第2のフライホイールダイオード、 6 冷却器、 7 バスバー、 8 外部直流端子
、
9a、9b、9c バスバー、 10a、10b、10c 電流センサー、 11 制御基板、
12 スイッチング素子駆動IC、 13 マイコン、 14 D/Aコンバータ、
15 ゲート電源正側電圧、 16 絶縁型トランス。
1 Case, 2 Label, 4a, 4b 1st, 2nd IGBT, 5a, 5b 1st, 2nd flywheel diode, 6 Cooler, 7 Busbar, 8 External DC terminal,
9a, 9b, 9c bus bar, 10a, 10b, 10c current sensor, 11 control board,
12 switching element drive IC, 13 microcomputer, 14 D / A converter,
15 Gate power supply positive side voltage, 16 Insulated transformer.
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