JP5717915B2

JP5717915B2 - 電力用スイッチング回路

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Publication number: JP5717915B2
Application number: JP2014500648A
Authority: JP
Inventors: 中山　靖; 靖中山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: DE112013001123B4; US9281680B2; US20140321012A1; DE112013001123T5; WO2013125366A1; CN104205591B; JPWO2013125366A1; CN104205591A

Description

この発明は、センススイッチング素子を備えた電力用半導体素子に過電流が流れた場合に、電力用半導体素子中のスイッチング素子と並列に接続されたダイオードを保護するための電力用スイッチング回路に関するものである。

従来の電力用スイッチング回路の保護に関して、例えば、特許文献１には、インバータ装置の過電流保護に関するものが示されている。この特許文献１では、過電流が流れた場合にはゲート電圧制御回路が作動し、作動中は出力遮断信号が電流を急激に遮断しないようにしている。また、過電流保護動作時には、全スイッチング素子をオフするようにしている。

また、例えば特許文献２には、誘導性負荷を駆動する場合において、スイッチング素子の順方向とは逆方向に電流が流れる還流モード時にスイッチング素子をオン駆動させ、スイッチング素子における電圧降下を極力低減する同期整流方式が記載されている。また、この同期整流方式において、デッドタイムを最小限に短縮し、それにより、フリーホイールダイオードを削減することが可能であることが記載されている。

電力用半導体素子は一定電流以上の過電流が流れた場合に素子が破壊する可能性があり、過電流からの保護機能が必要とされる。過電流保護機能としては、主電流が流れるメインスイッチング素子と主電流の一部を分流するセンススイッチング素子を有し、センススイッチング素子に流れる電流を検出して、電流を遮断する方式が一般に知られている。例えば特許文献３では、メインスイッチング素子であるメイントランジスタとセンススイッチング素子であるセンストランジスタのゲートを独立させた方式を開示しているが、特許文献３の従来例には、ゲートを共通にした場合等も記載されている。

特開平０６−０５４５５２号公報特開２００８−２１１７０３号公報特開平６−７７７９６号公報

特許文献１のように、過電流時に全スイッチング素子をオフすると、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードにのみ過電流が流れ、ダイオードが劣化する可能性がある。また、特許文献２に示されたような同期整流方式を用いる場合、特にフリーホイールダイオードを削減し、ボディダイオードに電流を流す場合には、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードの過電流耐量が低いと、ダイオードの劣化や、最悪の場合、破壊に至る可能性がある。さらに、特許文献３では過電流をセンストランジスタに流れる電流により検知し、電流を遮断する方式が示されているが、誘導性負荷を用いる場合には、遮断後に過電流がダイオードを通して流れてしまう。

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あり、過電流が発生した場合でも、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードに流れる電流を抑制し、特に過電流によるダイオードの劣化や破壊から保護することが可能な電力用スイッチング回路を得ることを目的としている。

この発明は、並列にメインボディダイオードが接続されたメインスイッチング素子と、並列にセンスボディダイオードが接続されたセンススイッチング素子とを備えた電力用半導体素子と、センススイッチング素子とセンスボディダイオードとの並列体に流れる電流のうち逆方向に流れる過電流を検出する逆方向過電流検出回路と、電力用半導体素子のゲートを駆動する制御回路とを備え、この制御回路は逆方向過電流検出回路が逆方向過電流を検出した場合に、メインスイッチング素子およびセンススイッチング素子をオンするように制御するようにしたものである。

この発明によれば、逆方向過電流を検出した場合に、メインスイッチング素子をオンするため、逆方向過電流はメインスイッチング素子とボディダイオードに分流して流れ、ボディダイオードを逆方向過電流から保護することができる。

この発明の実施の形態１による電力用スイッチング回路を示す回路図である。この発明による電力用スイッチング回路を適用する電力変換装置の一例を示す図である。この発明の実施の形態１による電力用スイッチング回路の動作を説明するタイムチャートである。この発明の実施の形態２による電力用スイッチング回路を示す回路図である。この発明の実施の形態３による電力用スイッチング回路を示す回路図である。この発明の実施の形態３による別の電力用スイッチング回路を示す回路図である。この発明の実施の形態４による電力用スイッチング回路を示す回路図である。この発明の実施の形態４による別の電力用スイッチング回路を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による電力用スイッチング回路を示す回路図である。ここでは、電力用半導体素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた電力用スイッチング回路１００を例として説明する。電力用スイッチング回路１００における電力用半導体素子１０は、メインスイッチング素子としてのメインＭＯＳＦＥＴ１と、このメインＭＯＳＦＥＴ１に並列に接続されたメインボディダイオード３、およびセンススイッチング素子としてのセンスＭＯＳＦＥＴ２と、このセンスＭＯＳＦＥＴ２に並列に接続されたセンスボディダイオード４を備えている。電力用スイッチング回路１００は、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２のオン、オフ動作を制御する制御回路５を備えている。さらに、電力用スイッチング回路１００は、センス抵抗６に流れる電流による電圧降下を入力して、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２の、矢印で示すＭＯＳＦＥＴの順方向（以下順方向とする）とは逆の、逆方向に流れる過電流を検出する逆方向過電流検出回路７を備えている。

メインＭＯＳＦＥＴ１はセンスＭＯＳＦＥＴ２に比べて多数のＭＯＳＦＥＴセルより構成されており、その比は例えば数千〜数万対１である。そのため、スイッチング素子を流れる電流はその比に応じてメインＭＯＳＦＥＴ１とセンスＭＯＳＦＥＴ２に分流して流れる。センスＭＯＳＦＥＴ２に直列に接続されたセンス抵抗６の電圧降下により、センスＭＯＳＦＥＴ２に流れる電流を検出し、センスセル比に応じた分流比から、主電流を検出することができる。また、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２はそれぞれメインボディダイオード３、センスボディダイオード４を備えているため、メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２がオフ状態の時にこれらボディダイオードに流れる電流、すなわち逆方向電流も検出することができる。

逆方向過電流検出回路７はセンス抵抗６の電圧降下によって、逆方向に過電流が流れているか否かを検出するもので、一般的な比較回路で構成できる。例えば、過電流検知レベルを設定する基準電圧とセンス抵抗の電圧を比較するコンパレータ等で構成することができる。なお、ここではセンスボディダイオードを流れる電流を電圧に変換するためにセンス抵抗を用いているが、センスボディダイオードに流れる電流を検出できればよく、必ずしもセンス抵抗を用いた回路である必要はなく、例えばオペアンプのイマジナリーショートを利用した回路などでも良い。

本実施の形態１による電力用スイッチング回路の動作について、図１、図２および図３を用いて説明する。図２は、図１に示す電力用スイッチング回路１００を６個、すなわち電力用スイッチング回路（以下アームと称する。）１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆを用いて、三相インバータを構成し、直流電源９からの直流を交流に変換し、誘導性負荷８に電流を供給する電力変換装置の例である。このように誘導性負荷を駆動する電力変換装置では、例えば片アーム１００ａのスイッチング素子の順方向に過電流が流れ、保護のために過電流が流れているスイッチング素子をオフし、過電流を遮断した場合には、遮断後逆アーム１００ｂのダイオードに過電流が流れる。そのため、ダイオードの過電流耐量が低いと、ダイオードの劣化や、最悪の場合、破壊に至る可能性があるため、ダイオードを保護する必要がある。なお、図２の三相インバータは、本発明を適用する電力変換装置の一例として示したものであり、本発明は、コンバータやチョッパ等、インバータ以外の回路に適用することもできる。

図１に示す回路において、逆方向過電流が流れた場合、電流はメインボディダイオード３、センスボディダイオード４に分流して流れる。この時のセンス抵抗６の電圧降下は、正常動作時に逆方向に流れる電流によって生ずる電圧降下よりも大きくなるため、逆方向過電流検出回路７が過電流を検出することができ、検出信号が制御回路５に入力されて、制御回路５がメインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２をオンする。これらのスイッチング素子のオンにより、過電流はメインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２、メインボディダイオード３、センスボディダイオード４に分流して流れる。その結果、メインボディダイオード３、センスボディダイオード４に流れる電流は低下し、各ボディダイオードを過電流から保護することができる。また、電流が減衰すると、逆方向過電流検出回路７は逆方向過電流の検出を止め、制御回路５がスイッチング素子をオフすることで、再び順方向に電流が流れることなく、電流を遮断することができる。逆方向過電流検出回路７にヒステリシスを持たせて、逆方向過電流を検出するレベルよりも逆方向過電流の検出を止めるレベルを低く設定しても良い。

以上の動作を図３のタイムチャートを用いて詳しく説明する。図３は、上アームのアーム１００ａと、アーム１００ａと同じ出力端子に接続されている下アームのアーム１００ｂの動作を説明するタイムチャートである。ここで、アーム１００ａの各構成要素の符号には、図１の符号にａを、アーム１００ｂの各構成要素の符号には図１の符号にｂを付加して説明する。例えば、アーム１００ａの制御回路は制御回路５ａと表現する。

図３に示すアーム１００ａおよびアーム１００ｂの入力信号は、動作が正常な状態のオン−オフ信号であり、制御回路５ａの入力端子５０ａ、および制御回路５ｂの入力端子５０ｂに入力される。動作が正常な場合は、制御回路５ａおよび制御回路５ｂはこれらの入力信号に従ってそれぞれのスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴのオン−オフを制御する。時刻ｔ１でアーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａがオンとなり、電流が流れる。時刻ｔ２でアーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａをオフすると、アーム１００ａの電流は０となり、下アームのアーム１００ｂのボディダイオード３ｂおよび４ｂを通じて電流が流れる。アーム１００ｂの制御回路５ｂは、ボディダイオード３ｂおよび４ｂを通じて電流が流れ始めると同時にアーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオンさせる。ただし、アーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａとアーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂとが同時にオンしている時間が無いように、アーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂは、若干のデッドタイムを設けたのちにオンするようにする。なお、デッドタイム期間中のダイオード電流はＭＯＳＦＥＴがオンしていない場合に比べて大きいが、時間が短いため、図３では無視している。動作が正常な場合は、以上のような、アーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａとアーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂのオン−オフ動作が繰り返される。

図３に示すアーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ電流の波形のように、時刻ｔ３においてアーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａがオンした後、負荷の短絡などの何らかの異常のため、過電流が検出された場合、アーム１００ａの制御回路５ａは、時刻ｔ４においてアーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａを保護するために、このＭＯＳＦＥＴを強制的にオフする。なお、過電流の検出は、後述の実施の形態３や実施の形態４のような順方向過電流検出回路による検出の他、インバータの出力電流により検出しても良く、過電流を検出する周知の種々の方法を用いることができる。なお、図３ではアーム１００ａの入力信号は過電流検出時もオンのままであるが、外部回路によって過電流を検出し、オフする信号が入力されてもよい。

アーム１００ａのＭＯＳＦＥＴ１ａおよび２ａがオフすると、下アームのアーム１００ｂのボディダイオード３ｂおよび４ｂに過電流が流れる。図３に、アーム１００ｂのセンス抵抗６ｂに流れる電流、すなわちセンス電流を、アーム１００ｂのセンス電流として示している。このセンス電流の逆方向の値が所定の閾値Ｉｔｈ１よりも大きくなった場合に、逆方向過電流検出回路７ｂはボディダイオード３ｂおよび４ｂに逆方向過電流が流れたと検知し、検知信号がアーム１００ｂの制御回路５ｂに入力される。これにより、アーム１００ｂの制御回路５ｂは、アーム１００ｂの入力信号とは関係なく、アーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオンする。過電流を検知した後にＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオンするため、過電流を検知した時刻ｔ４からＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオンする時刻ｔ５は同時とはならないが、非常に短い時間、例えば数百ｎｓ〜数μｓ程度のタイムラグでＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオンできるため、ボディダイオード３ｂおよび４ｂは保護される。

アーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂがオンすると、図３に示すアーム１００ｂのダイオード電流およびアーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ電流で示すように、ボディダイオードとＭＯＳＦＥＴの両方に電流が分流するため、ダイオードに流れる電流値が低下し、ボディダイオードを保護することができる。その後、センス電流の絶対値がＩｔｈ２より小さくなるまで減衰した時点ｔ６でアーム１００ｂのＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオフする。ＭＯＳＦＥＴ１ｂおよび２ｂをオフすることで、再び順方向に電流が流れることなく、電流を遮断することができる。

なお、スイッチング素子としてはＭＯＳＦＥＴを用いた例を示したが、双方向にスイッチング可能な素子であれば良く、必ずしもＭＯＳＦＥＴである必要はない。また、スイッチング素子は珪素によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。また、スイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、ＭＯＳＦＥＴ等、双方向にスイッチング可能な素子の耐電圧が上がり、高電圧領域まで適用が可能となる。特に、スイッチング素子のボディダイオードの過電流耐量が低い場合には、本発明が有効となる。

実施の形態２．
図４に本発明の実施の形態２による電力用スイッチング回路の回路図を示す。実施の形態２では、実施の形態１の図１の回路に加え、電力用スイッチング回路１００は、フリーホイールダイオード２０がメインＭＯＳＦＥＴ１、メインボディダイオード３と並列に接続されている。フリーホイールダイオード２０を用いる場合には電流はメインボディダイオード３、センスボディダイオード４、およびフリーホイールダイオード２０に分流して流れるため、全体の損失を小さくできる等のメリットがある。また、同期整流の回路に適用した場合、電流はメインＭＯＳＦＥＴ１にも並列に流れるため、フリーホイールダイオード２０の小型化も可能となる。

フリーホイールダイオード２０を用いる場合、逆方向過電流はフリーホイールダイオード２０とメインボディダイオード３、センスボディダイオード４に分流して流れる。そのため、センスボディダイオード４に流れる電流は実施の形態１に比べ、小さくなるため、逆方向過電流を検出するレベルも実施の形態１に比べ低く設定してもよい。本実施の形態２においても、逆方向過電流より、保護が可能となり、フリーホイールダイオード、ボディダイオードを劣化や破壊から保護することが可能となる。

なお、フリーホイールダイオード２０にはＰｉＮダイオードやショットキーバリアダイオードが用いられる。また、スイッチング素子同様、フリーホイールダイオードも珪素によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成しても良い。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、許容電流密度が高く、電力損失も低いため、電力用半導体素子を用いた装置の小型化が可能となる。また、フリーホイールダイオードにワイドバンドギャップ半導体を用いた場合、ショットキーバリアダイオードの耐電圧が上がり、高電圧領域まで適用が可能となる。ショットキーバリアダイオードを用いる場合、過電流時のオン電圧が高いため、特に本発明の効果が大きくなる。

実施の形態３．
図５に本発明の実施の形態３による電力用スイッチング回路の回路図を示す。本実施の形態３では、電力用スイッチング回路１００は、実施の形態１に加え順方向過電流検出回路１１を備えている。順方向過電流検出回路１１はセンス抵抗６の電圧降下より、順方向の過電流が流れているか否かを検出するもので、例えば過電流検知レベルを設定する基準電圧とセンス抵抗の電圧を比較するコンパレータ等で構成される。メインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２の順方向に過電流が流れた場合、順方向過電流検出回路１１が過電流を検出し、制御回路５がメインＭＯＳＦＥＴ１、センスＭＯＳＦＥＴ２をオフする。オフする速度は正常動作時のオフの速度よりも遅い速度であっても良い。

なお、図６に示すように、フリーホイールダイオード２０を並列に設けた回路に、順方向過電流検出回路１１を備えても良いのは言うまでもない。本実施の形態３では、逆方向過電流に加え、順方向過電流からも保護が可能となる。また、本実施の形態３では順方向過電流と逆方向過電流を検出するために同一のセンスＭＯＳＦＥＴ、センスボディダイオードを用いているため、センスＭＯＳＦＥＴ、センスボディダイオードは一つで良く、回路が簡素化される。

実施の形態４．
図７に本発明の実施の形態４による電力用スイッチング回路の回路図を示す。本実施の形態４では逆方向過電流の検出は、センスＭＯＳＦＥＴ２、センスボディダイオード４、およびセンス抵抗６によって行い、順方向過電流の検出は、センスＭＯＳＦＥＴ１２、センスボディダイオード１３、およびセンス抵抗１４によって行っている。このように、順方向過電流の検出と逆方向過電流の検出に別々のセンスＭＯＳＦＥＴ、センスボディダイオードを用いている。このように、センススイッチング素子が複数のチップで構成される場合には、順方向過電流と逆方向過電流とを別々のチップを用いて検出する構成としても良い。また、その場合、順方向過電流検出と逆方向過電流検出とで同一構造のチップを用いても良いし、別構造、例えばセル比が異なるものを用いても良い。

なお、図８に示すように、本実施の形態４においても、フリーホイールダイオード２０を並列に設けた回路に、順方向過電流検出回路１１を備えても良いのは言うまでもない。本実施の形態４では、順方向、逆方向過電流からの保護が可能になることに加え、順方向過電流と逆方向過電流を別々のセンスＭＯＳＦＥＴ、センスダイオードによって検出するため、センス抵抗の設定等が個別にでき、設定が容易になる。

１：メインＭＯＳＦＥＴ（メインスイッチング素子）
２、１２：センスＭＯＳＦＥＴ（センススイッチング素子）
３：メインボディダイオード４、１３：センスボディダイオード
５：制御回路６、１４：センス抵抗
７：逆方向過電流検出回路１０：電力用半導体素子
１１：順方向過電流検出回路２０：フリーホイールダイオード
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ：電力用スイッチング回路

Claims

並列にメインボディダイオードが接続されたメインスイッチング素子と、並列にセンスボディダイオードが接続されたセンススイッチング素子とを備えた電力用半導体素子と、前記センススイッチング素子と前記センスボディダイオードとの並列体に流れる電流のうち逆方向に流れる過電流を検出する逆方向過電流検出回路と、前記電力用半導体素子のゲートを駆動する制御回路とを備え、この制御回路は前記逆方向過電流検出回路が逆方向過電流を検出した場合に、前記メインスイッチング素子および前記センススイッチング素子をオンするように制御することを特徴とする電力用スイッチング回路。
前記メインスイッチング素子と並列にフリーホイールダイオードが接続されたことを特徴とする請求項１に記載の電力用スイッチング回路。
前記制御回路は、前記メインスイッチング素子および前記センススイッチング素子をオンする制御後、前記逆方向過電流検出回路が、逆方向過電流が所定の値以下に減衰したことを検知した信号を受けて、前記メインスイッチング素子および前記センススイッチング素子をオフすることを特徴とする請求項１に記載の電力用スイッチング回路。
前記センススイッチング素子と前記センスボディダイオードとの並列体に流れる電流のうち順方向に流れる過電流を検出する順方向過電流検出回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用スイッチング回路。
前記逆方向過電流検出回路に接続される、前記センススイッチング素子と前記センスボディダイオードとの並列体と、前記順方向過電流検出回路に接続される、前記センススイッチング素子と前記センスボディダイオードとの並列体とは、別の並列体であることを特徴とする請求項４に記載の電力用スイッチング回路。
前記電力用半導体素子の少なくとも一部が珪素よりバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力用スイッチング回路。
前記フリーホイールダイオードが珪素よりバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力用スイッチング回路。
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかの半導体であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電力用スイッチング回路。