JP6282213B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置のゲート駆動回路において、IGBT等のパワー半導体素子２００(図２参照)のゲート駆動電圧は、正バイアス電圧のみ(例えば0V〜+15V)が印加される場合と、誤点弧を防止するために負バイアス電圧を含む電圧(例えば-15V〜+15V)が印加される場合とがある。近年、パワー半導体素子２００のスイッチング損失低減に伴い、スイッチングスピードの速いパワー半導体素子２００が開発されているが、スイッチングスピードの高速化が進むことは、dv/dtの上昇による対アームの誤点弧を引き起こす懸念がある。
負バイアス電圧を含むゲート駆動電圧でゲート駆動される場合、負バイアス電圧の生成には、特開2012-90435や特開2007-28899に記載されているように、トランス等から出力される絶縁された2次側出力電圧を抵抗器とツェナーダイオードとで分圧する方法が用いられている。
このような構成において、一般的にツェナーダイオードはツェナー電圧5.6Vを境として、5.6V以下では負の温度係数を有し、5.6V以上では正の温度係数を有するため、使用するツェナーダイオードのツェナー電圧によっては、使用温度・周囲温度でゲート駆動電圧にばらつきが発生する問題があった。
ゲート駆動電圧のばらつきは、電力変換装置の電力損失等の駆動特性に影響する。そのため、公知例に示されるように、トランス等から出力される絶縁された2次側出力電圧は、正バイアス電圧を抵抗器で、負バイアス電圧をばらつきの小さいツェナー電圧5.6V前後のツェナーダイオードで分圧している。

特開2012-90435号公報 特開2007-28899号公報

本発明の課題は、負バイアス電圧を有するIGBTなどのパワー半導体素子用ゲート駆動回路においてパワー半導体素子の使用条件に対して温度特性を適合させた信頼性の高い電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、直流電流を複数相の交流電流に変換する複数のパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、絶縁されたゲート駆動電圧を前記ゲート駆動回路に供給するフライバック電源回路と、を備え、前記フライバック電源回路は、絶縁電圧を出力する複数の２次側電圧出力回路を備え、前記２次側電圧出力回路は、出力電圧を正バイアスと負バイアスに分圧するツェナーダイオードと抵抗器を備え、出力電圧を前記ツェナーダイオードで正バイアス電圧に、前記抵抗器で負バイアス電圧にそれぞれ分圧し、前記複数の2次側電圧出力回路１１０の内少なくとも1つは、前記フライバック電源回路の1次側制御回路へ帰還されるフィードバック回路を構成し、前記フライバック電源回路は、前記ツェナーダイオードの温度特性によるツェナー電圧の変化を含むフィードバック電圧を帰還し、前記複数の2次側電圧出力回路に正バイアスまたは負バイアスの電圧を出力する。

本発明により、ツェナーダイオードの環境条件による特性変化に対応させ、信頼性を高めることができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置のフライバック電源回路５００の回路図である。 本実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 第１の実施形態に係る2次側出力電圧−温度特性図である。 第２の実施形態を示す電力変換装置のフライバック電源回路５０２の回路構成図である。 第２の実施形態に係る2次側電圧−温度特性図である。 第３の実施形態を示す電力変換装置のフライバック電源回路５０３である。 第４の実施形態に係る電力変換装置のフライバック電源回路５０４である。 ツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ正の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。 ツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ負の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。 ツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが正の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。 ツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが負の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。

本発明の実施するための形態を図面を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置のフライバック電源回路５００の回路図である。

直流電源４００は、フライバック電源回路５００に電力を供給する直流電源であり、車両内のバッテリから直接または他の回路基板で生成された電圧を供給する。キャパシタ４０１は、電源またはバッテリから供給される電圧を平滑するとともに、フライバック電源回路５００の1次側スイッチング時に流れる電流を供給する。

制御IC４０２は、フライバック電源回路５００をコントロールする制御ICであり、フィードバック電圧４０７を受け、スイッチング素子４０４へ入力されるゲート信号のパルス幅(デューティ)を制御して出力する。ゲート抵抗４０３は、スイッチング素子４０４のスイッチングスピードやゲート端子に入力される電流を制限する。
スイッチング素子４０４は、フライバック電源回路５００におけるトランス４０６の1次側入力相巻線に流れる電流を開放・遮断する。抵抗器４０５は、トランス４０６の1次側入力相巻線およびスイッチング素子４０４に流れる電流を検出するための抵抗である。
トランス４０６は、1次側入力相巻線と複数の2次側出力相巻線から構成され、直流電源４００から供給される電力をスイッチング素子４０４を開放・遮断することによって、エネルギの蓄積と放出を繰り返して電力を1次側から2次側へ絶縁伝達する。 トランス４０６の1次側入力相電圧と個々の2次側出力相電圧は、絶縁された個別の電位を有する。
フィードバック回路５０１においてフィードバック電圧４０７は、制御ＩＣ４０２に帰還される電圧であり、トランス４０６がフィードバック回路５０１に出力する２次側電圧を分圧抵抗１７０で分圧した電圧を元に制御ＩＣ４０２はスイッチング素子４０４を駆動するパルス幅を制御する。

２次側電圧出力回路１１０は、トランス４０６の２次側出力巻線のトランス２次側出力電圧を整流するダイオード１５２と、トランス２次側出力電圧を平滑するキャパシタ１５３から構成され、トランス２次側出力電圧を直流電圧として出力する。また、２次側電圧出力回路１１０のトランス２次側出力電圧は、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１により、正バイアスと負バイアスに分圧される。ツェナーダイオード１５０は、トランス４０６からの２次側出力電圧を正バイアスに分圧する。抵抗１５１は、トランス４０６からの２次側出力電圧を負バイアスに分圧にする。
ゲート駆動回路１００は、プリドライバIC、バッファトランジスタ、ゲート抵抗、ゲートシンク回路、過電流検出回路などから構成され、パワー半導体素子２００を制御する。
図２は、 本実施形態に係る電力変換装置の回路図である。
直流電源１は、モータ３００の力行および回生時にモータ３００に電力を授受する。キャパシタ２は、直流電源１の電圧または電流を平滑する平滑する。ゲート駆動回路１００は、上位コントローラからのPWM信号に従い、パワー半導体素子２００の開放・遮断を制御する回路である。ゲート駆動回路１００は、各々が絶縁されたゲート駆動電圧を有する。パワー半導体素子２００は、ゲート駆動回路１００から出力されるゲート信号により、開放・遮断を制御されるIGBTである 。パワー半導体素子２０１は、対となるパワー半導体素子２００の開放時に還流電流を流すためのダイオードである。
図３は、第１の実施形態に係る2次側出力電圧−温度特性図である。VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した電圧を示す。
VCC_OUTは、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１で分圧されているため、VCC_OUT=VCC_P+VCC_N の関係式が成り立つ。そのため、ツェナーダイオード１５０のツェナー電圧Vzの温度変化に伴い、VCC_Pが変化することで、VCC_Nも追従して変化する。

一般的にツェナー電圧が5.6Vを越えるツェナーダイオードではツェナー電圧の温度係数は正となる。パワー半導体素子２００のゲート駆動電圧の正バイアス電圧は、15V程度であり、本実施形態では、この正バイアス電圧を確保するために使用するツェナーダイオード１５０のツェナー電圧は正の温度係数を有する事となる。

一方、トランス４０６からの2次側出力電圧(VCC_OUT)は、制御ＩＣ４０２を含む1次側制御回路でほぼ一定に維持されている。

従って、使用（雰囲気）温度の上昇に伴い、ツェナーダイオード１５０で分圧された電圧(VCC_P)は上昇する。
他方、抵抗器１５１で分圧される電圧(VCC_N)は、トランス４０６の2次側出力電圧(VCC_OUT)とツェナーダイオード１５０で分圧される電圧(VCC_P)との差分(VCC_OUT-VCC_P)になり、抵抗器１５１で分圧される電圧(VCC_N)は、ツェナーダイオード１５０で分圧される電圧(VCC_P)の増減とは逆に変動する。
ここで本構成のように正バイアス側をツェナーダイオード１５０で分圧することは、以下のような長所を有する。
まず、高温においてゲート駆動電圧が上がる事によりパワー半導体素子２００のスイッチングスピードを上昇させるとともに飽和電圧を低減し、パワー半導体素子２００の損失を低減することができる。
これにより高温環境下において、パワー半導体素子２００の発熱を抑え、過温度による破壊を避けることができる。

またIGBTの耐電圧は低温で下がるが、低温におけてゲート駆動電圧が下がる事によりパワー半導体素子２００のサージ電圧を低減することができ、過電圧による破壊を避けることができる。

図４は、第２の実施形態を示す電力変換装置のフライバック電源回路５０２の回路構成図である。第１の実施形態と異なる点は、フィードバック電圧回路５０１は、２次側電圧出力回路１１０の内の少なくとも１つを含み、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１で２次側出力電圧を分圧する。

ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１は、出力電圧の正極側からツェナーダイオード１５０、抵抗器１５１の順で接続される。抵抗１７０は、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１で分圧された電圧を、フィードバック電圧４０７に分圧する抵抗器である。抵抗１７０は、抵抗器１５１の両端電圧を、制御IC４０２に入力できるレベルに分圧する。

図５は、第２の実施形態に係る2次側電圧−温度特性図である。VCC_OUTは2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した正バイアス電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した負バイアス電圧を示す。

負バイアス電圧VCC_Nは、フィードバック電圧VFB４０７の変化に追従して補正されることで一定に保たれる。

ここで前記第１の実施形態で起こりえる負バイアス電圧(VCC_N)の減少は、パワー半導体素子２００のゲート閾値電圧からのマージン低減につながり、高速スイッチングに伴うdv/dtによる帰還容量を経由したノイズ電流の流入でゲート駆動電圧の持ち上がりによるパワー半導体素子２００の誤点弧を引き起こす可能性が高まるが、本実施形態においてはVCC_Nが減少する事がなく、それを回避することが可能となる。

図６は、第３の実施形態を示す電力変換装置のフライバック電源回路５０３である。
第２の実施形態と異なる点は、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１は、出力電圧の正極側から抵抗器１５１、ツェナーダイオード１５０の順で接続される。第３の実施形態の特性は、図５に示された特性と同様である。

図７は、第４の実施形態に係る電力変換装置のフライバック電源回路５０４である。
第３の実施形態と異なる点は、ツェナーダイオード１５０aは、トランス４０６からの２次側出力電圧を負バイアスに分圧する。抵抗１５１は、トランス４０６からの２次側出力電圧を正バイアス分圧する。ツェナーダイオード１５０bは、フィードバック電圧回路５０１に備えるツェナーダイオードであり、トランス４０６からの２次側出力電圧を抵抗器１５１とで分圧する。

ツェナーダイオード１５０a および ツェナーダイオード１５０bは、ツェナー電圧(温度係数)が同じもしくは異なるツェナーダイオードである。

ツェナーダイオード１５０bと抵抗器１５１は、フィードバック電圧回路５０１において、出力電圧の正極側から抵抗器１５１、ツェナーダイオード１５０bの順で接続される。または、ツェナーダイオード１５０bと抵抗器１５１は、出力電圧の正極側からツェナーダイオード１５０b、抵抗器１５１の順で接続されても良い。
抵抗１７０は、ツェナーダイオード１５０と抵抗器１５１で分圧された電圧を、フィードバック電圧４０７に分圧する抵抗器である。抵抗１７０は、抵抗器１５１の両端電圧を、制御IC４０２に入力できるレベルに分圧する。 すなわち本実施形態においては第１〜３の実施例と異なり、フィードバック回路５０１は正バイアス電圧をフィードバックする。

図８(a)ないし(d)は、本発明の第４の実施形態に係る2次側電圧と温度の相関を示す。 図８(a)は、ツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ正の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。

VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した正バイアス電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した負バイアス電圧を示す。

ここではツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ正の温度係数を有するので、温度変化に対してVCC_N（の絶対値）は正の温度係数を有し、VCC_Pはほぼ一定となる。またVCC_OUTも正の温度係数を有する。

すなわち温度変化によって負バイアス電圧(VCC_N)が増減しても、正バイアス電圧(VCC_P)を一定に保つことができるのでパワー半導体のスイッチング特性において温度による影響を小さくできる。

図８(b)は、ツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ負の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。 VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した正バイアス電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した負バイアス電圧を示す。

ここではツェナーダイオード１５０aと１５０bが同じ負の温度係数を有するので、温度変化に対してVCC_N（の絶対値）は負の温度係数を有し、VCC_Pはほぼ一定となる。またVCC_OUTも負の温度係数を有する。

すなわち、温度変化によって負バイアス電圧(VCC_N)が増減しても、正バイアス電圧(VCC_P)を一定に保つことができるとともに高温でVCC_OUTが低減するので電源回路の消費電力を低減させ電源回路の温度ストレスを軽減できる。

図８(c)は、ツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが正の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した正バイアス電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した負バイアス電圧を示す。

ここではツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが正の温度係数を有するので、フィードバック回路５０１では温度変化に対してVCC_N（の絶対値）は正の温度係数を有し、VCC_Pはほぼ一定となり、VCC_OUTは正の温度係数を有するが、ゲート回路の２次側電源出力においてはVCC_N（の絶対値）はほぼ一定であり、VCC_OUTはフィードバック回路５０１同様に正の温度係数を有するのでVCC_Pは正の温度係数を有することになる。

すなわち温度変化によって負バイアス電圧(VCC_N)を一定に保ちパワー半導体素子２００の誤点弧を回避できるとともに、高温で正バイアス電圧(VCC_P)を上昇できるのでパワー半導体素子２００のスイッチングスピードを上昇させるとともに飽和電圧を低減し、パワー半導体素子２００の損失を低減することができる。これにより高温環境下において、パワー半導体素子２００の発熱を抑え、過温度による破壊を避けることができる。

図８(d)は、ツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが負の温度係数を有する場合の2次側出力電圧-温度特性を示す。VCC_OUTは、2次側電圧出力回路１１０からの出力電圧を示す。VFBは、制御IC４０２へのフィードバック電圧４０７を示す。VCC_Pは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧を抵抗器１５１で分圧した正バイアス電圧を示す。VCC_Nは、2次側電圧出力回路１１０から出力される電圧をツェナーダイオード１５０で分圧した負バイアス電圧を示す。
ここではツェナーダイオード１５０aがツェナー電圧5.6Vまたはそれ未満であり小さい温度係数を有するもの、１５０bが負の温度係数を有するので、フィードバック回路５０１では温度変化に対してVCC_N（の絶対値）は負の温度係数を有し、VCC_Pはほぼ一定となり、VCC_OUTは負の温度係数を有するが、ゲート回路の２次側電源出力においてはVCC_N（の絶対値）はほぼ一定であり、VCC_OUTはフィードバック回路５０１同様に負の温度係数を有するのでVCC_Pは負の温度係数を有することになる。

すなわち温度変化によって負バイアス電圧(VCC_N)を一定に保ちパワー半導体素子２００の誤点弧を回避できるとともに、高温でVCC_OUTを低減できるので電源回路の消費電力を低減させ電源回路の温度ストレスを軽減できる。

１…直流電源、２…キャパシタ、１００…ゲート駆動回路、１１０…２次側電圧出力回路、１５０…ツェナーダイオード、１５０a…ツェナーダイオード、１５０b…ツェナーダイオード、１５１…抵抗器、１５２…ダイオード、１７０…抵抗、２００…パワー半導体素子、２０１…パワー半導体素子、３００…モータ、４００…直流電源、４０１…キャパシタ、４０２…制御IC、４０３…ゲート抵抗、４０４…スイッチング素子、４０６…トランス、４０７…フィードバック電圧、５００…フライバック電源回路、５０１…フィードバック電圧回路、５０２…フライバック電源回路、５０３…フライバック電源回路、５０４…フライバック電源回路

Claims (2)

1. 直流電流を複数相の交流電流に変換する複数のパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、
   絶縁されたゲート駆動電圧を前記ゲート駆動回路に供給するフライバック電源回路と、
   を備え、
   前記フライバック電源回路は、絶縁電圧を出力する複数の２次側電圧出力回路を備え、
   前記２次側電圧出力回路は、出力電圧を正バイアスと負バイアスに分圧するツェナーダイオードと抵抗器を備え、出力電圧を前記ツェナーダイオードで正バイアス電圧に、前記抵抗器で負バイアス電圧にそれぞれ分圧し、
   前記複数の2次側電圧出力回路１１０の内少なくとも1つは、前記フライバック電源回路の1次側制御回路へ帰還されるフィードバック回路を構成し、
   前記フライバック電源回路は、前記ツェナーダイオードの温度特性によるツェナー電圧の変化を含むフィードバック電圧を帰還し、前記複数の2次側電圧出力回路に正バイアスまたは負バイアスの電圧を出力する電力変換装置。
2. 直流電流を複数相交流電流に変換する複数のパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を駆動するゲート駆動回路と、
   前記ゲート駆動回路に絶縁されたゲート駆動電圧を供給するフライバック電源回路とを備え、
   前記フライバック電源回路は、絶縁電圧を出力する複数の2次側電圧出力回路を備え、
   前記2次側電圧出力回路は、出力電圧を正バイアス電圧に分圧する抵抗器と、負バイアス電圧に分圧するツェナーダイオードとを備え、
   前記複数の2次側電圧出力回路の内少なくとも1つは、前記フライバック電源回路の1次側制御回路へ帰還されるフィードバック回路を有し、
   前記フライバック電源回路は、前記ツェナーダイオードの温度特性によるツェナー電圧の変化を含むフィードバック電圧を帰還し、前記複数の2次側電圧出力回路に正バイアスまたは負バイアスの電圧を出力する電力変換装置。