JP6456063B2 - Switching circuit - Google Patents
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Description
本発明は、フェーズシフト制御方式によるフルブリッジ型のスイッチング回路に関する。 The present invention relates to a full bridge type switching circuit using a phase shift control system.
従来、大容量のスイッチング回路としては、フルブリッジ型スイッチング回路が用いられている。図５に、従来のシリコンのＭＯＳ−ＦＥＴを用いたフルブリッジ型スイッチング回路の構成を示す。フルブリッジ型スイッチング回路は、第１のアーム上に２つのスイッチング素子Ａ、Ｂが配置され、第２のアーム上に２つのスイッチング素子Ｃ、Ｄが配置され、各アームの中点から出力する構成となっている。 Conventionally, full-bridge switching circuits are used as large-capacity switching circuits. FIG. 5 shows the configuration of a full-bridge switching circuit using a conventional silicon MOS-FET. The full-bridge type switching circuit is configured such that two switching elements A and B are arranged on the first arm and two switching elements C and D are arranged on the second arm and output from the middle point of each arm. It has become.
図６に、フルブリッジ型スイッチング回路の各スイッチング素子を制御するフェーズシフトＰＷＭ信号および出力電圧を示す。ここでは、スイッチング素子Ａ、Ｂのスイッチング動作時に出力が立ち上がり、スイッチング素子Ｃ、Ｄのスイッチング動作時に出力は立ち下がるよう制御している。 FIG. 6 shows a phase shift PWM signal and an output voltage for controlling each switching element of the full bridge type switching circuit. Here, control is performed so that the output rises during the switching operation of the switching elements A and B, and the output falls during the switching operation of the switching elements C and D.
一般に、フェーズシフト制御方式のフルブリッジ型スイッチング回路では、出力につながる負荷が純抵抗のときは、各スイッチング素子には順方向の電流だけが流れる。負荷がインダクタンス成分を持つときは、順方向の電流に加えて、スイッチング素子Ｃ、Ｄのスイッチング動作後にインダクタンスからスイッチング素子へと逆方向に回生される回生電流も流れる。さらに、負荷にインダクタンス成分と容量成分が含まれると、回生電流は共振現象によりスイッチング素子Ｃ、Ｄのスイッチング動作から次のスイッチング素子Ａ、Ｂのスイッチング動作までの間に逆方向から順方向に反転する。 In general, in a phase shift control type full bridge type switching circuit, when a load connected to an output is a pure resistance, only a forward current flows through each switching element. When the load has an inductance component, in addition to the forward current, a regenerative current regenerated in the reverse direction from the inductance to the switching element after the switching operation of the switching elements C and D also flows. Further, when the load includes an inductance component and a capacitance component, the regenerative current is reversed from the reverse direction to the forward direction from the switching operation of the switching elements C and D to the next switching operation of the switching elements A and B due to a resonance phenomenon. To do.
図７（ａ）〜（ｆ）に、フルブリッジ型スイッチング回路に抵抗成分、インダクタンス成分および容量成分が含まれる負荷が接続されているときの電流の流れを示す。図７（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ図６の期間１〜４に対応しており、図７（ｂ）、（ｅ）は回生電流が逆方向に流れている状態を示し、図７（ｃ）、（ｆ）は回生電流が順方向に反転した状態を示している。
7A to 7F show the flow of current when a load including a resistance component, an inductance component, and a capacitance component is connected to the full bridge type switching circuit. FIGS. 7A to 7F correspond to
回生電流はスイッチング素子に並列に接続されたダイオードを流れるが、上記の回生電流が反転して順方向に流れているときに第１のアーム上の２つのスイッチング素子Ａ、Ｂの一方がＯＮすると、同一アーム上の他方のＯＦＦしたスイッチング素子のダイオードにそのダイオードの逆回復特性に応じたリカバリ電流が流れる（図７（ａ）、（ｄ））。 The regenerative current flows through a diode connected in parallel to the switching element, but when one of the two switching elements A and B on the first arm is turned on when the regenerative current is reversed and flowing in the forward direction, A recovery current corresponding to the reverse recovery characteristic of the other switching element on the same arm flows in the diode of the other OFF switching element (FIGS. 7A and 7D).
しかしながら、リカバリ電流はダイオードにほぼ入力電源電圧と同じ電圧が印加しているときに電流が流れるため、リカバリ電流が流れている期間の電力損失は大きく、スイッチング回路の効率悪化の原因となり、場合によっては発熱でスイッチング素子が破壊されるという課題がある。 However, since the recovery current flows when almost the same voltage as the input power supply voltage is applied to the diode, the power loss during the recovery current flow is large, causing the efficiency of the switching circuit to deteriorate. Has a problem that the switching element is destroyed by heat generation.
高速のスイッチングが可能なスイッチング素子としてはＭＯＳ−ＦＥＴがある。しかし、ＭＯＳ−ＦＥＴには内部にスイッチング素子と逆方向に寄生ダイオードが製造過程で出来てしまい、ＯＮ抵抗などのスイッチング特性を良くすると、寄生ダイオードの逆回復特性が悪くなるという傾向がある。このように、ＭＯＳ−ＦＥＴには、スイッチング損失は小さいが、リカバリ電流による損失が大きいという課題がある。 There is a MOS-FET as a switching element capable of high-speed switching. However, in the MOS-FET, a parasitic diode is formed in the manufacturing process in the direction opposite to the switching element, and if the switching characteristics such as the ON resistance are improved, the reverse recovery characteristic of the parasitic diode tends to be deteriorated. As described above, the MOS-FET has a problem that the switching loss is small but the loss due to the recovery current is large.
他のスイッチング素子としてはＩＧＢＴがある。ＩＧＢＴは、ＭＯＳ−ＦＥＴように製造過程で形成される寄生ダイオードが存在しないため、逆回復特性が良いダイオードをスイッチング素子の内部又は外部に取り付けることにより、リカバリ電流を抑えることができる。しかし、ＩＧＢＴはＯＦＦのスピードが遅いため、ＩＧＢＴにはＯＦＦ時のスイッチング損失が大きくなるという課題がある。また、ＩＧＢＴは、ＯＦＦのスピードが遅いことにより高い周波数での使用ができないことも使用上の制約事項になっている。 There exists IGBT as another switching element. Since the IGBT does not have a parasitic diode formed in the manufacturing process like a MOS-FET, the recovery current can be suppressed by attaching a diode having good reverse recovery characteristics inside or outside the switching element. However, since the IGBT has a slow OFF speed, the IGBT has a problem that the switching loss at the OFF time becomes large. In addition, the IGBT is also restricted in use because it cannot be used at a high frequency due to its slow OFF speed.
これら両者の欠点を補うものとして、ＳｉＣによるＭＯＳ−ＦＥＴが存在するが、前述のようなシリコン製のスイッチング素子に比べて、高価なため、装置全体の価格がアップしてしまうという課題がある。 To compensate for these disadvantages, SiC MOS-FETs exist, but they are more expensive than silicon switching elements as described above, and there is a problem that the price of the entire device increases.
ＳｉＣを使用せずに、リカバリ特性の悪いＭＯＳ−ＦＥＴを使用するときは、ＭＯＳ−ＦＥＴに並列にリカバリ特性の良いダイオードを接続して使用することもできるが、寄生ダイオードに電流が流れないように、ＭＯＳ−ＦＥＴに直列にダイオードを挿入する必要がある（図８）。このような構成では、直列ダイオードでも電力損失が発生することや、部品点数の増加もあり、効率・価格・実装密度において課題がある。 When a MOS-FET with poor recovery characteristics is used without using SiC, a diode with good recovery characteristics can be connected in parallel with the MOS-FET, but current does not flow through the parasitic diode. In addition, it is necessary to insert a diode in series with the MOS-FET (FIG. 8). In such a configuration, there is a problem in efficiency, price, and mounting density because power loss occurs in the series diode and the number of parts increases.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、逆回復特性の良いスイッチング素子とＯＦＦ特性が良いスイッチング素子の２種類のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路をフェーズシフト制御するスイッチング回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to phase a full bridge circuit composed of two types of switching elements, a switching element having a good reverse recovery characteristic and a switching element having a good OFF characteristic. It is to provide a switching circuit for shift control.
上記の課題を解決するために、本発明は、スイッチング回路であって、２つの第１のスイッチング素子が直列接続された１以上の第１のアームと、２つの第２のスイッチング素子が直列接続された１以上の第２のアームと、電源に前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームを並列接続したとき、前記第１及び第２のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路をフェーズシフトＰＷＭ制御する制御回路であって、前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームの中点からの出力をオンする際に前記第１のスイッチング素子を動作させ、前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームの中点からの出力をオフする際に前記第２のスイッチング素子を動作させる、制御回路と、を備え、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は異なる種類のスイッチング素子であり、前記第１のスイッチング素子は、逆回復時間が短い４つのスイッチング素子を１本のアーム上に２個直列に接続したものを２本並列に接続して構成され、前記第２のスイッチング素子は、ターンオフ時間が短い素子で構成され、前記第１のスイッチング素子は、高位側と低位側とが同時に一方がオン、他方がオフにされ、前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子の高位側と低位側とのどちらか一方がオンである間に、高位側と低位側とが同時に一方がオン、他方がオフにされることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is a switching circuit, in which one or more first arms in which two first switching elements are connected in series, and two second switching elements are connected in series. When the one or more second arms and the one or more first and one or more second arms are connected in parallel to a power source, the full bridge circuit comprising the first and second switching elements is phased. A control circuit that performs shift PWM control, wherein the first switching element is operated when an output from a middle point of the one or more first and one or more second arms is turned on; A control circuit for operating the second switching element when the output from the middle point of the first and the one or more second arms is turned off, and the first switching element and the second switching element. Sui Ing elements are different types of switching elements, the first switching element connects the one connected four switching elements reverse recovery time is not short in two series on one arm in two parallel configured Te, the second switching element, data N'ofu time is composed has a short element, the first switching element, one the high side and low side simultaneously turned on, the other is turned off, the In the second switching element, one of the high-order side and the low-order side is simultaneously turned on and the other is turned off while either one of the high order side and the low order side of the first switching element is on. It is characterized by.
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスイッチング回路において、前記第１のスイッチング素子はＩＧＢＴであり、前記第２のスイッチング素子はシリコンのＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする。
The invention of
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のスイッチング回路において、前記第１のスイッチング素子はＩＧＢＴであり、前記第２のスイッチング素子はＳｉＣのＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする。
According to a third aspect of the invention, the switching circuit according to
本発明は、逆回復特性の良いスイッチング素子とＯＦＦ特性が良いスイッチング素子との２種類のスイッチング素子をフルブリッジ回路に使用することで、出力ＯＦＦ時の損失も小さい高効率のスイッチング回路が小型・安価に実現できる。 The present invention uses a switching element with a good reverse recovery characteristic and a switching element with a good OFF characteristic in a full-bridge circuit, so that a high-efficiency switching circuit with a small loss when the output is turned off is small. It can be realized at low cost.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係るフルブリッジ型のスイッチング回路の構成を示す。また、図２に、本発明の実施形態１に係るフルブリッジ型スイッチング回路の各スイッチング素子を制御するフェーズシフトＰＷＭ信号および出力電圧を示す。尚、図１では制御回路を省略しているが、本実施形態のスイッチング回路には図２に示すフェーズシフトＰＷＭ信号を出力する制御回路も含まれる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration of a full bridge type switching circuit according to
フルブリッジ型スイッチング回路のスイッチング素子Ａ〜Ｄは通常全て同じものを使用するが、本発明では、第１のアーム上のスイッチング素子Ａ、Ｂには、逆回復特性の良い、すなわち逆回復時間が短い素子を使用し、第２のアーム上のスイッチング素子Ｃ、ＤにはスイッチングのＯＦＦ特性が良い、すなわちターンオフ時間が短い素子を使用する。 Although the switching elements A to D of the full bridge type switching circuit are usually all the same, in the present invention, the switching elements A and B on the first arm have a good reverse recovery characteristic, that is, the reverse recovery time. Short elements are used, and switching elements C and D on the second arm are elements having good switching OFF characteristics, that is, elements having a short turn-off time.
フルブリッジ型スイッチング回路において、スイッチング素子Ａ、Ｂとスイッチング素子Ｃ、Ｄとは役割が異なり、スイッチング素子Ａ、Ｂはスイッチング回路の出力ＯＮの役目を担い、スイッチング素子Ｃ、Ｄはスイッチング回路の出力ＯＦＦの役目を担っている。 In the full bridge type switching circuit, the switching elements A and B and the switching elements C and D have different roles, the switching elements A and B play a role of turning on the output of the switching circuit, and the switching elements C and D are the output of the switching circuit. It plays the role of OFF.
リカバリ電流が流れるのは、出力ＯＦＦから出力ＯＮに遷移したとき、すなわち出力の立ち上がり時のスイッチング動作直後のスイッチング素子Ａ、Ｂであり、出力ＯＦＦから出力ＯＮに遷移したときにスイッチング動作していないスイッチング素子Ｃ、Ｄにはリカバリ電流は流れない。 The recovery current flows when switching from output OFF to output ON, that is, switching elements A and B immediately after the switching operation at the time of output rise, and when switching from output OFF to output ON, no switching operation is performed. No recovery current flows through the switching elements C and D.
そのため、スイッチング素子Ａ、Ｂには逆回復特性の優れたダイオードを内部又は外部に取り付けた素子、例えばＩＧＢＴを使用し、スイッチング素子Ｃ、ＤにはスイッチングＯＦＦスピードの優れた素子、例えばＭＯＳ−ＦＥＴを使用する。 For this reason, switching elements A and B use elements having diodes with excellent reverse recovery characteristics attached inside or outside, such as IGBTs, and switching elements C and D have excellent switching OFF speed, such as MOS-FETs. Is used.
これにより、追加する部品無しで、ダイオードに流れるリカバリ電流による損失が小さく、出力ＯＦＦ時の損失も小さい高効率のスイッチング回路が小型・安価に実現できる。 As a result, a high-efficiency switching circuit with a small loss due to the recovery current flowing through the diode and a small loss when the output is OFF can be realized with a small size and low cost without any additional components.
尚、スイッチング素子Ａ、Ｂ、スイッチング素子Ｃ、ＤのどちらにもＳｉＣによるＭＯＳ−ＦＥＴを使用することはできる。スイッチング素子Ａ、Ｂとスイッチング素子Ｃ、Ｄとのどちらか一方にＳｉＣによるＭＯＳ−ＦＥＴを使用すればＳｉＣによるＭＯＳ−ＦＥＴの使用数は２個で済むので、出力ＯＦＦ時の損失も小さい高効率のスイッチング回路が小型・安価に実現できる。 Note that SiC MOS-FETs can be used for both of the switching elements A and B and the switching elements C and D. If a MOS-FET made of SiC is used for one of the switching elements A and B and the switching elements C and D, only two MOS-FETs need to be used for SiC. The switching circuit can be realized in a compact and inexpensive manner.
（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る出力ＯＮの役目を担うスイッチング素子を４つ備えたフルブリッジ型のスイッチング回路の構成を示す。また、図４に、本発明の実施形態２に係るフルブリッジ型スイッチング回路の各スイッチング素子を制御するフェーズシフトＰＷＭ信号および出力電圧を示す。尚、図３では制御回路を省略しているが、本実施形態のスイッチング回路には図４に示すフェーズシフトＰＷＭ信号を出力する制御回路も含まれる。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a configuration of a full-bridge type switching circuit including four switching elements responsible for output ON according to
一般にＩＧＢＴは使用できるスイッチング周波数がＭＯＳ−ＦＥＴに比べて低いため、スイッチング回路全体のスイッチング周波数はＩＧＢＴのスイッチング周波数に制限される。そこで、本実施形態では、出力ＯＮの役目を担うスイッチング素子をスイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４つのＩＧＢＴとし、１本のアーム上に２個直列に接続したものを２本並列に接続する。 In general, since the switching frequency that can be used for the IGBT is lower than that of the MOS-FET, the switching frequency of the entire switching circuit is limited to the switching frequency of the IGBT. Therefore, in this embodiment, the switching elements responsible for the output ON are four IGBTs of switching elements A1, A2, B1, and B2, and two connected in series on one arm are connected in parallel. To do.
ここで、実施形態１において出力ＯＮの役目を担うスイッチング素子Ａ、Ｂのスイッチング動作のタイミングで、スイッチング素子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２を、高位側と低位側とを交互に、１つずつ順番にＯＮさせることで、ＩＧＢＴ１つ当たりのスイッチング周波数を半分にすることができる。 Here, at the timing of the switching operation of the switching elements A and B that play the role of output ON in the first embodiment, the switching elements A1, A2, B1, and B2 are alternately placed one by one on the high-order side and the low-order side. By switching ON, the switching frequency per IGBT can be halved.
これにより、出力ＯＮの役目を担うスイッチング素子全体のスイッチング周波数は、ＩＧＢＴを使用してもＩＧＢＴのスイッチング周波数の倍にすることができる。同様に、スイッチング素子Ｃ、Ｄも４つにすれば出力ＯＦＦの役目を担うスイッチング素子全体のスイッチング周波数を倍にすることができる。 Thereby, even if it uses IGBT, the switching frequency of the whole switching element which plays the role of output ON can be doubled the switching frequency of IGBT. Similarly, if the number of switching elements C and D is also four, the switching frequency of the entire switching element that plays the role of output OFF can be doubled.
また、出力ＯＮの役目を担うスイッチング素子、出力ＯＦＦの役目を担うスイッチング素子の数は、４つに限定されることはなく、６以上の偶数個としてスイッチング周波数をより高くすることも可能である。 Further, the number of switching elements responsible for output ON and switching elements responsible for output OFF is not limited to four, and it is possible to increase the switching frequency as an even number of six or more. .
Ａ、Ｂ、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ、Ｄ スイッチング素子 A, B, A1, A2, B1, B2, C, D Switching elements
Claims (3)
２つの第２のスイッチング素子が直列接続された１以上の第２のアームと、
電源に前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームを並列接続したとき、前記第１及び第２のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路をフェーズシフトＰＷＭ制御する制御回路であって、前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームの中点からの出力をオンする際に前記第１のスイッチング素子を動作させ、前記１以上の第１及び前記１以上の第２のアームの中点からの出力をオフする際に前記第２のスイッチング素子を動作させる、制御回路と、
を備え、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子は異なる種類のスイッチング素子であり、前記第１のスイッチング素子は、逆回復時間が短い４つのスイッチング素子を１本のアーム上に２個直列に接続したものを２本並列に接続して構成され、前記第２のスイッチング素子は、ターンオフ時間が短い素子で構成され、
前記第１のスイッチング素子は、高位側と低位側とが同時に一方がオン、他方がオフにされ、前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子の高位側と低位側とのどちらか一方がオンである間に、高位側と低位側とが同時に一方がオン、他方がオフにされることを特徴とするスイッチング回路。 One or more first arms in which two first switching elements are connected in series;
One or more second arms in which two second switching elements are connected in series;
A control circuit that performs phase shift PWM control of a full bridge circuit composed of the first and second switching elements when the one or more first and one or more second arms are connected in parallel to a power source, The first switching element is operated to turn on the output from the midpoint of one or more first and one or more second arms, and the one or more first and one or more second arms are operated. A control circuit for operating the second switching element when turning off the output from the middle point;
Wherein the said first switching element and the second switching element is a different kind of switching element, the first switching element, the four switching elements reverse recovery time is not short on one arm those connected to two series is configured by connecting two parallel, said second switching element, data N'ofu time is composed has a short element,
In the first switching element, one of the high-order side and the low-order side is simultaneously turned on and the other is turned off. The second switching element is either the high-order side or the low-order side of the first switching element. A switching circuit characterized in that one side is simultaneously turned on and the other side is turned off simultaneously while one side is on.
ンのＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング回路。 2. The switching circuit according to claim 1, wherein the first switching element is an IGBT and the second switching element is a silicon MOS-FET.
のＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング回路。 The first switching element is an IGBT, and the second switching element is a SiC.
The switching circuit according to claim 1, wherein the switching circuit is a MOS-FET.
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