JP6996660B2 - 半導体デバイスのための電圧バランス回路 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば直列接続される複数の半導体デバイスのための電圧バランス回路とそれを用いたスイッチング回路及び電力変換装置に関する。
例えばスイッチ素子である複数の半導体デバイスを直列に接続し、それらを1つの素子としてスイッチングをオン・オフ同期して動作させることで、低耐電圧のデバイスで高耐電圧特性を得るスイッチング回路を実現することができる。ここで、低耐圧の半導体デバイスは、高耐圧の半導体デバイスに比べて顕著に価格が安く、オン抵抗も小さいので、低コスト及び動作の高効率化につながる。しかし、半導体デバイスの電気的特性のバラつきにより、電圧バランスが崩れると、電圧設計の基準を超える場合がある。特に、半導体デバイスの出力容量にバラつきがあると、そのような場合が発生する可能性がある。
この課題を解決するために、例えば、特許文献1では、複数の半導体デバイスを直列接続した、従来例回路において、スイッチング時に各半導体デバイスのドレイン-ソース電圧(Vds)をバランスさせるために、各ドライブ回路に1個のトランスを用いて各半導体デバイスのゲート電流(Ig1,Ig2)をバランスさせる。ここで、第1のドライブ回路からのスイッチング制御信号を当該トランスの1次巻線を介して第1の半導体デバイスを駆動する一方、第2のドライブ回路からのスイッチング制御信号を当該トランスの2次巻線を介して第2の半導体デバイスを駆動する。なお、当該トランスの1次巻線におけるスイッチング制御信号による誘起電圧と、2次巻線におけるスイッチング制御信号による誘起電圧とが互いに逆方向となるように、第1及び第2のドライブ回路並びに半導体デバイスの各ゲートとが接続される。
特許第4760256号公報
前記従来例回路について、本発明者がシミュレーションを行ったところ、各半導体デバイスの出力容量に20%ばらつきがある場合において、各半導体デバイスのゲート電流は一致しているが、ドレイン-ソース電圧Vdsに乖離があることを確認した。
前記従来例回路では、大きなトランスを用いるために、回路規模の大型化、また、半導体デバイスのばらつき(例えば出力容量、しきい値等)によって、電圧アンバランスが発生する課題があった。その結果、素子耐圧を超える電圧が半導体デバイスに印加され、当該半導体デバイスが破壊され、もしくはスイッチング時の発生損失に大きな偏りが発生することで、半導体デバイスの発熱や寿命に大きな影響を与えたりする可能性があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、複数の半導体デバイスが直列に接続された回路において、複数の半導体デバイス間のスイッチング時の出力電圧の電圧バランスを、従来技術に比較して高精度で行うことができる電圧バランス回路と、それを用いたスイッチング回路及び電力変換装置を提供することにある。
本発明の一態様に係る電圧バランス回路は、
互いに直列に接続された複数の半導体デバイスの各出力電圧をバランスさせるための電圧バランス回路において、
前記複数の半導体デバイスは、それぞれ制御端子と第1及び第2の素子端子を有する少なくとも第1及び第2の半導体デバイスを含み、
前記電圧バランス回路は、
1次巻線及び2次巻線を有する第1のトランスと、
1次巻線及び2次巻線を有する第2のトランスと、
互いに直列に接続された第1及び第2のキャパシタとを備え、
前記第1のキャパシタの一端は前記第1の半導体デバイスの第1の素子端子に接続され、
前記第2のキャパシタの一端は前記第2の半導体デバイスの第2の素子端子に接続され、
前記第1及び第2のキャパシタの各他端は互いに接続されかつ、前記第1のトランスの2次巻線の他端に接続され、
前記第1の半導体デバイスを制御する第1の制御信号の第1の出力端子は第1のトランスの1次巻線の一端に接続され、前記第1のトランスの1次巻線の他端は前記第1の半導体デバイスの制御端子に接続され、
前記第1の制御信号の第2の出力端子は前記第1の半導体デバイスの第2の素子端子、前記第2の半導体デバイスの第1の素子端子及び前記第2のトランスの1次巻線の他端に接続され、
前記第2の半導体デバイスを制御する第2の制御信号の第1の出力端子は第2のトランスの1次巻線の一端に接続され、前記第2のトランスの1次巻線の他端は前記第2の半導体デバイスの制御端子に接続され、
前記第2の制御信号の第2の出力端子は前記第2の半導体デバイスの第2の素子端子に接続され、
前記第1の制御信号は前記第1のトランスの1次巻線を介して前記第1の半導体デバイスの制御端子に印加され、
前記第2の制御信号は前記第2のトランスの1次巻線を介して前記第2の半導体デバイスの制御端子に印加され、
前記各2次巻線の一端を互いに接続した
ことを特徴とする。
従って、本発明によれば、複数の半導体デバイスが直列に接続された回路において、複数の半導体デバイス間のスイッチング時の出力電圧の電圧バランスを、従来技術に比較して高精度で行うことができる。
実施形態1に係るスイッチング回路100と、その周辺回路の構成例を示す回路図である。 実施形態2に係るスイッチング回路100と、その周辺回路の構成例を示す回路図である。 図2の電極41部分の平面図である。 図3AのA-A’線についての縦断面図である。 変形例に係る電極形式の1次巻線21A及び2次巻線22Aの構成例を示す平面図である。 実施形態3に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。 実施形態4に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。 実施形態5に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。
以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。
実施形態1.
図1は実施形態1に係るスイッチング回路100と、その周辺回路の構成例を示す回路図である。図1において、スイッチング回路100は、制御信号発生回路10と、1対のドライブ回路11,12,と、1対のトランス20,30を備えて構成される。ここで、1対のトランス20,30は、1対の半導体デバイスQ1,Q2の各ゲート(制御端子)にスイッチング制御信号を印加したときにその半導体デバイスQ1,Q2のドレイン(第1の素子端子)-ソース(第2の素子端子)間電圧(出力電圧)の電圧バランスをとるための電圧バランス回路50を構成する。
図1において、半導体デバイスQ1,Q2は例えばNチャネルMOS電界効果トランジスタであって、互いに直列に接続される。すなわち、半導体デバイスQ1のドレインには入力電圧Vinが印加され、半導体デバイスQのソースは半導体デバイスQ2のドレインに接続され、半導体デバイスQ2のソースは接地される。
トランス20は1次巻線21及び2次巻線22を有し、トランス30は1次巻線31及び2次巻線32を有する。トランス20の1次巻線21の巻き始め端子21aはドライブ回路11の信号出力端子11aに接続され、1次巻線21の巻き終り端子21bは半導体デバイスQ1のゲートに接続される。また、トランス30の1次巻線31の巻き始め端子31aはドライブ回路12の信号出力端子12aに接続され、1次巻線31の巻き終り端子31bは半導体デバイスQ2のゲートに接続される。
ドライブ回路11の信号基準端子11bは半導体デバイスQ1のソースに接続され、ドライブ回路12の信号基準端子12bは接地される。2次巻線32の巻き終り端子32bは半導体デバイスQ1のソース及び半導体デバイスQ2のドレインに接続される。半導体デバイスQ1のドレインは接続点P1、キャパシタC1及び接続点P2を介して2次巻線22の巻き終り端子22bに接続される。半導体デバイスQ2のソースは接続点P3、キャパシタC2及び接続点P2を介して2次巻線22の巻き終り端子22bに接続される。なお、キャパシタC1とC2の容量は互いに等しい。
図1において、制御信号発生回路10は例えば矩形波であるスイッチング制御信号Scを発生してそれぞれドライブ回路11,12に出力する。ドライブ回路11は入力されるスイッチング制御信号を増幅した後、増幅したスイッチング制御信号をトランス20の1次巻線21を介して半導体デバイスQ1のゲートに印加することでオン・オフ駆動する。ドライブ回路12は入力されるスイッチング制御信号を増幅した後、増幅したスイッチング制御信号をトランス30の1次巻線31を介して半導体デバイスQ2のゲートに印加することでオン・オフ駆動する。
以上のように構成された図1のスイッチング回路100は、入力電圧Vinを、スイッチング制御信号Scを従って半導体デバイスQ1,Q2をオン・オフ駆動することでスイッチングする。ここで、電圧バランス回路50では、トランス20,30の各1次巻線21,31に印加されるスイッチング制御信号Scによる2次巻線22,32における誘起電圧の方向が互いに逆方向になり、かつ互いに直列に接続された半導体デバイスQ1,Q2の出力側で接続点P2を基準として対称となるように1対のキャパシタC1,C2を接続している。すなわち、キャパシタC1,C2の接続点P2がトランス20,30の各2次巻線22,32を介して半導体デバイスQ1,Q2の接続点に接続されて、キャパシタC1,C2を用いてドレイン-ソース電圧の平均値(Vds1+Vds)/2をセンシングし、各半導体デバイスQ1,Q2のドレイン-ソース間電圧Vds1,Vds2が等しくなく、電圧バランスが崩れているときに、トランス20,30の2次巻線22,32に所定電流が流れかつトランス20,30によりゲート側の1次巻線回路と電磁的に結合することで、各半導体デバイスQ1,Q2のドレイン-ソース間電圧Vds1,Vds2が電圧バランスする方向に各半導体デバイスQ1,Q2に所定の電流が流れる。
以上説明したように、各半導体デバイスQ1,Q2間のスイッチング時のドレインーソース間電圧Vds1,Vds2の電圧バランスを、従来技術に比較して高精度で行うことができ、これにより、半導体デバイスQ1,Q2の故障を大幅に抑制できる。なお、本発明者らは、半導体デバイスQ1,Q2のデバイス容量において20%ばらつきがある場合において、シミュレーションを実行して電圧バランスすることを確認した。
実施形態2.
図2は実施形態2に係るスイッチング回路100と、その周辺回路の構成例を示す回路図である。また、図3Aは図2の電極41部分の平面図であり、図3Bは図3AのA-A’線についての縦断面図である。図2のスイッチング回路100の周辺回路は、図1の周辺回路に比較して、キャパシタC1,C2をそれぞれ寄生容量C1p,C2pで置き換えて構成したことを特徴としている。
具体的には、図3A及び図3Bに示すように、寄生容量C1pは、半導体デバイスQ1,Q2が装着される誘電体基板40を挟設しかつ電極同士が対向している1対の電極41,42間に寄生的に形成され、寄生容量C2pも寄生容量C1pと同様に、誘電体基板40を挟設する1対の電極42,43間に寄生的に形成される。
以上構成された電圧バランス回路50においても、トランス20,30の各1次巻線21,31に印加されるスイッチング制御信号Scによる2次巻線22,32における誘起電圧の方向が互いに逆方向になり、かつ互いに直列に接続された半導体デバイスQ1,Q2の出力側で電極42を基準として対称となるように1対の寄生容量C1p,C2pを接続している。このため、各半導体デバイスQ1,Q2のゲート電流(Ig1,Ig2)をバランスさせることができ、各半導体デバイスQ1,Q2間のスイッチング時のドレイン-ソース間電圧(出力電圧)の電圧バランスを、従来技術に比較して高精度で行うことができる。
変形例.
図4は実施形態1又は実施形態2の変形例に係る電極形式の1次巻線21A及び2次巻線22Aの構成例を示す平面図である。変形例を示す図4において、トランス20の1次巻線21及び2次巻線22はそれぞれ、誘電体基板40において互いに電磁的に結合するように電極同士が対向している例えばストリップ形状の電極形式の1次巻線21A及び2次巻線22Aであってもよい。トランス30の1次巻線31及び2次巻線32もそれぞれ、誘電体基板40において互いに電磁的に結合するように形成された例えばストリップ形状の電極形式の1次巻線及び2次巻線あってもよい。また、電極形式の1次巻線21Aを誘電体基板40の表面に設け、電極形式の2次巻線22Aを誘電体基板40の裏面に設けてもよい。このような構成によって、1次巻線21Aと2次巻線22Aが互いに電磁的に結合し、寄生成分で、トランスの機能を実現させてもよい。以上のように構成された電圧バランス回路50も実施形態1及び2と同様の作用効果を有する。
実施形態3.
図5は実施形態3に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。図5の電力変換装置は、図1の電圧バランス回路50を有するスイッチング回路100を用いた非同期整流型昇圧チョッパ回路である。
図5において、直流電圧源1からの入力電圧VinはリアクトルLrを介して、半導体デバイスQ1,Q2の直列回路に印加される。半導体デバイスQ1のドレインは整流ダイオードD1を介して、平滑用電解キャパシタCb及び負荷抵抗2に接続される。
以上のように構成された電力変換装置では、入力電圧Vinを非同期整流により昇圧して負荷抵抗2に出力することができる。なお、電圧バランス回路50の作用効果は実施形態1及び2と同様である。
実施形態4.
図6は実施形態4に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。図6の電力変換装置は、図1の電圧バランス回路50を有するスイッチング回路100を用いた同期型昇圧チョッパ回路である。
図6において、直流電圧源1からの入力電圧VinはリアクトルLrを介して、半導体デバイスQ1,Q2の直列回路に印加される。半導体デバイスQ1のドレインは半導体デバイスQ4,Q3を介して、平滑用電解キャパシタCb及び負荷抵抗2に接続される。ここで、半導体デバイスQ3,Q4,Q1,Q2は直列に接続され、スイッチング回路100により駆動される。なお、半導体デバイスQ1,Q2のオン・オフと、半導体デバイスQ3,Q4のオン・オフとは互いに反転される。
以上のように構成された電力変換装置では、入力電圧Vinを同期で昇圧して負荷抵抗2に出力することができる。なお、電圧バランス回路50の作用効果は実施形態1及び2と同様である。
実施形態5.
図7は実施形態5に係る電力変換装置の構成例を示す回路図である。図7の電力変換装置は、図1の電圧バランス回路50を有するスイッチング回路100を用いたブリッジ型インバータ回路である。
図7において、半導体デバイスQ1~Q4は互いに直列に接続され、半導体デバイスQ5~Q8は互いに直列に接続される。半導体デバイスQ1~Q4の直列回路と、半導体デバイスQ5~Q8の直列回路とは並列に接続される。直流電圧源1からの入力電圧Vinはこれら各直列回路に印加され、半導体デバイスQ2のソースと半導体デバイスQ3のドレインとの間の接続点P11と、半導体デバイスQ3のソースと半導体デバイスQ4のドレインとの間の接続点P12とから出力電圧Voutが出力される。ここで、半導体デバイスQ3,Q4,Q1,Q2は直列に接続され、スイッチング回路100により駆動される。なお半導体デバイスQ1,Q2,Q7,Q8のオン・オフと、半導体デバイスQ3,Q4,Q5,Q6のオン・オフとは互いに反転される。
以上のように構成された電力変換装置では、入力電圧Vinを同期してスイッチングして所定の交流信号を生成して出力することができる。なお、電圧バランス回路50の作用効果は実施形態1及び2と同様である。
以上の実施形態では、非同期整流型昇圧チョッパ回路、同期型昇圧チョッパ回路、インバータ回路等を一例として示したが、本実施形態に係る電圧バランス回路50を前記回路以外にも他のDC/DCコンバータ等の電力変換装置、インバータトポロジ回路にも適用してもよい。
以上詳述したように、複数の半導体デバイスが直列に接続された回路において、複数の半導体デバイス間のスイッチング時の出力電圧の電圧バランスを、従来技術に比較して高精度で行うことができる。
1 直流電圧源、
2 負荷抵抗、
10 制御信号発生回路、
11,12 ドライブ回路、
11a,12a 信号出力端子、
11b,12b 信号基準端子、
20,30 トランス、
21,21A,31 1次巻線、
22,22A,32 2次巻線、
21a,22a,31a,32a 巻き始め端子、
21b,22b,31b,32b 巻き終り端子、
40 誘電体基板、
41,42,43 電極、
50 電圧バランス回路、
100 スイッチング回路、
C1,C2 キャパシタ、
Cb 電解キャパシタ、
C1p,C2p 寄生容量、
D1 整流ダイオード、
Lr リアクトル、
P1~P3 接続点、
Q1~Q8 MOSトランジスタ。

Claims (5)

  1. 互いに直列に接続された複数の半導体デバイスの各出力電圧をバランスさせるための電圧バランス回路において、
    前記複数の半導体デバイスは、それぞれ制御端子と第1及び第2の素子端子を有する少なくとも第1及び第2の半導体デバイスを含み、
    前記電圧バランス回路は、
    1次巻線及び2次巻線を有する第1のトランスと、
    1次巻線及び2次巻線を有する第2のトランスと、
    互いに直列に接続された第1及び第2のキャパシタとを備え、
    前記第1のキャパシタの一端は前記第1の半導体デバイスの第1の素子端子に接続され、
    前記第2のキャパシタの一端は前記第2の半導体デバイスの第2の素子端子に接続され、
    前記第1及び第2のキャパシタの各他端は互いに接続されかつ、前記第1のトランスの2次巻線の他端に接続され、
    前記第1の半導体デバイスを制御する第1の制御信号の第1の出力端子は第1のトランスの1次巻線の一端に接続され、前記第1のトランスの1次巻線の他端は前記第1の半導体デバイスの制御端子に接続され、
    前記第1の制御信号の第2の出力端子は前記第1の半導体デバイスの第2の素子端子、前記第2の半導体デバイスの第1の素子端子及び前記第2のトランスの1次巻線の他端に接続され、
    前記第2の半導体デバイスを制御する第2の制御信号の第1の出力端子は第2のトランスの1次巻線の一端に接続され、前記第2のトランスの1次巻線の他端は前記第2の半導体デバイスの制御端子に接続され、
    前記第2の制御信号の第2の出力端子は前記第2の半導体デバイスの第2の素子端子に接続され、
    前記第1の制御信号は前記第1のトランスの1次巻線を介して前記第1の半導体デバイスの制御端子に印加され、
    前記第2の制御信号は前記第2のトランスの1次巻線を介して前記第2の半導体デバイスの制御端子に印加され、
    前記各2次巻線の一端を互いに接続した
    ことを特徴とする電圧バランス回路。
  2. 前記第1及び第2のキャパシタは電極同士が対向している寄生容量である請求項1記載の電圧バランス回路。
  3. 前記第1及び第2のトランスの1次巻線及び2次巻線は、互いに電磁的に結合するように電極同士が対向している1対の電極である請求項1又は2記載の電圧バランス回路。
  4. スイッチング素子である前記第1及び第2の半導体デバイスを備え、入力電圧をスイッチングして出力するスイッチング回路であって、
    前記第1及び第2の制御信号はそれぞれ第1及び第2のスイッチング制御信号であり、
    請求項1~3のうちのいずれか1つ記載の電圧バランス回路を備えたスイッチング回路。
  5. 請求項4記載のスイッチング回路を備え、入力電圧を所定の電圧に電力変換する電力変換装置であって、
    前記入力電圧を入力して前記第1及び第2の半導体デバイスの直列回路に出力するリアクトルと、
    前記第1及び第2の半導体デバイスによりスイッチングされた電圧を平滑する電解コンデンサとを備えた電力変換装置。
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