JP7011544B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
近年の電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールの技術革新によって、より高速なスイッチング動作を実現し、このパワー半導体から発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置を小型化可能である。また、パワー半導体の損失を低減することにより、電力変換装置の効率を向上することができる。 In recent years, power conversion devices have realized higher-speed switching operation by technological innovation of the power semiconductor module, which is a main component thereof, and reduced the loss generated from this power semiconductor. As a result, the cooler can be particularly miniaturized, and as a result, the power conversion device can be miniaturized. Further, by reducing the loss of the power semiconductor, the efficiency of the power conversion device can be improved.
例えば、SiCやGaN等のワイドバンドギャップデバイスは、電子飽和速度がSiに対し約2倍以上あることから高速SW(Switching)動作によるSW損失低減、さらに高周波インバータSW動作が可能となる。 For example, a wide bandgap device such as SiC or GaN has an electron saturation rate about twice or more that of Si, so that SW loss can be reduced by high-speed SW (Switching) operation, and high-frequency inverter SW operation can be performed.
一方、Si-IGBTに対し、SiC-MOSFETでは、負側ゲート耐圧が低く、閾値電圧も低い。すなわち、SiC-MOSFETでは、誤点弧(ターンオン)や定格超過を回避するゲート電圧の許容振動範囲が狭い。そして、このゲート電圧の跳ね上がり/跳ね下がり電圧は高速SW動作とトレードオフの関係にある。 On the other hand, in the SiC- MOSFET, the negative gate withstand voltage is lower and the threshold voltage is lower than that of the Si-IGBT. That is, in the SiC-PWM, the allowable vibration range of the gate voltage for avoiding erroneous arc (turn-on) and exceeding the rating is narrow. The jump / fall voltage of this gate voltage has a trade-off relationship with the high-speed SW operation.
特許文献1には、共通ソースインダクタンス起因のゲート振動を抑制するため、ゲートソース端子を個別に設けた構造が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載の技術は、ゲート、ソース、ドレイン、ゲートソースの4端子パッケージ品となり、ゲート、ソース、ドレインの汎用3端子デバイスからの置き換えが困難である。
However, the technique described in
本発明の目的は、パワーデバイスの高速駆動に伴うゲート電圧振動を抑制することができる電力変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power conversion device capable of suppressing gate voltage vibration accompanying high-speed driving of a power device.
上記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、第1のパワーデバイスとそれに直列接続された第2のパワーデバイスとを含むブリッジ回路と、前記第2のパワーデバイスのゲートの容量を充放電するゲート駆動回路と、前記第2のパワーデバイスのゲート・ソース間の電圧が所定値より小さい場合、前記第2のパワーデバイスのゲートと前記第2のパワーデバイスのソースとを導通するクランプ回路と、を備え、前記クランプ回路は、スイッチング素子とそれに直列接続された第1の抵抗と、前記第1の抵抗に並列接続される第1のダイオードから構成される。 In order to achieve the above object, the power conversion device of the present invention has a bridge circuit including a first power device and a second power device connected in series with the first power device, and the capacity of the gate of the second power device. When the voltage between the gate drive circuit for charging and discharging and the gate and source of the second power device is smaller than a predetermined value, a clamp that conducts the gate of the second power device and the source of the second power device. The clamp circuit comprises a circuit, the clamp circuit comprises a switching element, a first resistor connected in series with the switching element, and a first diode connected in parallel to the first resistor .
本発明によれば、パワーデバイスの高速駆動に伴うゲート電圧振動を抑制することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 According to the present invention, it is possible to suppress gate voltage vibration associated with high-speed driving of a power device. Issues, configurations and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の説明では、複数の運転状態を有する電力変換装置の一例として無停電電力変換装置について説明する。本実施形態の目的は、前述した目的と一部重複するが、例えば、パワー半導体デバイスの高速駆動に伴うゲート振動を抑制し、パワー半導体デバイス損失を低減した高効率・小型な電力変換装置を実現することである。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, an uninterruptible power conversion device will be described as an example of a power conversion device having a plurality of operating states. Although the object of this embodiment partially overlaps with the above-mentioned object, for example, a highly efficient and compact power conversion device that suppresses gate vibration associated with high-speed driving of a power semiconductor device and reduces power semiconductor device loss is realized. It is to be.
(概略構成)
図1は、本発明の実施形態が適用される電力変換装置100の概略構成図である。
(Rough configuration)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a
図1において、電力変換装置100は、コンバータ102と、インバータ103と、チョッパ104と、これらを制御する上位制御回路105とを備える。
In FIG. 1, the
コンバータ102は、商用電源(交流電源)106から供給される三相交流電力を直流電力に変換して、インバータ103に供給する三相のコンバータである。
The
インバータ103は、コンバータ102から供給された直流電力を再び三相交流電力に変換して負荷108に供給する三相のインバータである。
The
チョッパ104は、蓄電池(直流電源)107からの供給される直流電力を、所定電圧に昇圧または降圧し、所定の直流電力に変換して、インバータ103に供給する。
The
上位制御回路105は、コンバータ102と、インバータ103と、チョッパ104とを制御する。なお、上位制御回路105は、例えば、マイコンであり、プロセッサ、メモリ、入出力回路等から構成される。
The
商用電源106が何らかの理由で停電した場合、チョッパ104は、蓄電池107に蓄えた電力をインバータ103に直流電力として供給する。インバータ103は、チョッパ104から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷108に供給する。これにより、電力変換装置100は、負荷108へ途切れることなく給電することができる。
If the
図2は、コンバータ102、インバータ103及びチョッパ104の概略内部構成図である。図2に示すように、コンバータ102、インバータ103及びチョッパ104は、複数の整流素子及びスイッチング素子を備えている。
FIG. 2 is a schematic internal configuration diagram of the
図3は、コンバータ102の内部構成における等価回路図である。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram in the internal configuration of the
図3において、コンバータ102は、3つのハーフブリッジ回路201、202、203(電力変換ユニット)を備えており、これらハーフブリッジ回路201、202、203は、コンバータ制御部(電力変換ユニットの駆動部)204によって制御される。コンバータ102は、R、S、T端子から供給される三相交流の商用電源106からの三相交流電力を、正側端子Pと負側端子Nとの間の直流電力に変換する。
In FIG. 3, the
ハーフブリッジ回路201は、上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24とを備えている。図3の例では、スイッチング素子21、22は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられ、整流素子23、24は、ダイオードが用いられているが、これらに限定されるものではない。
The half-
整流素子23は、スイッチング素子21のエミッタからコレクタへの方向に接続される。スイッチング素子21のエミッタは、スイッチング素子22のコレクタと、交流端子Rとに接続される。コンデンサ25と26とは、スイッチング素子21のコレクタとスイッチング素子22のエミッタとの間に並列接続される。なお、図3の回路図では、図面を見やすくするため、コンデンサ25とコンデンサ26の並列接続を省略して、単一のコンデンサの記号で示している。スイッチング素子21のゲートは、コンバータ制御部204に接続される。
The rectifying
整流素子24は、スイッチング素子22のエミッタからコレクタへの方向に接続される。スイッチング素子22のゲートは、コンバータ制御部204に接続される。
The rectifying
ハーフブリッジ回路202は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが、交流端子Sに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(電力変換ユニット)と同様に構成されている。
The half-
ハーフブリッジ回路203は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが、交流端子Tに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(電力変換ユニット)と同様に構成されている。
The half-
以下、図3を適宜参照して、コンバータ102の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the
商用電源106から供給された三相の交流電力は、交流端子R、S、Tを介して、コンバータ102の各相のハーフブリッジ回路201、202、203に供給される。ハーフブリッジ回路201、202、203の上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24は、コンバータ制御部204でスイッチングタイミングを制御されて、この交流電力を整流する。
The three-phase AC power supplied from the
図4は、インバータ103の構成を示す等価回路図である。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of the
図4において、インバータ103は、3つのハーフブリッジ回路301、302、303(電力変換ユニット)を備えており、更にインバータ制御部(電力変換ユニットの駆動部)304によって制御される。インバータ103は、P端子及びN端子間の直流電力を三相交流電力に変換する。
In FIG. 4, the
ハーフブリッジ回路301は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが、交流端子Uに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(図3参照)と同様に構成されている。
The half-
ハーフブリッジ回路302は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが、交流端子Vに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(図3参照)と同様に構成されている。
The half-
ハーフブリッジ回路303は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが、交流端子Wに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(図3参照)と同様に構成されている。
The half-
以下、図4を適宜参照して、インバータ103の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the
コンバータ102により変換された直流電力は、端子Pと端子Nとの間に供給される。ハーフブリッジ回路301、302、303の上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24とは、インバータ制御部304でスイッチングタイミングを制御されて、この直流電力を交流電力に変換し、交流端子U、V、Wに出力する。
The DC power converted by the
図5は、チョッパ104の構成を示す等価回路図である。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing the configuration of the
図5において、チョッパ104は、ハーフブリッジ回路401(電力変換ユニット)とリアクトル406とを備えており、チョッパ制御部(電力変換ユニットの駆動部)405によって制御される。チョッパ104は、蓄電池107による低圧の直流電圧と、端子Pと端子Nとの間の高圧の直流電圧とを相互に変換するものである。
In FIG. 5, the
ハーフブリッジ回路401は、スイッチング素子21のエミッタとスイッチング素子22のコレクタとの接続ノードが端子Cに接続されることを除き、ハーフブリッジ回路201(図3参照)と同様に構成されている。
The half-
リアクトル406は、蓄電池107の正極と端子Cとを接続する。
The
以下、図5を参照して、チョッパ104の動作を説明する。
Hereinafter, the operation of the
ハーフブリッジ回路401の下アームのスイッチング素子22がオンしている間に、蓄電池107と端子Cとの間に接続されたリアクトル406にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子22がオフした際に、リアクトル406が発する逆起電圧により上アームの整流素子23がオンする。これより、チョッパ104の出力端には、蓄電池107の直流電圧とリアクトル406の逆起電圧とを加算した電圧が生じる。これにより、チョッパ104は、蓄電池107の直流電圧を昇圧する。チョッパ制御部405は、ハーフブリッジ回路401のスイッチングタイミングを制御することにより、昇圧比を任意に設定可能である。
While the switching
以上より、本発明の実施形態が適用される電力変換装置100に搭載されるコンバータ102、インバータ103、チョッパ104は、いずれも、上アームのスイッチング素子21および整流素子23と、下アームのスイッチング素子22および整流素子24とが直列に接続された2レベルのハーフブリッジ回路20を基本構成としている。
From the above, the
なお、上記の例では、パワーデバイス30は、IGBT(スイッチング素子21、22)とダイオード(整流素子23、24)から構成されるが、それに限らず、SiC-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等他のパワーデバイスでもよい。
In the above example, the
図6(6A、6B)は、本発明の実施形態におけるパワーデバイス30(ハーフブリッジ回路201~203、301~303、401におけるスイッチング素子と整流素子(21と23、22と24))と、このパワーデバイス30に接続される冷却フィン40との外観を示す図である。
6 (6A, 6B) show the power device 30 (switching elements and rectifying elements (21 and 23, 22 and 24) in the half-
図6Aのパワーデバイス30は、例えばSiC-MOSFETであり、スイッチング素子とダイオードがひとつのパッケージに含まれた形態を有している。
The
図6Aはパワーデバイス30の外観を示し、図6Bは、パワーデバイス30に冷却フィン40が接続された状態の外観を示している。
FIG. 6A shows the appearance of the
図6Aに示すようなドレイン、ソース、ゲートの電極端子が3つで構成された標準パッケージ(例えばTO-247)では、ソース端子が1つで構成されているため、共通ソースインダクタンスの増大が課題となる。 In a standard package (for example, TO-247) consisting of three electrode terminals of drain, source, and gate as shown in FIG. 6A, since the source terminal is composed of one, an increase in common source inductance is a problem. It becomes.
(第1の実施形態)
次に、単相ブリッジ回路におけるパワーデバイスのSW動作について示す。
(First Embodiment)
Next, the SW operation of the power device in the single-phase bridge circuit will be shown.
図7Aは本発明の第1の実施形態の単相ブリッジ回路を示している。 FIG. 7A shows a single-phase bridge circuit according to the first embodiment of the present invention.
図7Aの単相ブリッジ回路は2つのパワー半導体素子と、個別のゲート駆動回路を含む。換言すれば、単相ブリッジ回路(ブリッジ回路)は、上ア-ムデバイス30H(第1のパワーデバイス)とそれに直列接続された下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)とを含む。
The single-phase bridge circuit of FIG. 7A includes two power semiconductor devices and a separate gate drive circuit. In other words, the single-phase bridge circuit (bridge circuit) includes an
前記個別のゲート駆動回路50H、50Lは、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、クランプSW制御回路と、クランプSWと直列のクランプ抵抗回路(Rc)を含む。なお、クランプSWは、クランプ用のスイッチ(スイッチング素子)を意味する。また、図7AのGDSは、ゲート駆動信号(ゲート信号)を示す。
The individual
ゲート駆動回路50Lは、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲートの容量を充放電する。クランプスイッチSWc(スイッチング素子)とクランプ抵抗回路Rc(第1の抵抗)はクランプ回路を構成する。クランプ回路は、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲート・ソース間の電圧VgsLが所定値Vthcより小さい場合、下アームデバイス30Lのゲートと下アームデバイス30Lのソースとを導通する。クランプスイッチSWc(スイッチング素子)は、オン状態で双方向に電流を流すことができる双方向スイッチング素子である。これにより、双方向にゲート電圧振動を抑制することができる。
The
次に図7Aの単相ブリッジ回路において、上アームがターンオンするときの動作を図7Bに示す。 Next, in the single-phase bridge circuit of FIG. 7A, the operation when the upper arm is turned on is shown in FIG. 7B.
上アームがターンオンするPh.1の期間において、上アームのゲート信号VgsHはHi状態となり、一方、下アームのゲート信号VgsLはLow状態となる。また、下アームのクランプSW制御信号SWcはHi状態となり、下アームのゲート-ソース間はクランプSWとクランプ抵抗回路を介して導通状態となっている。 The upper arm turns on Ph. In the period of 1, the gate signal VgsH of the upper arm is in the Hi state, while the gate signal VgsL of the lower arm is in the Low state. Further, the clamp SW control signal SWc of the lower arm is in the Hi state, and the gate-source of the lower arm is in the conduction state via the clamp SW and the clamp resistance circuit.
上アームのターンオン動作に伴い、上アームのドレイン-ソース電流IsHは増加し、下アームのドレイン-ソース電流IsL(ダイオード電流)は減少方向に電流変化する。このとき、ダイオード電流の変化に応じて、下アームのコモンソースインダクタンスLCMの両端電圧(VssL = LCM×dIsL/dt)が跳ね上がる。 With the turn-on operation of the upper arm, the drain-source current IsH of the upper arm increases, and the drain-source current IsL (diode current) of the lower arm changes in the decreasing direction. At this time, the voltage across the common source inductance LCM of the lower arm (VssL = LCM × dIsL / dt) jumps up according to the change in the diode current.
コモンソースインダクタンスの両端電圧VssLの上昇に伴い、下アームのゲート電流IgLは、Cgsを放電する方向に流れる。このゲート電流を、クランプ抵抗回路が接続されていないクランプSWの低インピーダンスラインでバイパスすると、クランプライン電圧VcLは変動せず、その結果、下アームのゲートソース間電圧VgsL(VcL - VssL)が、コモンソースインダクタンスの両端電圧VssL起因で負側に振動する。このゲートソース間電圧の負側ピーク電圧が、ゲート負側定格を超過すると、ゲート酸化膜が劣化し寿命が短くなる。 As the voltage VssL across the common source inductance rises, the gate current IgL of the lower arm flows in the direction of discharging Cgs. When this gate current is bypassed at the low impedance line of the clamp SW to which the clamp resistance circuit is not connected, the clamp line voltage VcL does not fluctuate, and as a result, the gate-source voltage VgsL (VcL-VssL) of the lower arm becomes. It vibrates to the negative side due to the voltage VssL across the common source inductance. If the negative peak voltage of the gate-source voltage exceeds the gate negative rating, the gate oxide film deteriorates and the life is shortened.
一方、クランプラインに直列抵抗Rc(クランプ抵抗回路)があるとき、クランプライン電圧VcLは直列抵抗Rcの影響で、VssLに対し同位相で正側に跳ね上がる。対アームのゲート振動VgsLは、VcL - VssLで定義されるため、クランプライン直列抵抗Rc起因の跳ね上がり電圧VcLを増大することで、コモンソース起因の負側ピークを低減(キャンセル)でき、ゲートソース間電圧の負側振動を抑制することで、ゲート酸化膜にかかる負担を軽減でき、長寿命化の効果がある。 On the other hand, when the clamp line has a series resistance Rc (clamp resistance circuit), the clamp line voltage VcL jumps to the positive side in the same phase with respect to VssL due to the influence of the series resistance Rc. Since the gate vibration VgsL of the anti-arm is defined by VcL-VssL, the negative peak caused by the common source can be reduced (cancelled) by increasing the jump voltage VcL caused by the clamp line series resistance Rc, and between the gate sources. By suppressing the negative vibration of the voltage, the load on the gate oxide film can be reduced, which has the effect of extending the service life.
次に図7Aの単相ブリッジ回路において、Ph.2期間の動作を図7Bに示す。 Next, in the single-phase bridge circuit of FIG. 7A, Ph. The operation for two periods is shown in FIG. 7B.
上アームのSWオン動作に伴い、下アームのドレイン-ソース間電圧VdsLが上昇する。このとき、VdsL上昇速度をdV/dtとすると、下アームのゲートにはミラー容量Cdgを介して、ミラー電流(IgL = Cdg × dV/dt)が流れ込む。このミラー電流がクランプSWを介してソースに流れるとき、デバイス直近のゲート-ソース間電圧に跳ね上がり電圧ΔVgsL(IgL × Rc)が発生する。この跳ね上がり電圧ΔVgsLがゲート閾値電圧以上になると、上下アームが同時オンとなり、短絡電流による素子破壊が起こる。 With the SW on operation of the upper arm, the drain-source voltage VdsL of the lower arm rises. At this time, assuming that the VdsL rising speed is dV / dt, a mirror current (IgL = Cdg × dV / dt) flows into the gate of the lower arm via the mirror capacitance Cdg. When this mirror current flows to the source via the clamp SW, a jump voltage ΔVgsL (IgL × Rc) is generated at the gate-source voltage in the immediate vicinity of the device. When the jump voltage ΔVgsL becomes equal to or higher than the gate threshold voltage, the upper and lower arms are turned on at the same time, and the element is destroyed due to the short circuit current.
クランプSWにクランプライン直列抵抗を接続する本実施の形態では、ミラー電流起因のゲート振動が増大する一方、コモンソースインダクタンス起因のゲート振動を低減することが可能となる。 In the present embodiment in which the clamp line series resistance is connected to the clamp SW, the gate vibration caused by the mirror current increases, while the gate vibration caused by the common source inductance can be reduced.
次に図8の単相ブリッジ回路において、上アームがターンオフするときの動作を示す。図8は図7(7A、7B)と同様に本発明の第1の実施形態であり、前記各個別のゲート駆動回路は、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、クランプSW制御回路と、クランプSWと直列のクランプ抵抗回路(Rc)を含む。 Next, in the single-phase bridge circuit of FIG. 8, the operation when the upper arm is turned off is shown. FIG. 8 is the first embodiment of the present invention as in FIG. 7 (7A, 7B), and each of the individual gate drive circuits includes a clamp SW (SWc) connecting the gate and the source when the circuit is off, and a clamp. It includes a SW control circuit and a clamp resistance circuit (Rc) in series with the clamp SW.
上アームがターンオフするPh.1の期間において、上アームのゲート信号VgsHはLow状態となり、また、下アームのゲート信号VgsLはLow状態となる。また、下アームのクランプSW制御信号SWcはHi状態となり、下アームのゲート-ソース間はクランプSWとクランプ抵抗回路を介して導通状態となっている。 The upper arm turns off Ph. In the period of 1, the gate signal VgsH of the upper arm is in the Low state, and the gate signal VgsL of the lower arm is in the Low state. Further, the clamp SW control signal SWc of the lower arm is in the Hi state, and the gate-source of the lower arm is in the conduction state via the clamp SW and the clamp resistance circuit.
上アームのターンオフ動作に伴い、上アームのドレイン-ソース間電圧VdsHは増加し、下アームのドレイン-ソース間電圧VdsLは減少方向に電流変化する。このとき、VdsL上昇速度をdV/dtとすると、下アームのゲートにはミラー容量Cdgを介して、ミラー電流(IgL = Cdg × dV/dt)が流れ込む。このミラー電流がクランプSWを介してソースに流れるとき、デバイス直近のゲート-ソース間電圧に跳ね下がり電圧ΔVgsL(IgL × Rc)が発生する。この跳ね下がり電圧ΔVgsLがゲート負側定格を超過すると、ゲート酸化膜が劣化し寿命が短くなる。 With the turn-off operation of the upper arm, the drain-source voltage VdsH of the upper arm increases, and the drain-source voltage VdsL of the lower arm changes in the decreasing direction. At this time, assuming that the VdsL rising speed is dV / dt, a mirror current (IgL = Cdg × dV / dt) flows into the gate of the lower arm via the mirror capacitance Cdg. When this mirror current flows to the source via the clamp SW, a jump voltage ΔVgsL (IgL × Rc) is generated at the gate-source voltage in the immediate vicinity of the device. When this bounce voltage ΔVgsL exceeds the gate negative rating, the gate oxide film deteriorates and the life is shortened.
次に図8の単相ブリッジ回路において、Ph.2期間の動作について示す。 Next, in the single-phase bridge circuit of FIG. 8, Ph. The operation for two periods is shown.
上アームのターンオフ動作に伴い、上アームのドレイン-ソース電流IdsHは減少し、下アームのドレイン-ソース電流IsL(ダイオード電流)は増加方向に電流変化する。このとき、ダイオード電流の変化に応じて、下アームのコモンソースインダクタンスの両端電圧(VssL = LCM×dIsL/dt)が跳ね下がる。 With the turn-off operation of the upper arm, the drain-source current IdsH of the upper arm decreases, and the drain-source current IsL (diode current) of the lower arm changes in the increasing direction. At this time, the voltage across the common source inductance of the lower arm (VssL = LCM × dIsL / dt) jumps down according to the change in the diode current.
コモンソースインダクタンスの両端電圧VssLの減少に伴い、下アームのゲート電流IgLは、Cgsを充電する方向に流れる。このゲート電流を、クランプ抵抗回路が接続されていないクランプSWの低インピーダンスラインでバイパスすると、クランプライン電圧Vcは変動せず、その結果、下アームのゲートソース間電圧VgsL(VcL - VssL)が、コモンソースインダクタンスの両端電圧VssL起因で正側に振動する。この跳ね上がり電圧VgsLがゲート閾値電圧以上になると、上下アームが同時オンとなり、短絡電流による素子破壊が起こる。 As the voltage VssL across the common source inductance decreases, the gate current IgL of the lower arm flows in the direction of charging Cgs. When this gate current is bypassed at the low impedance line of the clamp SW to which the clamp resistance circuit is not connected, the clamp line voltage Vc does not fluctuate, and as a result, the gate-source voltage VgsL (VcL-VssL) of the lower arm becomes. It vibrates to the positive side due to the voltage VssL across the common source inductance. When the jump voltage VgsL becomes equal to or higher than the gate threshold voltage, the upper and lower arms are turned on at the same time, and the element is destroyed due to the short circuit current.
一方、クランプラインに直列抵抗Rc(クランプ抵抗回路)があるとき、クランプライン電圧VcLは直列抵抗Rcの影響で、VssLに対し同位相で負側に跳ね下がる。対アームのゲート振動VgsLは、VcL - VssLで定義されるため、クランプライン直列抵抗Rc起因の跳ね下がり電圧VcLを増大することで、コモンソース起因の正側ピークを低減(キャンセル)でき、誤オン防止の効果がある。 On the other hand, when the clamp line has a series resistance Rc (clamp resistance circuit), the clamp line voltage VcL is affected by the series resistance Rc and jumps to the negative side in the same phase with respect to VssL. Since the gate vibration VgsL of the anti-arm is defined by VcL-VssL, the positive peak caused by the common source can be reduced (cancelled) by increasing the jump voltage VcL caused by the clamp line series resistance Rc, and the error is turned on. Has a preventive effect.
ターンオフ動作においても、クランプSWにクランプライン直列抵抗を接続する本実施の形態では、ミラー電流起因のゲート振動が増大する一方、コモンソースインダクタンス起因のゲート振動を低減することが可能となる。 Even in the turn-off operation, in the present embodiment in which the clamp line series resistance is connected to the clamp SW, the gate vibration caused by the mirror current increases, while the gate vibration caused by the common source inductance can be reduced.
以上のように本発明の第1の実施形態によれば、ターンオン、およびターンオフ動作における、コモンソースインダクタンス起因の非駆動アームのゲート電圧振動を低減可能となる。すなわち、本実施形態によれば、パワーデバイスの高速駆動に伴うゲート電圧振動を抑制することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to reduce the gate voltage vibration of the non-drive arm due to the common source inductance in the turn-on and turn-off operations. That is, according to the present embodiment, it is possible to suppress the gate voltage vibration associated with the high-speed drive of the power device.
(第2の実施形態)
図9は本発明の第2の実施形態の単相ブリッジ回路を示している。
(Second embodiment)
FIG. 9 shows a single-phase bridge circuit according to a second embodiment of the present invention.
図9の単相ブリッジ回路は2つのパワー半導体素子と、個別のゲート駆動回路を含む。 The single-phase bridge circuit of FIG. 9 includes two power semiconductor devices and a separate gate drive circuit.
前記個別のゲート駆動回路は、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、クランプSW制御回路と、クランプSWと直列のクランプ抵抗回路(Rc)と、前記クランプ抵抗回路と並列のダイオードDcを含む。換言すれば、クランプ回路は、クランプ抵抗回路Rc(第1の抵抗)に並列接続されるダイオードDc(第1のダイオード)をさらに備える。図9の例では、ダイオードDc(第1のダイオード)のカソードは、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲートに接続される。
The individual gate drive circuit includes a clamp SW (SWc) that connects the gate and the source when off, a clamp SW control circuit, a clamp resistance circuit (Rc) in series with the clamp SW, and the clamp resistance circuit in parallel. Includes diode Dc. In other words, the clamp circuit further comprises a diode Dc (first diode) connected in parallel to the clamp resistance circuit Rc (first resistor). In the example of FIG. 9, the cathode of the diode Dc (first diode) is connected to the gate of the
図9の構成では、上アームがターンオン時、クランプスイッチSWcは導通状態となる。このとき、ターンオン期間において、VdsL変動に伴うミラー電流(図7BのPh2期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図7BのPh1期間)はクランプ抵抗Rcを介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。よって、ターンオン時の負側のゲート振動が低減される。 In the configuration of FIG. 9, when the upper arm is turned on, the clamp switch SWc is in a conductive state. At this time, in the turn-on period, the mirror current due to the VdsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 7B) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to the IsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 7B) use the clamp resistance Rc. Via the clamp switch SWc, it is bypassed to the source. Therefore, the gate vibration on the negative side at the time of turn-on is reduced.
一方、上アームがターンオフ時、クランプスイッチSWcは導通状態となる。このとき、ターンオフ期間において、VdsL変動に伴うミラー電流(図8のPh1期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図8のPh2期間)はクランプダイオードDcを介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。よって、ターンオフ時においても負側のゲート振動が低減される。 On the other hand, when the upper arm is turned off, the clamp switch SWc is in a conductive state. At this time, in the turn-off period, the mirror current due to the VdsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 8) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to the IsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 8) use the clamp diode Dc. Via the clamp switch SWc, it is bypassed to the source. Therefore, the gate vibration on the negative side is reduced even at the time of turn-off.
以上の構成では、ターンオン、及びターンオフともに負側のゲート振動が低減できる。よって、特にパワー半導体デバイスのゲート負側耐圧が小さい場合に効果的であり、非駆動アームにおける負側のゲート振動を抑制することで、ゲート酸化膜にかかる負担を軽減でき、パワー半導体デバイスの長寿命化の効果がある。 With the above configuration, the gate vibration on the negative side can be reduced for both turn-on and turn-off. Therefore, it is particularly effective when the negative gate withstand voltage of the power semiconductor device is small, and by suppressing the gate vibration on the negative side of the non-drive arm, the load on the gate oxide film can be reduced, and the length of the power semiconductor device can be reduced. It has the effect of extending the life.
(第3の実施形態)
図10は本発明の第3の実施形態の単相ブリッジ回路を示している。
(Third embodiment)
FIG. 10 shows a single-phase bridge circuit according to a third embodiment of the present invention.
図10の単相ブリッジ回路は2つのパワー半導体素子と、個別のゲート駆動回路を含む。 The single-phase bridge circuit of FIG. 10 includes two power semiconductor devices and a separate gate drive circuit.
前記個別のゲート駆動回路は、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、クランプSW制御回路と、クランプSWと直列のクランプ抵抗回路(Rc)と、前記クランプ抵抗回路と並列のダイオードDcを含む。 The individual gate drive circuit includes a clamp SW (SWc) that connects the gate and the source when off, a clamp SW control circuit, a clamp resistance circuit (Rc) in series with the clamp SW, and the clamp resistance circuit in parallel. Includes diode Dc.
図10の例では、ダイオードDc(第1のダイオード)のアノードは、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲートに接続される。
In the example of FIG. 10, the anode of the diode Dc (first diode) is connected to the gate of the
図10の構成では、上アームがターンオン時、クランプスイッチSWcは導通状態となる。このとき、ターンオン期間において、VdsL変動に伴うミラー電流(図7BのPh2期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図7BのPh1期間)はクランプダイオードDcを介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。よって、ターンオン時の正側のゲート振動が低減される。 In the configuration of FIG. 10, when the upper arm is turned on, the clamp switch SWc is in a conductive state. At this time, in the turn-on period, the mirror current due to the VdsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 7B) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to the IsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 7B) use the clamp diode Dc. Via the clamp switch SWc, it is bypassed to the source. Therefore, the gate vibration on the positive side at the time of turn-on is reduced.
一方、上アームがターンオフ時、クランプスイッチSWcは導通状態となる。このとき、ターンオフ期間において、VdsL変動に伴うミラー電流(図8のPh1期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図8のPh2期間)はクランプ抵抗Rcを介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。よって、ターンオフ時においても正側のゲート振動が低減される。 On the other hand, when the upper arm is turned off, the clamp switch SWc is in a conductive state. At this time, in the turn-off period, the mirror current due to the VdsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 8) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to the IsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 8) use the clamp resistance Rc. Via the clamp switch SWc, it is bypassed to the source. Therefore, the gate vibration on the positive side is reduced even at the time of turn-off.
以上の構成では、ターンオン、及びターンオフともに正側のゲート振動が低減できる。よって、特にパワー半導体デバイスのしきい値電圧が低い場合に効果的であり、非駆動アームにおける正側のゲート振動を抑制することで、上下アームが同時オンとなることに起因する、短絡電流による素子破壊を防ぐことが可能となる。 With the above configuration, the gate vibration on the positive side can be reduced for both turn-on and turn-off. Therefore, it is particularly effective when the threshold voltage of the power semiconductor device is low, and it is due to the short-circuit current caused by the simultaneous on of the upper and lower arms by suppressing the gate vibration on the positive side in the non-drive arm. It is possible to prevent element destruction.
(第4の実施形態)
図11は本発明の第4の実施形態の単相ブリッジ回路を示している。
(Fourth Embodiment)
FIG. 11 shows a single-phase bridge circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
図11の単相ブリッジ回路は2つのパワー半導体素子と、個別のゲート駆動回路を含む。前記個別のゲート駆動回路は、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、クランプSW制御回路と、クランプSWと直列のクランプ抵抗回路(Rc1、Rc2)と、前記クランプ抵抗回路と直列のクランプダイオード(Dc1、Dc2)を含む。 The single-phase bridge circuit of FIG. 11 includes two power semiconductor devices and a separate gate drive circuit. The individual gate drive circuits include a clamp SW (SWc) that connects the gate and the source when off, a clamp SW control circuit, a clamp resistance circuit (Rc1, Rc2) in series with the clamp SW, and the clamp resistance circuit. Includes series clamp diodes (Dc1, Dc2).
クランプ回路は、クランプ抵抗回路Rc1(第1の抵抗)に直列接続されるクランプダイオードDc1(第1のダイオード)と、クランプスイッチSWc(スイッチング素子)に直列接続されるクランプ抵抗回路Rc2(第2の抵抗)と、クランプ抵抗回路Rc2に直列接続されるクランプダイオードDc2(第2のダイオード)と、をさらに備える。図11の例では、クランプダイオードDc1のアノードは、下アームデバイス30Lのゲートに接続され、クランプダイオードDc2のカソードは、下アームデバイス30Lのゲートに接続される。
The clamp circuit consists of a clamp diode Dc1 (first diode) connected in series to the clamp resistance circuit Rc1 (first resistor) and a clamp resistance circuit Rc2 (second resistor) connected in series to the clamp switch SWc (switching element). A resistor) and a clamp diode Dc2 (second diode) connected in series to the clamp resistance circuit Rc2 are further provided. In the example of FIG. 11, the anode of the clamp diode Dc1 is connected to the gate of the
図11の構成では、上アームがターンオン時、VdsL変動に伴うミラー電流(図7BのPh2期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図7BのPh1期間)はクランプダイオードDc1とクランプ抵抗Rc1を介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。 In the configuration of FIG. 11, when the upper arm is turned on, the mirror current due to VdsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 7B) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to IsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 7B). Is bypassed to the source by the clamp switch SWc via the clamp diode Dc1 and the clamp resistor Rc1.
一方、上アームがターンオフ時、VdsL変動に伴うミラー電流(図8のPh1期間)、及びIsL変動に伴うコモンソースインダクタンス両端電圧変動VssLに起因するゲート電流(図8のPh2期間)はクランプ抵抗Rc2と、クランプダイオードDc2を介して、クランプスイッチSWcでソースにバイパスされる。 On the other hand, when the upper arm is turned off, the mirror current due to VdsL fluctuation (Ph1 period in FIG. 8) and the gate current due to the voltage fluctuation VssL across the common source inductance due to IsL fluctuation (Ph2 period in FIG. 8) are clamp resistance Rc2. Then, it is bypassed to the source by the clamp switch SWc via the clamp diode Dc2.
以上の構成では、ターンオン、及びターンオフで個別にクランプライン電圧VcLを調整可能となる。ターンオフ時、およびターンオン時のスイッチング速度にあわせて、コモンソースインダクタンス起因のゲート振動を個別に低減可能となる。 With the above configuration, the clamp line voltage VcL can be adjusted individually for turn-on and turn-off. Gate vibration due to common source inductance can be individually reduced according to the switching speed at turn-off and turn-on.
(第5の実施形態)
図12は本発明の第5の実施形態の単相ブリッジ回路を示している。
(Fifth Embodiment)
FIG. 12 shows a single-phase bridge circuit according to a fifth embodiment of the present invention.
図12の単相ブリッジ回路は2つのパワー半導体素子と、個別のゲート駆動回路を含む。前記個別のゲート駆動回路は、オフ時にゲートとソース間を接続するクランプSW(SWc)と、ターンオン時のゲート容量チャージ電流調整抵抗Rgonと、ターンオフ時のゲート容量ディスチャージ電流調整抵抗Rgoffと、ゲートドライブ回路BUFとを含む。 The single-phase bridge circuit of FIG. 12 includes two power semiconductor devices and a separate gate drive circuit. The individual gate drive circuits include a clamp SW (SWc) that connects the gate and the source at the time of off, a gate capacitance charge current adjustment resistor Rgon at the time of turn-on, a gate capacitance discharge current adjustment resistor Rgoff at the time of turn-off, and a gate drive. Includes circuit BUF.
本実施の形態によれば、パワー半導体デバイスからクランプ回路までの配線インダクタンスLp2は、パワー半導体デバイスからゲートドライブ回路までの配線インダクタンスLp1よりも小さくなるように実装される。 According to this embodiment, the wiring inductance Lp2 from the power semiconductor device to the clamp circuit is mounted so as to be smaller than the wiring inductance Lp1 from the power semiconductor device to the gate drive circuit.
図12に示すように、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲートとクランプ回路とを接続する配線を示すクランプ回路配線のインダクタンスLp2は、下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のゲートとゲート駆動回路とを接続する配線を示すドライブ回路配線のインダクタンスLp1よりも小さい。
As shown in FIG. 12, the inductance Lp2 of the clamp circuit wiring indicating the wiring connecting the gate of the
クランプ回路配線インダクタンスLp2を、ドライブ回路配線インダクタンスLp1より小さくすることで、非駆動アームにおいて、ドライブ回路抵抗Rgon/Rgoffに流れるゲート電流を低減でき、非駆動アームのゲート振動を低減できる。 By making the clamp circuit wiring inductance Lp2 smaller than the drive circuit wiring inductance Lp1, the gate current flowing through the drive circuit resistance Rgon / Rgoff can be reduced in the non-drive arm, and the gate vibration of the non-drive arm can be reduced.
(第6の実施形態)
図13は、本発明を適用した電力変換装置(電力変換器)の回路構成の一例を示す図である。
(Sixth Embodiment)
FIG. 13 is a diagram showing an example of a circuit configuration of a power converter (power converter) to which the present invention is applied.
図13を図2に示した第1の実施形態の回路構成と比較すると、図13の例では、図2のDCリンクコンデンサが互いに直列接続された2つのコンデンサ601とコンデンサ602から構成され、コンデンサ601と602との接続点が、交流電源側に接続されるコンデンサ2100(第1のACフィルタコンデンサ)を介して、R、S、T端子に接続されるとともに、インバータ103の出力側(負荷108側)に接続されるコンデンサ2000(第2のACフィルタコンデンサ)を介して、U、V、W端子に接続される。
Comparing FIG. 13 with the circuit configuration of the first embodiment shown in FIG. 2, in the example of FIG. 13, the DC link capacitor of FIG. 2 is composed of two
コンデンサ601と602との接続点は、コンデンサ2000及びコンデンサ2100に接続され、中間電位4000となっている。また、チョッパ104の上アームスイッチング素子104-1Bと下アームスイッチング素子104-2Bとの接続中点(接続点)にリアクトル406Aが接続され、上アームスイッチング素子104-1Aと下アームスイッチング素子104-2Aとの接続中点にリアクトル406Bが接続されている。
The connection points between the
図14は図13の電力変換装置の回路を基板上に実装したレイアウト(上面図)を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing a layout (top view) in which the circuit of the power conversion device of FIG. 13 is mounted on a substrate.
コンバータ102及びインバータ103の冷却風の上流側(風上側)にDCリンクコンデンサ600が配置され、チョッパ104の下流側(風下側)にDCACリアクトル800が配置されている。
The DC link capacitor 600 is arranged on the upstream side (upwind side) of the cooling air of the
この構成により、コンバータ102及びインバータ103の冷却風の上流側にDCリンクコンデンサ600が配置されているので、DCリンクコンデンサ600に対するコンバータ102及びインバータ103の動作による発熱の影響(あおり熱の影響)を除去することができる。さらにコンバータとチョッパは同時に最大発熱とならないため、双方間のあおり熱を低減することができる。
Due to this configuration, the DC link capacitor 600 is arranged on the upstream side of the cooling air of the
さらに、DCACリアクトル800をコンバータ102、インバータ103及びチョッパ104の冷却風の下流側に配置したので、コンバータ102、インバータ103及びチョッパ104対するDCACリアクトル800による発熱の影響(あおり熱の影響)を除去することができる。
Further, since the DCAC reactor 800 is arranged on the downstream side of the cooling air of the
コンバータ102U、102V、102Wの各パワーデバイス30を駆動するゲートドライブ回路102U1D、102U2D、102V1D、102V2D、102W1D及び102W2D(コンバータ制御部(電力変換ユニット駆動部)204)をそれぞれのパワーデバイス30の近傍に配置する。
Gate drive circuits 102U1D, 102U2D, 102V1D, 102V2D, 102W1D and 102W2D (converter control unit (power conversion unit drive unit) 204) for driving the
そして、コンバータ102は、U相、V相、W相毎に、パワーデバイス30及び冷却フィン40との組を2組有しているが、U相とV相とが互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路102U2Dと102V1Dとが互いに対向して配置される。さらに、V相とW相とが互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路102V2Dと102W1Dとが互いに対向して配置されている。
The
また、インバータ103U、103V、103Wの各パワーデバイス30を駆動するゲートドライブ回路103U1D、103U2D、103V1D、103V2D、103W1D及び103W2D(インバータ制御部(電力変換ユニット駆動部)304)をそれぞれのパワーデバイス30の近傍に配置する。そして、インバータ103は、U相、V相、W相毎に、パワーデバイス30及び冷却フィン40との組を2組有しているが、U相とV相とが互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路103U2Dと103V1Dとが互いに対向して配置される。さらに、V相とW相とが互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路103V2Dと103W1Dとが互いに対向して配置されている。
Further, the gate drive circuits 103U1D, 103U2D, 103V1D, 103V2D, 103W1D and 103W2D (inverter control unit (power conversion unit drive unit) 304) for driving the
コンバータ102のW相とインバータ103のU相とは、互いに隣接して配置されており、互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路102W2Dと103U1Dとが互いに対向して配置される。
The W phase of the
また、チョッパ104-1、104-2の各パワーデバイス30を駆動するゲートドライブ回路104-1D1、104-1D2、104-2D1、104-2D2(チョッパ制御部(電力変換ユニット駆動部)405)をそれぞれのパワーデバイス30の近傍に配置する。
Further, the gate drive circuits 104-1D1, 104-1D2, 104-2D1 and 104-2D2 (chopper control unit (power conversion unit drive unit) 405) for driving the
チョッパ104は、パワーデバイス30及び冷却フィン40との組を有し、チョッパ104-1と104-2のそれぞれが2組有している。チョッパ104-1と104-2とが互いに隣接する位置に配置されたパワーデバイス30及び冷却フィン40との組は、それぞれのパワーデバイス30が互いに対向して配置され、かつ、ゲートドライブ回路104-1D2と104-2D1とが互いに対向して配置される。
The
本構成によれば、パワーデバイス30とそのゲートドライブ回路(102U1D~102W1D、103U1D~103W2D、104-1D1~104-2D2)とを互いに近傍に配置したので、ゲートドライブ回路の配線インダクタンスを低減し不要共振を抑制でき、かつ、パワーデバイス30を高速に駆動することができる。
According to this configuration, since the
(第7の実施形態)
図15は、図14に示した回路構成における配線レイアウトの一例を示す図である。
(7th Embodiment)
FIG. 15 is a diagram showing an example of a wiring layout in the circuit configuration shown in FIG.
図15に示した配線例は、L1層(コンバータ102とインバ-タ103のAC配線)、L2層(P極配線)、L3層(N極配線)、L4層(チョッパ104のAC配線、中間電位4000の中間電極配線)の多層構造となっている。換言すれば、電力変換装置100は、表面から順に第1層、第2層、及び第3層を少なくとも含む多層基板を備える。
The wiring example shown in FIG. 15 is an L1 layer (AC wiring of the
図15Aに示すように、L1層は、コンバータ102の配線1021、1022、1023が形成されている。さらに、インバータ103のAC配線1031、1032、1033が形成されている。
As shown in FIG. 15A,
すなわち、電力変換装置100の交流側端子(U、V、W)にそれぞれ接続される配線を示すAC配線(1031、1032、1033)は、L1層(第1層)に配置される。これにより、AC配線の冷却効率を向上することができる。
That is, the AC wirings (1031, 1032, 1033) indicating the wirings connected to the AC side terminals (U, V, W) of the
また、図15Bに示すように、L2層は、P極配線3000Pが形成されている。すなわち、電力変換装置100の直流正側端子(P)に接続される配線を示すP極配線3000Pは、L2層(第2層)とL3層(第3層)の一方に配置される。
Further, as shown in FIG. 15B, the
また、図15Cに示すように、L3層は、N極配線2000Nが形成されている。すなわち、電力変換装置100の直流負側端子(N)に接続される配線を示すN極配線2000Nは、L2層(第2層)とL3層(第3層)の他方に配置される。
Further, as shown in FIG. 15C, N-
さらに、図15Dに示すように、L4層は、チョッパAC配線1041、1042が形成されるとともに、中間電位配線4000Lが形成されている。
Further, as shown in FIG. 15D, in the L4 layer, chopper AC wirings 1041 and 1042 are formed, and intermediate
図16は、図15AのB-B’線に沿った断面図(模式図)である。 FIG. 16 is a cross-sectional view (schematic diagram) along the line BB'of FIG. 15A.
図16において、L4層は、ゲートドライブ配線5000GL4、及びAC中間電位配線5000ML4が形成され、L3層は、ゲートドライブ配線5000GL3、及びN極配線5000ML3が形成されている。 In FIG. 16, the gate drive wiring 5000GL4 and the AC intermediate potential wiring 5000ML4 are formed in the L4 layer, and the gate drive wiring 5000GL3 and the N pole wiring 5000ML3 are formed in the L3 layer.
また、L2層は、ゲートドライブ配線5000GL2、及びP極配線5000ML2が形成され、L1層は、ゲートドライブ配線5000GL1、AC配線5000ML1が形成されている。 Further, the L2 layer is formed with the gate drive wiring 5000GL2 and the P pole wiring 5000ML2, and the L1 layer is formed with the gate drive wiring 5000GL1 and the AC wiring 5000ML1.
各層の間には、絶縁層5000Iが配置され、互いに絶縁が図られている。また、L1層~L4層を通じてビア6200が形成され、ビア6200内にリード6100が配置されている。L1層の上方には、リード6100に接続された下アームデバイス30L、上ア-ムデバイス30Hが接続されている。また、L1層のゲートドライブ配線5000GL1の上部には、ゲートドライブ回路とゲートクランプ回路(クランプ回路)が配置されている。
An insulating layer 5000I is arranged between the layers to insulate each other. Further, a via 6200 is formed through the L1 layer to the L4 layer, and a
上記構成とすることにより、ゲートドライブ配線5000Gと、主回路配線5000Mとを層方向に分離し、低ノイズ化を図ることができる。また、主回路配線5000Mを多層配線構造(ラミネート配線構造)とすることで、低インダクタンス化して、スイッチング動作に伴う主回路電圧の跳ね上がりを抑制することができる。
With the above configuration, the
また図16の配線構成では、パワーデバイスのソースリードと、ゲート駆動回路のソース配線はL1層で接続される。換言すれば、ゲート駆動回路50Lと下アームデバイス30L(第2のパワーデバイス)のソースとを接続する配線を示すゲートソース配線は、L1層(第1層)に配置される。この構成により、共通ソースインダクタンスLCMを低減でき、非駆動アームにおいて、共通ソースインダクタンス起因のゲート振動を低減できる。
Further, in the wiring configuration of FIG. 16, the source lead of the power device and the source wiring of the gate drive circuit are connected by the L1 layer. In other words, the gate source wiring indicating the wiring connecting the
更に図16の配線構成のように、ゲート駆動回路のソース配線をLp1で配線し、ゲート駆動回路のゲート配線をLp2で配線し、双方をラミネート構造とすることで、ゲート駆動回路の配線インダクタンスを低減し、非駆動アームにおけるゲート振動を低減できる。 Further, as shown in the wiring configuration of FIG. 16, the source wiring of the gate drive circuit is wired with Lp1, the gate wiring of the gate drive circuit is wired with Lp2, and both have a laminated structure to reduce the wiring inductance of the gate drive circuit. It can be reduced and the gate vibration in the non-drive arm can be reduced.
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
20…ハーフブリッジ回路
21、22…スイッチング素子
23、24…整流素子
25、26…コンデンサ
30…パワーデバイス
30H…上ア-ムデバイス
30L…下アームデバイス
40…冷却フィン
50H、50L…ゲート駆動回路
100…電力変換装置
102…コンバータ
102U…コンバータ
102U1D…ゲートドライブ回路
102U2D…ゲートドライブ回路
102V…コンバータ
102V1D…ゲートドライブ回路
102V2D…ゲートドライブ回路
102W…コンバータ
102W1D…~
102W1D…ゲートドライブ回路
102W2D…ゲートドライブ回路
103…インバ-タ
103U…インバータ
103U1D…ゲートドライブ回路
103U2D…ゲートドライブ回路
103V…インバータ
103V1D…ゲートドライブ回路
103V2D…ゲートドライブ回路
103W…インバータ
103W1D…ゲートドライブ回路
104…チョッパ
104-1…チョッパ
104-1A…上アームスイッチング素子
104-1B…上アームスイッチング素子
104-1D1…ゲートドライブ回路
104-1D2…ゲートドライブ回路
104-2…チョッパ
104-2A…下アームスイッチング素子
104-2B…下アームスイッチング素子
104-2D1…ゲートドライブ回路
104-2D2…ゲートドライブ回路
105…上位制御回路
106…商用電源(交流電源)
107…蓄電池(直流電源)
108…負荷
201…ハーフブリッジ回路
202…ハーフブリッジ回路
203…ハーフブリッジ回路
204…コンバータ制御部(電力変換ユニット駆動部)
301…ハーフブリッジ回路
302…ハーフブリッジ回路
303…ハーフブリッジ回路
304…インバータ制御部(電力変換ユニット駆動部)
401…ハーフブリッジ回路
405…チョッパ制御部(電力変換ユニット駆動部)
406…リアクトル
406A…リアクトル
406B…リアクトル
600…リンクコンデンサ
601…コンデンサ
602…コンデンサ
800…リアクトル
2000…コンデンサ
2100…コンデンサ
5000I…絶縁層
6100…リード
6200…ビア
20 ...
102W1D ... Gate drive circuit 102W2D ...
107 ... Storage battery (DC power supply)
108 ...
301 ... Half-
401 ...
406 ...
Claims (9)
前記第2のパワーデバイスのゲートの容量を充放電するゲート駆動回路と、
前記第2のパワーデバイスのゲート・ソース間の電圧が所定値より小さい場合、前記第2のパワーデバイスのゲートと前記第2のパワーデバイスのソースとを導通するクランプ回路と、を備え、
前記クランプ回路は、
スイッチング素子とそれに直列接続された第1の抵抗と、前記第1の抵抗に並列接続される第1のダイオードから構成される
ことを特徴とする電力変換装置。 A bridge circuit including a first power device and a second power device connected in series with the first power device.
A gate drive circuit that charges and discharges the capacity of the gate of the second power device, and
When the voltage between the gate and the source of the second power device is smaller than a predetermined value, a clamp circuit for conducting the gate of the second power device and the source of the second power device is provided.
The clamp circuit is
A power conversion device comprising a switching element, a first resistor connected in series to the switching element, and a first diode connected in parallel to the first resistor .
前記第1のダイオードのカソードは、
前記第2のパワーデバイスのゲートに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 .
The cathode of the first diode is
A power conversion device characterized by being connected to the gate of the second power device.
前記第1のダイオードのアノードは、
前記第2のパワーデバイスのゲートに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 .
The anode of the first diode is
A power conversion device characterized by being connected to the gate of the second power device.
前記クランプ回路は、
前記第1の抵抗に直列接続される第1のダイオードと、
前記スイッチング素子に直列接続される第2の抵抗と、
前記第2の抵抗に直列接続される第2のダイオードと、をさらに備え、
前記第1のダイオードのアノードは、
前記第2のパワーデバイスのゲートに接続され、
前記第2のダイオードのカソードは、
前記第2のパワーデバイスのゲートに接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 A bridge circuit including a first power device and a second power device connected in series to the first power device, a gate drive circuit for charging and discharging the capacity of the gate of the second power device, and a gate of the second power device. When the voltage between the sources is smaller than a predetermined value, the clamp circuit comprises a clamp circuit that conducts the gate of the second power device and the source of the second power device, and the clamp circuit is in series with the switching element. A power conversion device composed of a connected first resistor .
The clamp circuit is
A first diode connected in series with the first resistance,
A second resistor connected in series to the switching element,
Further comprising a second diode connected in series with the second resistor.
The anode of the first diode is
Connected to the gate of the second power device,
The cathode of the second diode is
A power conversion device characterized by being connected to the gate of the second power device.
前記第2のパワーデバイスのゲートと前記クランプ回路とを接続する配線であるクランプ回路配線のインダクタンスLp2は、前記第2のパワーデバイスのゲートと前記ゲート駆動回路とを接続する配線であるドライブ回路配線のインダクタンスLp1よりも小さい
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1.
The inductance Lp2 of the clamp circuit wiring , which is the wiring connecting the gate of the second power device and the clamp circuit, is the drive circuit wiring which is the wiring connecting the gate of the second power device and the gate drive circuit. A power conversion device characterized by having an inductance smaller than that of Lp1.
パワーデバイスが搭載される側を表面とし、
表面から順に第1層、及び第2層を少なくとも含む多層基板をさらに備え、
前記ゲート駆動回路と前記第2のパワーデバイスのソースとを接続する配線であるゲートソース配線は、前記第1層に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 5 .
The side on which the power device is mounted is the surface,
Further, a multilayer substrate containing at least a first layer and a second layer in order from the surface is provided.
A power conversion device characterized in that the gate source wiring , which is wiring connecting the gate drive circuit and the source of the second power device, is arranged in the first layer.
前記多層基板は、第1層、第2層、及び第3層を少なくとも含む多層基板であり、
前記電力変換装置の交流側端子に接続される配線であるAC配線は、前記第1層に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6 .
The multilayer board is a multilayer board including at least a first layer, a second layer, and a third layer.
A power conversion device characterized in that the AC wiring , which is the wiring connected to the AC side terminal of the power conversion device, is arranged in the first layer.
前記電力変換装置の直流正側端子に接続される配線であるP極配線は、
前記第2層と前記第3層の一方に配置され、
前記電力変換装置の直流負側端子に接続される配線であるN極配線は、
前記第2層と前記第3層の他方に配置される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7 .
The P pole wiring , which is the wiring connected to the DC positive terminal of the power conversion device, is
Arranged in one of the second layer and the third layer,
The N-pole wiring , which is the wiring connected to the negative DC terminal of the power conversion device, is
Arranged on the other side of the second layer and the third layer
A power conversion device characterized by that.
前記スイッチング素子は、
オン状態で双方向に電流を流すことができる双方向スイッチング素子である
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1.
The switching element is
A power conversion device characterized by being a bidirectional switching element that can flow current in both directions when it is on.
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