JP7024374B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
を備え、前記駆動回路は、前記外部の制御回路から制御信号が入力され、当該制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出手段から出力される前記動作温度に応じた出力電圧と、予め定めた温度に対応する基準電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力に所定の遅延を与えるフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力を前記制御信号に基づいてラッチするラッチ回路を備える、ことを特徴とする。
また、上記の目的を達成するため、本発明の別の観点に係る電力変換装置は、スイッチングによって負荷に一定の電力を供給するパワー半導体スイッチング素子であって、外部の制御回路からの制御信号によってオン、オフするパワー半導体スイッチング素子と、前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出し、検出結果に応じて当該パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、前記外部の制御回路から制御信号が入力され、当該制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段から出力される前記温度に応じた電圧を反転増幅する反転増幅器と、前記反転増幅器の反転増幅結果をアナログ・デジタル変換し、前記制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオフするタイミングでアナログ・デジタル変換結果をサンプルホールドするA/Dコンバータと、を備えることを特徴とする。
(構成)
本実施の形態に係るIPM(Intelligent Power Module)1は、例えば、産業用ロボットのジョイント、エレベータ、もしくは業務用エアコンに適用される電力変換装置であり、図1に示すように、主に、パワー半導体チップ2と、ICチップ3とを含んで構成される。
第2のコンパレータ312は、反転入力端子が抵抗R1を介して複数のダイオード22のアノードに接続され、非反転入力端子が第1のコンパレータ311の所定の温度とは別の所定の温度に対応する電圧値を有する基準電圧源Vref2のプラス端に接続される。基準電圧源Vref2のマイナス端は接地される。
同様に、第2のフィルタ回路314は、その入力端が第2のコンパレータ312の出力端子に接続され、その出力端がラッチ回路33の高温側入力端Hに接続される。
なお、図1においては第1及び第2のフィルタ回路313、314を、それぞれ複数段で構成する例を示しているが、フィルタの段数は任意であり、所望の効果を得られるように適宜の数とすることができる。
第2のインバータ322は、入力端がラッチ回路33の高温側出力端THに接続され、出力端がNANDゲート34の一方の入力端に接続される。なお、ラッチ回路33の高温側出力端THは、選択回路32の第2の出力端VHにも接続される。
第3のインバータ323は、入力端がNANDゲート324の出力端に接続され、出力端が選択回路32の第3の出力端VMに接続される。
NANDゲート324は、他方の入力端がラッチ回路33の低温側出力端TLに接続される。
また、IGBT21の動作温度が高い場合には、上述したように、ラッチ回路33の低温側出力端TLから入力される信号は、Hレベルであり、またラッチ回路33の高温側出力端THから入力される信号は、Hレベルである。この場合、図2に示す回路構成によれば、第2の出力端VHのみからHレベルの信号が出力され、第1及び第3の出力端VL及びVMからはLレベルの信号が出力される。
これ以外の場合、例えば、ラッチ回路33の低温側出力端TLから入力される信号がHレベルで、ラッチ回路33の高温側出力端から入力される信号がLレベルの場合、図2に示す回路構成によれば、第3の出力端VMのみからHレベルの信号が出力され、第1及び第2の出力端VL、VHからはLレベルの信号が出力される。この場合が、IGBT21の動作温度が、低い温度と高い温度とで定まる温度領域において中間の温度の場合に対応する。
第1のDラッチ331は、D(データ)入力が第1のフィルタ回路313の出力端に接続され、C(クロック)入力が信号線Sに接続される。信号線Sを介して外部の制御回路4からの上記制御信号S1がC入力に供給される。また、第1のDラッチ331のQ出力は、ラッチ回路33の低温側出力端TLであり、上述した第1のインバータ321の入力端に接続される。
同様に、第2のDラッチ332は、D入力が第2のフィルタ回路314の出力端に接続され、C入力が信号線Sに接続され、この信号線Sを介して上記制御信号S1がC入力に供給される。また、第2のDラッチ332のQ出力は、ラッチ回路33の高温側出力端THであり、第2のインバータ322の入力端及び選択回路32の第2の出力端VHに接続される。
第2のスイッチSW2は、入力側が、電圧降下用の抵抗R2を介して電圧源VCC2に接続され、出力側が、差動増幅器351の非反転入力端子に接続される。また、第2のスイッチSW2は、第1及び第2のコンパレータ311及び312の出力信号が共にHレベルの場合に導通するように、一方のMOSFETのゲートが選択回路32の第2の出力端VHに接続される。
第3のスイッチSW3は、入力側が、電圧降下用の抵抗R2及びR3を介して電圧源VCC2に接続され、出力側が差動増幅器351の非反転入力端子に接続される。また、第3のスイッチSW3は、第1のコンパレータ311の出力信号がHレベルで、第2のコンパレータ312の出力信号がLレベルの場合に導通するように、一方のMOSFETのゲートが選択回路32の第3の出力端VMに接続される。
また、差動増幅器351の非反転入力端子に最も高い電圧が印加される場合は、第2のスイッチSW2が導通した場合であるが、これは、図2を参照して説明したように、選択回路32の第2の出力端VHのみからHレベルの信号が出力された場合である。換言すると、第1及び第2のコンパレータ311、312の出力信号が共にHレベルの場合、すなわち、IGBT21の動作温度が高い場合である。
中間の電圧が印加される場合は、同様に、選択回路32の第3の出力端VMのみからHレベルの信号が出力された場合であり、この場合が、IGBT21の動作温度が低温と高温とで定まる温度領域における中間の温度の場合である。
次に、以上のような構成を採用したIPM1の動作について、説明する。ここでは、特に選択回路32及びラッチ回路33の動作に重点を置いて説明を行う。
以上説明したように、本実施の形態によれば、IGBT21の動作温度に応じてこのIGBT21のドライブ能力の調整(IGBT21を駆動する電流の大きさを変更すること)について、IGBT21のスイッチングの影響を低減することが可能となる。具体的には、ラッチ回路33は、IGBT21の動作温度を示す信号であって第1及び第2のコンパレータ311、312の出力信号を、制御信号S1がHレベルのときにラッチする。制御信号S1がHレベルの場合、ターンオフ用MOSFET353がIGBT21のゲートに蓄積された電荷を引き抜いてオフさせる。そして、ラッチ回路33は、次にHレベルの制御信号S1が入力されるまで、ラッチした第1及び第2のコンパレータ311、312の出力信号を出力し続ける。次にIGBT21の動作温度に応じてIGBT21を駆動する電流の大きさを変更するときは、次にIGBT21をオフしたときに検出した動作温度が反映される。このような検出結果に基づいてIGBT21を駆動する電流の大きさを変更するので、IGBT21のスイッチングノイズ、例えばターンオン時のノイズの影響を受けにくい。
次に、第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では、IGBT21の動作温度を示す信号を、例えば選択回路32やラッチ回路33ではデジタル信号として処理した。しかしながら、本発明はこのような構成に限定されず、IGBT21の動作温度を示すアナログ信号を処理する回路構成を採用することも可能である。以下、このような回路構成を採用した第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態と同一または同様の構成要素については、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
図4に示すように、第1の実施の形態と異なる点は、IPM1の温度検出部31が、第1及び第2のコンパレータ311、312、第1及び第2のフィルタ回路313、314、ラッチ回路33、ならびに選択回路33に代えて、反転増幅器36と、A/Dコンバータ37とを備える点である。この構成の場合は、スイッチ部34を省略することができる。
反転増幅器36は、IGBT21の動作温度を、アナログの信号として検出、取得する。この反転増幅器36は、非反転入力端子が所定の電圧源VCC3のプラス端と接続される。この所定の電圧源VCC3のマイナス端は接地される。また、反転増幅器36は、反転入力端子が抵抗R7を介して抵抗R1に接続される。この反転入力端子は、また、帰還抵抗である抵抗R8を介して帰還ループを形成する。IGBT21の動作温度の検出に適した所望の増幅率が得られるように、抵抗R7及びR8の抵抗値を適宜設定する。
A/Dコンバータ37は、入力される制御信号S1がHレベルのタイミングで、サンプルホールドを行う。より詳細には、A/Dコンバータ37は、Hレベルの制御信号S1が制御端CTLに入力されると、そのとき実行しているA/D変換処理が終了した後は、以後のA/D変換は行わず、最後のA/D変換結果(デジタル信号)を、次のHレベルの制御信号S1が入力されるまで出力し続けるように構成される。
以上説明したように、本実施の形態によれば、A/Dコンバータ37は、IGBT21がオフするタイミングで得られたA/D変換結果をサンプルホールドし、次にIGBT21がオフするタイミングまで、サンプルホールドしたA/D変換結果を駆動部35に出力し続ける。従って、第1の実施の形態と同様に、検出したIGBT21の動作温度は、IGBT21がオフするタイミングで得られたものであり、次にIGBT21がオフするタイミングまで、この検出結果に応じた信号が駆動部35に供給され続ける。そのため、駆動部35による、検出したIGBT21の動作温度に応じたドライブ能力の調整は、次にIGBT21がオフして新たな検出結果が反映されるまで、固定である。よって、第1の実施の形態と同様の作用・効果を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されず、その技術的範囲から逸脱しない限りにおいて、様々な応用、変更が可能である。
2 パワー半導体チップ
3 ICチップ
4 制御回路
21 IGBT
22 ダイオード
31 温度検出部
32 選択回路
33 ラッチ回路
34 スイッチ部
35 駆動部
36 反転増幅器
37 A/Dコンバータ
311、312 コンパレータ
313、314 フィルタ回路
351 差動増幅器
352 N型MOSFET
353、354 ターンオフ用MOSFET
355、356 P型MOSFET
C1 キャパシタ
CL 第2の信号線
CTL 制御端
G グランド線
R1乃至R8 抵抗
SW1乃至SW3 スイッチ
S 信号線
S1、S2 制御信号
Vref1、Vref2 基準電圧源
VCC 電源
VCC2、VCC3 電圧源
Claims (9)
- スイッチングによって負荷に一定の電力を供給するパワー半導体スイッチング素子であって、外部の制御回路からの制御信号によってオン、オフするパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出し、検出結果に応じて当該パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記外部の制御回路から制御信号が入力され、当該制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、
前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出手段から出力される前記動作温度に応じた出力電圧と、予め定めた温度に対応する基準電圧とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの出力に所定の遅延を与えるフィルタ回路と、
前記フィルタ回路により遅延された前記コンパレータの出力を前記制御信号に基づいてラッチし、該ラッチした信号を前記検出結果として出力するラッチ回路を備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記ラッチ回路は、前記制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオフのときにラッチし、
前記駆動回路は、前記温度検出部の前記検出結果に基づき前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する電流の大きさを変更する、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記ラッチ回路は、前記制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオフする毎にラッチし、
前記駆動回路は、前記制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオンする毎に、前記温度検出部の前記検出結果に基づき前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する電流の大きさを変更可能にする、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記温度検出部は、前記温度検出手段の出力電圧と、それぞれ異なる前記基準電圧とを比較する複数の前記コンパレータを備え、
前記ラッチ回路は、複数の前記コンパレータの比較結果をラッチし、
さらに、前記ラッチ回路によってラッチされた複数の前記比較結果を選択的に出力する選択回路を備える、ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - スイッチングによって負荷に一定の電力を供給するパワー半導体スイッチング素子であって、外部の制御回路からの制御信号によってオン、オフするパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出し、検出結果に応じて当該パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記外部の制御回路から制御信号が入力され、当該制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、
前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段から出力される前記温度に応じた電圧を反転増幅する反転増幅器と、
前記反転増幅器の反転増幅結果をアナログ・デジタル変換し、前記制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオフするタイミングでアナログ・デジタル変換結果をサンプルホールドするA/Dコンバータと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 - スイッチングによって負荷に一定の電力を供給するパワー半導体スイッチング素子であって、外部の制御回路からの制御信号によってオン、オフするパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出し、検出結果に応じて当該パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記制御信号に基づいて生成された第2の制御信号が前記外部の制御回路から入力され、当該第2の制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、
前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出手段から出力される前記動作温度に応じた出力電圧と、予め定めた温度に対応する基準電圧とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータの比較結果を前記第2の制御信号に基づいてラッチするラッチ回路を備え
前記駆動回路は、前記温度検出部の検出結果に基づき前記パワー半導体スイッチング素子を駆動する電流の大きさを変更する、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記温度検出部は、前記温度検出手段の出力電圧と、それぞれ異なる前記基準電圧とを比較する複数の前記コンパレータを備え、
前記ラッチ回路は、複数の前記コンパレータの比較結果をラッチし、
さらに、前記ラッチ回路によってラッチされた複数の前記比較結果を選択的に出力する選択回路を備える、ことを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。 - 前記コンパレータと前記ラッチ回路の間に所定の遅延を与えるフィルタ回路を有することを特徴とする請求項6または7に記載の電力変換装置。
- スイッチングによって負荷に一定の電力を供給するパワー半導体スイッチング素子であって、外部の制御回路からの制御信号によってオン、オフするパワー半導体スイッチング素子と、
前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出し、検出結果に応じて当該パワー半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記制御信号に基づいて生成された第2の制御信号が前記外部の制御回路から入力され、当該第2の制御信号に応じたタイミングで前記パワー半導体スイッチング素子の動作温度を検出する温度検出部を備え、
前記温度検出部は、前記パワー半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出手段から出力される前記温度に応じた電圧を反転増幅する反転増幅器と、
前記反転増幅器の反転増幅結果をアナログ・デジタル変換し、前記第2の制御信号に基づいて前記パワー半導体スイッチング素子がオフするタイミングでアナログ・デジタル変換結果をサンプルホールドするA/Dコンバータと、
を備えることを特徴とするに記載の電力変換装置。
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