JP7134714B2

JP7134714B2 - ゲート駆動回路及び電力変換装置

Info

Publication number: JP7134714B2
Application number: JP2018101708A
Authority: JP
Inventors: 恒毅河村; 光浩沼崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-05-28
Also published as: JP2019208303A

Description

本発明は、ゲート駆動回路及び電力変換装置に関する。

近年、大電力が必要とされる半導体電力変換装置におけるスイッチング素子としては、主にＩＧＢＴが使用されている。
ＩＧＢＴにおいては、ゲート電極に正負の電圧信号を印加することでオン／オフが制御される。ＩＧＢＴによる電力変換装置では、電力変換対象となる電圧・電流クラスにもよるが、そのスイッチング周波数としては、１ｋＨｚ～２ｋＨｚ程度が一般的であった。ゲートを制御する正負の電圧信号を生成する回路としては、ｎｐｎトランジスタとｐｎｐトランジスタを組み合わせ、またその出力に抵抗器（一般にゲート抵抗と呼ばれる）を接続して、ゲート電極（コンデンサと等価と考えることができる）への充電電流を制限するのが一般的であった。

一方、最近では、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）などのワイドギャップ半導体の開発が実用化段階に入っており、従来のＳｉ（シリコン）を用いたスイッチング素子より高耐圧化が可能になったため、従来はＩＧＢＴを使っていた分野にもＭＯＳＦＥＴを適用することが可能となった。

特開２０１７－１６９３４４号公報

しかしながら、単純にスイッチング素子だけを置き換えた場合、スイッチング周波数を上げるほど、ゲート抵抗での消費電力が増え、より電力容量の大きな抵抗器を使用しなければならなくなるとともに、ゲート駆動回路の消費電流増大によりゲート駆動回路電源の容量も増大する虞があった。

上記課題を達成するために本発明は、ゲート駆動回路における消費電力及び消費電流を抑制し、ゲート駆動回路における発熱を低減し、小型化を図ることが可能なゲート駆動回路及び電力変換装置を提供することを目的としている。

実施形態のゲート駆動回路は、入力されたゲート指令信号に基づいて、スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加してスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路であって、ゲート端子がコンデンサとして機能している間にゲート端子に流れ込むゲート電流の値を検出するゲート電流検出部と、所定のゲート電流基準値に基づいて、ゲート電流の値がゲート電流基準値を超え、ゲート指令信号がゲート電圧の印加に対応するものである場合にゲート電流を遮断し、ゲート電流の値がゲート電流基準値以下の場合にゲート電流の供給を行うゲート電流制御部と、を備える。

図１は、実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成図である。図２は、ゲート駆動回路の構成例の説明図である。図３は、ゲート駆動回路の動作説明図である。

次に図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１は、実施形態の鉄道車両用の電力変換装置の概要構成図である。
電力変換装置１０は、直流架線（直流き電線）１１から直流電力が供給されるパンタグラフ１２と、線路１３を介して接地された車輪１４と、の間の電流経路に開放接触器（遮断器）１５が直列に接続されている。

さらに開放接触器１５の後段には、入力直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ１６（非絶縁型昇圧チョークコンバータ）１６が接続されている。
ここで、昇圧チョッパ１６は、開放接触器１５に直列に接続されたコイル（チョッパリアクトル）３１と、制御部２２の制御下でチョッピング動作を行うスイッチング素子３２と、逆流防止ダイオード３３と、を備えている。
さらに昇圧チョッパ１６の後段には、昇圧チョッパ１６の出力である昇圧後の直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ１７が接続されている。

また、インバータ１７は、出力端子から出力する交流電力の周波数を商用電源の周波数（５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）のｎ倍（ｎ：２以上の整数、実際には、数倍から数十倍）とする。

インバータ１７の出力端子には、インバータ１７の出力電圧をさらに昇圧して出力する（絶縁）トランス１８の一次側端子が接続されている。
また、インバータ１７は、直列接続されたスイッチング素子３４（上アーム）及びスイッチング素子３５（下アーム）並びに直列接続されたスイッチング素子３６（上アーム）及びスイッチング素子３７（下アーム）を備えている。ここで、スイッチング素子３４～３７は、例えば、シリコン（Ｓｉ）と比較して、ワイドバンドギャップの材料であるガリウムナイトライド（ＧａＮ：窒化ガリウム）半導体で形成されている。
トランス１８の二次側端子には、トランス１８が出力した交流電力の全波整流を行って再び直流電力とするダイオード整流器１９が接続されている。

ダイオード整流器１９は、上アームを構成するダイオード４１、４２と、下アームを構成するダイオード４３、４４と、を備え、ダイオード４１及びダイオード４３は直列接続され、ダイオード４２及びダイオード４４は、直列接続されている。

さらにダイオード整流器１９の後段には、フィルタコンデンサ２０と、直流を三相交流に変換する三相インバータ２１と、を備えている。

さらに電力変換装置１０は、当該電力変換装置１０全体の制御を行う制御部２２と、昇圧チョッパ１６の入力電流を検出し、第１検出信号ＳＤ１を制御部２２に出力する第１電流検出器２３と、三相インバータ２１の各相の出力電流をそれぞれ検出し、第２検出信号ＳＤ２Ａ～ＳＤ２Ｃを制御部２２に出力する３個の第２電流検出器２４Ａ～２４Ｃと、を備えている。

この場合において、３個の第２電流検出器２４Ａ～２４Ｃは、三相インバータ２１を設ける場合に三相インバータ６０を制御するために一般的に設けられるものである。なお、第２電流検出器は、３個設ける必要は無く、２個でも同様に適用が可能である。この場合には、第２電流検出器を設けていない相については、二つの第２電流検出器の検出電流の差として電流を検出するようにする。
さらにまた電力変換装置１０は、制御部２２の制御下で三相インバータ２１を構成しているスイッチング素子を駆動するゲート駆動部２５を備えている。

ここで、三相インバータ２１及びゲート駆動部２５の構成について説明する。
三相インバータ２１は、直列接続されたスイッチング素子６１（上アーム）及びスイッチング素子６２（下アーム）、直列接続されたスイッチング素子６３（上アーム）及びスイッチング素子６４（下アーム）、並びに直列接続されたスイッチング素子６５（上アーム）及びスイッチング素子６６（下アーム）を備えている。
上記構成において、スイッチング素子６１～スイッチング素子６６は、ゲート端子を有するＮチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成されている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６１を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６１を駆動するゲート駆動回路７１を備えている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６２を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６２を駆動するゲート駆動回路７２を備えている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６３を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６３を駆動するゲート駆動回路７３を備えている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６４を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６４を駆動するゲート駆動回路７４を備えている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６５を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６５を駆動するゲート駆動回路７５を備えている。

ゲート駆動部２５は、スイッチング素子６６を構成しているＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続されて、スイッチング素子６６を駆動するゲート駆動回路７６を備えている。

次にゲート駆動回路７１～ゲート駆動回路７６の構成について説明する。
ゲート駆動回路７１～ゲート駆動回路７６は同一構成であるので、ゲート駆動回路７１を例として説明する。

図２は、ゲート駆動回路の構成例の説明図である。
ゲート駆動回路７１は、大別すると、フォトカプラ８１と、プルアップ回路（プルアップ抵抗）８２と、ベース電流制限抵抗８３と、ＮＰＮトランジスタ８４と、ＰＮＰトランジスタ８５と、ゲート電流検出抵抗８６と、電圧増幅器８７と、ヒステリシスコンパレータ８８と、電流平滑用インダクタ８９と、電流遮断用トランジスタ９０と、を備えている。

ここで、ゲート電流とは、スイッチング素子６１のゲート端子がコンデンサ（容量成分）として機能する場合に、コンデンサであるゲート端子に対する充放電電流のことである。
上記構成において、フォトカプラ８１は、フォトダイオード８１Ａ及びフォトトランジスタ８１Ｂを有する入力端子を介してフォトダイオード８１Ａにゲート指令信号ＧＣが入力され、フォトトランジスタ８１Ｂを介してゲート指令信号ＧＣを絶縁状態で出力する。

プルアップ回路８２は、フォトカプラ８１を構成しているフォトトランジスタ８１Ｂあるいは電流遮断用トランジスタ９０のうち少なくともいずれか一方がオフ状態（開状態）である場合にＮＰＮトランジスタ８４のベース端子及びＰＮＰトランジスタ８５のベース端子の電位レベルを高電位側電源ＬＨの電位レベルとして、ベース電流制限抵抗８３を介してＮＰＮトランジスタ８４のベース端子及びＰＮＰトランジスタ８５のベース端子にベース電流を供給する。
ベース電流制限抵抗８３は、ＮＰＮトランジスタ８４のベース端子及びＰＮＰトランジスタ８５のベース端子に供給されるベース電流を制限する。

また、ＮＰＮトランジスタ８４のエミッタ端子と、ＰＮＰトランジスタ８５のエミッタ端子とは共通接続され、ＮＰＮトランジスタ８４のベース端子と、ＰＮＰトランジスタ８５のベース端子とは共通接続されてトランジスタ対を構成し、ベース端子の電位に応じて、ＮＰＮトランジスタ８４あるいはＰＮＰトランジスタ８５のいずれか一方がオン状態となってスイッチング素子６１のゲート端子には、ゲート電流検出抵抗８６及び電流平滑用インダクタ８９を介して、高電位側電源ＬＨの電位レベルあるいは低電位側電源ＬＬの電位レベルが印加され、スイッチング素子６１がオン／オフ（閉／開）することとなる。

電圧増幅器８７は、ゲート電流検出抵抗８６を流れるゲート電流値に対応する電圧値をヒステリシスコンパレータ８８の反転入力端子に印加する。

ヒステリシスコンパレータ８８は、非反転入力端子に入力されている基準電圧Ｖｒｅｆに相当する基準ゲート電流値を超えるゲート電流値が検出された場合に、電流遮断用トランジスタ９０をオン状態（閉状態）とする。この場合において、ヒステリシスコンパレータ８８のヒステリシス特性は、スイッチングのばたつきが生じないように、かつ、遅延が必要以上に大きくならないように設定されている。

次にゲート駆動回路７１の動作を説明する。
図３は、ゲート駆動回路の動作説明図である。
図３（ａ）は、ゲート指令信号ＧＣの波形例の説明図である。
図３（ｂ）は、ゲート電流制限抵抗をスイッチング素子６１のゲート端子に接続した場合の従来のゲート駆動電圧信号ＧＣＲＰの波形例の説明図である。
図３（ｃ）は、本実施形態のゲート指令信号ＧＣ１の波形例の説明図である。
図３（ｄ）は、本実施形態のゲート駆動電圧信号ＧＣＲの波形例の説明図である。

フォトカプラ８１の入力端子に制御部２２からゲート指令信号ＧＣが入力されると、フォトカプラ８１は、ゲート指令信号ＧＣを絶縁状態で出力する。

これにより、プルアップ回路８２は、ゲート指令信号ＧＣが“Ｌ”レベルでありフォトカプラ８１を構成しているフォトトランジスタ８１Ｂが閉状態であると、ＮＰＮトランジスタ８４のベース端子及びＰＮＰトランジスタ８５のベース端子の電位レベルを高電位側電源ＬＨの電位レベルとして、ベース電流制限抵抗８３によりベース電流を制限した状態でＮＰＮトランジスタ８４のベース端子及びＰＮＰトランジスタ８５のベース端子にベース電流を供給することとなる。

これにより、ＮＰＮトランジスタ８４はオン状態、ＰＮＰトランジスタ８５はオフ状態へと遷移する。

従って、ＮＰＮトランジスタ８４のコレクタ端子、ＮＰＮトランジスタ８４のエミッタ端子、ゲート電流検出抵抗８６及び電流平滑用インダクタ８９を介して、スイッチング素子６１のゲート端子がコンデンサとして機能している間は、ゲート電流が流れ込むこととなる。

この結果、ゲート電流検出抵抗８６の両端子には、ゲート電流の電流値に相当する電圧が発生し、電圧増幅器８７は、ゲート電流検出抵抗８６を流れるゲート電流値に対応する電圧値をヒステリシスコンパレータ８８の反転入力端子に印加する。

ヒステリシスコンパレータ８８は、非反転入力端子に入力されている基準電圧Ｖｒｅｆに相当する基準ゲート電流値を超えるゲート電流値が検出された場合に、電流遮断用トランジスタ９０をオン状態（閉状態）とし、非反転入力端子に入力されている基準電圧Ｖｒｅｆに相当する基準ゲート電流値以下のゲート電流値が検出された場合には電流遮断用トランジスタ９０をオフ状態（開状態）とする。

これにより、フォトカプラ８１を介して供給されたゲート指令信号ＧＣは、図３（ｃ）に示すように、ゲート指令信号ＧＣの周波数が高くなった状態に相当するゲート指令信号ＧＣ１となり、実際に印加されるゲート駆動電圧信号ＧＣＲは、図３（ｄ）に示すように、図３（ｂ）に示した従来のゲート駆動電圧信号ＧＣＲＰの波形に相似な波形となる。

この場合において、ゲート電流検出抵抗８６の抵抗値は、従来スイッチング素子のゲート端子に設けられるゲート電流制限抵抗の抵抗値と比較して、数分の１～数十分の１の抵抗値で良い。
より具体的には、従来のゲート電流制限抵抗の値が２Ωである場合、ゲート電流検出抵抗８６の抵抗値は、０．１Ω程度である。

従って、ゲート電流検出抵抗８６によりスイッチング素子のゲート端子がコンデンサとして機能することに起因する、ゲート端子の充電電流あるいはゲート端子の放電電流によるゲート電流検出抵抗８６における消費電力は、従来のゲート電流制限抵抗と比較して数分の１～数十分の１とすることができる。
これと並行して、ゲート電流検出抵抗８６を流れるゲート電流に起因する発熱も抑制することができる。

すなわち、本実施形態のゲート駆動回路７１（～ゲート駆動回路７６）によれば、ゲート駆動回路の消費電力を抑制できるととともに、発熱を抑制してゲート駆動回路の小型化を図ることができる。

以上の説明においては、ゲート指令信号ＧＣ１の周波数と、ゲート指令信号ＧＣの周波数の関係については、詳細に述べなかったが、少なくともゲート指令信号ＧＣ１の周波数をゲート指令信号ＧＣの周波数の２倍以上とすれば、同様の効果を得ることが可能である。

また技術的には、ゲート指令信号ＧＣ１の周波数をゲート指令信号ＧＣの周波数に対して高くすればするほど、実際に印加されるゲート駆動電圧信号ＧＣＲの波形は、従来のゲート駆動電圧信号ＧＣＲＰにより近づきつつ、消費電力及び発熱を抑制することができる。

以上の説明は、電力変換装置を鉄道車両用の電力変換装置に適用した場合のものであったが、これに限定されるものではなく、他の種類の電力変換装置に適用することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０電力変換装置
１２パンタグラフ
１３線路
１４車輪
１５開放接触器
１６昇圧チョッパ
１７インバータ
１８トランス
１９ダイオード整流器
２０フィルタコンデンサ
２１三相インバータ
２２制御部
２３第１電流検出器
２４Ａ第２電流検出器
２５ゲート駆動部
６０三相インバータ
６１～６６スイッチング素子
７１～７６ゲート駆動回路
８１フォトカプラ
８１Ａフォトダイオード
８１Ｂフォトトランジスタ
８２プルアップ回路
８３ベース電流制限抵抗
８４ＮＰＮトランジスタ
８５ＰＮＰトランジスタ
８６ゲート電流検出抵抗
８７電圧増幅器
８８ヒステリシスコンパレータ
８９電流平滑用インダクタ
９０電流遮断用トランジスタ
ＧＣ、ＧＣ１ゲート指令信号
ＧＣＲゲート駆動電圧信号
Ｖｒｅｆ基準電圧

Claims

入力されたゲート指令信号に基づいて、スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加して前記スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路であって、
前記ゲート端子がコンデンサとして機能している間に前記ゲート端子に流れ込むゲート電流の値を検出するゲート電流検出部と、
所定のゲート電流基準値に基づいて、前記ゲート電流の値が前記ゲート電流基準値を超え、前記ゲート指令信号が前記ゲート電圧の印加に対応するものである場合に前記ゲート電流を遮断し、前記ゲート電流の値が前記ゲート電流基準値以下の場合に前記ゲート電流の供給を行うゲート電流制御部と、
を備えたゲート駆動回路。
前記ゲート電流制御部は、前記ゲート指令信号の周波数の少なくとも２倍以上の周波数で前記ゲート電流の供給／遮断を行うことで、前記ゲート電流の値を前記ゲート電流基準値以下とする、
請求項１記載のゲート駆動回路。
前記ゲート端子の前段に前記ゲート電流の値を測定するためのゲート電流検出用抵抗を設け、
前記ゲート電流制御部は、ゲート電流検出用抵抗の両端電圧と、所定の基準電圧に基づいて前記ゲート電流の値が前記ゲート電流基準値を超えたか否かを判別する、
請求項１又は請求項２記載のゲート駆動回路。
複数のスイッチング素子を備えたインバータ装置と、
前記複数のスイッチング素子のそれぞれに対応し、入力されたゲート指令信号に基づいて、前記スイッチング素子のゲート端子にゲート電圧を印加して前記スイッチング素子をそれぞれ駆動するゲート駆動回路と、を有し、
前記ゲート駆動回路は、前記スイッチング素子のゲート端子がコンデンサとして機能している間に前記ゲート端子に流れ込むゲート電流の値を検出するゲート電流検出部と、
所定のゲート電流基準値に基づいて、前記ゲート電流の値が前記ゲート電流基準値を超え、前記ゲート指令信号が前記ゲート電圧の印加に対応するものである場合に前記ゲート電流を遮断し、前記ゲート電流の値が前記ゲート電流基準値以下の場合に前記ゲート電流の供給を行うゲート電流制御部と、を備えた、
電力変換装置。