JP7201679B2 - 回路装置及びパワーエレクトロニクス変換回路 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体スイッチと、フリーホイールダイオードと、蓄積チョークと、ドライバ回路と、を備える回路装置に関する。本発明は、このような回路装置を有するパワーエレクトロニクス変換回路、及び２つのこのような回路装置を有するパワーエレクトロニクス変換回路にさらに関する。

デジタル回路、例えば、特に、マイクロプロセッサを使用して、電力用半導体スイッチのための制御信号を発生させる場合が多い。しかしながら、デジタル回路によって利用可能になった出力電流又は出力電圧は、電力用半導体スイッチを直接駆動するには十分ではない場合が多い。この理由のために、必要なレベルの電流及び電圧を供給するドライバ回路は、デジタル回路と、電力用半導体スイッチとの間に配置されている。

パワーエレクトロニクスでは、多くの変換器回路には２つの電力用半導体の直列接続があり、これらは、直列接続の端子点のうちの１つと、電力用半導体間の接続点との間に交互に電流を導通する。その結果、接続点における電位は、電力用半導体のうちのどれが現在導通しているかに応じて、直列接続の端子点における電位の値の間でジャンプする。これらの電位のジャンプは、確実に数百ボルト程度の大きさになる可能性がある。

電力用半導体のうちの１つが、電力用半導体スイッチの接続点と、制御端子との間に電圧を印加することにより、ドライバ回路を用いて駆動される能動的に駆動可能な電力用半導体スイッチである場合、ドライバ回路は、接続点で駆動するためにこうして存在する基準電位に接続されている。その結果、接続点におけるのと同程度の大きさの電位のジャンプが、ドライバ回路内においてもまた生じ、電力用半導体スイッチを駆動するための信号においてもまた生じる。

特に、高速で切り替える電力用半導体スイッチの場合、大きな一時的な電圧変化ｄｕ／ｄｔが結果的に、電力用半導体スイッチにおいてだけでなく、ドライバ回路の構成部品においてもまた、発生する。これにより、ドライバ回路の構成部品に寄生結合容量があるために望ましくない高電流が生じる。

典型的な対策は、結合容量を減らすことである。しかしながら、高速で切り替える電力用半導体スイッチ、及び関連付けされたドライバ回路の場合には、構成部品の空間的広がりに基づく限界が発生する。結合容量を減らすには、相当な手間を要し、したがって、高いコストがかかる。特に、最新の、高速で切り替える電力用半導体スイッチに関して使用するのに適した構成部品の選択は限られている。

さらなる実現可能な手段は、フィルタ手段を使用することによって、容量結合により引き起こされた望ましくない電流を除去又は低減することであるが、これには、やはり追加の手間を要し、追加のコストがかかる。

特許文献国際公開第２００４／１０２８０６Ａ１号パンフレットは、電力用半導体スイッチの切り替え動作の間に寄生インダクタンスにより誘導される電圧の場合に、コモンモードフィルタを介してドライバ回路の基準電位及び制御信号を、電力用半導体スイッチに接続することを開示している。こうした場合の背景には、１つのドライバ回路のみを使用して並列接続された電力用半導体スイッチの場合に、等しい続流分布を実現するという目的がある。ここでのコモンモードフィルタもまた、追加の手間がかかること、したがって、コストもまたかかることを意味する。

本発明は、２つの電力用半導体の直列接続の場合に起こり得る結合容量による寄生電流を低減する、導入部で言及したタイプの回路装置、及び導入部で言及したタイプのパワーエレクトロニクス変換回路を提供するという目的に基づく。

この目的は、本発明に従って、独立請求項１に記載の回路装置によって、及び対応する装置請求項１３、１４及び１５に記載のパワーエレクトロニクス変換回路によって、実現される。本発明の有利な実施形態が従属請求項に記載されている。

導入部で言及したタイプの回路装置は、制御端子、基準電位端子、及び被制御端子を有する電力用半導体スイッチと、フリーホイールダイオードと、第１のチョーク端子と第２のチョーク端子との間の巻線、及び磁心を有する蓄積チョークであって、電力用半導体スイッチを介して流れる電流を導通するように構成された蓄積チョークと、ドライバ回路と、を備える。ドライバ回路は、その制御端子を介して電力用半導体スイッチを駆動するように構成されている。駆動は、この場合には、電力用半導体スイッチの制御端子と基準電位端子との間に電圧を印加することによって行われ、これにより、被制御端子から基準電位端子への電流が制御される。

制御端子は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の、又はＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のゲート端子とすることができ、基準電位端子は、ＩＧＢＴのエミッタ端子、又はＭＯＳＦＥＴのソース端子とすることができ、また、被制御端子は、ＩＧＢＴのコレクタ端子、又はＭＯＳＦＥＴのドレイン端子とすることができる。

導入部で言及したタイプの回路装置では、電力用半導体スイッチの被制御端子は、第１の端子点に接続され、電力用半導体スイッチの基準電位端子は、接続点に接続されている。接続点は、次には、フリーホイールダイオードを介して第２の端子点に接続され、このフリーホイールダイオードは、接続点から第２の端子点に逆バイアスされている。さらに、接続点は、第１のチョーク端子に接続され、第２のチョーク端子は、第３の端子点に接続されている。

導入部で言及したタイプの回路装置は、例えば、従来の単方向ブーストコンバータ又はバックコンバータに見出すことができる。

本明細書及び特許請求の範囲全体を通して、何かが他の何かに接続されている、と言う場合、これは常に、直接接続を指す。すなわち、理想的に低いと想定されるオーム抵抗、及び低いと想定されるインダクタンスを有する電線を介しての接続であるか、又は、このような電線と比較して、例えば、測定抵抗器（分流器）やフェライトビーズによって形成されるインピーダンスといったような、せいぜい無視できるほどの追加の電圧降下、若しくは電流の変化しか生じさせない構成部品を経由しての接続を指す。任意の他の接続は、本明細書及び特許請求の範囲全体を通して、構成部品を介して、又は構成部品からなる装置を介して、例えば、抵抗器を介して、若しくはダイオードを介して、或いは、例えば、２つのトランジスタの直列接続を介して接続されていることを常に明示的に指す。このとき、このような接続もまた常に、せいぜい無視できるほどの追加の電圧降下、若しくは電流の変化しか生じさせない任意の追加の構成部品以外のさらなる構成部品を介してではなく、上述の構成部品、又は上述の構成部品からなる装置を介してのみ、実現される。

本発明によれば、導入部で言及したタイプの回路装置では、ドライバ回路の基準電位端子は、このとき、直接又はインピーダンスを介して第３の端子点に接続されており、磁心を介して蓄積チョークの巻線に誘導結合された少なくとも１つのさらなる巻線が存在する。少なくとも１つのさらなる巻線は、ここでは、ドライバ回路の信号を導通するように構成されている。

本発明による回路装置は、その間に蓄積チョークが接続されているために、接続点における電位と比較して、第３の端子点において発生する、ドライバ回路内の構成部品に転送される可能性のある電位のジャンプが著しく小さくなるか、又はそれ以上のジャンプがまったく発生しない、という知見に基づく。さらに、本発明による回路装置は、ドライバ回路の構成部品の空間的配置に関して存在する自由度が著しく大きくなるが、その一方で、先行技術では典型的であるような、ドライバ回路の基準電位端子が接続点に直接接続されている場合には、結合容量を小さく保つために、構成部品は、接続点に可能な限り接近して、したがって、電力用半導体スイッチにも可能な限り接近して配置されなければならない、という趣旨において有利である。

少なくとも１つのさらなる巻線の、本発明による回路装置内に存在する蓄積チョークの巻線への誘導結合を介して、蓄積チョークの巻線上の電圧変化が少なくとも１つのさらなる巻線に転送されることで、この場合には、ドライバ回路の信号が少なくとも１つのさらなる巻線を通して導通される場合に、ドライバ回路によって与えられる制御信号が、ドライバ回路の基準電位端子における静止電位に対して有するのと同じ電位差を、接続点におけるジャンプ電位に対して、どの時点においても有する電力用半導体スイッチの制御端子に信号が存在するようになっている。

電力用半導体スイッチを介して流れる電流を導通するための蓄積チョークは、概して、回路装置内に、例えば、パワーエレクトロニクス変換回路内にすでに存在しており、これは、本発明に従って提供されている少なくとも１つのさらなる巻線は、それほど大きな手間なしに、すでに存在する蓄積チョークの磁心に有利に適用可能であることを意味する。少なくとも１つのさらなる巻線は、ドライバ回路の信号を単に導通するように提供されているので、蓄積チョークの巻線とは対照的に、少なくとも１つのさらなる巻線もまた、蓄積チョークの巻線上に流れる電流と同じくらい大きさの電流用に設計する必要はない。

有利な一実施形態では、少なくとも１つのさらなる巻線は、蓄積チョークの巻線の両端の電圧降下が、第３の端子点における基準電位に対する信号の電圧に加えられるようなやり方で、蓄積チョークの巻線に誘導結合することができる。蓄積チョークの巻線と少なくとも１つのさらなる巻線との間の電圧変換率は、その目的の場合、少なくともほぼ１：１である。

この実施形態では、例えば、先行技術によれば直接接続である、ドライバ回路の基準電位入力の接続点への接続の場合に、ドライバ回路によって供給されるような制御信号は、少なくとも１つのさらなる巻線の前又は後に、追加で特別に適合させることを必要とせずに、ドライバ回路から電力用半導体スイッチの制御端子まで少なくとも１つのさらなる巻線を通して直接導通させることができる。

既に言及したように、信号は、電力用半導体スイッチのための制御信号、すなわち、電力用半導体スイッチの制御端子を介して電力用半導体スイッチを駆動する信号とすることができる。本発明のさらに有利な一実施形態によれば、信号は、ドライバ回路の電圧供給信号とすることもまた可能であり、その場合には、電圧供給信号だけがさらなる巻線を介して導通されるか、又は、電圧供給信号及び制御信号の両方がそれぞれ１つのさらなる巻線を介して導通されるか、のいずれかである。

電圧供給信号は、正又は負の電圧供給信号とすることができる。加えて、２つの電圧供給信号をさらなる巻線を介してそれぞれ導通させることが、したがって可能である。

ドライバ回路の負の電圧供給信号の電位は、制御信号に対する基準電位と同一である場合が多い。この場合、負の電圧供給信号がさらなる巻線を介して導通される場合には、負の電圧供給信号用のさらなる巻線を、蓄積チョークの巻線上に流れる電流と同程度の大きさの電流用に設計する必要をなくすために、ドライバ回路の基準電位端子と第３の端子点との間の直接接続ではなく、任意のインピーダンスを供給することが有利である。インピーダンスは、例えば、インダクタ、キャパシタ又はオーム抵抗器とすることができる。

有利な一実施形態では、信号は、ドライバ回路の２つの構成部品間の信号とすることもまた可能である。言いかえれば、信号はこのときもはや、ドライバ回路の信号端子から、少なくとも１つのさらなる巻線及び電線を通して電力用半導体スイッチの制御端子に直接供給されなくなる。

このような回路装置は、構成部品の一部を電力用半導体スイッチに接近して配置することができ、それ以外の構成部品を電力用半導体スイッチからさらに遠ざけて配置することができるので、ドライバ回路の構成部品の空間的配置における順応性を高めることに関して有利である。このような回路装置は、例えば、信号前処理、特に、信号の適応を、少なくとも１つのさらなる巻線を通して流れる前又は後に行うことが可能である、という点でさらに有利である。これにより、特に、さらなる巻線と蓄積チョークの巻線との間の誘導結合の設計の面で、順応性が高められる。

当然ながら、複数の信号がドライバ回路の２つ以上の構成部品間で、その場合には１つのさらなる巻線をそれぞれ通して、導通されることもまた可能である。本明細書における数を示す語の使用は、本明細書及び特許請求の範囲全体にわたって概して当てはまるように、結果として、少なくとも前記数を意味するように理解されるものとする。ある数が少なくとも前記数であると明示的に言及することは、一部の場所ではこの事実を追加的に説明するためにのみ役立つ。

本発明による回路装置は、さらなる一実施形態では、さらなる制御端子、さらなる基準電位端子、及びさらなる被制御端子を有するさらなる電力用半導体スイッチと、さらにまた、さらなる電力用半導体スイッチを駆動するためのさらなる制御端子に接続された、さらなるドライバ回路と、をさらに備えることができる。さらなる被制御端子は、このとき、接続点に接続されており、さらなる基準電位端子は、第２の端子点に接続されている。この実施形態は、フリーホイールダイオードをさらに含むことができる。第１の端子点は、このとき、さらなるフリーホイールダイオードを介して接続点に接続されており、このさらなるフリーホイールダイオードは、第１の端子点から接続点に逆バイアスされている。

この実施形態では、フリーホイールダイオード、及びさらなる電力用半導体スイッチは、逆並列に接続されている。すなわち、フリーホイールダイオード、及びさらなる電力用半導体スイッチを通る流れの方向は、互いに反対である。この場合フリーホイールダイオードは、さらなる電力用半導体スイッチの真性ダイオードとすることもまた可能であり、すなわち、例えば、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオード、又はＩＧＢＴの半導体モジュールに組み込まれたダイオードとすることができる。しかしながら、フリーホイールダイオードは、さらなる電力用半導体スイッチが真性ダイオードを有するかどうかに関わらず、さらなる電力用半導体スイッチに追加で逆並列に接続されたダイオードとすることもまた可能である。

この実施形態は、同様に、電力用半導体スイッチ、及びさらなるフリーホイールダイオードの逆並列接続を伴っている。この場合もまた、さらなるフリーホイールダイオードは、電力用半導体スイッチが真性ダイオードを有するかどうかに関わらず、電力用半導体スイッチの真性ダイオード、又は電力用半導体スイッチに逆並列に接続された追加のダイオードとすることができる。

さらなる電力用半導体スイッチ及びさらなるフリーホイールダイオードを有するこの実施形態は、逆並列に接続されたフリーホイールダイオードをそれぞれ有する２つの電力用半導体スイッチの直列接続をさらに伴っており、蓄積チョークが接続点で接続されている。したがって、本発明による実施形態は、本発明による回路装置が、例えば、同期整流器として知られている従来の両方向ブーストコンバータ、若しくはバックコンバータで、及び、インバータ又は整流器のハーフブリッジ回路で、使用されるように、増強される。

本発明のさらに有利な一実施形態は、蓄積チョークの巻線と、少なくとも１つのさらなる巻線との間の誘導結合を、磁心が完全に、又は部分的に飽和した場合に、結合が減少することで、差動電圧が生じるようにし、直接若しくは、ドライバ回路の構成部品のうちの１つを介して電力用半導体スイッチがオフに切り替えられるか、又は線形動作点で維持されるという効果を有するように、構成されるように予め設計しておくことが可能である。

故障の場合には、回路装置内に過電流が発生すること、又は磁心が飽和した状態で回路装置が動作することが、これにより自動的に予防される。

さらに、本発明による回路装置の有利な一実施形態では、蓄積チョークの巻線と、少なくとも１つのさらなる巻線との間の誘導結合は、少なくとも１つのさらなる巻線がドライバ回路用の供給電力を提供するように、設計することができる。

ドライバ回路に必要な供給電力は、蓄積チョークを通って流れる電流によって運ばれる電力と比較して、ほんのわずかであるので、ドライバ回路用の供給電力は、回路装置の機能に著しく影響することなく、少なくとも１つのさらなる巻線を介して、ここから分岐させることが可能になる。

第２のチョーク端子が、測定抵抗器を介して第３の端子点に接続されていることもまた、有利であるとみなすことができる。第２のチョーク端子は、本明細書ではこのとき、ドライバ回路の測定端子に接続されている。

その結果、ドライバ回路とは対照的に、その基準電位端子は先行技術による接続点に接続されており、このとき、蓄積チョークを通って流れる電流を比較的少ない手間で測定し、例えば、ドライバ回路内での調整のためにそれを使用することが可能である。

本発明による回路装置のさらに有利な一実施形態では、キャパシタは、第１の端子点と第２の端子点との間に接続することができる。

このようなキャパシタは、第１の端子点と第２の端子点との間の電圧の平滑化を達成することができる。それは、パワーエレクトロニクス変換回路で、本発明による回路装置を使用するときに有利である。キャパシタは、第１の端子点及び第２の端子点を介して流れるエネルギーを一時的に蓄積することもまた可能である。すなわち、このときキャパシタは、電圧リンク回路の機能を満たしている。

本発明による回路装置のまださらに有利な一実施形態では、キャパシタは、第３の端子点と第２の端子点との間に接続することができ、或いは、この代わりに、まださらに有利な一実施形態では、第３の端子点と第１の端子点との間に接続することができる。

同様に、前記キャパシタは、間にそれらが接続されている端子点間の電圧の平滑化を達成するか、又は、前記端子点を介して流れるエネルギーを一時的に蓄積することができる。

２つの電力用半導体の直列接続の場合に起こり得る結合容量による寄生電流を低減する、導入部で言及したタイプの回路装置を有する、導入部で言及したタイプのパワーエレクトロニクス変換回路を提供することは、本発明のさらなる目的である。

本発明による目的は、導入部で言及したタイプの回路装置を有する、導入部で言及したタイプのパワーエレクトロニクス変換回路に対して、請求項１～１２のいずれか一項に記載の回路装置を具体化することにより実現される。

本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路は、前述した実施形態のうちの１つに従って、本発明による回路装置を備える。パワーエレクトロニクス変換回路は、本明細書では、例えば、ブーストコンバータ、バックコンバータ、同期整流器、整流器又はインバータとすることができる。回路装置の端子点は、このとき、パワーエレクトロニクス変換回路の入力端子又は出力端子を形成している。

２つの電力用半導体の直列接続の場合に起こり得る結合容量による寄生電流を低減する、導入部で言及したタイプの２つの回路装置を有する、導入部で言及したタイプのパワーエレクトロニクス変換回路を提供することは、本発明のさらなる目的である。

本発明による目的は、導入部で言及したタイプの２つの回路装置を有する、導入部で言及したタイプのパワーエレクトロニクス変換回路の場合、請求項１～１１のいずれか一項に記載のように回路装置を設計することによって実現され、そこでは、２つの回路装置の第３の端子点が互いに接続され、且つ、２つの回路装置の第２の端子点が互いに接続されているか、或いは、この代わりに、２つの回路装置がそれぞれ、請求項１～１０、又は１２のいずれか一項に記載のように具体化され、そこでは、２つの回路装置の第３の端子点が互いに接続され、且つ、２つの回路装置の第１の端子点が互いに接続されている。

互いに接続されている端子点は、パワーエレクトロニクス変換回路の入力端子又は出力端子を形成している。残りの端子点、すなわち、第１の端子点又は第２の端子点は、任意に、互いに接続させて、同様にパワーエレクトロニクス変換回路の入力端子又は出力端子を形成することもまた可能である。本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路は、当然、３つ以上の本発明による回路装置を備えることもまた可能であり、それらの端子点はこのときそれぞれ、上述したやり方で互いに接続されている。

２つ以上の本発明による回路装置が前述した形で接続されている本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路は、電力用半導体スイッチ、並びに対応する電力変換スイッチ及びその他の回路装置のさらなる電力変換スイッチに対して時間オフセットされた、それぞれの回路装置のさらなる電力用半導体スイッチを駆動することによって、例えば、いわゆるインタリーブコンバータとして動作させることができる。こうした場合、すべての電力用半導体スイッチのドライバ回路の基準電位端子がそれぞれ、共通の第３の端子点に接続されていること、したがって、先行技術の場合に当てはまるような、それぞれの接続点に接続しているせいでドライバ回路がそれぞれ異なる基準電位を有するのではなく、すべて同じ基準電位を有することが本発明による回路装置の特別の利点であるように思われる。その結果、適宜、２つ以上の回路装置のドライバ回路の各部を、すべての回路装置に対して一緒に使用することが可能である。

前述した形で２つ以上の本発明による回路装置の接続を有する本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路は、例えば、ブーストコンバータ、バックコンバータ、同期整流器、整流器、又はインバータとすることができる。

本発明のさらに好都合な構成及び利点は、図面の図を参照した本発明の実施形態の説明の一部である。本明細書における図面は、本発明を示されている特徴に限定せずに、本発明の実施形態を図示するために役立つ。

図１は、本発明の第１の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路を概略的に示し、本発明による回路装置がバックコンバータの形で具体化されている。 図２は、本発明の第２の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路を概略的に示し、本発明による回路装置がブーストコンバータの形で具体化されている。 図３は、本発明の第３の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路を概略的に示し、本発明による回路装置が同期整流器の形で具体化されている。 図４は、本発明の第４の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路を概略的に示し、２つの本発明による回路装置が両方向インタリーブブーストコンバータの形で具体化されている。 図５は、本発明の第５の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路を概略的に示し、２つの本発明による回路装置が単方向インタリーブブーストコンバータの形で具体化されている。

図１は、本発明による回路装置１を有する本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路４０を示す。本明細書ではＭＯＳＦＥＴとして具体化されている電力用半導体スイッチ２の被制御端子５は、第１の端子点１３に接続され、基準電位端子４は、接続点１４に接続されている。フリーホイールダイオード６は、接続点１４と第２の端子点１５との間に接続され、接続点１４から第２の端子点１５に逆バイアスされている。第１のチョーク端子８と第２のチョーク端子９との間の磁心１１上に巻線１０が巻き付けられた蓄積チョーク７の、第１のチョーク端子８への接続は、接続点１４から分岐している。電力用半導体スイッチ２が閉じている場合、電力用半導体スイッチ２を介して流れる電流もまた、蓄積チョーク７の巻線１０を介して、第２のチョーク端子９から、第２のチョーク端子９に接続された第３の端子点１６に流れる。

本発明による回路装置１では、ドライバ回路１２が存在し、信号端子３３で、電力用半導体スイッチを駆動するための信号、例えば、ドライバ回路１２の基準電位端子１７で存在する基準電位と、これとは異なる電位、例えば、ドライバ回路１２の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋の電位と、の間で切り替わるパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を供給する。基準電位端子１７は、第３の端子点１６に直接接続されている。さらなる巻線１８が磁心１１に付されており、この巻線は、その一方の端部で信号端子３３に、もう一方の端部で、電力用半導体スイッチ２の制御端子３に接続されていることで、信号がさらなる巻線１８を介して導通されるようになっている。

巻線１０と、さらなる巻線１８との間の誘導結合は、例えば、無視できる漂遊損で理想的な結合、すなわち、少なくとも、ほぼ１の結合係数が存在するように実装される。この場合には、巻線１０及びさらなる巻線１８が、図１におけるように、等方向に磁心に巻き付けられている場合、蓄積チョーク７の巻線１０の両端の電圧降下が、第３の端子点１６における基準電位に対して信号の電圧に加えられる。

さらなる巻線１８は、信号によって生じた電流の強度のためにのみ実装することが必要であり、それは、概して、電力用半導体スイッチ２を通って流れる電流、したがって蓄積チョーク７の巻線１０を通って流れる電流の強度よりも著しく低い。本発明による回路装置１では、したがって、さらなる巻線１８の電線断面積は、蓄積チョーク７の巻線１０の電線断面積よりも著しく小さくなる可能性がある。

図１の回路装置１では、本明細書では、例えば、中間ＤＣリンクを形成しているキャパシタ２５が、第１の端子点１３と、第２の端子点１５との間に接続されている。キャパシタ２６が、同様に、第３の端子点１６と、第２の端子点１５との間に接続されており、このキャパシタは、本明細書では例えば、第３の端子点１６と、第２の端子点１５との間の電圧を平滑化するために役立つ。

図示されている例示的な実施形態によれば、図１に図示されているパワーエレクトロニクス変換回路４０は、バックコンバータを形成しており、このバックコンバータは、この場合には入力端子を形成している第１の端子点１３と第２の端子点１５との間の電圧を、この場合には出力端子を形成している第３の端子点１６と第２の端子点１５との間の低電圧に変換することができる。

本明細書では、例えば、ＭＯＳＦＥＴの形で具体化されている電力用半導体スイッチ２の回路シンボルから、電力用半導体スイッチが、第１の端子点１３から接続点１４に逆バイアスされたボディダイオードを有することが明白である。ＭＯＳＦＥＴの真性ダイオードのために、回路装置１は、このようにさらなるフリーホイールダイオード２４を有するが、これは、バックコンバータとしてのパワーエレクトロニクス変換回路４０の機能に必須ではない。

図２は、本発明による回路装置１を有する本発明の第２の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路４０を示す。図２の例示的な実施形態のような、本発明による回路装置１を有する本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路４０では、電力用半導体スイッチ２、フリーホイールダイオード６、及び蓄積チョーク７は、第１の端子点１３、第２の端子点１５、第３の端子点１６と、接続点１４との間に、図１の回路装置１におけるのと同じやり方で配置されている。電力用半導体スイッチ２は、本明細書ではＩＧＢＴとして具体化されている。

この例示的な実施形態のドライバ回路は、第１の構成部品３０と、第２の構成部品３１と、を備える。第１の構成部品３０の基準電位端子１７は、インピーダンス３２を介して第３の接続点１６に接続されている。インピーダンス３２は、例えば、インダクタ、キャパシタ又はオーム抵抗器とすることができる。第２の構成部品３１の信号端子３３は、電力用半導体スイッチ２の制御端子３に接続されている。

本例示的な実施形態では、蓄積チョーク７の巻線１０に誘導結合された３つのさらなる巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃが、蓄積チョーク７の磁心１１上に付されている。信号は、いずれの場合にも、ドライバ回路の２つの構成部品３０、３１の間で、さらなる巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃを介して導通される。２つの構成部品３０、３１の間の信号のうちの１つは、例えば、ドライバ回路の正の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋であり、２つの構成部品３０、３１の間の別の信号は、例えば、ドライバ回路の負の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１－である。これは、本明細書では、例えば、関連付けされた信号線が基準電位端子１７に直接接続されているため、ドライバ回路の基準電位端子に相当する。

図２の例示的な実施形態では、３つの信号が、２つの構成部品３０、３１の間で、いずれの場合にも、さらなる巻線１８ａ、１８ｂ、１８ｃを介して導通される。本発明のさらなる例示的な実施形態では、１つの信号若しくは２つの信号だけが、又は、４つ以上の信号が、２つの構成部品間のさらなる巻線をそれぞれ介して導通されることもまた可能である。同様に、１つ又は複数の信号が、さらなる巻線をそれぞれ介してドライバ回路の３つ以上の構成部品間で導通されることもまた可能である。

図２の例示的な実施形態では、さらに、正の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋及び負の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１－の両方は、いずれの場合にも、１つのさらなる巻線１８ａ、１８ｃを介して導通される。他の例示的な実施形態では、正の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋又は負の電圧供給信号Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１－のいずれか一方だけが、さらなる巻線を介して導通されることもまた可能である。電圧供給信号は、さらなる巻線を介して導通されるただ１つの信号とすることもまた可能である。

特に、２つ以上の構成部品を有するドライバ回路の場合には、さらなる巻線を介して導通された信号が、さらなる巻線を介して導通される前に、又は後に、例えば、巻線又はさらなる巻線間の結合が理想的でない場合であっても、電力用半導体スイッチ２を駆動するのに適した電力用半導体スイッチ２の制御端子３に信号が存在するように、適切に適合又は前処理されることが可能である。

図２の回路装置１では、キャパシタ２５が、第１の端子点１３と第２の端子点１５との間に接続され、キャパシタ２７が、第３の端子点１６と第１の端子点１３との間に接続されている。本例示的な実施形態のパワーエレクトロニクス変換回路４０は、このとき、ブーストコンバータを形成しており、このブーストコンバータは、この場合には入力端子を形成している第１の端子点１３と第３の端子点１６との間の電圧を、この場合には出力端子を形成している第１の端子点１３と第２の端子点１５との間の高電圧に変換することができる。

第１の端子点１３から接続点１４に逆バイアスされたさらなるフリーホイールダイオード２４は、本明細書では、例えば、ＩＧＢＴの形で具体化された、電力用半導体スイッチ２に並列に接続されている。前記さらなるフリーホイールダイオード２４は、ＩＧＢＴの真性ダイオード、具体的には、例えば、ＩＧＢＴの半導体モジュールに組み込まれたダイオードとすることができるか、又は、外部からＩＧＢＴに並列に接続することができる。しかしながら、さらなるフリーホイールダイオード２４は、ブーストコンバータとしてのパワーエレクトロニクス変換回路４０の機能に必須ではない。

図３は、本発明による回路装置１を有する本発明の第３の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路４０を示す。図１の例示的な実施形態と比較すると、図３の本発明による回路装置１を有するパワーエレクトロニクス変換回路４０の例示的な実施形態では、さらなる被制御端子２２が接続点１４に接続され、且つ、さらなる基準電位端子２１が第２の端子点１５に接続された、さらなる電力用半導体スイッチ１９が、フリーホイールダイオード６に並列に接続されている。さらなる制御端子２０が、さらなるドライバ回路２３のさらなる信号端子３４に接続され、さらなるドライバ回路２３のさらなる基準電位端子３５が、第２の端子点１５に接続されている。さらなるドライバ回路２３の基準電位端子３５を、さらなる電力用半導体スイッチ１９の基準電位端子２１にこのように直接接続することは、第２の端子点１５で電位のジャンプが生じないので、本明細書では、まったく問題なく実現可能である。

ドライバ回路１２及びさらなるドライバ回路２３は、同じ構成を有することができるが、異なる構成を有することもまた可能である。

第１の端子点１３から接続点１４に逆バイアスされたさらなるフリーホイールダイオード２４は、電力用半導体スイッチ２に並列に接続されている。

さらに、本例示的な実施形態の第２のチョーク端子９は、測定抵抗器２８を介して第３の端子点１６に接続されており、また、第２のチョーク端子９は、ドライバ回路１２の測定端子２９に接続されている。このように、蓄積チョーク７を通って流れる電流の電流センサシステムは、例えば、ドライバ回路１２内での調整に使用することができるが、このシステムは、比較的少ない手間で実装される。

本例示的な実施形態のパワーエレクトロニクス変換回路４０は、第１の端子点１３と第２の端子点１５との間の電圧を、第３の端子点１６と第２の端子点１５との間の低電圧に変換することが可能な、又はその逆に、第３の端子点１６と第２の端子点１５との間の電圧を、第１の端子点１３と第２の端子点１５との間のより高電圧に変換することが可能な、いわゆる同期整流器を形成している。したがって、図３のパワーエレクトロニクス変換回路４０は、端子点のうちのどれが入力端子又は出力端子として使用されているかに応じて、両方向ブーストコンバータ又はバックコンバータとして使用することができる。

図３の回路装置１に存在しているように、２つの電力用半導体スイッチ２、１９の、逆並列に接続されているダイオード２４、６との直列接続は、パワーエレクトロニクスでは、ハーフブリッジ回路としてもまた知られており、例えば、Ｈブリッジ又はＢ６ブリッジのような、インバータ又は整流器のブリッジ回路の基礎を形成している。したがって、図３の本例示的な実施形態のパワーエレクトロニクス変換回路４０は、同様に、インバータ又は整流器のブリッジアームもまた形成している。

フリーホイールダイオード６及びさらなるフリーホイールダイオード２４は、図３のパワーエレクトロニクス変換回路４０の、同期整流器としての、両方向ブーストコンバータ又はバックコンバータとしての、インバータのブリッジアーム又は整流器のブリッジアームとしての機能に必要である。

図３の例示的な実施形態の電力用半導体スイッチ２及びさらなる電力用半導体スイッチ１９は、例えば、ＩＧＢＴの形で具体化されているが、例えば、ＭＯＳＦＥＴの形で具体化することも同様に可能である。

図４は、２つの本発明による回路装置１，１’を有する本発明の第４の例示的な実施形態によるパワーエレクトロニクス変換回路５０を示す。両方向インタリーブブーストコンバータの形での図４の本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路５０の例示的な実施形態では、２つの本発明による回路装置１、１’は、それぞれが両方向ブーストコンバータを形成しているが、それらは、互いに接続されている２つの回路装置１、１’の第３の端子点１６、１６’と、互いに接続され、且つ、パワーエレクトロニクス変換回路５０の入力端子を表している、２つの回路装置１、１’の第２の端子点１５、１５’と、によって並列に接続されている。第１の端子点１３、１３’及び第２の端子点１５、１５’は、両方向インタリーブブーストコンバータの出力端子を表す。２つの回路装置１、１’の第１の端子点１３、１３’は、任意に、同様に互いに接続させることができる。

本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路５０では、３つ以上の本発明による回路装置を、すべての回路装置の第３の端子点をすべて接続し、すべての回路装置の第２の端子点をすべて接続することによって、並列に接続させることもまた可能であり、その場合には、任意に、すべての回路装置の第１の端子点をすべて接続させることもまた可能である。

最後に、図５は、単方向インタリーブブーストコンバータとしての本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路６０の第５の例示的な実施形態を示す。本明細書では、２つの本発明による回路装置１、１’は、それぞれが単方向ブーストコンバータを形成しているが、それらは、互いに接続されている２つの回路装置１、１’の第３の端子点１６、１６’と、互いに接続され、且つ、パワーエレクトロニクス変換回路６０の入力端子を表している、２つの回路装置１、１’の第１の端子点１３、１３’と、によって並列に接続されている。第１の端子点１３、１３’及び第２の端子点１５、１５’は、単方向インタリーブブーストコンバータの出力端子を表し、そこでは、２つの回路装置１、１’の第２の端子点１５、１５’は、任意に、同様に、互いに接続させることができる。

この場合には、本発明によるパワーエレクトロニクス変換回路６０では、３つ以上の本発明による回路装置を、すべての回路装置の第３の端子点を接続し、すべての回路装置の第１の端子点を接続することによって、並列に接続させることもまた可能であり、その場合には、任意に、すべての回路装置の第２の端子点をすべて接続させることもまた可能である。

図４及び図５の本発明による、パワーエレクトロニクス変換回路５０、６０の例示的な実施形態では、電力用半導体スイッチ２、２’用のドライバ回路１２、１２’の基準電位端子１７、１７’は、相互に接続された第３の端子点１６、１６’に接続されており、したがって、すべてが同じ基準電位に接続されている。これにより、電力用半導体スイッチ２、２’用のドライバ回路１２、１２’の各部を、すべての回路装置１、１’に共通して利用することが可能になり、回路設計が簡素化され、回路の複雑さが低減される。

本発明は明示的に示された実施形態に限定されるのではなく、様々なやり方で改変することが可能であり、特に、示された他の実施形態と、又は当業者にとって既知の実施形態と組み合わせることが可能である。

１、１’ 回路装置
２、２’ 電力用半導体スイッチ
３、３’ 制御端子
４、４’ 基準電位端子
５、５’ 被制御端子
６、６’ フリーホイールダイオード
７、７’ 蓄積チョーク
８、８’ チョーク端子
９、９’ チョーク端子
１０、１０’ 巻線
１１、１１’ 磁心
１２、１２’ ドライバ回路
１３、１３’ 端子点
１４、１４’ 接続点
１５、１５’ 端子点
１６、１６’ 端子点
１７、１７’ 基準電位端子
１８、１８’ 巻線
１８ａ 巻線
１８ｂ 巻線
１８ｃ 巻線
１９、１９’ 電力用半導体スイッチ
２０、２０’ 制御端子
２１、２１’ 基準電位端子
２２、２２’ 被制御端子
２３、２３’ ドライバ回路
２４、２４’ フリーホイールダイオード
２５、２５’ 中間回路キャパシタ
２６ 中間回路キャパシタ
２７ 中間回路キャパシタ
２８ 測定抵抗器
２９ 測定端子
３０ 構成部品
３１ 構成部品
３２ インピーダンス
３３、３３’ 信号端子
３４、３４’ 信号端子
３５、３５’ 基準電位端子
４０ パワーエレクトロニクス変換回路
５０ パワーエレクトロニクス変換回路
６０ パワーエレクトロニクス変換回路
Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋ 電圧供給信号
Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１－ 電圧供給信号
Ｖｃｃ＿ｄｒｖ２＋ 電圧供給信号
Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋’ 電圧供給信号
Ｖｃｃ＿ｄｒｖ２＋’ 電圧供給信号

Claims (15)

1. 回路装置（１）において、制御端子（３）、基準電位端子（４）、及び被制御端子（５）を有する電力用半導体スイッチ（２）と、フリーホイールダイオード（６）と、第１のチョーク端子（８）と第２のチョーク端子（９）との間の巻線（１０）、及び磁心（１１）を有する蓄積チョーク（７）において、前記電力用半導体スイッチ（２）を介して流れる電流を導通するように構成された前記蓄積チョーク（７）と、前記電力用半導体スイッチ（２）の前記制御端子（３）を介して前記電力用半導体スイッチ（２）を駆動するように構成されたドライバ回路（１２）と、を備えるとともに、
   －前記電力用半導体スイッチ（２）の前記被制御端子（５）が、第１の端子点（１３）に接続され、
   －前記電力用半導体スイッチ（２）の前記基準電位端子（４）が、接続点（１４）に接続され、
   －前記フリーホイールダイオード（６）が前記接続点（１４）から第２の端子点（１５）に逆バイアスされるようなやり方で、前記接続点（１４）が前記フリーホイールダイオード（６）を介して前記第２の端子点（１５）に接続され、
   －前記接続点（１４）が、前記第１のチョーク端子（８）にさらに接続され、
   －前記第２のチョーク端子（９）が、第３の端子点（１６）に接続された回路装置（１）において、
   前記ドライバ回路（１２）の基準電位端子（１７）が、直接又はインピーダンス（３２）を介して前記第３の端子点（１６）に接続されること、及び、少なくとも１つのさらなる巻線（１８）において、前記ドライバ回路（１２）の信号を導通するように構成された前記少なくとも１つのさらなる巻線（１８）が、前記磁心（１１）を介して前記蓄積チョーク（７）の前記巻線（１０）に誘導結合されており、
   前記ドライバ回路（１２）の信号は、前記ドライバ回路（１２）が前記電力用半導体スイッチ（２）を駆動するために用いられる信号であることを特徴とする回路装置（１）。
2. 請求項１に記載の回路装置（１）において、前記少なくとも１つのさらなる巻線（１８）が、前記蓄積チョーク（７）の前記巻線（１０）の両端の電圧降下が、前記第３の端子点（１６）における基準電位に対する前記信号の電圧に加えられるようなやり方で、前記蓄積チョーク（７）の前記巻線（１０）に誘導結合されていることを特徴とする回路装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の回路装置（１）において、前記信号が、前記電力用半導体スイッチ（２）の前記制御端子（３）を介して前記電力用半導体スイッチ（２）を駆動する信号であることを特徴とする回路装置（１）。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、前記信号が、前記ドライバ回路（１２）の電圧供給信号（Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１＋、Ｖｃｃ＿ｄｒｖ１－）であることを特徴とする回路装置（１）。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、前記信号が、前記ドライバ回路（１２）の２つの構成部品（３０、３１）間の信号であることを特徴とする回路装置（１）。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、さらなる制御端子（２０）、さらなる基準電位端子（２１）、及びさらなる被制御端子（２２）を有するさらなる電力用半導体スイッチ（１９）と、前記さらなる電力用半導体スイッチ（１９）を駆動するための前記さらなる制御端子（２０）に接続されたさらなるドライバ回路（２３）と、をさらに備えるとともに、前記さらなる被制御端子（２２）が前記接続点（１４）に接続され、前記さらなる基準電位端子（２１）が前記第２の端子点（１５）に接続され、且つ、さらなるフリーホイールダイオード（２４）をさらに備えるとともに、前記さらなるフリーホイールダイオード（２４）が前記第１の端子点（１３）から前記接続点（１４）に逆バイアスされるようなやり方で、前記第１の端子点（１３）が、前記さらなるフリーホイールダイオード（２４）を介して前記接続点（１４）に接続されていることを特徴とする回路装置（１）。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、前記蓄積チョーク（７）の前記巻線（１０）と、前記少なくとも１つのさらなる巻線（１８）との間の前記誘導結合が、前記磁心（１１）が完全に、又は部分的に飽和した場合に、前記結合が減少することで、差動電圧が生じるようにし、直接若しくは、前記ドライバ回路の構成部品のうちの１つ（３１）を介して前記電力用半導体スイッチ（２）がオフに切り替えられるか、又は、線形動作点で維持されるという効果を有するように、構成されていることを特徴とする回路装置（１）。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、前記蓄積チョーク（７）の前記巻線（１０）と、前記少なくとも１つのさらなる巻線（１８）との間の前記誘導結合が、前記少なくとも１つのさらなる巻線（１８）が前記ドライバ回路（１２）用の供給電力を提供するように、設計されていることを特徴とする回路装置（１）。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、前記第２のチョーク端子（９）が、測定抵抗器（２８）を介して前記第３の端子点（１６）に接続されているとともに、前記第２のチョーク端子（９）が、前記ドライバ回路（１２）の測定端子（２９）に接続されていることを特徴とする回路装置（１）。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、キャパシタ（２５）が、前記第１の端子点（１３）と、前記第２の端子点（１５）との間に接続されていることを特徴とする回路装置（１）。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、キャパシタ（２６）が、前記第３の端子点（１６）と、前記第２の端子点（１５）との間に接続されていることを特徴とする回路装置（１）。
12. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の回路装置（１）において、キャパシタ（２７）が、前記第３の端子点（１６）と、前記第１の端子点（１３）との間に接続されていることを特徴とする回路装置（１）。
13. パワーエレクトロニクス変換回路（４０）において、請求項１～１２のいずれか一項に記載の回路装置（１）を有することを特徴とするパワーエレクトロニクス変換回路（４０）。
14. それぞれが請求項１～１１のいずれか一項に記載の２つの回路装置（１、１’）を有するパワーエレクトロニクス変換回路（５０）において、前記２つの回路装置（１、１’）の前記第３の端子点（１６、１６’）が互いに接続され、且つ、前記２つの回路装置（１、１’）の前記第２の端子点（１５、１５’）が互いに接続されていることを特徴とするパワーエレクトロニクス変換回路（５０）。
15. それぞれが請求項１～１０のいずれか一項に記載の、又は請求項１２に記載の２つの回路装置（１、１’）を有するパワーエレクトロニクス変換回路（６０）において、前記２つの回路装置（１、１’）の前記第３の端子点（１６、１６’）が互いに接続され、且つ、前記２つの回路装置（１、１’）の前記第１の端子点（１３、１３’）が互いに接続されていることを特徴とするパワーエレクトロニクス変換回路（６０）。

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