JP7203661B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to power converters.
特許文献1には、逆変換器および制御部を備える電力変換装置において、逆変換器は、ワイドバンドギャップ半導体のスイッチング素子を備える複数の上アームおよび下アームを有し、制御部は、逆変換器に過電流が流れた際に、上下アームの内の一方であり過電流の経路上に配置される第1アームをオフにし、かつ、第1アームの対となる第2アームをオンにした後に、第2アームに流れる電流に応じて第2アームをオフにすることで、大きな電流がボディダイオードに流れ、通電劣化現象が加速されることを防止する技術が開示されている。
In
ところで、特許文献1に開示された技術では、帰還経路に流れる電流が一定の閾値を超えないように制御する。しかしながら、特定のスイッチング素子の場合には、電流の傾きであるdi/dtについても制御する必要があるが、特許文献1に開示された技術では、電流の傾きについては制御することができないという問題点がある。
By the way, in the technique disclosed in
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであり、電流の傾きについても制御可能な電力変換装置を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a power converter capable of controlling the inclination of the current as well.
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、内部ダイオードを有する2つの半導体スイッチが直列接続されて構成される第1アームと、前記第1アームと並列接続され、前記内部ダイオードを有する2つの前記半導体スイッチが直列接続されて構成される第2アームと、前記第1アームの中間点と、前記第2アームの中間点とにそれぞれ設けられ、負荷が接続される出力端子と、前記第1アームおよび前記第2アームを構成する前記半導体スイッチを所定の周期でオン/オフ制御することで、前記第1アームおよび前記第2アームに印加される直流電力を交流電力に変換する制御を行う制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記第1アームおよび前記第2アームを構成する前記半導体スイッチが有する前記内部ダイオードに順方向の電流が流れる場合には、当該内部ダイオードを有する前記半導体スイッチを、前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフ制御することで、前記内部ダイオードを流れる電流を抑制する制御を行う、ことを特徴とする。
このような構成によれば、電流の傾きについても制御が可能になる。
In order to solve the above problems, one aspect of the present invention provides a first arm configured by connecting two semiconductor switches having internal diodes in series, and a first arm connected in parallel with the first arm and having the internal diode. a second arm configured by connecting two semiconductor switches in series; an output terminal provided at an intermediate point of the first arm and an intermediate point of the second arm, and to which a load is connected; Controlling the conversion of the DC power applied to the first arm and the second arm into AC power by controlling the on/off of the semiconductor switches constituting the first arm and the second arm at a predetermined cycle. wherein the control means has the internal diode when a forward current flows through the internal diode of the semiconductor switch that constitutes the first arm and the second arm. The semiconductor switch is controlled to be on/off at a cycle shorter than the predetermined cycle, thereby controlling the current flowing through the internal diode to be suppressed.
With such a configuration, it is possible to control the slope of the current as well.
また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記第1アームおよび前記第2アームを構成する4つの前記半導体スイッチのうち一方の対角線上に位置する2つの前記半導体スイッチをオンの状態にすることで前記負荷に電流を通じている際に、過電流が検出された場合にはオンの状態にされている2つの前記半導体スイッチの一方をオフの状態にするとともに、オフの状態にした前記半導体スイッチと同じアームにおける他方の前記半導体スイッチを前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフ制御することで前記内部ダイオードを流れる電流を抑制する制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、過電流の検出に応じて、短い周期でスイッチングすることで、内部ダイオードを流れる電流の傾きを抑制することができる。
In one aspect of the present invention, the control means turns on the two semiconductor switches located on one diagonal line among the four semiconductor switches forming the first arm and the second arm. When an overcurrent is detected while the current is flowing through the load, one of the two semiconductor switches that are turned on is turned off, and the semiconductor that is turned off is turned off. The semiconductor switch on the same arm as the switch is turned on/off at a cycle shorter than the predetermined cycle, thereby controlling the current flowing through the internal diode to be suppressed.
According to such a configuration, it is possible to suppress the inclination of the current flowing through the internal diode by switching in a short cycle in response to the detection of overcurrent.
また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記過電流が検出された場合には、オフの状態にした前記半導体スイッチと同じアームにおける他方の前記半導体スイッチ前記半導体スイッチを前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフ制御するとともに、デューティ比が増加するように制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、オフの状態にした半導体スイッチが有する内部ダイオードを流れる電流の傾きを抑制することができる。
Further, according to one aspect of the present invention, when the overcurrent is detected, the control means controls the other semiconductor switch in the same arm as the semiconductor switch that has been turned off. On/off control is performed in a cycle shorter than that, and control is performed so as to increase the duty ratio.
According to such a configuration, it is possible to suppress the inclination of the current flowing through the internal diode of the semiconductor switch that is turned off.
また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記過電流が検出された場合には、オフの状態にした前記半導体スイッチと同じアームにおける他方の前記半導体スイッチを前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフ制御するとともに、オン時の制御電圧が増加するように制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、電流の傾きが徐々に増加するように制御することができる。
In one aspect of the present invention, when the overcurrent is detected, the control means controls the other semiconductor switch in the same arm as the semiconductor switch that has been turned off for a period shorter than the predetermined period. The on/off control is performed periodically, and the control is performed so that the control voltage increases when the switch is on.
With such a configuration, it is possible to control the slope of the current to gradually increase.
また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記第1アームおよび前記第2アームを構成する4つの前記半導体スイッチのうち一方の対角線上に位置する2つの前記半導体スイッチをPWM制御に応じてオンの状態にすることで前記負荷に電流を通じている際に、過電流が検出された場合にはオンの状態にされている2つの前記半導体スイッチの一方をオフの状態にするとともに、オフの状態にした前記半導体スイッチと同じアームにおける他方の前記半導体スイッチを前記所定の周期よりも短い周期であって、前記過電流を検出した時点における前記PWM制御のパルス幅に応じたデューティ比によりオン/オフ制御することで前記内部ダイオードを流れる電流を抑制する制御を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、PWMのパルス幅に応じた制御により、内部ダイオードを流れる電流の傾きを抑制することができる。
In one aspect of the present invention, the control means controls two semiconductor switches positioned on one diagonal line among the four semiconductor switches constituting the first arm and the second arm according to PWM control. When an overcurrent is detected while passing a current to the load by turning on the semiconductor switch, one of the two semiconductor switches turned on is turned off, and the switch is turned off. The other semiconductor switch in the same arm as the semiconductor switch in the state is turned on/on at a cycle shorter than the predetermined cycle and with a duty ratio corresponding to the pulse width of the PWM control at the time when the overcurrent is detected. It is characterized by performing control to suppress the current flowing through the internal diode by performing off control.
According to such a configuration, the inclination of the current flowing through the internal diode can be suppressed by the control according to the pulse width of the PWM.
また、本発明の一側面は、前記制御手段は、前記半導体スイッチをオフからオンに切り換える際に、当該半導体スイッチを前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフする制御を所定の期間実行することを特徴とする。
このような構成によれば、半導体スイッチの切り換えの際に生じる電流の傾きについても抑制することができる。
In one aspect of the present invention, when the semiconductor switch is switched from off to on, the control means executes control for turning on/off the semiconductor switch at a cycle shorter than the predetermined cycle for a predetermined period. It is characterized by
According to such a configuration, it is possible to suppress the slope of the current that occurs when the semiconductor switch is switched.
また、本発明の一側面は、前記半導体スイッチは、カスコード型GaN-HEMTであることを特徴とする。
このような構成によれば、カスコード型GaN-HEMTの内部ダイオードを流れる電流の傾きを抑制することができる。
Further, one aspect of the present invention is characterized in that the semiconductor switch is a cascode GaN-HEMT.
With such a configuration, it is possible to suppress the inclination of the current flowing through the internal diode of the cascode GaN-HEMT.
本発明によれば、電流の傾きについても制御可能な電力変換装置を提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the power converter device which can control also about the inclination of an electric current.
次に、本発明の実施形態について説明する。以下では、図1~図8を参照して、従来の電力変換装置における過電流を抑制する動作について説明した後、本発明の実施形態について説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described. 1 to 8, an operation for suppressing overcurrent in a conventional power converter will be described, and then an embodiment of the present invention will be described.
図1は、従来の電力変換装置10の構成例を示す図である。図1に示す例では、電力変換装置10は、内部ダイオード15,16を有する半導体スイッチ11,12(以下、適宜Q1,Q2と称する)が直列接続された第1アーム112と、内部ダイオード17,18を有する半導体スイッチ13,14(以下、適宜Q3,Q4と称する)が直列接続された第2アーム134とを有している。半導体スイッチ11のソースおよび半導体スイッチのドレインと、半導体スイッチ13のソースおよび半導体スイッチ14のドレインとの間には出力端子21,22を介して負荷20が接続されている。また、半導体スイッチ11,13のドレインと、半導体スイッチ12,14のソースとの間には電解コンデンサ19が接続されている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a
ここで、半導体スイッチ11,12が直列接続された第1アーム112は、PWM(Pulse Width Modulation)駆動アームとされ、半導体スイッチ13,14が直列接続された第2アーム134は、極性駆動アームとされる。
Here, the
図2は、図1に示す従来例の動作を説明するためのタイミングチャートである。図2(A)および図2(B)に示すように、半導体スイッチ11,12には、相互に異なる極性のPWMパルスが印加される。また、図2(C)および図2(D)に示すように、半導体スイッチ13,14には、相互に異なる極性の極性パルスが印加される。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the conventional example shown in FIG. As shown in FIGS. 2A and 2B,
図2において、矢印で示すタイミングで、負荷20に対して過電流が流れていることが検知されたとする。すなわち、図1(A)に破線の矢印で示すように、半導体スイッチ11、負荷20、および、半導体スイッチ14を介して過電流が通じたとする。このような場合、図示しない制御部は、半導体スイッチ14をオフの状態にする(ゲートブロックする)。これにより、負荷20に流れる電流を遮断することができる。
In FIG. 2, it is assumed that an overcurrent flowing through the
ところで、負荷20がインダクタンス成分を有する場合、電流を遮断しても負荷20に電流が流れ続けようとするので、半導体スイッチ14をオフの状態にすると、図1(B)に示すように、半導体スイッチ13の内部ダイオード17を介して電流が流れることになる。内部ダイオード17の耐電流特性は半導体スイッチ13よりも小さいので、内部ダイオード17に過大な負荷がかかることになる。
By the way, if the
そこで、従来においては、図2(C)および図3(A)に示すように、半導体スイッチ13をオンの状態に制御することで(帰還経路ONにすることで)、内部ダイオード17に流れる電流を、半導体スイッチ13にバイパスさせ、内部ダイオード17に過負荷がかかることを防止する。
Therefore, conventionally, as shown in FIGS. 2(C) and 3(A), by controlling the
負荷20に流れる過電流が解消した場合には、通常のPWM制御に戻るために、図3(B)に示すように、半導体スイッチ14をオンにし、半導体スイッチ13をオフの状態にする。
When the overcurrent flowing through the
以上は、半導体スイッチ11から半導体スイッチ14に電流が流れる場合の例であるが、図4に破線の矢印で示すように、半導体スイッチ13から半導体スイッチ12に電流が流れる場合においても同様の動作が可能である。すなわち、図5において、矢印で示すタイミングで、負荷20に対して過電流が流れていることが検知されたとする。すなわち、図4(A)に破線の矢印で示すように、半導体スイッチ13、負荷20、および、半導体スイッチ12を介して過電流が通じたとする。このような場合、図示しない制御部は、半導体スイッチ12をオフの状態にする(ゲートブロックする)。これにより、負荷20に流れる電流を遮断することができる。
The above is an example in which a current flows from the
このとき、負荷20がインダクタンス成分を有する場合、負荷20に電流が流れ続けようとするので、図4(B)に示すように、内部ダイオード15を介して電流が流れることになる。内部ダイオード15の耐電流特性は半導体スイッチ11よりも小さいので、内部ダイオード15に過大な負荷がかかることになる。
At this time, if the
そこで、図5(A)および図6(A)に示すように、半導体スイッチ11をオンの状態に制御する(帰還経路ONにする)ことで、負荷20に流れる電流を、半導体スイッチ11にバイパスさせ、内部ダイオード15に過負荷がかかることを防止する。
Therefore, as shown in FIGS. 5A and 6A, by controlling the
負荷20に流れる過電流が解消した場合には、通常のPWM制御に戻るために、図6(B)に示すように、半導体スイッチ12をオンにし、半導体スイッチ11をオフの状態にする。
When the overcurrent flowing through the
なお、図1および図2の例では、半導体スイッチ11,14を介して負荷20に電流が流れている際に過大電流が検出され、半導体スイッチ14をオフにするようにしたが、図7(A)に示すように、半導体スイッチ11をオフにする(ゲートブロックする)ようにしてもよい。その際、内部ダイオード16、負荷20、および、半導体スイッチ14を介して電流が通じるので、内部ダイオード16に負荷がかかる。そこで、この場合には、図7(B)に示すように半導体スイッチ12をオンの状態にする(帰還経路ONにする)ことで、内部ダイオード16に流れる電流をバイパスさせることができる。
In the example of FIGS. 1 and 2, an excessive current is detected when current is flowing through the
また、図4および図5の例では、半導体スイッチ13,12を介して負荷20に電流が流れている際に過大電流が検出され、半導体スイッチ12をオフにするようにしたが、図8(C)に示すように、半導体スイッチ13をオフにする(ゲートブロックする)ようにしてもよい。その際、内部ダイオード18、負荷20、および、半導体スイッチ12を介して電流が通じるので、内部ダイオード18に負荷がかかる。そこで、この場合には、図8(D)に示すように半導体スイッチ14をオンの状態にする(帰還経路ONにする)ことで、内部ダイオード18に流れる電流をバイパスさせることができる。
In the examples of FIGS. 4 and 5, an excessive current is detected while the current is flowing through the
ところで、半導体スイッチ11~14として、図9に示すカスコード型GaN-HEMTを使用する場合を考える。図9に示すカスコード型GaN-HEMT(High Electron Mobility Transistor)は、Si-MOS(Metal Oxide Semiconductor)型のFET(Field Effect Transistor)と、ゲート電圧を印加しない場合にオンの状態となるノーマリON型GaN-HEMTがカスコード接続されて構成されている。 By the way, let us consider the case of using the cascode-type GaN-HEMT shown in FIG. 9 as the semiconductor switches 11 to 14 . The cascode-type GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor) shown in FIG. 9 consists of a Si-MOS (Metal Oxide Semiconductor) type FET (Field Effect Transistor) and a normally ON type that turns on when no gate voltage is applied. GaN-HEMTs are cascode-connected.
図9に示すカスコード型GaN-HEMTでは、ゲートとソースの間に駆動電圧が印加されていない場合、Si-MOSはオフの状態となるので、ノーマリON型GaN-HEMTのゲートの電圧はソースよりも低くなることからオフの状態となる。一方、カスコード型GaN-HEMTのゲートとソースの間に駆動電圧が印加されている場合、Si-MOSはオンの状態となるので、ノーマリON型GaN-HEMTのゲートの電圧はソースと略同じになることからオンの状態となる。 In the cascode-type GaN-HEMT shown in FIG. 9, when no driving voltage is applied between the gate and the source, the Si-MOS is in an off state. is also low, it is turned off. On the other hand, when a driving voltage is applied between the gate and source of the cascode-type GaN-HEMT, the Si-MOS is turned on, so the voltage of the gate of the normally-on GaN-HEMT is substantially the same as that of the source. Therefore, it is turned on.
以上は、ドレインとソース間に順方向の電圧(ドレイン電圧>ソース電圧)が印加された場合の動作である。ドレインとソース間に逆方向の電圧(ドレイン電圧<ソース電圧)が印加された場合、図10に示すように、Vgs(ゲートとソース間の電圧)とVth(閾値電圧)との関係によって、Si-MOSまたは内部ダイオードのいずれかを電流が流れる。すなわち、Vgs<Vthの場合には、図10(A)に示すように内部ダイオードに電流が流れる。また、Vgs>Vthの場合には、図10(B)に示すようにSi-MOSに電流が流れる。 The above is the operation when a forward voltage (drain voltage>source voltage) is applied between the drain and the source. When a reverse voltage (drain voltage<source voltage) is applied between the drain and source, as shown in FIG. 10, the relationship between Vgs (voltage between gate and source) and Vth (threshold voltage) causes - Current flows through either the MOS or the internal diode. That is, when Vgs<Vth, a current flows through the internal diode as shown in FIG. 10(A). If Vgs>Vth, a current flows through the Si-MOS as shown in FIG. 10B.
ところで、カスコード型GaN-HEMTが有する内部ダイオードは、電流の時間的変化を示すdi/dtが所定の閾値を超えないように制御する必要がある。di/dtが所定の閾値を超えた場合、内部のインダクタンス成分による逆起電力により、内部ダイオードがコラプスを生じる可能性があるためである。 By the way, the internal diode of the cascode GaN-HEMT needs to be controlled so that di/dt, which indicates the temporal change in current, does not exceed a predetermined threshold. This is because when di/dt exceeds a predetermined threshold, the internal diode may collapse due to the back electromotive force due to the internal inductance component.
そこで、本発明の実施形態では、図9および図10に示すカスコード型GaN-HEMTのような形態の内部ダイオードを有する半導体スイッチを用いた場合であっても、di/dtが所定の閾値を超えないように制御することを特徴とする。なお、以下では、カスコード型GaN-HEMTを、図9の矢印の先に示すように簡略化して示すものとする。 Therefore, in the embodiment of the present invention, di/dt exceeds a predetermined threshold value even when a semiconductor switch having an internal diode in the form of the cascode GaN-HEMT shown in FIGS. 9 and 10 is used. It is characterized by controlling so that it does not occur. In the following description, the cascode-type GaN-HEMT is simplified as indicated by the arrow in FIG.
(A)本発明の実施形態の構成の説明
図11は、本発明の実施形態に係る電力変換装置30の構成例を示す図である。図11において、電力変換装置30は、電解コンデンサ19、負荷20、および、カスコード型GaN-HEMT31~34を有している。
(A) Description of Configuration of Embodiment of the Present Invention FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of a
ここで、電解コンデンサ19は、図示しない直流電源から供給される直流電力を平滑化して出力する。
Here, the
カスコード型GaN-HEMT31~34は、図9および図10に示す構成を有し、後述する論理回路51から供給されるドライブ信号によってオン/オフの状態が制御され、例えば、150Vの直流電圧を100Vの交流電圧に変換して出力する。なお、図11に示す回路の前段に昇圧回路または降圧回路を設けることで、出力電圧を変更可能としてもよい。
The cascode-type GaN-
カスコード型GaN-HEMT31,32は直列接続されて第1アーム312を構成する。カスコード型GaN-HEMT31のソースと、カスコード型GaN-HEMT32のドレインの間には出力端子21を介して負荷20が接続される。
The cascode GaN-
カスコード型GaN-HEMT33,34は直列接続されて第2アーム334を構成する。カスコード型GaN-HEMT33のソースと、カスコード型GaN-HEMT34のドレインの間には出力端子22を介して負荷20が接続される。
The cascode GaN-
負荷20は、例えば、家電製品等であり、製品の種類によって、様々なインピーダンス成分を有する。
The
図12は、図11に示すカスコード型GaN-HEMT31~34を駆動するための制御回路50の構成例を示している。図12の例では、制御回路50は、論理回路51およびドライブ回路52~55を有している。 FIG. 12 shows a configuration example of a control circuit 50 for driving the cascode GaN-HEMTs 31-34 shown in FIG. In the example of FIG. 12, the control circuit 50 has a logic circuit 51 and drive circuits 52-55.
論理回路51は、図14を参照して後述する構成を有する論理回路であり、入力される信号の論理値に応じた値を出力する。なお、論理回路51には、駆動PWMパルス、極性パルス、過電流検出信号、および、過電流時パルスが入力される。 Logic circuit 51 is a logic circuit having a configuration described later with reference to FIG. 14, and outputs a value corresponding to the logic value of an input signal. The drive PWM pulse, the polarity pulse, the overcurrent detection signal, and the overcurrent pulse are input to the logic circuit 51 .
ここで、駆動PWMパルス信号は、通常時(異常な電流が流れていない場合)におけるPWM信号で、例えば、100kHzの周波数を有する信号である。 Here, the drive PWM pulse signal is a PWM signal in a normal state (when no abnormal current is flowing), and is a signal having a frequency of 100 kHz, for example.
極性パルス信号は、出力しようとする交流電力の周波数(例えば、50Hzまたは60Hz)でハイ(High)/ロー(Low)を繰り返す信号である。 The polarity pulse signal is a signal that repeats high/low at the frequency of AC power to be output (eg, 50 Hz or 60 Hz).
過電流検出信号は、通常時はハイの状態であり、負荷20に過電流が流れた場合には、ローの状態になる信号である。
The overcurrent detection signal is normally in a high state, and becomes a low state when an overcurrent flows through the
過電流時パルス信号は、過電流時に使用される周波数が高いPWM信号で、例えば、1MHz(駆動PWMパルスの10~100倍程度の周波数)の信号である。 The pulse signal during overcurrent is a PWM signal with a high frequency used during overcurrent, for example, a signal of 1 MHz (a frequency about 10 to 100 times the driving PWM pulse).
ドライブ回路52~55は、論理回路51から出力される信号の電力を増幅し、Q1駆動信号~Q4駆動信号として、カスコード型GaN-HEMT31~34のゲートに供給する。 The drive circuits 52-55 amplify the power of the signal output from the logic circuit 51 and supply it to the gates of the cascode GaN-HEMTs 31-34 as Q1 drive signal-Q4 drive signal.
図13は、論理回路51に供給する信号を生成するための回路を示している。図13(A)は、通常時における駆動PWMパルス信号を生成して出力する回路、および、異常時における過電流時パルス信号を生成して出力する回路を示している。図13(A)では、比較器61には50Hzまたは60Hzの正弦波が入力されるとともに、100kHzまたは1MHzの三角波信号が入力され、例えば、正弦波信号>三角波信号の場合には出力をハイの状態にし、正弦波信号<三角波信号の場合には出力をローの状態にすることで、正弦波に対応するPWM信号を出力する。 FIG. 13 shows a circuit for generating signals to be supplied to the logic circuit 51. As shown in FIG. FIG. 13A shows a circuit for generating and outputting a driving PWM pulse signal in a normal state and a circuit for generating and outputting an overcurrent pulse signal in an abnormal state. In FIG. 13A, the comparator 61 receives a sine wave of 50 Hz or 60 Hz and a triangular wave signal of 100 kHz or 1 MHz. If sine wave signal < triangular wave signal, the output is set to low to output a PWM signal corresponding to the sine wave.
図13(B)は、極性パルス信号を生成して出力する回路を示している。図13(B)では、比較器62には50Hzまたは60Hzの正弦波が入力されるとともに、基準電圧Vref(例えば、Vref=0)が入力されている。比較器は、例えば、正弦波信号>基準電圧Vrefの場合には出力をハイの状態にし、正弦波信号<基準電圧Vrefの場合には出力をローの状態にすることで、正弦波に対応する極性パルス信号を生成して出力する。 FIG. 13B shows a circuit that generates and outputs a polarity pulse signal. In FIG. 13B, the comparator 62 receives a sine wave of 50 Hz or 60 Hz and a reference voltage Vref (for example, Vref=0). The comparator responds to the sine wave by, for example, setting the output to a high state if the sine wave signal>reference voltage Vref and setting the output to a low state if the sine wave signal<reference voltage Vref. Generates and outputs a polar pulse signal.
図13(C)は、過電流検出信号を生成して出力する回路を示している。図13(C)の例は、増幅器63および比較器64によって構成される。増幅器63は、例えば、負荷20またはカスコード型GaN-HEMT31~34に流れる電流を検出するための検出抵抗の両端の電圧を増幅して出力する。比較器64は、増幅器の出力と閾値電圧とを比較し、増幅器の出力>閾値電圧の場合には出力をローの状態にし、増幅器の出力<閾値電圧の場合には出力をハイの状態にすることで過電流検出信号を生成して出力する。
FIG. 13C shows a circuit that generates and outputs an overcurrent detection signal. The example of FIG. 13(C) is composed of an
図14は、図12に示す論理回路51の構成例を示している。図14の例では、論理回路51は、NOT回路71,72、AND回路73~76、および、OR回路77,78を有している。
FIG. 14 shows a configuration example of the logic circuit 51 shown in FIG. In the example of FIG. 14, the logic circuit 51 has NOT circuits 71 and 72, AND circuits 73-76, and OR
図15および図16は、図15に示す回路の真理値表を示している。ここで、nOCは過電流検出信号を示し、OC_PWMは過電流時パルス信号を示し、POLEは極性パルス信号を示し、また、PWMは駆動PWMパルス信号を示している。 15 and 16 show truth tables for the circuit shown in FIG. Here, nOC indicates an overcurrent detection signal, OC_PWM indicates an overcurrent pulse signal, POLE indicates a polarity pulse signal, and PWM indicates a driving PWM pulse signal.
図15は過電流検出時(nOC=0)における真理値表を示している。図15に示すように、カスコード型GaN-HEMT33,34であるQ3,Q4はPOLE(極性パルス信号)によってのみ変化し、PWM(駆動PWMパルス信号)やOC_PWM(過電流時パルス信号)による影響は受けない。また、カスコード型GaN-HEMT31,32であるQ1,Q2はOC_PWM(過電流時パルス信号)が1のときに、POLE(極性パルス信号)に応じてどちらかが1となる。また、OC_PWM(過電流時パルス信号)が0のときはQ1,Q2は0のままである。さらに、過電流検知時は対角となる素子(Q1,Q4もしくはQ2,Q3)が同時にオンの状態になることはない。
FIG. 15 shows a truth table when overcurrent is detected (nOC=0). As shown in FIG. 15, Q3 and Q4, which are cascode-type GaN-
図16は、通常動作時の真理値表を示している。図16に示すように、Q3,Q4はPOLE(極性パルス信号)によってのみ変化し、PWM(駆動PWMパルス信号)やOC_PWM(過電流時パルス信号)による影響は受けない(なお、過電流検知時も同様なのでnOC(過電流検出信号)の影響も受けない)。また、Q1,Q2はPWM(駆動PWMパルス信号)によってのみ変化する。POLE(極性パルス信号)やOC_PWM(過電流時パルス信号)の影響は受けない。 FIG. 16 shows a truth table during normal operation. As shown in FIG. 16, Q3 and Q4 are changed only by POLE (polarity pulse signal) and are not affected by PWM (drive PWM pulse signal) or OC_PWM (overcurrent pulse signal). is the same, so it is not affected by nOC (overcurrent detection signal)). Q1 and Q2 are changed only by PWM (drive PWM pulse signal). It is not affected by POLE (polarity pulse signal) or OC_PWM (overcurrent pulse signal).
(B)本発明の実施形態の動作の説明
つぎに、本発明の実施形態の動作について説明する。図17は、本発明の実施形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。図17に示すように、本実施形態では、カスコード型GaN-HEMT31,32にはPWMパルス信号が供給され、カスコード型GaN-HEMT33,34には極性パルス信号が供給される。なお、カスコード型GaN-HEMT31~34は、ゲートに印加される信号がハイの状態になった場合にはオンの状態になり、ゲートに印加される信号がローの状態になった場合にはオフの状態になるのは、図1等に示す半導体スイッチ11~14と同様である。
(B) Description of operation of embodiment of the present invention Next, operation of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 17 is a timing chart for explaining the operation of the embodiment of the invention. As shown in FIG. 17, in this embodiment, the cascode GaN-
カスコード型GaN-HEMT33,34がそれぞれオフおよびオンの状態で、カスコード型GaN-HEMT31,32がそれぞれオンおよびオフの場合には、図11(A)に間隔が短い破線で示すように、カスコード型GaN-HEMT31、負荷20、および、カスコード型GaN-HEMT34を介して電流が流れる。
When the cascode-type GaN-
このような状態において、図17に矢印で示すように過電流が発生したとすると、過電流検出信号がローの状態になる。この結果、論理回路51は、図17(D)に示すように、Q4駆動信号をローの状態にする(ゲートブロックする)ので、カスコード型GaN-HEMT34がオフの状態になる。
In such a state, if an overcurrent occurs as indicated by an arrow in FIG. 17, the overcurrent detection signal goes low. As a result, as shown in FIG. 17(D), the logic circuit 51 sets the Q4 drive signal to a low state (gate blocks), so that the cascode GaN-
負荷20がインダクタス成分を有する場合、カスコード型GaN-HEMT34がオフの状態になると、カスコード型GaN-HEMT33を介して電流が流れ続けようとする。このとき、カスコード型GaN-HEMT33がオフの状態を維持する場合、内部ダイオードに全ての電流が流れるため、di/dtが規定値を超えてしまう可能性がある。
If the
そこで、本実施形態では、図17(C)の一部を下段に拡大して示すように、カスコード型GaN-HEMT33を通常時よりも短い周期(例えば、1/10~1/100の周期)でスイッチングする。これにより、カスコード型GaN-HEMT33を流れる電流は、図10(A)および図10(B)に示すように、内部ダイオードとSi-MOSとを交互に流れることから、内部ダイオードに流れる電流がdi/dtの規定値を超えることを防止できる。 Therefore, in this embodiment, as shown in an enlarged lower part of FIG. to switch. As a result, the current flowing through the cascode GaN-HEMT 33 alternately flows through the internal diode and the Si-MOS, as shown in FIGS. 10A and 10B. /dt can be prevented from exceeding the specified value.
なお、以上では、カスコード型GaN-HEMT31からカスコード型GaN-HEMT34へ過電流が流れた際に、カスコード型GaN-HEMT34をオフの状態にするようにしたが、カスコード型GaN-HEMT34はオンのままで、カスコード型GaN-HEMT31をオフの状態にするようにしてもよい。その場合には、カスコード型GaN-HEMT32の内部ダイオードに電流が流れるので、当該内部ダイオードに流れる電流がdi/dtの既定値を超えることを防止するために、カスコード型GaN-HEMT32を、通常よりも短い周期でオン/オフするようにしてもよい。
In the above description, when an overcurrent flows from the cascode GaN-
また、以上は、カスコード型GaN-HEMT31,34がオンの場合に過電流が流れた場合の動作であるが、カスコード型GaN-HEMT32,33がオンの場合に過電流が流れた場合にも同様の動作によって、内部ダイオードに流れるdi/dtを減少させるようにしてもよい。
The above is the operation when overcurrent flows when the cascode GaN-
より詳細には、カスコード型GaN-HEMT32,33がオンの場合に過電流が検出されたとき、カスコード型GaN-HEMT32,33のいずれか一方をオフの状態にする。例えば、カスコード型GaN-HEMT32をオフの状態にすると、カスコード型GaN-HEMT31の内部ダイオードを介して電流が流れ続けようとするので、その場合には、カスコード型GaN-HEMT31を通常よりも短い周期(例えば、1/10~1/100の周期)でスイッチングさせることで、内部ダイオードに流れる電流を減少させることができる。
More specifically, when an overcurrent is detected while the cascode GaN-
一方、カスコード型GaN-HEMT33をオフの状態にすると、カスコード型GaN-HEMT34の内部ダイオードを介して電流が流れ続けようとするので、その場合には、カスコード型GaN-HEMT34を通常よりも短い周期(例えば、1/10~1/100の周期)でスイッチングさせることで、内部ダイオードに流れる電流を減少させることができる。
On the other hand, when the cascode GaN-HEMT 33 is turned off, the current continues to flow through the internal diode of the cascode GaN-
以上に説明したように、本発明の実施形態によれば、カスコード型GaN-HEMT31~34を有する電力変換装置において、過電流が検出された場合には、オンの状態にされている2つのカスコード型GaN-HEMTの一方をオフの状態にするとともに、オフの状態にしたカスコード型GaN-HEMTに対して直列接続されている他のカスコード型GaN-HEMTを、通常の周期よりも短い周期でオン/オフするようにしたので、内部ダイオードに流れる電流のdi/dtを抑制し、内部ダイオードに負荷がかかったり破損したりすることを防止できる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, in the power converter having the cascode GaN-
(C)変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の実施形態では、図17に示すように、帰還経路に該当するカスコード型GaN-HEMT(図17の例ではカスコード型GaN-HEMT33)を同じデューティ比によってオン/オフするようにしたが、例えば、図18に示すように、内部ダイオードを流れる電流が時間の経過とともに増加するようにデューティ比を変化させてもよい。このような制御によれば、内部ダイオードに流れる電流が徐々に増加することから、内部ダイオードに流れる電流のdi/dtをより確実に抑制することができる。なお、このような動作を実現するための構成としては、例えば、図13(A)に示すVinとして、ランプ関数を用いるようにすればよい。もちろん、これ以外の構成でもよい。
(C) Description of Modified Embodiment The above-described embodiment is merely an example, and needless to say, the present invention is not limited to the case described above. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 17, the cascode-type GaN-HEMT (the cascode-type GaN-HEMT 33 in the example of FIG. 17) corresponding to the feedback path is turned on/off with the same duty ratio. For example, as shown in FIG. 18, the duty ratio may be changed so that the current flowing through the internal diode increases over time. According to such control, since the current flowing through the internal diode gradually increases, di/dt of the current flowing through the internal diode can be suppressed more reliably. As a configuration for realizing such an operation, for example, a ramp function may be used as Vin shown in FIG. 13(A). Of course, other configurations are possible.
また、以上の各実施形態では、帰還経路に該当するカスコード型GaN-HEMTを駆動する電圧は一定としたが、例えば、図19に示すように、内部ダイオードを流れる電流が時間の経過とともに増加するように駆動電圧を変化させてもよい。このような制御によれば、内部ダイオードに流れる電流が徐々に増加することから、内部ダイオードに流れる電流のdi/dtをより確実に抑制することができる。なお、このような動作を実現するための構成としては、例えば、図13(A)に示す比較器61の出力信号と、ランプ関数との積を演算するようにすればよい。もちろん、これ以外の構成でもよい。 In each of the above embodiments, the voltage for driving the cascode GaN-HEMT corresponding to the feedback path is constant, but as shown in FIG. 19, the current flowing through the internal diode increases over time. The drive voltage may be changed as follows. According to such control, since the current flowing through the internal diode gradually increases, di/dt of the current flowing through the internal diode can be suppressed more reliably. As a configuration for realizing such an operation, for example, the product of the output signal of the comparator 61 shown in FIG. 13A and the ramp function may be calculated. Of course, other configurations are possible.
また、図20に示すように、過電流を検出した際のPWMパルスのデューティ比に応じて、帰還経路に該当するカスコード型GaN-HEMTのデューティ比を変化させるようにしてもよい。より詳細には、過電流を検出した際のPWMパルスのデューティ比が小さい場合には、図20(E)に示すように小さいデューティ比でスイッチングし、過電流を検出した際のPWMデューティ比が大きい場合には、図20(F)に示すように大きいデューティ比でスイッチングするようにしてもよい。このような構成によれば、内部ダイオードに流れる電流に応じた適切なデューティ比によってスイッチングすることができる。なお、このような動作を実現するための構成としては、例えば、図13(A)に示すVinを、PWM信号のデューティ比に応じて変化させるようにすればよい。もちろん、これ以外の構成でもよい。 Further, as shown in FIG. 20, the duty ratio of the cascode GaN-HEMT corresponding to the feedback path may be changed according to the duty ratio of the PWM pulse when overcurrent is detected. More specifically, when the duty ratio of the PWM pulse is small when overcurrent is detected, switching is performed at a small duty ratio as shown in FIG. If it is large, switching may be performed with a large duty ratio as shown in FIG. 20(F). According to such a configuration, switching can be performed with an appropriate duty ratio according to the current flowing through the internal diode. As a configuration for realizing such an operation, for example, Vin shown in FIG. 13A may be changed according to the duty ratio of the PWM signal. Of course, other configurations are possible.
また、以上の実施形態では、過電流が流れる場合の制御を例に挙げて説明したが、例えば、図21に示すように、カスコード型GaN-HEMTをオフからオンの状態に切り換える際に、内部ダイオードに過電流が流れることを防止するために、通常よりも短い周期で一時的にスイッチングするようにしてもよい。なお、このような動作を実現するための構成としては、例えば、オフからオンに切り換える際に、図13(A)に示す比較回路に供給する発振信号の周期が一時的に短くなるようにすればよい。もちろん、これ以外の構成でもよい。 Further, in the above embodiments, the control when an overcurrent flows has been described as an example. However, for example, as shown in FIG. In order to prevent overcurrent from flowing through the diode, it may be temporarily switched at a shorter cycle than usual. As a configuration for realizing such an operation, for example, when switching from off to on, the period of the oscillation signal supplied to the comparison circuit shown in FIG. 13A is temporarily shortened. Just do it. Of course, other configurations are possible.
なお、図11~図14等に示す回路は一例であって、本発明がこれらの回路に限定されるものではない。 The circuits shown in FIGS. 11 to 14 and the like are examples, and the present invention is not limited to these circuits.
また、以上の実施形態では、半導体スイッチとして、カスコード型GaN-HEMTを例に挙げて説明したが、これ以外の半導体スイッチを用いるようにしてもよい。 Also, in the above embodiments, the cascode GaN-HEMT was described as an example of the semiconductor switch, but other semiconductor switches may be used.
10 電力変換装置
11~14 半導体スイッチ
15~18 内部ダイオード
19 電解コンデンサ
20 負荷
21~22 出力端子
30 電力変換装置
50 制御回路
51 論理回路
52~55 ドライブ回路
61,62,64 比較器
63 増幅器
71,72 NOT回路
73~76 AND回路
77,78 OR回路
112,312 第1アーム
134,334 第2アーム
10 power converter 11-14 semiconductor switch 15-18
Claims (7)
前記第1アームと並列接続され、前記内部ダイオードを有する2つの前記半導体スイッチが直列接続されて構成される第2アームと、
前記第1アームの中間点と、前記第2アームの中間点とにそれぞれ設けられ、負荷が接続される出力端子と、
前記第1アームおよび前記第2アームを構成する前記半導体スイッチを所定の周期でオン/オフ制御することで、前記第1アームおよび前記第2アームに印加される直流電力を交流電力に変換する制御を行う制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記第1アームおよび前記第2アームを構成する前記半導体スイッチのいずれかが有する前記内部ダイオードに順方向の電流が流れる場合には、前記内部ダイオードの当該内部ダイオードを有する前記半導体スイッチを、前記所定の周期よりも短い周期でオン/オフ制御することで、前記内部ダイオードを流れる電流の傾きを抑制する制御を行う、
ことを特徴とする電力変換装置。 a first arm configured by connecting two semiconductor switches having internal diodes in series;
a second arm connected in parallel with the first arm and configured by connecting in series two semiconductor switches each having the internal diode;
output terminals provided at an intermediate point of the first arm and an intermediate point of the second arm, respectively, to which a load is connected;
Control for converting the DC power applied to the first arm and the second arm into AC power by on/off controlling the semiconductor switches constituting the first arm and the second arm at a predetermined cycle. and a control means for
When a forward current flows through the internal diode of one of the semiconductor switches constituting the first arm and the second arm, the control means controls the semiconductor switch having the internal diode of the internal diode. By controlling the on/off of the switch with a period shorter than the predetermined period, control is performed to suppress the inclination of the current flowing through the internal diode.
A power conversion device characterized by:
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