JP7271473B2 - 電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器 - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器に関する。

ＥＶ車やＨＶ車などでは、モータを駆動するために大きな駆動電圧を必要とするため、１００Ｖを超える直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器が設けられる。電力変換器は、パワーMOSFETやIGBT等のスイッチング素子をオン・オフさせて交流電圧を生成するが、ノイズや負荷変動等により、スイッチング素子で生成される交流電圧の時間変化率が変動すると、モータの動作が不安定になるおそれがある。

スイッチング素子をオン・オフさせて生成される交流電圧は、時間に応じて電圧レベルが大きく変動するため、その時間変化率を精度よく計測するのは容易ではない。例えば、オシロスコープなどの計測器の表示部に交流電圧の電圧波形を表示させ、その電圧波形から時間変化率を換算することが考えられるが、手間がかかる上に、リアルタイムに交流電圧の時間変化率を検出できないという問題がある。

特許３４７４３５０号公報

本発明の一態様は、スイッチング素子をオン・オフさせて生成される交流電圧等の測定対象ノードの電圧の時間変化率を簡易かつ精度よく検出可能な電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードと、
前記測定対象ノードと第１基準電圧ノードとの間に直列接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
前記出力ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
前記第１基準電圧ノードと前記出力ノードとを短絡するか否かを切り替える第１スイッチと、
前記出力ノードから、前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに流れる電流を許容し、前記接続ノードから前記出力ノードへの電流を遮断する整流回路と、を備える、電圧変化率検出回路が提供される。

第１の実施形態による電圧変化率検出回路を備えた電力変換器の回路図。 電力変換回路の出力ノード（測定対象ノード）の電圧波形を示す図。 図１の電圧変化率検出回路の動作を示すフローチャート。 電力変換回路の出力電圧が立ち下がったときに流れる電流経路を示す図。 電圧変化率検出回路内の回路パラメータを決定する手順を示す図。 図１の電圧変化率検出回路の電圧波形図。 電力変換回路の出電圧が立ち下がるタイミングの付近の電圧波形を時間軸方向に拡大した波形図。 図１の電圧変化率検出回路の精度を測定した図。 第１変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 第２変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 第３変形例による電圧変化率検出回路の回路図。 第２の実施形態による電圧変化率検出回路を備えた電力変換器の回路図。 第３の実施形態による電圧変化率検出回路を備えた電力変換器の概略構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して、電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器の実施形態について説明する。以下では、電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器の主要な構成部分を中心に説明するが、電圧変化率検出回路、半導体装置及び電力変換器には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による電圧変化率検出回路１を備えた電力変換器２の回路図である。電力変換器２は、電圧変化率検出回路１と電力変換回路３を備えている。電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードである測定対象ノードｎ１に接続されている。電力変換回路３は、例えば、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２を用いて直流電圧を交流電圧に変換する。図１の電力変換回路３は、直流電源４と、キャパシタＣ１０と、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２とを有するが、電力変換回路３の具体的な回路構成は問わない。

図１の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出する。電力変換回路３の出力電圧は、電力変換回路３の出力ノード（測定対象ノード）ｎ１から出力される。図１の電圧変化率検出回路１は、測定対象ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出する。特に、図１の電圧変化率検出回路１は、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを精度よく検出できるという特徴を有する。

図１の電圧変化率検出回路１は、出力ノードＯＵＴと、第１キャパシタＣ１と、第１抵抗Ｒ１と、第２キャパシタＣ２と、第１トランジスタＱ１と、第１整流回路Ｄ１とを備えている。

電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴは、測定対象ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す直流信号を出力する。第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１は、測定対象ノードｎ１と第１基準電圧ノードｎ３との間に直列接続されている。第１基準電圧ノードｎ３には、直流電圧源Ｖ１が接続されている。直流電圧源Ｖ１の電圧レベルは、例えば０Ｖより大きい所定の電圧である。

第２キャパシタＣ２は、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴと第２基準電圧ノードＶssとの間に接続されている。第２基準電圧ノードＶssは、例えば０Ｖすなわち接地レベルである。第２基準電圧ノードＶssは、第１基準電圧ノードｎ３よりも低い電圧レベルを有する。

第１トランジスタＱ１は、第１基準電圧ノードｎ３と出力ノードＯＵＴとを短絡するか否かを切り替える。第１トランジスタＱ１は、測定対象ノードｎ１の電圧の低下分に応じて、出力ノードＯＵＴの電圧を下げる。

第１整流回路Ｄ１は、出力ノードＯＵＴから、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードｎ２に流れる電流を許容し、接続ノードｎ２から出力ノードＯＵＴへの電流を遮断する。以下では、第１整流回路Ｄ１がダイオードＤ１の例を説明する。ダイオードＤ１のアノードは出力ノードＯＵＴに接続され、カソードは第１キャパシタＣ１と第１抵抗Ｒ１の接続ノードｎ２に接続されている。

この他、図１の電圧変化率検出回路１は、第１基準電圧ノードｎ３と第２基準電圧ノードＶssの間に直列接続された第２抵抗Ｒ２と第２トランジスタＱ２を備えていてもよい。第２トランジスタＱ２は、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を第２キャパシタＣ２が保持した後に一時的にオンする。第２トランジスタＱ２は、第１トランジスタＱ１の制御端子（例えばゲート）を第２基準電圧ノードＶssと同電位にするか否かを制御する。より具体的には、第２トランジスタＱ２は、第２キャパシタＣ２が測定対象ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を保持した後に、第１トランジスタＱ１の制御端子を第２基準電圧ノードＶssと同電位に一時的に設定する。

第２トランジスタＱ２の制御端子（例えばゲート）には、リセット回路５が接続されている。リセット回路５は、初期設定時と、第２キャパシタＣ２が測定対象ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を保持した後の所定期間とに、第１トランジスタＱ１の制御端子を第２基準電圧ノードＶssと同電位に一時的に設定するためのパルス信号を第２トランジスタＱ２の制御端子に供給する。リセット回路５で定期的に第２キャパシタＣ２の蓄積電荷をリセットすることにより、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が変化するたびに、その時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力ノードＯＵＴから出力することができる。

第１トランジスタＱ１と第２トランジスタＱ２は例えば導電型が互いに異なっている。図１では、第１トランジスタＱ１がＰ型トランジスタで、第２トランジスタＱ２がＮ型トランジスタの例を示している。第１トランジスタＱ１のソースは第１基準電圧ノードｎ３に接続されている。第１トランジスタＱ１のドレインは出力ノードＯＵＴに接続されている。第１トランジスタＱ１のゲートは第２トランジスタＱ２のドレインに接続されている。第２トランジスタＱ２のソースは第２基準電圧ノードＶssに接続されている。第２トランジスタＱ２のゲートにはリセット回路５が接続されている。

電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧は周期的に変化するため、出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を蓄積する第２キャパシタＣ２を定期的にリセットする必要がある。本明細書では、リセット時の第２キャパシタＣ２内の電荷をリセット電荷と呼ぶ。第２キャパシタＣ２の蓄積電荷のリセットは、第１トランジスタＱ１を一時的にオンすることにより行われる。第１トランジスタＱ１を一時的にオンすると、第２トランジスタＱ２がオンして、第１基準電圧ノードｎ３と出力ノードＯＵＴが同電位になり、第２キャパシタＣ２にリセット電荷が蓄積される。

このように、図１の電圧変化率検出回路１は、第１トランジスタＱ１をオンするたびに、第２キャパシタＣ２にリセット電荷が蓄積され、その後に電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を第２キャパシタＣ２に蓄積することで、出力ノードＯＵＴから時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を繰り返し出力できる。

図２は電力変換回路３の出力ノード（測定対象ノード）ｎ１の電圧波形を示す図である。電力変換回路３は、その出力ノードｎ１から、周期的に電圧レベルが変化する交流電圧を出力する。図２は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧レベルが数十Ｖ以上の電圧から立ち下がる過渡状態の電圧波形を示している。本実施形態による電圧変化率検出回路１は、図２に示した過渡状態の電圧波形における、電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔの値を電圧レベルとする直流信号を出力する。図２の電圧波形に示すように、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔは過渡状態においてほぼ一定であり、このときの時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第２キャパシタＣ２に蓄積され、この蓄積電荷に応じて、出力ノードＯＵＴからは直流信号が出力される。

図３は図１の電圧変化率検出回路１の動作を示すフローチャートである。以下、図３のフローチャートを参照して、図１の電圧変化率検出回路１の動作を説明する。図１の電圧変化率検出回路１に電源電圧を供給すると、初期化動作として、第２トランジスタＱ２がオンする（ステップＳ１）。これにより、第２トランジスタＱ２のソース電圧が第２基準電圧ノードＶssの電圧（接地電圧）まで低下し、第１トランジスタＱ１がオンする。第１トランジスタＱ１がオンすると、第２キャパシタＣ２には、第１基準電圧ノードｎ３の電圧に応じたリセット電荷が蓄積される（ステップＳ２）。

その後、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がると、図４に矢印線で示すように、第１基準電圧ノードｎ３から、第１抵抗Ｒ１と第１キャパシタＣ１を通って出力ノードｎ１に電流が流れるため、第１基準電圧ノードｎ３の電圧が低下する（ステップＳ３）。これにより、第２トランジスタＱ２は、出力ノードＯＵＴの電圧を下げようとし、第２キャパシタＣ２に蓄積されたリセット電荷は、図４の矢印線に示すように、ダイオードＤ１を介して放電される（ステップＳ４）。これにより、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷が減り、出力ノードＯＵＴの電圧が低下する（ステップＳ５）。出力ノードＯＵＴの電圧の低下分が、電力変換回路３の出力ノードｎ１の時間変化率ｄｖ／ｄｔに対応する値になる（ステップＳ６）。電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧変化が生じなくなっても、ダイオードＤ１の整流作用により、第１キャパシタＣ１及び第１抵抗Ｒ１の接続ノードｎ２から第２キャパシタＣ２への電流は遮断され、第１トランジスタＱ１がオンするまでは、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷は保持される。

このように、図１の電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がるときに、電圧の低下分だけ第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を放電し、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の低下が生じなくなったときは、ダイオードＤ１の整流作用により、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷を保持できる。これにより、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを、出力ノードＯＵＴの直流信号により検出できる。

次に、図１の電圧変化率検出回路１の各回路素子の回路パラメータの決める手順について説明する。図５は電圧変化率検出回路１内の回路パラメータを決定する手順を示す図である。まず、第１キャパシタＣ１の容量値を決定する（ステップＳ１１）。第１キャパシタＣ１の容量は、電力変換回路３の出力容量Ｃossよりも小さくするのが望ましく、例えば出力容量Ｃossの１／１０以下に設定される。これにより、第１キャパシタＣ１の容量を、損失を無視できる程度に抑制できる。また、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔと、第１キャパシタＣ１に流れる変位電流からも、第１キャパシタＣ１の容量の制限が生じる可能性がある。

次に、第１キャパシタＣ１に流れる変位電流から必要な利得を計算して、第１抵抗Ｒ１の抵抗値と第２キャパシタＣ２の容量を決定する（ステップＳ１２）。第１抵抗Ｒ１が大きいと、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号が出力ノードＯＵＴから出力される前に、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧変化が終わってしまう。このため、第１抵抗Ｒ１の抵抗値には上限が存在する。また、第２キャパシタＣ２の容量が大きすぎても、出力ノードＯＵＴから直流信号が出力される前に、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧変化が終わってしまう。このため、第２キャパシタＣ２の容量にも上限が存在する。

上述した図５のステップＳ１２では、第１キャパシタＣ１の容量を決定した後、図１の電圧変化率検出回路１の時定数を決定してもよい。時定数は設計事項であるが、例えば１００ｎ秒以下に設定してもよい。この場合、時定数Ｔは、第１抵抗Ｒ１の抵抗値Ｒ１、第１キャパシタＣ１の容量Ｃ１、第２キャパシタＣ２の容量Ｃ２を用いて、以下の式（１）を満たすようにしてもよい。
Ｔ≧２．２×Ｒ×(Ｃ１＋Ｃ２) …（１）

ここで、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される直流信号Ｖoutは、以下の式（２）で表すことができる。式（２）は、入力から出力までの伝達関数をラプラス変換することにより得られる。
Ｖout＝Ｃ１×Ｒ×(ｄｖ／ｄｔ)×[１－exp{－ｔ／Ｒ(Ｃ１＋Ｃ２)}] …（２）

図６及び図７は図１の電圧変化率検出回路１の電圧波形図である。図６及び図７は、オシロスコープで観測した電圧波形を示している。図６は、電力変換回路３内の出力トランジスタのゲート電圧波形ｗ１、電力変換回路３内の出力トランジスタのドレイン（測定対象ノードｎ１）の電圧波形ｗ２、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧波形ｗ３を示している。また、図７は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がるタイミングの付近の電圧波形を時間軸方向に拡大した波形図である。図７は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧波形ｗ４と、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧波形ｗ５と、電力変換回路３の出力ノードｎ１の時間変化率ｄｖ／ｄｔの波形ｗ６とを示している。

図６の破線円ＣＬ１に示すように、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がると、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流電圧が、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される。電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴの電圧は、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がった直後は、リンギング成分を含んでいるが、比較的短時間でリンギングがなくなって、安定した直流信号が出力される。

図７の電圧波形ｗ５の電圧安定時の電圧レベルを示す矢印線は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示している。また、図７の電圧波形ｗ６の矢印線は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔをオシロスコープで計測した値を示している。

図８は図１の電圧変化率検出回路１の精度を測定した図である。図８では、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔについてのオシロスコープの測定値と出力ノードＯＵＴから出力された直流信号との対応関係をプロットで示すとともに、電圧変化率検出回路１の感度をプロットで示した図である。

図８に示すように、電圧変化率検出回路１の出力ノードＯＵＴから出力される直流信号と、オシロスコープの測定値との誤差は約１０％以内に収まっており、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを精度よく検出できていることがわかる。また、本実施形態による電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧レベルが変化しても、ほぼ一定の感度で時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力できていることがわかる。

図１は本実施形態による電圧変化率検出回路１の具体的な回路構成の一例を示しているが、電圧変化率検出回路１の回路構成には種々の変形例が考えられる。図９は第１変形例による電圧変化率検出回路１の回路図である。図９の電圧変化率検出回路１は、出力ノードＯＵＴと、第１キャパシタＣ１と、第１抵抗Ｒ１と、第２キャパシタＣ２と、第１スイッチＳＷ１と、第１整流回路Ｄ１とを備えている。このうち、第１スイッチＳＷ１以外の回路素子は、図１の電圧変化率検出回路１内の回路素子と同様である。

第１スイッチＳＷ１は、図１の第１トランジスタＱ１に対応するものであり、第１基準電圧ノードｎ３と出力ノードＯＵＴとを短絡するか否かを切り替える。第１スイッチＳＷ１がオンすると、第１基準電圧ノードｎ３と出力ノードＯＵＴとが短絡される。この状態で、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がると、出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第２キャパシタＣ２に蓄積され、出力ノードＯＵＴからは、第２キャパシタＣ２の蓄積電荷に応じた直流信号が出力される。第１スイッチＳＷ１は、スイッチ制御回路５ａによりオン又はオフに切替制御される。スイッチ制御回路５ａは、図１のリセット回路５に対応するものである。

図１０は第２変形例による電圧変化率検出回路１の回路図である。図１０の電圧変化率検出回路１は、図９の回路構成に加えて、第２抵抗Ｒ２と第２スイッチＳＷ２を備えている。第２抵抗Ｒ２と第２スイッチＳＷ２は、第１基準電圧ノードｎ３と第２基準電圧ノードＶssの間に直列接続されている。第１スイッチＳＷ１は、第２抵抗Ｒ２と第２スイッチＳＷ２の接続ノードｎ４の電圧によりオン又はオフする。第２スイッチＳＷ２は、測定対象ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を第２キャパシタＣ２が保持した後に一時的にオンする。第２スイッチＳＷ２は、例えば図１に示すリセット回路５によりオン又はオフする。すなわち、第２スイッチＳＷ２は、図１０の電圧変化率検出回路１の初期設定時と、第２キャパシタＣ２が測定対象ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を保持した後の所定期間とにオンする。

図１０の第１スイッチＳＷ１を第１トランジスタＱ１に置換し、第２スイッチＳＷ２を第２トランジスタＱ２に置換したものが図１の電圧変化率検出回路１である。このように、図１の第１トランジスタＱ１及び第２トランジスタＱ２は、広義には第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２として機能する。

図１１は第３変形例による電圧変化率検出回路１の回路図である。図１１の電圧変化率検出回路１は、図１の回路構成に加えて、第３キャパシタＣ３を備えている。第３キャパシタＣ３は、第１トランジスタＱ１のドレイン－ソース間に接続されている。第３キャパシタＣ３を設けることで、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がったときに、より迅速に出力ノードＯＵＴの電圧を引き下げることができ、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を、より迅速に第２キャパシタＣ２に蓄積できることから、応答性を向上できる。

このように、第１の実施形態では、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを直流信号として検出するため、オシロスコープ等に表示された電圧波形から時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出しなくて済み、電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを簡易かつ精度よく検出できる。特に、本実施形態によれば、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧変化が終了した後でも、時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第２キャパシタＣ２に保持され続けるため、事後的に時間変化率ｄｖ／ｄｔの解析を行うことができる。

また、リセット回路５と第２トランジスタＱ２（第２スイッチＳＷ２）を設けることで、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを繰り返し検出することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態による電圧変化率検出回路１は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出したが、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち上がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔも併せて検出してもよい。

図１２は第２の実施形態による電圧変化率検出回路１’を備えた電力変換器２ａの回路図である。図１２の電圧変化率検出回路１’は、第１電圧変化率検出回路１ａと、第２電圧変化率検出回路１ｂとを有する。

第１電圧変化率検出回路１ａは、図１の電圧変化率検出回路１と同様の回路構成を有し、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を第２キャパシタＣ２に蓄積する。第１電圧変化率検出回路１ａは、第１出力ノードＯＵＴ１から第２キャパシタＣ２の蓄積電荷に応じた直流信号を出力する。なお、第１電圧変化率検出回路１ａは、図９～図１１の電圧変化率検出回路１と同様に構成してもよい。

第２電圧変化率検出回路１ｂは、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち上がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を第５キャパシタＣ５に蓄積する。第２電圧変化率検出回路１ｂは、第４キャパシタＣ４と、第３抵抗Ｒ３と、第２整流回路Ｄ２と、第５キャパシタＣ５とを有する。第４キャパシタＣ４と第３抵抗Ｒ３は、測定対象ノードｎ１と第２基準電圧ノードＶssとの間に直列に接続されている。第２電圧変化率検出回路１ｂは、第２出力ノードＯＵＴ２から第５キャパシタＣ５の蓄積電荷に応じた直流信号を出力する。

第２整流回路Ｄ２は、例えばダイオードＤ２である。図１２の例では、ダイオードＤ２のアノードは、第４キャパシタＣ４と第３抵抗Ｒ３との接続ノードｎ５に接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２に接続されている。第５キャパシタＣ５は、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２と第２基準電圧ノードＶssとの間に接続されている。第５キャパシタＣ５は、電力変換回路３の出力電圧が立ち上がる際の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷を蓄積する。よって、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２からは、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷に応じた電圧レベルを持つ直流信号が出力される。この直流信号は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す信号である。

また、図１２の第２電圧変化率検出回路１ｂは、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷を放電するか否かを切り替える第３スイッチＳＷ３を有する。第３スイッチＳＷ３は、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２と第２基準電圧ノードＶssとの間に接続されている。すなわち、第５キャパシタＣ５と第３スイッチＳＷ３は、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２と第２基準電圧ノードＶssとの間に並列接続されている。第３スイッチＳＷ３は、トランジスタで構成することも可能である。

電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出するという観点では、第３スイッチＳＷ３は必須の構成部品ではないが、ある時刻での時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号が第２電圧変化率検出回路１ｂから出力された後は、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷を放電させない限り、別の時刻での電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出できない。このため、定期的に第５キャパシタＣ５の蓄積電荷を放電させるために第３スイッチＳＷ３が設けられている。

次に、図１２の第２電圧変化率検出回路１ｂの動作を説明する。電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が上昇すると、過渡的に第４キャパシタＣ４を介して第３抵抗Ｒ３に電流が流れる。これにより、第３抵抗Ｒ３の両端電圧が大きくなるとともに、ダイオードＤ２を介して第５キャパシタＣ５にも電流が流れて電荷が蓄積され、それに応じて第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２の電圧レベルが大きくなる。電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧がピーク値に達したり、あるいは下がり始めても、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷は第３スイッチＳＷ３がオフである限りは放電しないため、第５キャパシタＣ５の一端に接続された出力ノードＯＵＴ２の電圧レベルは保持される。よって、第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２からは、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号が出力される。

電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧は周期的に変化するため、ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が第５キャパシタＣ５に蓄積された後、次に、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧のｄｖ／ｄｔを検出したいタイミングに到達する前に、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷を放電する必要がある。具体的には、第３スイッチＳＷ３をオンすることで、第５キャパシタＣ５の蓄積電荷が放電される。第５キャパシタＣ５の放電後は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた電荷が再び第５キャパシタＣ５に蓄積され、ｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号が第２電圧変化率検出回路１ｂから出力される。

このように、図１２の第２電圧変化率検出回路１ｂは、第３スイッチＳＷ３にて第５キャパシタＣ５を放電するたびに、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを直流信号として検出できる。

図１２の電圧変化率検出回路１’は、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる際には第１電圧変化率検出回路１ａの出力ノードＯＵＴ１から時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力し、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち上がる際には第２電圧変化率検出回路１ｂの出力ノードＯＵＴ２から時間変化率ｄｖ／ｄｔに応じた直流信号を出力する。これにより、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧が立ち下がる場合と立ち上がる場合の双方において、出力ノードの電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを検出できる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１又は第２の実施形態による電圧変化率検出回路１、１’から出力された直流信号に基づいて電力変換回路３を制御するものである。

図１３は第３の実施形態による電圧変化率検出回路１を備えた電力変換器２ｂの概略構成を示すブロック図である。図１３の電力変換器２ｂは、電圧変化率検出回路１と、電力変換回路３と、制御回路１１とを備えている。

図１３では、電圧変化率検出回路１が図１の回路構成を有する例を示しているが、上述した図９、図１０、図１１又は図１２と同様の回路構成を有していてもよい。電力変換回路３は、例えば、カスコード接続された複数のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２と、各スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲートに接続された可変抵抗器１２，１３と、を有する。なお、電力変換回路３の内部構成は任意であり、種々の回路構成が考えられる。電力変換回路３で電力変換された交流電圧は、例えばモータなどの負荷を駆動するために用いられる。

制御回路１１は、電圧変化率検出回路１から出力された直流信号の電圧レベルに応じて、各スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲート電圧を制御する。より具体的な一例では、制御回路１１は、直流信号の電圧レベルに応じて可変抵抗器１２，１３の抵抗値を制御することにより、各スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲート電圧を制御する。

電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２は、予め定めた周波数及びデューティでスイッチング動作を行うことが期待されている。温度や電圧変動、あるいは負荷変動などにより、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のスイッチング動作が所望の動作からずれることがあり、その場合には、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔが所望の値とは異なる値になる。そこで、本実施形態では、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを電圧変化率検出回路１でモニタし、電圧変化率検出回路１から出力されたｄｖ／ｄｔに応じた電圧レベルの直流信号を制御回路１１に供給する。制御回路１１は、この直流信号の電圧レベルに基づいて、電力変換回路３の出力ノードｎ１の電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔが所望の値になるように、電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲート電圧を制御する。

このように、電圧変化率検出回路１から、電力変換回路３の出力電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔを示す直流信号を出力することで、この直流信号を用いて電力変換回路３の電力変換動作を最適化することができる。より具体的には、上述した直流信号にて、電力変換回路３内のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲート電圧を制御することで、簡易な回路構成でありながら、電力変換回路３の出力電圧波形を所望の電圧波形に制御できる。

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１、１’ 電圧変化率検出回路、１ａ 第１電圧変化率検出回路、１ｂ 第２電圧変化率検出回路、２、２ａ、２ｂ 電力変換器、３ 電力変換回路、４ 直流電源、５ リセット回路、５ａ スイッチ制御回路、１１ 制御回路、１２、１３ 可変抵抗器

Claims (20)

1. 測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードと、
   前記測定対象ノードと第１基準電圧ノードとの間に直列接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
   前記出力ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
   前記第１基準電圧ノードと前記出力ノードとを短絡するか否かを切り替える第１スイッチと、
   前記出力ノードから、前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに流れる電流を許容し、前記接続ノードから前記出力ノードへの電流を遮断する整流回路と、を備える、電圧変化率検出回路。
2. 前記第２キャパシタは、前記測定対象ノードの電圧が立ち下がる際の前記時間変化率に応じた電荷を保持する、請求項１に記載の電圧変化率検出回路。
3. 前記第２キャパシタは、前記第１スイッチにより前記第１基準電圧ノードと前記出力ノードとを開放させている間に前記測定対象ノードの電圧が立ち下がる際の時間変化率に応じた電荷を保持する、請求項２に記載の電圧変化率検出回路。
4. 前記整流回路は、前記出力ノードに接続されるアノードと、前記接続ノードに接続されるカソードと、を有するダイオードを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
5. 前記第１基準電圧ノードは、前記第２基準電圧ノードよりも電圧レベルが高い、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
6. 前記第１基準電圧ノードと前記第２基準電圧ノードとの間に直列接続される第２抵抗及び第２スイッチとを備え、
   前記第１スイッチは、前記第２抵抗及び前記第２スイッチの接続ノードの電圧によりオン又はオフし、
   前記第２スイッチは、前記測定対象ノードの電圧が立ち下がる際の時間変化率に応じた電荷を前記第２キャパシタが保持した後に一時的にオンする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
7. 前記第１スイッチは、第１トランジスタを有し、
   前記第２スイッチは、前記第１トランジスタとは異なる導電型の第２トランジスタを有し、
   前記第１トランジスタは、前記測定対象ノードの電圧の低下分に応じて、前記出力ノードの電圧を下げる、請求項６に記載の電圧変化率検出回路。
8. 前記第２トランジスタは、前記第１トランジスタの制御端子を前記第２基準電圧ノードと同電位にするか否かを制御する、請求項７に記載の電圧変化率検出回路。
9. 前記第２トランジスタは、前記第２キャパシタが前記測定対象ノードの電圧の時間変化率に応じた電荷を保持した後に、前記第１トランジスタの制御端子を前記第２基準電圧ノードと同電位に一時的に設定する、請求項８に記載の電圧変化率検出回路。
10. 初期設定時と、前記第２キャパシタが前記測定対象ノードの電圧の時間変化率に応じた電荷を保持した後の所定期間とに、前記第１トランジスタの制御端子を前記第２基準電圧ノードと同電位に一時的に設定するためのパルス信号を前記第２トランジスタの制御端子に供給する、リセット回路を備える、請求項９に記載の電圧変化率検出回路。
11. 前記第１トランジスタはＰ型トランジスタであり、
    前記第２トランジスタはＮ型トランジスタであり、
    前記第１トランジスタのソースは前記第１基準電圧ノードに接続され、
    前記第１トランジスタのドレインは前記出力ノードに接続され、
    前記第１トランジスタのゲートは前記第２トランジスタのドレインに接続され、
    前記第２トランジスタのソースは前記第２基準電圧ノードに接続され、
    前記第２トランジスタのゲートには前記リセット回路が接続される、請求項１０に記載の電圧変化率検出回路。
12. 前記第１トランジスタのドレイン－ソース間に接続される第３キャパシタを備える、請求項１１に記載の電圧変化率検出回路。
13. 前記第１キャパシタは、前記測定対象ノードの出力容量の１／１０以下の容量値を有する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
14. 前記測定対象ノードの電圧変化が生じてから、前記測定対象ノードの電圧変化に応じた前記直流信号が前記出力ノードから出力されるまでに要する時定数が１００ｎ秒以下になるように、前記第１抵抗の抵抗値、前記第１キャパシタの容量、及び前記第２キャパシタの容量が設定される、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
15. 前記時定数Ｔが式（１）を満たすように、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒ１が設定される、請求項１４に記載の電圧変化率検出回路。
    Ｔ≧２．２×Ｒ１×(Ｃ１＋Ｃ２) …（１）
16. 前記出力ノードの電圧Ｖoutは、前記測定対象ノードの電圧の時間変化率ｄｖ／ｄｔ、前記第１キャパシタの容量Ｃ１、前記第２キャパシタの容量Ｃ２、及び前記第１抵抗の抵抗値Ｒ１を用いて、式（２）で表される、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電圧変化率検出回路。
    Ｖout＝Ｃ１×Ｒ×(ｄｖ／ｄｔ)×[１－exp{－ｔ／Ｒ(Ｃ１＋Ｃ２)}] …（２）
17. 電圧変化率検出回路を基板上に配置した半導体装置であって、
    前記電圧変化率検出回路は、
    測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードと、
    前記測定対象ノードと第１基準電圧ノードとの間に直列接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
    前記出力ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
    前記第１基準電圧ノードと前記出力ノードとを短絡するか否かを切り替える第１スイッチと、
    前記出力ノードから、前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに流れる電流を許容し、前記接続ノードから前記出力ノードへの電流を遮断する整流回路と、を有する、半導体装置。
18. 前記電圧変化率検出回路は、
    前記第１基準電圧ノードと前記第２基準電圧ノードとの間に直列接続される第２抵抗及び第２スイッチとを備え、
    前記第１スイッチは、前記第２抵抗及び前記第２スイッチの接続ノードの電圧によりオン又はオフし、
    前記第２スイッチは、前記測定対象ノードの電圧が立ち下がる際の時間変化率に応じた電荷を前記第２キャパシタが保持した後に一時的にオンする、請求項１７に記載の半導体装置。
19. 電力変換を行う電力変換回路と、
    前記電力変換回路の出力電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する電圧変化率検出回路と、
    前記直流信号に基づいて前記電力変換回路を制御する制御回路と、を備える電力変換器であって、
    前記電圧変化率検出回路は、
    測定対象ノードの電圧の時間変化率を示す直流信号を出力する出力ノードと、
    前記測定対象ノードと第１基準電圧ノードとの間に直列接続される第１キャパシタ及び第１抵抗と、
    前記出力ノードと第２基準電圧ノードとの間に接続される第２キャパシタと、
    前記第１基準電圧ノードと前記出力ノードとを短絡するか否かを切り替える第１スイッチと、
    前記出力ノードから、前記第１キャパシタ及び前記第１抵抗の接続ノードに流れる電流を許容し、前記接続ノードから前記出力ノードへの電流を遮断する整流回路と、を有する、電力変換器。
20. 前記電力変換回路は、前記測定対象ノードに接続されるスイッチング素子を有し、
    前記制御回路は、前記直流信号が所定の電圧レベルになるように、前記直流信号に基づいて前記スイッチング素子の制御端子の電圧を制御する、請求項１９に記載の電力変換器。

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