JP7315443B2 - 半導体回路制御方法、及びそれを適用した電力変換器 - Google Patents
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Description
ここで、本発明の基本技術について、図20を参照しながら説明する。図20は、本発明の基本技術となる対アーム構成を有する三相インバータ600の回路図である。図20に示すように、三相インバータ600において、絶縁ゲート端子(「ゲート」と略す)171を有するIGBT170には、IGBT170と逆並列にダイオード172が接続されている。
ここで、本発明の比較例となるゲート制御型ダイオードについて、図21及び図22を参照しながら、詳細に説明する。このゲート制御型ダイオードは、ダイオードの逆回復損失を低減する技術であり、アノード領域の表面にドリフト領域への注入キャリア濃度を制御できるゲート電極を配置した構造と、その制御技術から成る。
[1]この方法によって制御する対象となる半導体回路は、IGBT91,901にゲート制御型ダイオード93,203が接続されたアーム92,94を直列接続した対アームで構成された半導体回路である。より具体的には、図2(実施例1)、図12(実施例2)に示す単相PWMインバータ130,150のほか、図18(実施例4)、図19(実施例4の変形例)に示す三相インバータ500,501に好適である。
2…ゲート制御型ダイオードのゲート制御信号
3…ゲート制御型ダイオードのカソード/アノード間電圧VKA
4…ゲート制御型ダイオードの電流IK
5…ゲート制御型ダイオードのVKA・IK積の時間積分、発生エネルギーEfr
6…本発明の制御
7…比較例の制御
8…順回復損失の上昇分ΔEfr
9…オン電圧
10…オフ電圧
11…ゼロバイアス又は正バイアス
12…閾値電圧未満の負バイアス
13…高電圧(電源電圧)
14…0V電位
15…高電流(負荷電流)
16…0A電位
17…対アームIGBTのターンオフ
18…対アームIGBTのターンオン
19…対アームIGBTの非導通期間toff
20…ゲート制御型ダイオードのキャリア引き抜き期間td_rr
21…順回復電圧
22…逆回復電流
23…順回復状態
24…逆回復状態
25…比較例での順回復電圧、大きな負性VKAの発生
26…ゼロ(基準)
27…ゲート制御型ダイオードの非導通期間
28…ゲート制御型ダイオードの導通期間
29…導通状態で発生する損失Econd
30…逆回復状態で発生する損失Errsw
32…導通時の順方向電圧
33…自アームIGBTのゲート制御信号
34…デットタイムDT
35…自アームIGBTにオン指令が入るタイミング
36…順回復期間tfr
37…逆回復期間trr
42…制御信号
43…ゲート制御型ダイオードのゲート制御信号
44…IGBT
45…ゲート制御型ダイオード
47…直流電源
48…誘導性負荷
49…従来のゲート制御型ダイオードの逆回復電流
50…従来のpnダイオードの逆回復電流
51…特許文献1記載のカソード/アノード間電圧
52…従来pnダイオードのカソード/アノード間電圧
53…指令遅延ブロック
54…オフ指令トリガ型固定パルス生成ブロック
55…遅延ブロック
56…論理積ブロック
57…出力バッファ
58…トリガ信号の生成ブロック
59…オンレベル
60…オフレベル
62…インバータのPWM動作の指令信号
63…上アームの指令信号
64…下アームの指令信号
66…ゲート制御回路
67…IGBTのゲート端子
68…ゲート制御型ダイオードのゲート端子
69…エミッタセンス端子
70…ゼロバイアス又は正バイアス
71…閾値電圧未満の負バイアス
72…順方向の外部電源
73…正孔層
74…正孔キャリア
75…電子キャリア
76…電子層
77…P型アノード層
78…オーミック接触(障壁)
81…ゲート電極
82…ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)
83…絶縁ゲート(ゲート)
84…P-型アノード層
85…N型ウェル層
86…アノード電極
87…N-型カソードドリフト層
88…N+型カソード層
89…カソード電極
90…中性点
91…IGBT
92…上アーム
93…ゲート制御型ダイオード
94…下アーム
95…誘導性負荷
96…上アーム又は下アーム
97…上アームIGBTのゲート制御信号
98…上アームゲート制御型ダイオードのゲート制御信号
99…上アームゲート制御型ダイオードのカソード/アノード間電圧VKA
100…上アームゲート制御型ダイオードのカソード電流IK
101…下アームIGBTのゲート制御信号
102…下アームゲート制御型ダイオードのゲート制御信号
103…下アームIGBTのコレクタ/エミッタ間電圧VCE
104…下アームIGBTのコレクタ電流IC
105…下アームIGBTの導通期間
106…上アームゲート制御型ダイオードの導通期間
107…ダイオードに流れる電流
108…カソード/アノード間電圧
109…ダイオードが導通状態である期間、導通期間
110…ダイオードが逆回復状態である期間、逆回復期間
111…ダイオードが逆方向バイアス状態である期間、非導通期間
112…閾値電圧未満の負バイアス
113…閾値電圧以上の正バイアス
115…上アームIGBTのコレクタ/エミッタ間電圧VCE
116…上アームIGBTのコレクタ電流IC
117…下アームゲート制御型ダイオードのカソード/アノード間電圧VKA
118…下アームゲート制御型ダイオードのカソード電流IK
119…下アームゲート制御型ダイオードの導通期間
120…上アームIGBTの導通期間
121…三相交流インバータの中性点
122…三相交流インバータの中性点
123…三相交流インバータの中性点
130…単相交流インバータ(図2)
140…ゲート制御回路とアームとを接続したインバータの回路(図10)
150…単相交流インバータ(図12)
160…ゲート制御回路とアームとを接続したインバータの回路(図15)
164…制御回路
167…IGBTのゲートを制御する制御回路
168…誘導性負荷
169…直流電圧(電力)源
170…IGBT
171…IGBT70の絶縁ゲート(端子)
172…IGBT70と逆並列接続のダイオード
200,200’…実施例1の方法
201…実施例1に対する比較例の方法
203…ゲート制御型ダイオード
300,300’…実施例2の方法
400…実施例3の方法、オン指令期間が長いgを入力した場合
401…実施例3の方法、オン指令期間が短いfを入力した場合
500…三相交流インバータ
501…三相交流インバータの変形例
600…三相交流インバータ(図20)
700…評価回路(図21)
901…デュアルゲート型IGBT
902…ゲート制御回路
950…モータ
951…三相交流インバータの指令部
T…時間
Claims (11)
- IGBTにゲート制御型ダイオードが接続されたアームを直列接続した対アームで構成された半導体回路を制御する方法であって、
前記アームは、IGBTのコレクタとエミッタによる導通方向と、ゲート制御型ダイオードのアノードとカソードによる導通方向と、を逆並列接続し、
前記対アームは、一方の前記アームから他方の前記アームにわたって、前記ゲート制御型ダイオードとIGBTとをそれぞれ直列接続し、
前記ゲート制御型ダイオードは、
半導体基板にアノード電極とカソード電極とゲート電極とを絶縁して設けられ、
前記ゲート電極に印加する電圧に応じて前記半導体基板内でドリフト領域のキャリア濃度が制御され、
順回復状態のとき、前記ゲート電極と前記アノード電極との間で、前記ゲート電極の界面に正孔層が生じる負バイアスの電圧信号を印加し、
逆回復状態のとき、前記ゲート電極と前記アノード電極との間で、前記ゲート電極の界面に電子層が生じるゼロバイアス又は正バイアスの電圧信号を印加し、
前記順回復状態の後、前記負バイアスから、前記ゼロバイアス又は前記正バイアスを印加する電圧信号へと切り替え、
前記対アームにおける一方の前記アームのパルス幅に対応して他方の前記アームのパルス幅を決めるように、前記ゼロバイアス又は前記正バイアスを印加する期間を前記直列接続されたIGBTの非導通期間に応じて可変制御する、
半導体回路制御方法。 - 前記直列接続されたIGBTの非導通期間をtoffと定義するほか、
前記ゲート制御型ダイオードの状態について、
前記ゲート電極と前記アノード電極との間に、前記ゼロバイアス又は前記正バイアスを印加してから前記逆回復状態に至る期間をtd_rrと定義し、
前記順回復状態の期間をtfrと定義し、
前記非導通期間toffに対し、前記逆回復状態に至る期間td_rrと前記順回復状態の期間tfrとを合計した期間td_rr + tfrの関係は、toff ≧ td_rr + tfrを満たすように、
前記逆回復状態に至る期間td_rrを、前記非導通期間toffの長さに応じて可変制御する、
請求項1に記載の半導体回路制御方法。 - 前記非導通期間toffに依らない固定期間をbとし、
前記非導通期間toffが、toff > b + tfr の関係を満たす場合、前記逆回復状態に至る期間td_rrを前記固定期間bとし、
前記逆回復状態に至る期間td_rrを、前記非導通期間toffに応じて可変制御する、
請求項2に記載の半導体回路制御方法。 - 前記一方のアームに配された第1のIGBTと、
前記他方のアームに配された第2のIGBTと、
前記第1のIGBTに直列接続された前記ゲート制御型ダイオードと、
を備えた半導体回路を用い、
前記第1のIGBTのゲート電極とエミッタ電極との間に電圧を印加できる端子を第1のゲート端子とし、
前記第2のIGBTのゲート電極とエミッタ電極との間に電圧を印加できる端子を第2のゲート端子とし、
前記第1のゲート端子と前記第2のゲート端子には、前記第1のIGBTと前記第2のIGBTが一定間隔を保ち相補的に導通、又は非導通するように制御され、かつパルス幅の変調された第1のPWM指令信号と第2のPWM指令信号に基づいた電圧信号が入力され、
前記ゲート制御型ダイオードのゲート電極とアノード電極との間に印加する電圧信号は、前記第2のPWM指令信号に基づき生成される、
請求項3に記載の半導体回路制御方法。 - 前記第2のゲート端子に印加する電圧信号と、
前記ゲート制御型ダイオードのゲート電極とアノード電極との間に印加する電圧信号は、前記第2のPWM指令信号を受け、同一のゲート制御回路基板において生成される、
請求項4に記載の半導体回路制御方法。 - 前記ゲート制御型ダイオードのゲート電極とアノード電極との間に印加する電圧信号は、前記ゲート制御回路基板において、前記第2のPWM指令信号を一定期間遅延させ、
かつ、当該第2のPWM指令信号のパルス幅と同期したPWMトリガ信号と、前記固定期間bよりも長い導通指令期間をもった固定トリガ信号との、論理積をとることにより、当該電圧信号を切り替えるタイミングが生成される、
請求項5に記載の半導体回路制御方法。 - 前記PWMトリガ信号と、前記固定トリガ信号のパルスは、前記ゲート制御型ダイオードの逆回復状態を経過するまで、パルスの立ち下がるタイミングを遅延させる、
請求項6に記載の半導体回路制御方法。 - 前記第1のゲート端子と前記第2のゲート端子は、それぞれ前記第1のPWM指令信号と前記第2のPWM指令信号から同一の一定期間aだけ遅延した電圧信号が入力され、
前記第1のPWM指令信号と前記第2のPWM指令信号における導通の指令信号の間隔期間をDTとした場合、
前記固定期間bと前記一定期間aとの前記間隔期間DTの関係は、b = a + DT であり、かつ、
前記固定期間bよりも長い導通指令期間をもった前記固定トリガ信号は、前記第2のPWM指令信号におけるパルスの立ち下がるタイミングでオン指令が入る、
請求項7に記載の半導体回路制御方法。 - 前記ゲート制御型ダイオードは、
第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板の第1表面側に設けられた第1導電型のカソード領域と、
前記半導体基板の前記第1表面側とは反対側の第2表面側に設けられた第2導電型のアノード領域と、
前記アノード領域の前記第2表面側に配設されたアノード電極と、
ゲート絶縁膜を介して前記アノード領域に隣接するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極は、前記第2表面側から前記アノード領域を貫通して前記カソード領域まで達するトレンチの内部が前記ゲート絶縁膜に囲われ、
前記アノード領域は、前記ゲート絶縁膜に接する第1導電型のウェル領域と接し、
前記ウェル領域は、前記カソード領域と接する第1導電型のドリフト領域と隣接し、
前記アノード電極に対し、前記アノード電極に対し前記ゲート電極に前記負バイアスが印加されたとき、前記ウェル領域のうち前記ゲート絶縁膜と接する部分に正孔層が形成され、
前記順回復状態のときに、前記ウェル領域に形成される正孔層から前記ドリフト領域に正孔が注入される、
請求項1~8の何れか一項に記載の半導体回路制御方法を適用した電力変換器。 - 前記ゲート制御型ダイオードは、
第1導電型の前記半導体基板と、
前記半導体基板の第1表面側に設けられた第1導電型のカソード領域と、
前記半導体基板の前記第1表面側とは反対側の第2表面側に設けられた第2導電型のアノード領域と、
前記アノード領域の前記第2表面側に配設されたアノード電極と、
ゲート絶縁膜を介して前記アノード領域に隣接するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極は、前記第2表面側から前記アノード領域を貫通して前記カソード領域まで達するトレンチの内部が前記ゲート絶縁膜に囲われ、
前記アノード領域は、前記ゲート絶縁膜に接する第1導電型のウェル領域と接し、
前記ウェル領域は、前記カソード領域と接する第1導電型のドリフト領域と隣接し、
前記アノード電極に対し、前記アノード電極に対し前記ゲート電極に前記負バイアスが印加されたとき、前記ウェル領域のうち前記ゲート絶縁膜と接する部分に正孔層が形成され、
前記順回復状態のときに、前記ウェル領域に形成される正孔層から前記ドリフト領域に正孔が注入され、
前記IGBTは、前記第1のゲート端子と前記第2のゲート端子を有するデュアルゲートIGBTであり、
少なくとも一つのゲート端子に閾値以上の電圧を印加すれば、非導通状態から導通状態へ移行し、
二つのゲート端子に印加される電圧がどちらも閾値未満であれば、導通状態から非導通状態へ移行する制御機能を有する、
請求項4~8の何れか一項に記載の電力変換器。 - 直流を単相又は三相の交流に変換して負荷に電力供給するように、
前記変換される交流の相数に応じた組数の前記対アームにより回路構成され、
前記対アームの両極端の一方と他方それぞれを正と負に接続する前記直流の入力端子とし、
前記相数に応じた前記対アーム毎に各アームどうしが接続された中性点それぞれを前記負荷に接続する交流端子とする、
請求項9又は10に記載の電力変換器。
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