JP7787696B2 - Power conversion device and control method for power conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関し、例えば複数のスイッチング素子と、キャパシタと、トランスとを備えた共振型の電力変換装置およびその制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a control method thereof, for example, a resonant power conversion device equipped with multiple switching elements, a capacitor, and a transformer, and a control method thereof.
共振型の電力変換装置は、例えば特許文献1および2に記載されている。特許文献1および2には、共振周波数の変動を検知あるいは判定することができる共振型電力変換装置が記載されている。 Resonant power conversion devices are described, for example, in Patent Documents 1 and 2. Patent Documents 1 and 2 describe resonant power conversion devices that can detect or determine fluctuations in the resonant frequency.
共振型電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、キャパシタと、キャパシタと直列的に接続された一次巻線を備えるトランスとを備えている。本発明者が検討したところ、共振型電力変換装置の負荷が、例えば高負荷に急変すると、キャパシタと一次巻線とによって構成される直列共振回路の共振周波数が、複数のスイッチング素子がオンオフする周波数から外れ(共振外れ)、スイッチング素子を貫通して電流が流れることが発生し、サージ電圧およびノイズが増大すると言う課題があることが判明した。本発明者の検討は、後で図面を用いて説明する。 A resonant power converter comprises multiple switching elements, a capacitor, and a transformer with a primary winding connected in series with the capacitor. The inventors' investigations have revealed that when the load on the resonant power converter suddenly changes, for example to a high load, the resonant frequency of the series resonant circuit formed by the capacitor and primary winding deviates from the frequency at which the multiple switching elements turn on and off (off-resonance), causing current to flow through the switching elements and increasing surge voltage and noise. The inventors' investigations will be explained later using drawings.
本発明の目的は、共振外れが発生したときに、サージ電圧やノイズの増大を抑制することができる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a power conversion device and a control method for a power conversion device that can suppress increases in surge voltage and noise when resonance is lost.
本発明の他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description and accompanying drawings of this specification.
本願において開示される実施の形態のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 A brief overview of representative embodiments disclosed in this application is as follows:
すなわち、電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、キャパシタと、キャパシタと直列的に接続された一次巻線を備えたトランスとを備えるスイッチング回路と、スイッチング素子のゲートに対してゲート駆動電流を出力して、スイッチング素子のオンオフを制御するゲート駆動回路と、スイッチング回路に流れる電流を検出する検出回路と、検出回路が検出した電流の極性の反転を判定する判定回路とを備える。ここで、ゲート駆動回路は、判定回路による判定の結果に基づいて、ゲート駆動電流を調整するゲート調整回路を備えている。 That is, the power conversion device includes a switching circuit having multiple switching elements, a capacitor, and a transformer with a primary winding connected in series with the capacitor; a gate drive circuit that outputs a gate drive current to the gates of the switching elements to control the on/off of the switching elements; a detection circuit that detects the current flowing through the switching circuit; and a judgment circuit that judges whether the polarity of the current detected by the detection circuit has been reversed. Here, the gate drive circuit includes a gate adjustment circuit that adjusts the gate drive current based on the result of the judgment by the judgment circuit.
本願において開示される発明のうち、代表的な実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すると、共振外れが発生したときに、サージ電圧やノイズの増大を抑制することができる電力変換装置を提供することができる。 To briefly explain the effect achieved by a representative embodiment of the invention disclosed in this application, it is possible to provide a power conversion device that can suppress increases in surge voltage and noise when off-resonance occurs.
実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Embodiments will be described with reference to the drawings. Note that the embodiments described below do not limit the invention as claimed, and not all of the elements and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
本発明の実施の形態を説明する前に、図12を参照して、本発明者が検討した電力変換装置についての課題について説明する。 Before describing the embodiments of the present invention, we will explain the issues with the power conversion device that the inventors have investigated, with reference to Figure 12.
図12は、本発明者の検討を説明するための電力変換装置の回路図である。以下、本明細書では、電力変換装置として、トランスの漏れインダクタおよび励磁インダクタと、トランスに結合されたキャパシタとを用いた、高効率なLLC共振方式の共振型電力変換装置を例として説明する。 Figure 12 is a circuit diagram of a power conversion device used to explain the inventor's research. In the following, this specification will use as an example a highly efficient LLC resonant power conversion device that uses a transformer's leakage inductor and excitation inductor, and a capacitor coupled to the transformer.
図12において、100は電力変換装置(以下、DC/DCコンバータとも称する)を示している。DC/DCコンバータ100は、ゲート駆動回路2と、次に述べる一次側回路および二次側回路とを備え、一次側回路に供給される直流電源Viの電圧を変換して、二次側回路に結合された負荷4に、変換された直流電圧を給電する。一次側回路は、スイッチング素子Q1およびQ2により構成されたハーフブリッジ回路1、共振用キャパシタ(電流共振用キャパシタ)CrおよびトランスTrを備えている。また、二次側回路は、ダイオードD1およびD2と、平滑キャパシタCoにより構成された整流回路3を備えている。 In Figure 12, reference numeral 100 denotes a power conversion device (hereinafter also referred to as a DC/DC converter). The DC/DC converter 100 includes a gate drive circuit 2 and the primary and secondary circuits described below. It converts the voltage of a DC power source Vi supplied to the primary circuit and supplies the converted DC voltage to a load 4 connected to the secondary circuit. The primary circuit includes a half-bridge circuit 1 composed of switching elements Q1 and Q2, a resonant capacitor (current resonant capacitor) Cr, and a transformer Tr. The secondary circuit includes a rectifier circuit 3 composed of diodes D1 and D2 and a smoothing capacitor Co.
ハーフブリッジ回路1を構成する2個のスイッチング素子Q1およびQ2は、ゲート駆動回路2によって駆動される。すなわち、ゲート駆動回路2は、スイッチング素子Q1、Q2をデッドタイム(双方のスイッチング素子がともにオフ状態となる時間)を設けつつ、所定の周期で交互にスイッチングさせる。スイッチング素子Q1、Q2が、所定の周期で交互にスイッチングされることで、二次側回路から出力される電圧の値が調整される。この場合、スイッチング素子Q1、Q2を交互にスイッチングさせる所定の周期が、DC/DCコンバータ100の動作周期(言い換えるなら、DC/DCコンバータの動作周波数)である。 The two switching elements Q1 and Q2 that make up the half-bridge circuit 1 are driven by the gate drive circuit 2. That is, the gate drive circuit 2 alternately switches the switching elements Q1 and Q2 at a predetermined cycle, while providing a dead time (a time during which both switching elements are off). The value of the voltage output from the secondary circuit is adjusted by alternately switching the switching elements Q1 and Q2 at a predetermined cycle. In this case, the predetermined cycle for alternately switching the switching elements Q1 and Q2 is the operating cycle of the DC/DC converter 100 (in other words, the operating frequency of the DC/DC converter).
LLC共振方式のDC/DCコンバータ100では、共振用キャパシタCrと、トランスTrに含まれる漏れインダクタンス(図示せず)および励磁インダクタンスによって構成される直列共振回路を利用し、スイッチング素子Q1、Q2の電圧もしくは電流の少なくとも一方が、ゼロ(“0”)になる状態のときに、スイッチング素子Q1、Q2のオンオフを切り替えるゼロ電圧(電流)スイッチングが行なわれる。ゼロ電圧スイッチングを行うことで、スイッチング素子のスイッチング時における電力損失やスイッチングノイズの発生の低減を図ることが可能である。 The LLC resonant DC/DC converter 100 uses a series resonant circuit composed of a resonant capacitor Cr and the leakage inductance (not shown) and magnetizing inductance included in the transformer Tr. Zero voltage (current) switching is performed to switch the switching elements Q1 and Q2 on and off when at least one of the voltages or currents of the switching elements Q1 and Q2 becomes zero ("0"). Zero voltage switching makes it possible to reduce power loss and switching noise when the switching elements are switched.
しかしながら、入力側の直流電源Viの電圧値や、出力側の負荷4が設計値より変動すると、前記した直列共振回路の共振周波数が変動し、DC/DCコンバータ100の動作周波数が共振周波数から外れてしまう場合がある。この場合、ゼロ電圧スイッチングが成立しなくなるため、電力損失の増大やスイッチングノイズの発生、スイッチング素子の破壊等が生じることになる。以下の説明では、DC/DCコンバータの動作周波数が、直列共振回路の共振周波数から外れることを、共振外れとも称する。 However, if the voltage value of the input-side DC power supply Vi or the output-side load 4 deviates from the design value, the resonant frequency of the series resonant circuit described above may fluctuate, causing the operating frequency of the DC/DC converter 100 to deviate from the resonant frequency. In this case, zero-voltage switching will no longer be possible, resulting in increased power loss, the generation of switching noise, and damage to the switching elements. In the following explanation, the deviation of the operating frequency of the DC/DC converter from the resonant frequency of the series resonant circuit will also be referred to as "off-resonance."
直列共振回路の共振周波数の変動に対応するための技術が、特許文献1および2に記載されている。例えば特許文献1においては、スイッチング素子を流れる電流値を検出する電流検出回路を設け、スイッチング素子をターンオンする制御信号を出力するタイミングにおける、電流検出回路の検出値がゼロより大きい場合に、共振周波数が変動し異常が発生していると判定している。また、特許文献2では、同じ共振周期内において、共振周期の半周期を中点として対称となる2時点以上の電流値を検出し、その電流値の値が所定値以上異なる場合に、共振周波数が変動し異常が発生していると判定している。 Technologies for dealing with fluctuations in the resonant frequency of a series resonant circuit are described in Patent Documents 1 and 2. For example, Patent Document 1 provides a current detection circuit that detects the value of the current flowing through a switching element, and if the value detected by the current detection circuit is greater than zero at the timing when a control signal to turn on the switching element is output, it is determined that the resonant frequency has fluctuated and an abnormality has occurred. Furthermore, Patent Document 2 detects current values at two or more points within the same resonant cycle that are symmetrical with respect to a half-cycle of the resonant cycle as the midpoint, and if the current values differ by more than a predetermined value, it is determined that the resonant frequency has fluctuated and an abnormality has occurred.
特許文献1、2に記載の技術によって、異常の発生を検知し、異常発生を検知したときには、例えばスイッチング素子を強制的にオフにして、DC/DCコンバータの動作周波数を上げることにより、共振外れを回避することが可能である。 The technologies described in Patent Documents 1 and 2 detect the occurrence of an abnormality, and when an abnormality is detected, it is possible to avoid off-resonance by, for example, forcibly turning off a switching element and increasing the operating frequency of the DC/DC converter.
しかしながら、この場合には、共振外れが発生している期間、すなわち直流電源Viの電圧や出力側の負荷4が高い状態が続いている期間、スイッチング素子を強制的にオフにすることを継続しなければならず、この期間、DC/DCコンバータで適切に電力変換を行うことができないということになる。 However, in this case, the switching element must be forcibly turned off continuously during the period when resonance is lost, i.e., the period when the voltage of the DC power supply Vi and the output-side load 4 remain high, and during this period the DC/DC converter cannot perform proper power conversion.
共振外れを回避するために、スイッチング素子を強制的にオフにするような構成を採用しない場合、電力損失の増大が発生する。すなわち、DC/DCコンバータにおいて、共振外れが発生していると、オンしている一方のスイッチング素子(例えばQ1)を流れる電流が正から負へと反転し、その反転後に、スイッチング素子(Q1)はターンオフするため、スイッチング素子(Q1)が逆導通状態となり、デッドタイム経過後に他方のスイッチング素子(Q2)をターンオンしたときに、リカバリ電流が、スイッチング素子Q1およびQ2を貫通して流れるため、大きな電力損失が発生し、スイッチング素子の破壊が生じることがある。 If a configuration that forcibly turns off switching elements is not adopted to avoid out-of-resonance, increased power loss occurs. In other words, when out-of-resonance occurs in a DC/DC converter, the current flowing through one of the on switching elements (e.g., Q1) reverses from positive to negative. After this reversal, the switching element (Q1) turns off, causing the switching element (Q1) to enter a reverse conduction state. When the other switching element (Q2) is turned on after the dead time has elapsed, a recovery current flows through switching elements Q1 and Q2, resulting in large power loss and potentially damaging the switching elements.
スイッチング素子として、逆導通時のリカバリ電流が小さい素子を用いることで、共振外れが発生した場合の電力損失の増大を抑制し、スイッチング素子の破壊を防ぐことは可能である。逆導通時のリカバリ電流が小さいスイッチング素子の一例として、高速リカバリ型の金属酸化物半導体電界効果型トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)や、窒化ガリウム(GaN)系材料を用いた高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)等がある。以下、GaN系材料を用いたHEMTを、GaN-HEMTと称する。 By using a switching element with a small recovery current during reverse conduction, it is possible to suppress increases in power loss when resonance is lost and prevent breakdown of the switching element. Examples of switching elements with a small recovery current during reverse conduction include fast-recovery metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) and high-electron mobility transistors (HEMTs) made from gallium nitride (GaN)-based materials. Hereinafter, HEMTs made from GaN-based materials will be referred to as GaN-HEMTs.
特に、GaN-HEMTは、素子内部にボディダイオードを含まないため、原理的にリカバリ電流がゼロとなる。したがって、スイッチング素子としてGaN-HEMTを用いたDC/DCコンバータにおいては、共振外れが発生してもリカバリ電流による損失は発生せず、スイッチング素子の破壊の発生も低減することができるため、直流電源Viの電圧値や出力側の負荷が高い状態においても、DC/DCコンバータを動作させることが可能となる。 In particular, GaN-HEMTs do not include a body diode inside the device, so in principle the recovery current is zero. Therefore, in a DC/DC converter that uses a GaN-HEMT as a switching element, even if resonance goes out, no loss due to recovery current occurs, and the risk of breakdown of the switching element can be reduced, making it possible to operate the DC/DC converter even when the voltage value of the DC power supply Vi or the load on the output side is high.
GaN-HEMTをスイッチング素子として用いることにより、ボディダイオードによる前記した影響を除くことが可能であるが、GaN-HEMTにおいても、MOSFETと同様に出力容量は存在するため、GaN-HEMTの出力容量による影響が存在する。すなわち、共振外れが発生した場合、一方のスイッチング素子(例えばQ1)が逆導通状態になると、スイッチング素子(Q1)の出力容量が放電され、他方のスイッチング素子(Q2)をターンオンしたときに、スイッチング素子(Q1)の出力容量が再充電されることになる。このとき、出力容量を再充電するために、スイッチング素子(Q2)とスイッチング素子(Q1)を流れる電流が発生する。 Using a GaN-HEMT as a switching element can eliminate the aforementioned effects of the body diode, but GaN-HEMTs, like MOSFETs, have output capacitance, so there is an effect from the GaN-HEMT's output capacitance. In other words, when an out-of-resonance condition occurs and one of the switching elements (e.g., Q1) enters a reverse conduction state, the output capacitance of the switching element (Q1) is discharged, and when the other switching element (Q2) is turned on, the output capacitance of the switching element (Q1) is recharged. At this time, a current flows through the switching elements (Q2) and (Q1) to recharge the output capacitance.
GaN-HEMTの出力容量は小さく、リカバリ電流と比べると蓄積電荷量が小さいため、電力損失の増大やスイッチング素子破壊の危険性はわずかである。しかしながら、GaN-HEMTをスイッチング素子として用いた電力変換装置は高周波で動作させる場合が多いため、出力容量の再充電による電流の時間変化量(dI/dt:Iは再充電の際に、出力容量を流れる電流)は大きくなる。この大きな電流の時間変化量(dI/dr)は、サージ電圧やノイズ増大の原因となり、電力変換機器の正常動作の妨げとなる。 The output capacitance of GaN-HEMTs is small, and the amount of stored charge is small compared to the recovery current, so there is little risk of increased power loss or damage to the switching element. However, because power conversion devices that use GaN-HEMTs as switching elements are often operated at high frequencies, the amount of change in current over time due to the recharging of the output capacitance (dI/dt: I is the current flowing through the output capacitance during recharging) becomes large. This large amount of change in current over time (dI/dr) can cause surge voltages and increased noise, interfering with the normal operation of power conversion equipment.
特許文献1および2では、共振外れが発生したときに、スイッチング素子の出力容量を再充電する電流の時間変化に起因するサージ電圧やノイズ増大は、記載も認識もされていない。 Patent Documents 1 and 2 neither describe nor acknowledge the surge voltage or increased noise caused by changes over time in the current that recharges the output capacitance of the switching element when resonance is lost.
上述のような課題を解決するために、本発明者が鋭意検討を行った末、本実施の形態の構成を案出するに至った。以下、本実施の形態を、図面を用いて説明する。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors conducted extensive research and came up with the configuration of this embodiment. This embodiment will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
<電力変換装置の全体構成>
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図1において、101は電力変換装置を示している。電力変換装置101は、2つのスイッチング素子を用いたハーフブリッジ回路1を備える、LLC共振方式のDC/DCコンバータである。
(Embodiment 1)
<Overall configuration of power conversion device>
Fig. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device according to embodiment 1. In Fig. 1, reference numeral 101 denotes the power conversion device. The power conversion device 101 is a DC/DC converter of an LLC resonant type, including a half-bridge circuit 1 using two switching elements.
電力変換装置101は、ハーフブリッジ回路1、ゲート駆動回路2、電流検出回路(以下、検出回路とも称する)5、電流極性反転判定回路(以下、判定回路とも称する)6、共振用キャパシタCr、一次巻線Tr1と二次巻線Tr2-1およびTr2-2とで構成されたトランスTr、ダイオードD1およびD2と平滑キャパシタCoとで構成された整流回路3とを備えている。図1において、T1およびT2は、電力変換装置101の入力端子を示し、T3およびT4は、電力変換装置101の出力端子を示している。電力変換装置101の入力端子T1およびT2には、図1に示すように、外部の直流電源Viが接続され、出力端子T3およびT4には、図1に示すように負荷4が接続されている。直流電源Viは、例えばバッテリ、AC/DC(交流/直流)コンバータ等である。 The power conversion device 101 includes a half-bridge circuit 1, a gate drive circuit 2, a current detection circuit (hereinafter also referred to as the detection circuit) 5, a current polarity reversal determination circuit (hereinafter also referred to as the determination circuit) 6, a resonant capacitor Cr, a transformer Tr composed of a primary winding Tr1 and secondary windings Tr2-1 and Tr2-2, and a rectifier circuit 3 composed of diodes D1 and D2 and a smoothing capacitor Co. In FIG. 1, T1 and T2 indicate input terminals of the power conversion device 101, and T3 and T4 indicate output terminals of the power conversion device 101. As shown in FIG. 1, an external DC power source Vi is connected to the input terminals T1 and T2 of the power conversion device 101, and a load 4 is connected to the output terminals T3 and T4. The DC power source Vi is, for example, a battery, an AC/DC (alternating current/direct current) converter, etc.
ハーフブリッジ回路1は、図1に示すように、直流電源Viの両端子間に接続されている。ハーフブリッジ回路1は、直流電源Viの両端子間(入力端子T1、T2間)に直列的に接続されたスイッチング素子Q1、Q2を備えている。スイッチング素子Q1、Q2は、特に制限されないが、一つの半導体チップ(同一の半導体チップ)のシリコン基板上に形成されたGaN-HEMTによって構成されている。 As shown in Figure 1, half-bridge circuit 1 is connected between both terminals of DC power supply Vi. Half-bridge circuit 1 includes switching elements Q1 and Q2 connected in series between both terminals of DC power supply Vi (between input terminals T1 and T2). Although not limited to this, switching elements Q1 and Q2 are composed of GaN-HEMTs formed on the silicon substrate of a single semiconductor chip (the same semiconductor chip).
図1において、破線で示したCp1およびCp2は、スイッチング素子Q1およびQ2の寄生キャパシタを示している。寄生キャパシタCp1の一方の端子は、スイッチング素子Q1のソース端子に接続され、他方の端子は、スイッチング素子Q1のドレイン端子に接続されている。この寄生キャパシタCp1が、スイッチング素子Q1の出力容量に該当する。同様に、寄生キャパシタCp2は、スイッチング素子Q2のソース端子とドレイン端子間に接続されており、寄生キャパシタCp2が、スイッチング素子Q2の出力容量に該当する。以下、寄生キャパシタCp1、Cp2は、出力容量Cp1、Cp2とも称する。 In Figure 1, Cp1 and Cp2, indicated by dashed lines, represent the parasitic capacitors of switching elements Q1 and Q2. One terminal of parasitic capacitor Cp1 is connected to the source terminal of switching element Q1, and the other terminal is connected to the drain terminal of switching element Q1. This parasitic capacitor Cp1 corresponds to the output capacitance of switching element Q1. Similarly, parasitic capacitor Cp2 is connected between the source terminal and drain terminal of switching element Q2, and corresponds to the output capacitance of switching element Q2. Hereinafter, parasitic capacitors Cp1 and Cp2 are also referred to as output capacitances Cp1 and Cp2.
ハーフブリッジ回路1において、スイッチング素子Q1のドレイン端子は入力端子T1を介して直流電源Viに接続されている。スイッチング素子Q1のソース端子とスイッチング素子Q2のドレイン端子とが接続されている。スイッチング素子Q2のソース端子は入力端子T2を介して直流電源Viに接続されている。スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子は、ゲート駆動回路2に接続されている。また、スイッチング素子Q1のソース端子とスイッチング素子Q2のドレイン端子とが接続された節点(ノード)と、スイッチング素子Q2のソース端子との間に、検出回路5、共振用キャパシタCrとトランスTrの一次巻線Tr1とが直列的に接続されている。トランスTrの二次側は、二次巻線Tr2-1およびTr2-2で構成されている。特に制限されないが、二次巻線Tr2-1およびTr2-2は、同じ巻き数であり、同じ巻き方向となるように直列に接続されている。なお、図1の●印は、トランスTrの極性を示している。 In the half-bridge circuit 1, the drain terminal of switching element Q1 is connected to a DC power supply Vi via input terminal T1. The source terminal of switching element Q1 is connected to the drain terminal of switching element Q2. The source terminal of switching element Q2 is connected to the DC power supply Vi via input terminal T2. The gate terminals of switching elements Q1 and Q2 are connected to gate drive circuit 2. A detection circuit 5, a resonant capacitor Cr, and the primary winding Tr1 of a transformer Tr are connected in series between the node connecting the source terminal of switching element Q1 and the drain terminal of switching element Q2 and the source terminal of switching element Q2. The secondary side of the transformer Tr is composed of secondary windings Tr2-1 and Tr2-2. Although not particularly limited, the secondary windings Tr2-1 and Tr2-2 have the same number of turns and are connected in series so that they are wound in the same direction. Note that the ● mark in Figure 1 indicates the polarity of the transformer Tr.
整流回路3は、ダイオードD1およびD2と平滑キャパシタCoとで構成され、ダイオードD1およびD2のカソード端子と平滑キャパシタCoの一方の端子とが接続されている。平滑キャパシタCoの他方の端子は、トランスTrの二次巻線Tr2-1およびTr2-2の一方の端子が互いに接続されている節点と接続されている。トランスTrの二次巻線Tr1およびTr2-2の他方の端子は、それぞれダイオードD1およびD2のアノード端子と接続されている。平滑キャパシタCoの端子は、出力端子T3およびT4を介して負荷4に接続されている。 The rectifier circuit 3 is composed of diodes D1 and D2 and a smoothing capacitor Co, with the cathode terminals of diodes D1 and D2 connected to one terminal of the smoothing capacitor Co. The other terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the node where one terminal of the secondary windings Tr2-1 and Tr2-2 of the transformer Tr is connected to each other. The other terminals of the secondary windings Tr1 and Tr2-2 of the transformer Tr are connected to the anode terminals of diodes D1 and D2, respectively. The terminals of the smoothing capacitor Co are connected to the load 4 via output terminals T3 and T4.
検出回路5は、電流センサによって構成されている。電流センサは、例えばシャント抵抗、ホール素子あるいはロゴスキーコイル等によって構成されている。検出回路5は、スイッチング素子Q1、Q2と、共振用キャパシタCrと、トランスTrの一次巻線Tr1とを含む共振スイッチング回路(以下、単にスイッチング回路とも称する)RSCに流れる電流I1の電流値を検出する。検出回路5によって検出された電流値はアナログ値として、判定回路6に出力される。なお、実施の形態1では、電流I1の電流値を検出するために、検出回路5も共振スイッチング回路RSCに設けられている。 The detection circuit 5 is composed of a current sensor. The current sensor is composed of, for example, a shunt resistor, a Hall element, or a Rogowski coil. The detection circuit 5 detects the current value of the current I1 flowing through the resonant switching circuit RSC (hereinafter simply referred to as the switching circuit) which includes switching elements Q1 and Q2, a resonant capacitor Cr, and a primary winding Tr1 of a transformer Tr. The current value detected by the detection circuit 5 is output as an analog value to the determination circuit 6. In embodiment 1, the detection circuit 5 is also provided in the resonant switching circuit RSC to detect the current value of the current I1.
判定回路6は、特に制限されないが、図示しない、比較器とエッジ検出器とによって構成されている。比較器は、例えばコンパレータ等によって構成され、エッジ検出器は、例えばロジック回路を組み合わせることで構成されたエッジ検出回路やマイクロプロセッサを用いたエッジ検出器により構成されている。比較器には、検出回路5からの入力(アナログの電流値)と、電流値“0(ゼロ)”に対応する基準値とが供給され、比較器は、アナログの電流値と基準値とを比較し、比較結果をデジタル値として、エッジ検出器に出力する。エッジ検出器は、入力されているデジタル値の変化を、信号の立下りおよび立ち上がりとして捉え、検出回路5を流れる共振スイッチング回路の電流I1の極性(電流極性)を示す判定信号として、ゲート駆動回路2へ出力する。 The judgment circuit 6 is not particularly limited, but is composed of a comparator and an edge detector (not shown). The comparator is composed of, for example, a comparator, and the edge detector is composed of, for example, an edge detection circuit formed by combining logic circuits or an edge detector using a microprocessor. The comparator receives the input (analog current value) from the detection circuit 5 and a reference value corresponding to a current value of "0 (zero)." The comparator compares the analog current value with the reference value and outputs the comparison result as a digital value to the edge detector. The edge detector detects changes in the input digital value as rising and falling edges of a signal, and outputs this to the gate drive circuit 2 as a judgment signal indicating the polarity (current polarity) of the current I1 of the resonant switching circuit flowing through the detection circuit 5.
例えば、検出回路5からのアナログの電流値が、高い電流値から基準値以下に低下した場合、判定回路6における比較器は、デジタル値を“1”から“0”へ変化させる。判定回路6におけるエッジ検出器は、デジタル値“1”から“0”への変化を、信号の立下りとして捉え、共振スイッチング回路RSCの電流I1の電流極性が正から負へ反転したことを示す判定信号を出力する。これに対して、検出回路5からのアナログの電流値が、基準値よりも低い値から基準値を超えた場合、判定回路6における比較器は、デジタル値を“0”から“1”へ変化させる。判定回路6におけるエッジ検出器は、デジタル値“0”から“1”への変化を、信号の立ち上がりとして捉え、共振スイッチング回路RSCの電流I1の電流極性が負から正へ反転したことを示す判定信号を出力する。 For example, if the analog current value from detection circuit 5 drops from a high current value to below the reference value, the comparator in judgment circuit 6 changes the digital value from "1" to "0." The edge detector in judgment circuit 6 recognizes the change from digital value "1" to "0" as a falling edge of the signal and outputs a judgment signal indicating that the polarity of current I1 in resonant switching circuit RSC has reversed from positive to negative. In contrast, if the analog current value from detection circuit 5 rises from a value lower than the reference value to exceed the reference value, the comparator in judgment circuit 6 changes the digital value from "0" to "1." The edge detector in judgment circuit 6 recognizes the change from digital value "0" to "1" as a rising edge of the signal and outputs a judgment signal indicating that the polarity of current I1 in resonant switching circuit RSC has reversed from negative to positive.
判定回路6内の比較器への入力側には、シュミットトリガやローパスフィルタを設けるようにしてもよい。このシュミットトリガやローパスフィルタによって、検出回路5からの出力に含まれるノイズを除去することができる。 A Schmitt trigger or low-pass filter may be provided on the input side of the comparator in the judgment circuit 6. This Schmitt trigger or low-pass filter can remove noise contained in the output from the detection circuit 5.
ゲート駆動回路2は、電力変換装置101の動作周波数で定まる動作周期で、スイッチング素子Q1およびQ2を交互にオンオフするように駆動する。スイッチング素子Q1、Q2を駆動する際に、ゲート駆動回路2は、判定回路6からの判定信号に基づいて、駆動能力を調整する。ゲート駆動回路2については、次に図面を参照して詳しく説明する。 The gate drive circuit 2 drives the switching elements Q1 and Q2 to alternately turn on and off in an operating cycle determined by the operating frequency of the power conversion device 101. When driving the switching elements Q1 and Q2, the gate drive circuit 2 adjusts the drive capacity based on a determination signal from the determination circuit 6. The gate drive circuit 2 will be described in detail below with reference to the drawings.
<<ゲート駆動回路の構成>>
図2は、実施の形態1に係るゲート駆動回路の構成を示すブロック図である。図2に示すように、ゲート駆動回路2は、制御回路21と、スイッチング素子Q1、Q2に対応する2つのゲート出力回路22とを備えている。
<<Configuration of the gate drive circuit>>
Fig. 2 is a block diagram showing the configuration of the gate drive circuit according to embodiment 1. As shown in Fig. 2, the gate drive circuit 2 includes a control circuit 21 and two gate output circuits 22 corresponding to the switching elements Q1 and Q2.
制御回路21は、例えばマイクロプロセッサやプログラム可能なゲートアレイ(例えば、いわゆるFPGA)等で構成され、スイッチング素子Q1およびQ2を、電力変換装置101の動作周波数で交互にオンオフ駆動するために必要なゲート信号を生成する。また、制御回路21は、入力端子T21およびT22を介して、判定回路6から出力された判定信号(電流反転正負および電流反転負正)を入力し、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート駆動電流を切り替えのための出力切替信号を生成する。ゲート駆動電流を切り替えることで、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート駆動電流を調整するため、出力切替信号を生成する制御回路21は、ゲート調整回路と見なすことができる。 Control circuit 21 is composed of, for example, a microprocessor or a programmable gate array (e.g., a so-called FPGA), and generates the gate signals required to alternately turn on and off switching elements Q1 and Q2 at the operating frequency of power conversion device 101. Control circuit 21 also receives the determination signals (current inversion positive/negative and current inversion negative/positive) output from determination circuit 6 via input terminals T21 and T22, and generates output switching signals for switching the gate drive currents of switching elements Q1 and Q2. Because the gate drive currents of switching elements Q1 and Q2 are adjusted by switching the gate drive currents, control circuit 21, which generates the output switching signals, can be considered a gate adjustment circuit.
ゲート出力回路22は、スイッチング素子Q1およびQ2毎に設けられ、制御回路21から入力されるゲート信号と出力切替信号に応じたゲート出力信号を出力する。ゲート出力回路22から出力されたゲート出力信号は、出力端子T23およびT24を介して、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に供給される。なお、図2において、符号22-1は、スイッチング素子Q1のゲート端子にゲート出力信号1を供給するゲート出力回路を示し、符号22-2は、スイッチング素子Q2のゲート端子にゲート出力信号2を供給するゲート出力回路を示している。 A gate output circuit 22 is provided for each switching element Q1 and Q2, and outputs a gate output signal corresponding to the gate signal and output switching signal input from the control circuit 21. The gate output signal output from the gate output circuit 22 is supplied to the gate terminals of the switching elements Q1 and Q2 via output terminals T23 and T24. In FIG. 2, reference numeral 22-1 denotes the gate output circuit that supplies gate output signal 1 to the gate terminal of switching element Q1, and reference numeral 22-2 denotes the gate output circuit that supplies gate output signal 2 to the gate terminal of switching element Q2.
<<<ゲート出力回路の構成>>>
次に、ゲート出力回路の構成を、図面を用いて説明する。スイッチング素子Q1に対応するゲート出力回路22-1とスイッチング素子Q2に対応するゲート出力回路22-2は、互いに同様な構成を備えているため、ゲート出力回路22として、以下説明する。
<<<Gate output circuit configuration>>>
Next, the configuration of the gate output circuit will be described with reference to the drawings. The gate output circuit 22-1 corresponding to the switching element Q1 and the gate output circuit 22-2 corresponding to the switching element Q2 have similar configurations, and therefore will be described below as the gate output circuit 22.
図3は、実施の形態1に係るゲート出力回路の構成を示す回路図である。 Figure 3 is a circuit diagram showing the configuration of a gate output circuit according to embodiment 1.
ゲート出力回路22は、Pチェンネル型電界効果(以下、PMOSとも称する)トランジスタPTr1およびPTr2と、Nチャンネル型電界効果(以下、NMOSとも称する)トランジスタNTrと、抵抗素子Rgon1、Rgon2およびRgoffと、インバータゲートinv1およびinv2と、オア(OR)ゲートor1およびor2とを備えている。ここで、抵抗素子Rgon2の電気抵抗値は、抵抗素子Rgon1の電気抵抗値より大きく設定されている。 The gate output circuit 22 includes P-channel field-effect (PMOS) transistors PTr1 and PTr2, N-channel field-effect (NMOS) transistor NTr, resistors Rgon1, Rgon2, and Rgoff, inverter gates inv1 and inv2, and OR gates or1 and or2. The electrical resistance of resistor Rgon2 is set to be greater than that of resistor Rgon1.
PMOSトランジスタPTr1およびPTr2のソース端子は、電圧線Vgonに接続されている。電圧線Vgonに印加される電圧(Vg,on)は、スイッチング素子Q1およびQ2をオン状態にするために、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に印加する所定の電圧である。NMOSトランジスタNTrのソース端子は、電圧線Vgoffに接続されている。電圧線Vgoffに印加される電圧(Vg,off)は、スイッチング素子Q1およびQ2をオフ状態にするために、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に印加する電圧である。電圧(Vg,on)および(Vg,off)は、特に制限されないが、図1に示した直流電源Viから生成されている。 The source terminals of PMOS transistors PTr1 and PTr2 are connected to a voltage line Vgon. The voltage (Vg, on) applied to the voltage line Vgon is a predetermined voltage applied to the gate terminals of switching elements Q1 and Q2 to turn them on. The source terminal of NMOS transistor NTr is connected to a voltage line Vgoff. The voltage (Vg, off) applied to the voltage line Vgoff is a voltage applied to the gate terminals of switching elements Q1 and Q2 to turn them off. The voltages (Vg, on) and (Vg, off) are generated by the DC power supply Vi shown in Figure 1, although there is no particular limitation.
PMOSトランジスタPTr1およびPTr2のドレイン端子は、それぞれ抵抗素子Rgon1およびRgon2の一方の端子に接続され、抵抗素子Rgon1およびRgon2の他方の端子は、出力端子T223に接続されている。NMOSトランジスタNTrのドレイン端子は抵抗素子Rgoffの一方の端子に接続され、抵抗素子Rgoffの他方の端子は出力端子T223に接続されている。 The drain terminals of PMOS transistors PTr1 and PTr2 are connected to one terminal of resistor elements Rgon1 and Rgon2, respectively, and the other terminals of resistor elements Rgon1 and Rgon2 are connected to output terminal T223. The drain terminal of NMOS transistor NTr is connected to one terminal of resistor element Rgoff, and the other terminal of resistor element Rgoff is connected to output terminal T223.
制御回路21から出力されたゲート信号は、入力端子T222を介して、インバータゲートinv2の入力に供給されている。インバータゲートinv2の出力は、オアゲートor1およびor2の一方の入力に接続され、またNMOSトランジスタNTrのゲート端子に接続されている。制御回路21から出力された出力切替信号は、入力端子T221を介してオアゲートor1の他方の入力に接続され、またインバータゲートinv1を介してオアゲートor2の他方の入力に接続されている。オアゲートor1およびor2の出力は、それぞれPMOSトランジスタPTr1およびPTr2のゲート端子に接続されている。 The gate signal output from the control circuit 21 is supplied to the input of inverter gate inv2 via input terminal T222. The output of inverter gate inv2 is connected to one input of OR gates or1 and or2, and also to the gate terminal of NMOS transistor NTr. The output switching signal output from the control circuit 21 is connected to the other input of OR gate or1 via input terminal T221, and also to the other input of OR gate or2 via inverter gate inv1. The outputs of OR gates or1 and or2 are connected to the gate terminals of PMOS transistors PTr1 and PTr2, respectively.
したがって、ゲート信号がロウレベル(“0”)の期間では、PMOSトランジスタPTr1およびPTr2はオフ状態にされる。一方、この期間では、NMOSトランジスタNTrはオン状態にされる。この場合、抵抗素子Rgoffが、NMOSトランジスタNTrおよび出力端子T223を介して、電圧線Vgoffとスイッチング素子Q1もしくはQ2のゲート端子との間に接続されることになる。すなわち、抵抗素子Rgoffが、スイッチング素子のゲート抵抗に相当し、ゲート抵抗(抵抗素子Rgoff)を介した電圧(Vg,off)が、スイッチング素子Q1もしくはQ2にゲートオフ電圧として印加されることになり、スイッチング素子Q1もしくはQ2はオフ状態となる。 Therefore, while the gate signal is low level ("0"), PMOS transistors PTr1 and PTr2 are turned off. Meanwhile, during this period, NMOS transistor NTr is turned on. In this case, resistive element Rgoff is connected between voltage line Vgoff and the gate terminal of switching element Q1 or Q2 via NMOS transistor NTr and output terminal T223. In other words, resistive element Rgoff corresponds to the gate resistance of the switching element, and the voltage (Vg,off) across the gate resistance (resistive element Rgoff) is applied to switching element Q1 or Q2 as a gate-off voltage, turning switching element Q1 or Q2 off.
一方、ゲート信号がハイレベル(“1”)の期間では、NMOSトランジスタNTrはオフとなる。この期間において、出力切替信号がロウレベル(“0”)の場合は、PMOSトランジスタPTr1がオン状態となり、出力切替信号がハイレベル(“1”)の場合はPMOSトランジスタPTr2がオン状態となる。したがって、ゲート信号がハイレベルの期間では、出力切替信号がロウレベルの場合は、抵抗素子Rgon1がスイッチング素子のゲート抵抗に相当し、スイッチング素子Q1もしくはQ2には、ゲート抵抗(抵抗素子Rgon1)を介した電圧(Vg,on)が、スイッチング素子Q1もしくはQ2にゲートオン電圧として印加され、スイッチング素子Q1もしくはQ2は、オン状態となる。このとき、オン状態となっているスイッチング素子Q1もしくはQ2においては,ゲート抵抗(抵抗素子Rgon1)を介して、スイッチング素子Q1もしくはQ2のゲート端子に供給されるゲート出力信号の電流(高いレベルのゲート駆動電流)に応じたドレイン電流が流れることになる。 On the other hand, when the gate signal is high level ("1"), the NMOS transistor NTr is off. During this period, when the output switching signal is low level ("0"), the PMOS transistor PTr1 is on, and when the output switching signal is high level ("1"), the PMOS transistor PTr2 is on. Therefore, when the gate signal is high level and the output switching signal is low level, the resistive element Rgon1 corresponds to the gate resistance of the switching element, and a voltage (Vg,on) is applied to the switching element Q1 or Q2 via the gate resistance (resistive element Rgon1) as a gate-on voltage, turning the switching element Q1 or Q2 on. At this time, in the on-state switching element Q1 or Q2, a drain current corresponding to the current of the gate output signal (high-level gate drive current) supplied to the gate terminal of the switching element Q1 or Q2 flows via the gate resistance (resistive element Rgon1).
また、ゲート信号がハイレベル(“1”)の期間において、出力切替信号がハイレベル(“1”)”の場合は、抵抗素子Rgon2がスイッチング素子のゲート抵抗に相当することになり、ゲート抵抗(抵抗素子Rgon2)を介した電圧(Vg,on)が、スイッチング素子Q1もしくはQ2にゲートオン電圧として印加される。この場合も、スイッチング素子Q1もしくはQ2がオン状態となる。しかしながら、このとき、スイッチング素子Q1もしくはQ2のゲート端子に供給されるゲート出力信号の電流(ゲート駆動電流)は、抵抗素子Rgon2がゲート抵抗として機能するため、抵抗素子Rgon2によって定まるゲート出力信号の電流(低いレベルのゲート駆動電流)となる。したがって、このとき、オン状態となるスイッチング素子Q1もしくはQ2においては、抵抗素子Rgon2で定まるゲート駆動電流に応じたドレイン電流が流れることになる。 Furthermore, when the output switching signal is high level ("1") while the gate signal is high level ("1"), resistive element Rgon2 corresponds to the gate resistance of the switching element, and the voltage (Vg, on) via the gate resistance (resistive element Rgon2) is applied to switching element Q1 or Q2 as the gate-on voltage. In this case, switching element Q1 or Q2 is also turned on. However, at this time, the current of the gate output signal (gate drive current) supplied to the gate terminal of switching element Q1 or Q2 is the gate output signal current (low-level gate drive current) determined by resistive element Rgon2, because resistive element Rgon2 functions as a gate resistor. Therefore, at this time, a drain current corresponding to the gate drive current determined by resistive element Rgon2 flows in switching element Q1 or Q2 that is turned on.
実施の形態1に係るゲート出力回路22においては、オン状態となるスイッチング素子Q1、Q2のゲート抵抗を、出力切替信号によって切り替えることができる。ゲート抵抗を切り替えることで、スイッチング素子Q1、Q2のゲート端子には、切り替えられたゲート抵抗によって定まるゲート駆動電流が供給され、オン状態となるスイッチング素子においては、供給されているゲート駆動電流に応じたドレイン電流が流れる。すなわち、ゲート抵抗に相当する抵抗素子Rgon1もしくはRgon2に応じたレベルのゲート駆動電流が、スイッチング素子のゲート端子に供給され、ゲート駆動電流に応じたドレイン電流がスイッチング素子から出力されることになる。前記したように、抵抗素子Rgon2の電気抵抗値は、抵抗素子Rgon1の電気抵抗値より大きいため、出力切替信号がハイレベルの場合、ゲート出力回路22は、低いレベルのゲート駆動電流をスイッチング素子Q1、Q2のゲート端子に出力し、スイッチング素子Q1、Q2のドレイン電流を低いレベルに切り替えるような動作を行うことになる。 In the gate output circuit 22 according to the first embodiment, the gate resistance of the switching elements Q1 and Q2 that are turned on can be switched by an output switching signal. By switching the gate resistance, a gate drive current determined by the switched gate resistance is supplied to the gate terminals of the switching elements Q1 and Q2, and a drain current corresponding to the gate drive current flows through the switching elements that are turned on. That is, a gate drive current of a level corresponding to the resistance element Rgon1 or Rgon2, which corresponds to the gate resistance, is supplied to the gate terminals of the switching elements, and a drain current corresponding to the gate drive current is output from the switching elements. As described above, since the electrical resistance of resistance element Rgon2 is greater than the electrical resistance of resistance element Rgon1, when the output switching signal is high, the gate output circuit 22 outputs a low-level gate drive current to the gate terminals of the switching elements Q1 and Q2, thereby switching the drain current of the switching elements Q1 and Q2 to a low level.
ゲート信号がハイレベルとなっている期間においては、インバータゲートinv1、オアゲートor1、or2およびPMOSトランジスタPTr1、PTr2によって、抵抗素子Rgon1およびRgon2から、出力信号に従った抵抗素子を選択するスイッチング回路が構成されていると見なすことができる。この場合、選択された抵抗素子が、所定の電圧(Vg,on)とスイッチング素子のゲート端子との間に接続されることになる。 When the gate signal is at a high level, the inverter gate inv1, OR gates or1 and or2, and PMOS transistors PTr1 and PTr2 can be considered to form a switching circuit that selects a resistor element from resistor elements Rgon1 and Rgon2 according to the output signal. In this case, the selected resistor element is connected between a predetermined voltage (Vg, on) and the gate terminal of the switching element.
<電力変換装置の動作>
先ず、実施の形態1に係る電力変換装置において実行される制御方法を、図面を用いて説明する。図4は、実施の形態1に係る制御方法を説明するためのフローチャートである。
<Operation of the power conversion device>
First, a control method executed in the power conversion device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. Fig. 4 is a flowchart for explaining the control method according to the first embodiment.
ステップS1において、図2に示した制御回路21が、ゲート出力信号1およびゲート出力信号2を出力させ、図1に示したスイッチング素子Q1およびQ2をオンオフさせる。次に、ステップS2、S3およびS4が順次実行されるが、これらのステップS2~S4は、スイッチング素子Q1またはQ2をオン状態にしている期間において実施される。 In step S1, the control circuit 21 shown in FIG. 2 outputs gate output signal 1 and gate output signal 2, turning on and off the switching elements Q1 and Q2 shown in FIG. 1. Next, steps S2, S3, and S4 are executed sequentially, and steps S2 to S4 are performed while switching element Q1 or Q2 is in the on state.
ステップS2は、図1の検出回路5が共振スイッチング回路RSCを流れる電流I1を検出する電流検出工程である。 Step S2 is a current detection process in which the detection circuit 5 in Figure 1 detects the current I1 flowing through the resonant switching circuit RSC.
ステップS3では、ステップS2で検出された電流I1に基づいて、判定回路6が電流I1の極性を判定し、判定結果を判定信号として制御回路21へ供給する。すなわち、ステップS3は、極性判定工程である。 In step S3, the determination circuit 6 determines the polarity of the current I1 based on the current I1 detected in step S2, and supplies the determination result to the control circuit 21 as a determination signal. In other words, step S3 is the polarity determination process.
ステップS3において、極性が反転していると判定された場合(Y)、制御回路21は、出力切替信号を生成し、スイッチング素子のゲート駆動電流を切り替える。このゲート駆動電流の切り替えによって、ゲート駆動電流が調整されることになるため、ステップS4は、駆動電流の調整工程である。 If it is determined in step S3 that the polarity is reversed (Y), the control circuit 21 generates an output switching signal and switches the gate drive current of the switching element. This switching of the gate drive current adjusts the gate drive current, so step S4 is a drive current adjustment process.
ステップS3において、極性が反転していないと判定された場合(N)およびステップS4が終了すると、再びステップS1が実行される。すなわち、ステップS1~S3が繰り返されることになる。 If it is determined in step S3 that the polarity has not been reversed (N) and step S4 is completed, step S1 is executed again. In other words, steps S1 to S3 are repeated.
実施の形態1に係る電力変換装置においては、ステップS3において極性が反転していると判定され場合、共振外れが発生している場合として処理が行われる。これに対して、ステップS3において極性が反転していないと判定された場合が、共振外れが発生していない場合として処理が行われる。 In the power conversion device according to embodiment 1, if it is determined in step S3 that the polarity is reversed, processing is performed assuming that an off-resonance condition has occurred. In contrast, if it is determined in step S3 that the polarity is not reversed, processing is performed assuming that an off-resonance condition has not occurred.
特に制限されないが、実施の形態1に係るステップS4(調整工程)は、2つの工程を備えている。すなわち、ステップS4は、極性が反転していると判定されたとき、ゲート駆動電流を低いレベルに調整する(切り替える)工程が実行される。ゲート駆動電流を低いレベルに切り替えてから、所定の期間(出力切替期間)後に、ゲート駆動電流を前記低いレベルよりも高いレベルに調整する(切り替える)工程と、を備えている。 Although not particularly limited, step S4 (adjustment step) according to embodiment 1 includes two steps. That is, step S4 includes a step of adjusting (switching) the gate drive current to a low level when it is determined that the polarity has reversed. It also includes a step of adjusting (switching) the gate drive current to a level higher than the low level after a predetermined period (output switching period) has elapsed since the gate drive current was switched to the low level.
次に、共振外れが発生していない場合と発生している場合を説明する。 Next, we will explain what happens when resonance is not occurring and what happens when resonance is occurring.
<<共振外れが発生していない場合>>
先ず、電力変換装置101の負荷が高負荷等でなく、共振外れが発生していない場合を説明する。図5は、実施の形態1に係る電力変換装置の動作を説明するための波形図である。以下、図1~図3および図5を参照して、説明する。
<<When off-resonance occurs>>
First, a case will be described in which the load on the power conversion device 101 is not high and no off-resonance occurs. Fig. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the power conversion device according to embodiment 1. The following description will be given with reference to Figs. 1 to 3 and 5.
図5には、ハーフブリッジ回路1を制御するために、ゲート駆動回路2が出力するゲート出力信号1およびゲート出力信号2の波形と、検出回路5により検出されたトランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCを流れる電流I1の波形とが示されている。さらに、図5には、スイッチング素子Q1およびQ2のドレイン端子とソース端子間に印加されている電圧Vds1およびVds2の波形と、スイッチング素子Q1およびQ2のドレイン端子からソース端子の方向に流れる電流(ドレイン電流)Id1およびId2の波形とが示されている。なお、電圧Vds1および電流Id1は、スイッチング素子Q1の電圧および電流であり、電圧Vds2および電流Id2は、スイッチング素子Q2の電圧および電流である。 Figure 5 shows the waveforms of gate output signal 1 and gate output signal 2 output by gate drive circuit 2 to control half-bridge circuit 1, and the waveform of current I1 flowing through resonant switching circuit RSC, including primary winding Tr1 of transformer Tr, detected by detection circuit 5. Figure 5 also shows the waveforms of voltages Vds1 and Vds2 applied between the drain and source terminals of switching elements Q1 and Q2, and the waveforms of currents Id1 and Id2 flowing from the drain terminals to the source terminals of switching elements Q1 and Q2 (drain currents). Note that voltage Vds1 and current Id1 are the voltage and current of switching element Q1, and voltage Vds2 and current Id2 are the voltage and current of switching element Q2.
検出回路5は、図1において矢印で示されているように、左側から右側に流れる方向を、正(+)極性とした電流を検出する。ゲート駆動回路2から出力されるゲート出力信号1は、スイッチング素子Q1のオンオフを制御する出力信号であり、ゲート出力信号2は、スイッチング素子Q2のオンオフを制御する出力信号である。ゲート駆動回路2を構成する制御回路21は、スイッチング素子Q1およびQ2を、デッドタイムtd1およびtd2を含めて相補的に駆動するようにゲート信号を生成する。なお、デッドタイムtd1およびtd2は、スイッチング素子Q1およびQ2の両方がオフ状態となる期間である。 Detection circuit 5 detects current with positive (+) polarity flowing from left to right, as indicated by the arrow in Figure 1. Gate output signal 1 output from gate drive circuit 2 controls the on/off state of switching element Q1, and gate output signal 2 controls the on/off state of switching element Q2. Control circuit 21, which constitutes gate drive circuit 2, generates gate signals to complementarily drive switching elements Q1 and Q2, including dead times td1 and td2. Dead times td1 and td2 are periods during which both switching elements Q1 and Q2 are in the off state.
先ず、時刻t1において、ゲート出力信号によって、スイッチング素子Q2がオフ状態でスイッチング素子Q1をオンにすると、直流電源Vi、スイッチング素子Q1、検出回路5、共振用キャパシタCrおよびトランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCに、正(+)の極性の電流I1が流れる。 First, at time t1, when the gate output signal turns on switching element Q1 while switching element Q2 is off, a positive (+) current I1 flows through the resonant switching circuit RSC, which includes the DC power supply Vi, switching element Q1, detection circuit 5, resonant capacitor Cr, and primary winding Tr1 of the transformer Tr.
その後の時刻t2において、スイッチング素子Q1をオフ状態にしてデッドタイムtd1に入ると、スイッチング素子Q2が逆導通して、トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流はスイッチング素子Q2に転流する。その後、スイッチング素子Q2を逆導通状態でオン状態にすることで、スイッチング素子Q2のソース端子とドレイン端子間に印加される電圧がほぼゼロの状態でスイッチングする、いわゆるゼロ電圧スイッチングが行われる。その後、トランスTrに含まれるインダクタンスと共振用キャパシタCrのキャパシタンスによるLC共振により、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCに流れる電流I1の極性が正(+)から負(-)へと反転する。 At time t2, when switching element Q1 is turned off and dead time td1 begins, switching element Q2 enters reverse conduction and the current flowing through the primary winding Tr1 of the transformer Tr is commutated to switching element Q2. Switching element Q2 is then turned on in a reverse conduction state, performing so-called zero-voltage switching, in which switching is performed while the voltage applied between the source and drain terminals of switching element Q2 is almost zero. Then, due to LC resonance caused by the inductance included in the transformer Tr and the capacitance of the resonant capacitor Cr, the polarity of current I1 flowing through the resonant switching circuit RSC, which includes the primary winding Tr1 of the transformer Tr, reverses from positive (+) to negative (-).
次に、時刻t3において、スイッチング素子Q2をオフ状態にしてデッドタイムtd2に入ると、スイッチング素子Q1が逆導通して、トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流はスイッチング素子Q1に転流し、その後スイッチング素子Q1を逆導通状態でオン状態にすることでゼロ電圧スイッチングが行われ、その後LC共振により、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCに流れる電流I1が負(-)から正(+)へと逆転する。 Next, at time t3, when switching element Q2 is turned off and dead time td2 begins, switching element Q1 becomes reverse conductive and the current flowing in the primary winding Tr1 of the transformer Tr is commutated to switching element Q1. Then, by turning switching element Q1 on in the reverse conductive state, zero voltage switching is performed, and then, due to LC resonance, current I1 flowing in the resonant switching circuit RSC, which includes the primary winding Tr1 of the transformer Tr, reverses from negative (-) to positive (+).
前記したゲート出力信号は、電力変換装置101の動作周波数によって定まる周期で、周期的に生成されるため、前記した時刻t1~t3の動作が繰り返される。トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流I1の変化に応じて、二次巻線Tr2-1またはTr2-2に電流が発生し、整流回路3によって直流化され、負荷4に対して供給される。 The gate output signal described above is generated periodically at a cycle determined by the operating frequency of the power conversion device 101, so the operation from time t1 to time t3 described above is repeated. In response to changes in the current I1 flowing through the primary winding Tr1 of the transformer Tr, a current is generated in the secondary winding Tr2-1 or Tr2-2, which is converted to direct current by the rectifier circuit 3 and supplied to the load 4.
<<共振外れが発生している場合>>
図6は、実施の形態1に係る電力変換装置の動作を説明するための波形図である。図6は、図5と類似しており、図6にも、図5と同様に、ゲート出力信号1およびゲート出力信号2と、共振スイッチング回路RSCを流れる電流I1と、スイッチング素子Q1、Q2のドレイン端子とソース端子間の電圧Vds1、Vds2と、スイッチング素子Q1、Q2のドレイン電流Id1、Id2とが示されている。図6が図5と相違する点は、図6には、電力変換装置101が動作している期間において、負荷4が高負荷に急変し、共振外れが発生した場合が示されていることである。
<<When resonance is off>>
Fig. 6 is a waveform diagram for explaining the operation of the power conversion device according to embodiment 1. Fig. 6 is similar to Fig. 5, and like Fig. 5, Fig. 6 also shows gate output signal 1 and gate output signal 2, current I1 flowing through resonant switching circuit RSC, voltages Vds1 and Vds2 between the drain and source terminals of switching elements Q1 and Q2, and drain currents Id1 and Id2 of switching elements Q1 and Q2. Fig. 6 differs from Fig. 5 in that Fig. 6 illustrates a case where load 4 suddenly changes to a high load during the period in which power conversion device 101 is operating, causing off-resonance.
高負荷時においては、スイッチング素子Q1がオン状態にある期間(時刻t1~t2)において、ある時刻(例えば時刻t12)で、トランスTrに含まれるインダクタンスと共振用キャパシタCrのキャパシタンスによるLC共振により、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCに流れる電流の極性が、図6に示すように正から負へと反転して、スイッチング素子Q1が逆導通状態となる。その後、スイッチング素子Q1をオフ状態にして、デッドタイムtd1に入ると、スイッチング素子Q2はオフのため電流が流れず、スイッチング素子Q1が逆導通状態を継続して電流を導通する。この時、スイッチング素子Q1の出力容量Cp1(図1)は放電状態となる。 Under heavy load conditions, during the period (times t1 to t2) when switching element Q1 is in the on state, at a certain time (for example, time t12), due to LC resonance caused by the inductance included in transformer Tr and the capacitance of resonant capacitor Cr, the polarity of the current flowing through resonant switching circuit RSC, which includes primary winding Tr1 of transformer Tr, reverses from positive to negative, as shown in Figure 6, causing switching element Q1 to enter a reverse conduction state. After that, when switching element Q1 is turned off and dead time td1 begins, switching element Q2 is off and no current flows, but switching element Q1 continues to conduct current, remaining in a reverse conduction state. At this time, output capacitance Cp1 (Figure 1) of switching element Q1 enters a discharged state.
その後の時刻t2において、スイッチング素子Q2をオン状態へ変化(遷移)させると、スイッチング素子Q1に流れていた電流が、スイッチング素子Q2に転流するが、その時にスイッチング素子Q1の出力容量Cp1に再充電が発生する。出力容量Cp1は、スイッチング素子Q1のソース端子とドレイン端子との間に接続されているキャパシタであるため、出力容量Cp1を再充電している再充電期間中においては、スイッチング素子Q1のドレイン端子とソース端子間を電流(出力容量Cp1を再充電するための電流)が流れることになる。このとき、スイッチング素子Q2はオン状態へ遷移するため、スイッチング素子Q1とQ2とを流れる貫通電流が発生する。 At a later time t2, when switching element Q2 is changed (transitioned) to the on state, the current flowing through switching element Q1 is commutated to switching element Q2, at which time the output capacitance Cp1 of switching element Q1 is recharged. Because output capacitance Cp1 is a capacitor connected between the source and drain terminals of switching element Q1, during the recharge period in which output capacitance Cp1 is being recharged, current (current to recharge output capacitance Cp1) flows between the drain and source terminals of switching element Q1. At this time, switching element Q2 transitions to the on state, causing a through current to flow through switching elements Q1 and Q2.
この貫通電流はスイッチング素子Q1およびQ2を貫通して流れる電流であるため、貫通電流の電流値の時間変化は、スイッチング素子Q2をオン状態に遷移させる速度によって決定されることになる。 Since this through-current flows through switching elements Q1 and Q2, the change in the through-current value over time is determined by the speed at which switching element Q2 transitions to the on state.
次に、スイッチング素子Q2をオフ状態にして、デッドタイムtd2経過後にスイッチング素子Q1をオンにする動作においては、前記と相補的な動作となる。すなわち、スイッチング素子Q2がオフ状態に遷移する前の時刻(t23)において、前記したLC共振によって、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路RSCに流れる電流I1の極性が、負から正へと反転する。この場合には、スイッチング素子Q2が逆導通状態となり、スイッチング素子Q2の出力容量Cp2の放電が行われ、スイッチング素子Q1のオン状態への遷移により、出力容量Cp2の再充電が行われる。したがって、スイッチング素子Q1がオン状態に遷移するときに、スイッチング素子Q1とQ2とを流れる貫通電流が発生する。このときの貫通電流の電流値の時間変化も、スイッチング素子Q1をオン状態に遷移させる速度によって決定されることになる。 Next, the operation of turning switching element Q2 off and then turning switching element Q1 on after the dead time td2 has elapsed is complementary to the above. That is, at time t23 before switching element Q2 transitions to the off state, the polarity of current I1 flowing through the resonant switching circuit RSC, including the primary winding Tr1 of the transformer Tr, reverses from negative to positive due to the LC resonance described above. In this case, switching element Q2 enters a reverse conduction state, discharging the output capacitance Cp2 of switching element Q2. When switching element Q1 transitions to the on state, output capacitance Cp2 is recharged. Therefore, when switching element Q1 transitions to the on state, a through current flows through switching elements Q1 and Q2. The change in the value of this through current over time is also determined by the speed at which switching element Q1 transitions to the on state.
実施の形態1においては、ゲート駆動回路2を構成する制御回路21は、スイッチング素子Q1のオン期間中に、図4に示したステップS2~S4を実行する。すなわち、制御回路21は、判定回路6から、電流I1の極性が反転(この場合、正から負への反転)を示す判定信号が入力されると、オン状態へ遷移させるスイッチング素子Q2に接続されるゲート出力回路22-2に対して出力切替信号を出力する。ゲート出力回路22-2は、出力切替信号を入力すると、スイッチング素子Q2をオン状態に駆動するときのゲート抵抗を、抵抗素子Rgon1から抵抗素子Rgon2に切り替え、ゲート抵抗の値を増大させる。その結果、スイッチング素子Q2に対するゲート駆動電流が低下し、スイッチング素子Q2のドレイン電流も低下し、スイッチング素子Q2の駆動電流が低下するように調整される。 In embodiment 1, the control circuit 21 constituting the gate drive circuit 2 executes steps S2 to S4 shown in FIG. 4 during the ON period of the switching element Q1. That is, when the control circuit 21 receives a determination signal from the determination circuit 6 indicating a polarity reversal of the current I1 (in this case, a reversal from positive to negative), the control circuit 21 outputs an output switching signal to the gate output circuit 22-2 connected to the switching element Q2 to transition to the ON state. When the output switching signal is input, the gate output circuit 22-2 switches the gate resistance used when driving the switching element Q2 to the ON state from resistor Rgon1 to resistor Rgon2, increasing the gate resistance value. As a result, the gate drive current for the switching element Q2 decreases, the drain current of the switching element Q2 also decreases, and the drive current of the switching element Q2 is adjusted to decrease.
この調整によってドレイン電流が低下することにより、スイッチング素子Q2をオン状態に遷移させる速度が低下する。したがって、スイッチング素子Q1がオン状態となっている期間において、負荷4が高負荷になった場合でも、スイッチング素子Q2をオン状態に遷移させるときに発生する貫通電流の時間変化量を低減させ、サージ電圧やノイズの発生を抑制することが可能となる。 This adjustment reduces the drain current, thereby slowing down the speed at which switching element Q2 transitions to the ON state. Therefore, even if load 4 becomes heavily loaded while switching element Q1 is in the ON state, the amount of time change in the through current that occurs when switching element Q2 transitions to the ON state is reduced, making it possible to suppress the generation of surge voltages and noise.
また、制御回路21は、スイッチング素子Q2のオン期間中にも、図4に示したステップS2~S4を実行する。すなわち、制御回路21は、電流I1の極性が反転(この場合、負から正への反転)を示す判定信号が入力されると、スイッチング素子Q1に接続されるゲート出力回路22-1に対して出力切替信号を出力する。ゲート出力回路22-1は、出力切替信号を入力すると、スイッチング素子Q1をオン状態に駆動するときのゲート抵抗を、抵抗素子Rgon1から抵抗素子Rgon2に切り替え、ゲート抵抗の値を増大させる。その結果、スイッチング素子Q1に対するゲート駆動電流が低下し、スイッチング素子Q1のドレイン電流も低下し、スイッチング素子Q1の駆動電流が低下するように調整される。 The control circuit 21 also executes steps S2 to S4 shown in FIG. 4 while switching element Q2 is on. That is, when a determination signal indicating a polarity reversal of current I1 (in this case, a reversal from negative to positive) is input to the control circuit 21, it outputs an output switching signal to the gate output circuit 22-1 connected to switching element Q1. When the output switching signal is input, the gate output circuit 22-1 switches the gate resistance used when driving switching element Q1 to the on state from resistor Rgon1 to resistor Rgon2, increasing the gate resistance value. As a result, the gate drive current for switching element Q1 decreases, and the drain current of switching element Q1 also decreases, adjusting the drive current of switching element Q1 to decrease.
調整によってドレイン電流が低下することにより、スイッチング素子Q1をオン状態に遷移させる速度が低下する。したがって、スイッチング素子Q2がオン状態となっている期間において、負荷4が高負荷になった場合でも、スイッチング素子Q1をオン状態に遷移させるときに発生する貫通電流の時間変化量を低減させ、サージ電圧やノイズの発生を抑制することが可能となる。 By reducing the drain current through this adjustment, the speed at which switching element Q1 transitions to the ON state slows down. Therefore, even if load 4 becomes heavily loaded while switching element Q2 is in the ON state, the amount of change over time in the through current that occurs when switching element Q1 transitions to the ON state is reduced, making it possible to suppress the generation of surge voltages and noise.
図6において、破線で示したドレイン電流変化Id_1は、抵抗素子を切り替えずに、ゲート抵抗として抵抗素子Rgon1を用いた場合のドレイン電流の変化を示しており、実線で示したドレイン電流変化Id_2は、実施の形態1に従ってゲート抵抗を抵抗素子Rgon2に切り替えた場合のドレイン電流の変化を示している。また、破線で示した電圧変化Vsg_1は、抵抗素子を切り替えずに、ゲート抵抗として抵抗素子Rgon1を用いた場合の電圧Vds1、Vds2の変化を示しており、実線で示した電圧変化Vsg_2は、実施の形態1に従ってゲート抵抗を抵抗素子Rgon2に切り替えた場合の電圧Vds1、Vds2の変化を示している。この電圧変化Vsg_1およびVsg_2が、サージ電圧とノイズとなる。 In FIG. 6, the drain current change Id_1 indicated by the dashed line represents the change in drain current when resistor Rgon1 is used as the gate resistor without switching resistor elements, and the drain current change Id_2 indicated by the solid line represents the change in drain current when the gate resistor is switched to resistor Rgon2 in accordance with embodiment 1. Furthermore, the voltage change Vsg_1 indicated by the dashed line represents the change in voltages Vds1 and Vds2 when resistor Rgon1 is used as the gate resistor without switching resistor elements, and the voltage change Vsg_2 indicated by the solid line represents the change in voltages Vds1 and Vds2 when the gate resistor is switched to resistor Rgon2 in accordance with embodiment 1. These voltage changes Vsg_1 and Vsg_2 become surge voltages and noise.
実施の形態1によれば、ドレイン電流変化が発生している時間が長くなるが、そのピーク値を低下させることができる。その結果、図6に示すように、電圧変化Vsg_2は、電圧変化Vsg_1を比べて小さくなり、発生するサージ電圧やノイズを小さく抑制することができる。 According to embodiment 1, the time during which the drain current change occurs is longer, but the peak value can be reduced. As a result, as shown in FIG. 6, the voltage change Vsg_2 is smaller than the voltage change Vsg_1, making it possible to suppress the surge voltage and noise that occur.
実施の形態1に係る制御回路21には、ゲート出力回路22(22-1、22-2)に対して、出力切替信号を出力している期間(出力切替期間)が予め設定されている。この設定されている出力切替期間の間、ゲート出力回路22は、ゲート抵抗として、抵抗素子Rgonを用い、低いゲート駆動電流を出力する。実施の形態1においては、出力切替期間は、電流I1の極性の反転が判定されてから、スイッチング素子Q1およびQ2をオンオフするまでの時間よりも長く、かつスイッチング素子Q1およびQ2がオンオフする周期の半分(半周期)よりも短く設定されている。 In the control circuit 21 according to the first embodiment, a period (output switching period) during which an output switching signal is output to the gate output circuit 22 (22-1, 22-2) is preset. During this set output switching period, the gate output circuit 22 uses the resistive element Rgon as a gate resistor and outputs a low gate drive current. In the first embodiment, the output switching period is set to be longer than the time from when the polarity reversal of the current I1 is determined to when the switching elements Q1 and Q2 are turned on and off, and shorter than half the cycle (half period) during which the switching elements Q1 and Q2 are turned on and off.
図6を例にして述べると、出力切替期間は、時刻t12から時刻t2までの時間よりも長く、時刻t1から時刻t2までの時間よりも短く設定されている。出力切替期間を設定することによって、負荷4が高負荷となっていることを電流I1の極性反転として検知した周期においては、スイッチング素子をオン状態に遷移させるときに、出力回路から出力されるゲート駆動電流を低い値(低いレベル)に抑制し、次にスイッチング素子をオンオフさせる際には、ゲート抵抗として抵抗素子Rgon1を用いて、ゲート駆動電流を高いレベルにし、高速にスイッチングさせることが可能となる。 Using Figure 6 as an example, the output switching period is set to be longer than the time from time t12 to time t2, but shorter than the time from time t1 to time t2. By setting the output switching period, during the period in which a high load on load 4 is detected as a polarity reversal of current I1, the gate drive current output from the output circuit is suppressed to a low value (low level) when the switching element is transitioned to the on state. Next, when the switching element is turned on or off, resistor element Rgon1 is used as the gate resistor, raising the gate drive current to a high level and enabling high-speed switching.
<<スイッチング素子の構造>>
実施の形態1においては、スイッチング素子Q1およびQ2として、前記したようにGaN-HEMTが用いられている。ここで、GaN-HEMTの一例を説明しておく。図7は、実施の形態1に係る電力変換装置で用いられているGaN-HEMTの構造を示す断面図である。
<<Switching element structure>>
In the first embodiment, as described above, GaN-HEMTs are used as the switching elements Q1 and Q2. An example of a GaN-HEMT will now be described. Fig. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a GaN-HEMT used in the power conversion device according to the first embodiment.
図7において、500はGaN-HEMTを示している。GaN-HEMTは、基板501と、基板501上に形成されたバッファ層502と、バッファ層502上に形成された窒化ガリウム(GaN)層503と、窒化ガリウム層503上に形成された窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層504と、窒化アルミニウムガリウム層504上の所定の位置にP型窒化ガリウム(P-GaN)層505を介して形成されたゲート電極507と、窒化アルミニウムガリウム層504上であって、ゲート電極507と分離された位置に形成されたソース電極506およびドレイン電極508とを備えている。 In Figure 7, 500 denotes a GaN-HEMT. The GaN-HEMT comprises a substrate 501, a buffer layer 502 formed on the substrate 501, a gallium nitride (GaN) layer 503 formed on the buffer layer 502, an aluminum gallium nitride (AlGaN) layer 504 formed on the gallium nitride layer 503, a gate electrode 507 formed at a predetermined position on the aluminum gallium nitride layer 504 via a p-type gallium nitride (p-GaN) layer 505, and a source electrode 506 and a drain electrode 508 formed on the aluminum gallium nitride layer 504 at positions separated from the gate electrode 507.
ゲート電極507が、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に該当し、ソース電極506およびドレイン電極508は、スイッチング素子Q1およびQ2のソース端子およびドレイン端子と該当している。また、スイッチング素子(例えばQ1)の出力容量(Cp1)は、ソース電極506を一方の端子とし、ドレイン電極508を他方の端子とした寄生キャパシタである。すなわち、出力容量(Cp1)は、スイッチング素子(Q1)のソース端子とドレイン端子との間に接続されている。 The gate electrode 507 corresponds to the gate terminal of the switching elements Q1 and Q2, and the source electrode 506 and drain electrode 508 correspond to the source terminal and drain terminal of the switching elements Q1 and Q2. The output capacitance (Cp1) of a switching element (e.g., Q1) is a parasitic capacitor with the source electrode 506 as one terminal and the drain electrode 508 as the other terminal. In other words, the output capacitance (Cp1) is connected between the source terminal and drain terminal of the switching element (Q1).
図7に示したように、GaN-HEMTでは、ボディダイオードが形成されないため、ボディダイオードを流れるリカバリ電流による損失が発生するのを防ぐことが可能である。したがって、実施の形態1によれば、負荷4が高負荷になって、共振外れが発生しても、リカバリ電流による損失が発生しないため、素子(GaN-HEMT)が破壊される可能性を低減することができる。 As shown in Figure 7, a GaN-HEMT does not form a body diode, making it possible to prevent losses due to the recovery current flowing through the body diode. Therefore, according to embodiment 1, even if the load 4 becomes high and off-resonance occurs, losses due to the recovery current do not occur, reducing the possibility of the element (GaN-HEMT) being destroyed.
実施の形態1によれば、負荷4が高負荷状態になり、共振外れが発生しても、ハーフブリッジ回路1を構成するスイッチング素子Q1、Q2を貫通して流れる電流の時間変化dI/dtを抑制し、サージ電圧やノイズの増大を抑えることができる。したがって、電力変換装置101の安定動作が可能となる。 According to embodiment 1, even if the load 4 is in a high load state and resonance is lost, the time change dI/dt of the current flowing through the switching elements Q1 and Q2 that make up the half-bridge circuit 1 can be suppressed, thereby suppressing increases in surge voltage and noise. This enables stable operation of the power conversion device 101.
実施の形態1では、ゲート出力回路22として、図3に示したように電界効果型トランジスタを用いた構成を説明したが、電界効果型トランジスタの代わりに、スイッチング素子と同様にGaN-HEMTを用いるようにしてもよい。 In embodiment 1, a configuration using a field-effect transistor as the gate output circuit 22 as shown in Figure 3 was described, but GaN-HEMTs may also be used instead of field-effect transistors, as with the switching elements.
また、スイッチング素子Q1、Q2を構成するGaN-HEMTと、検出回路5とは、同一の半導体チップの半導体基板上に形成してもよい。 Furthermore, the GaN-HEMTs that make up the switching elements Q1 and Q2 and the detection circuit 5 may be formed on the semiconductor substrate of the same semiconductor chip.
(実施の形態2)
実施の形態2においては、図2に示したゲート出力回路22が変更される。図8は、実施の形態2に係るゲート出力回路の構成を示す回路図である。実施の形態2に係る電力変換装置が実施の形態1に係る電力変換装置と異なる点は、ゲート出力回路の構成が図3に示されたものから図8に示されているものに変更されている点である。したがって、以下では、説明上必要がない限り、ゲート出力回路のみを説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the gate output circuit 22 shown in Fig. 2 is modified. Fig. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the gate output circuit according to the second embodiment. The power conversion device according to the second embodiment differs from the power conversion device according to the first embodiment in that the configuration of the gate output circuit is changed from that shown in Fig. 3 to that shown in Fig. 8. Therefore, hereinafter, only the gate output circuit will be described unless otherwise necessary for the explanation.
実施の形態2に係るゲート出力回路は、実施の形態1と異なり、ゲート駆動電流を切り替えるのにカレントミラー回路が用いられている。 The gate output circuit of embodiment 2 differs from embodiment 1 in that it uses a current mirror circuit to switch the gate drive current.
図8において、22aは、ゲート出力回路を示している。ゲート出力回路22aは、PMOSトランジスタPTr1と、PMOSトランジスタPTr-CM1およびPTr-CM2により構成されたカレントミラー回路CMと、入力に応じた電圧値を出力する電圧生成回路Vrefと、オペアンプOPrefと、NMOSトランジスタNTrおよびNTr-refと、抵抗素子RrefおよびRgoffと、インバータゲートinvとを備えている。 In Figure 8, 22a denotes the gate output circuit. The gate output circuit 22a includes a PMOS transistor PTr1, a current mirror circuit CM composed of PMOS transistors PTr-CM1 and PTr-CM2, a voltage generation circuit Vref that outputs a voltage value according to the input, an operational amplifier OPref, NMOS transistors NTr and NTr-ref, resistor elements Rref and Rgoff, and an inverter gate inv.
カレントミラー回路CMを構成するPMOSトランジスタPTr-CM1およびPTr-CM2タのソース端子は、電圧線Vgonに接続されている。電圧線Vgonに印加される電圧は、スイッチング素子Q1およびQ2(図1)をオン状態にするために、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に印加する電圧である。PMOSトランジスタPTr-CM1およびPTr-CM2のゲート端子は互いに接続され、またPMOSトランジスタPTr-CM1のドレイン端子と接続されている。PMOSトランジスタPTr-CM1のドレイン端子はNOMSトランジスタNTr-refのドレイン端子と接続されている。PMOSトランジスタPTr-CM2のドレイン端子は出力端子T223に接続されている。 The source terminals of PMOS transistors PTr-CM1 and PTr-CM2, which make up current mirror circuit CM, are connected to voltage line Vgon. The voltage applied to voltage line Vgon is the voltage applied to the gate terminals of switching elements Q1 and Q2 (Figure 1) to turn them on. The gate terminals of PMOS transistors PTr-CM1 and PTr-CM2 are connected to each other and to the drain terminal of PMOS transistor PTr-CM1. The drain terminal of PMOS transistor PTr-CM1 is connected to the drain terminal of PMOS transistor NTr-ref. The drain terminal of PMOS transistor PTr-CM2 is connected to output terminal T223.
PMOSトランジスタPTr1のソース端子は電圧線Vgonに接続され、そのドレイン端子はNMOSトランジスタNTr-refのドレイン端子と接続される。NMOSトランジスタNTrのソース端子は、電圧線Vgoffに接続されている。電圧線Vgoffに印加される電圧は、スイッチング素子Q1およびQ2をオフ状態にするために、スイッチング素子Q1およびQ2のゲート端子に印加する電圧である。NMOSトランジスタNTrのドレイン端子は抵抗素子Rgoffの一方の端子に接続され、抵抗素子Rgoffの他方の端子は出力端子T223に接続されている。 The source terminal of PMOS transistor PTr1 is connected to voltage line Vgon, and its drain terminal is connected to the drain terminal of NMOS transistor NTr-ref. The source terminal of NMOS transistor NTr is connected to voltage line Vgoff. The voltage applied to voltage line Vgoff is the voltage applied to the gate terminals of switching elements Q1 and Q2 to turn them off. The drain terminal of NMOS transistor NTr is connected to one terminal of resistor element Rgoff, and the other terminal of resistor element Rgoff is connected to output terminal T223.
電圧生成回路Vrefの出力はオペアンプOPrefの非反転入力端子(+)に接続されている。オペアンプOPrefの反転入力端子(-)は、NMOSトランジスタNTr-refのソース端子に接続され、その出力端子は、NMOSトランジスタNT-refのゲート端子に接続されている。また、NMOSトランジスタNTr-refのソース端子は抵抗素子Rrefの一方の端子に接続され、抵抗素子Rrefの他方の端子は電圧線Vgoffに接続されている。したがって、NMOSトランジスタNTr-refのドレイン端子からソース端子に流れる電流は、電圧生成回路Vrefの出力電圧と抵抗素子Rrefの抵抗値との比(出力電圧/Rref)と等しくなる。抵抗素子Rrefの抵抗値が固定であるため、NMOSトランジスタNTr-refのドレイン端子からソース端子に流れる電流は、電圧生成回路Vrefの出力電圧に比例した値となる。 The output of the voltage generation circuit Vref is connected to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier OPref. The inverting input terminal (-) of the operational amplifier OPref is connected to the source terminal of the NMOS transistor NTr-ref, and its output terminal is connected to the gate terminal of the NMOS transistor NTr-ref. The source terminal of the NMOS transistor NTr-ref is connected to one terminal of the resistor element Rref, and the other terminal of the resistor element Rref is connected to the voltage line Vgoff. Therefore, the current flowing from the drain terminal to the source terminal of the NMOS transistor NTr-ref is equal to the ratio of the output voltage of the voltage generation circuit Vref to the resistance value of the resistor element Rref (output voltage/Rref). Because the resistance value of the resistor element Rref is fixed, the current flowing from the drain terminal to the source terminal of the NMOS transistor NTr-ref is proportional to the output voltage of the voltage generation circuit Vref.
制御回路21(図2)から出力されたゲート信号は、入力端子T222を介してPMOSトランジスタPTr1のゲート端子に供給され、また、インバータゲートinvの入力に供給される。インバータゲートinvの出力は、NMOSトランジスタNTrのゲート端子に接続される。制御回路21から出力された出力切替信号は、入力端子T221を介して、電圧生成回路Vrefに入力として供給される。出力切替信号が入力として供給されるため、電圧生成回路Vrefは、出力切替信号がハイレベル(“1”)の場合、出力切替信号がロウレベル(“0”)の場合に比べて、低い電圧を出力するように動作する。 The gate signal output from the control circuit 21 (Figure 2) is supplied to the gate terminal of PMOS transistor PTr1 via input terminal T222, and also to the input of inverter gate inv. The output of inverter gate inv is connected to the gate terminal of NMOS transistor NTr. The output switching signal output from the control circuit 21 is supplied as an input to the voltage generation circuit Vref via input terminal T221. Because the output switching signal is supplied as an input, the voltage generation circuit Vref operates to output a lower voltage when the output switching signal is high level ("1") compared to when the output switching signal is low level ("0").
制御回路21(図2)から出力されたゲート信号がロウレベル(“0”)の期間では、PMOSトランジスタPTr1がオン状態となるため、PMOSトランジスタPTr-CM1のドレイン端子とソース端子間の電圧はほとんどゼロとなる。PMOSトランジスタPTr-CM1のドレイン端子とゲート端子は接続されているため、PMOSトランジスタPTr-CM1はオフ状態となり、カレントミラー回路CMを構成するPMOSトランジスタPTr-CM2のソース端子とドレイン端子間には電流が流れない。このとき、インバータゲートinvの出力はハイレベル(“1”)となるため、NMOSトランジスタNTrはオン状態となる。したがって、抵抗素子Rgoffがゲート抵抗として機能し、スイッチング素子Q1もしくはQ2に、それをオフ状態にするゲートオフ電圧が出力されることになる。 When the gate signal output from the control circuit 21 (Figure 2) is low level ("0"), PMOS transistor PTr1 is on, and the voltage between the drain and source terminals of PMOS transistor PTr-CM1 is almost zero. Because the drain and gate terminals of PMOS transistor PTr-CM1 are connected, PMOS transistor PTr-CM1 is off, and no current flows between the source and drain terminals of PMOS transistor PTr-CM2, which constitutes the current mirror circuit CM. At this time, the output of inverter gate inv is high level ("1"), and NMOS transistor NTr is on. Therefore, resistor Rgoff functions as a gate resistor, and a gate-off voltage is output to switching element Q1 or Q2, turning it off.
一方、制御回路21から出力されたゲート信号がハイレベル(“1”)の期間では、インバータゲートinvの出力はロウレベル(“0”)となるため、NMOSトランジスタNTrはオフ状態となる。このとき、ハイレベルのゲート信号によって、PMOSトランジスタPTrがオフ状態となるため、カレントミラー回路CMが動作し、PMOSトランジスタPTr-CM1のソース端子からドレイン端子に流れる電流に比例した電流が、PMOSトランジスタPTr-CM2のソース端子からドレイン端子に流れる。PMOSトランジスタPTr-CM1とNMOSトランジスタNTr-refとは直列に接続されているため、PMOSトランジスタPTr-CM1のソース端子からドレイン端子に流れる電流は、NMOSトランジスタNTr-refのドレイン端子からソース端子に流れる電流と等しくなる。したがって、電圧生成回路Vrefの出力電圧に比例した電流が、出力端子T223を介してスイッチング素子Q1もしくはQ2のゲート端子に出力される。出力切替信号がハイレベル(“1”)の場合、電圧生成回路Vrefの出力電圧は、出力切替信号がロウレベル(“0”)の場合に比べて低くなるため、実施の形態2に係るゲート出力回路22aを備えたゲート駆動回路2(図2)から出力されるゲート駆動電流の出力は、低いレベルに切り替わる動作となる。 On the other hand, when the gate signal output from the control circuit 21 is high level ("1"), the output of the inverter gate inv is low level ("0"), turning off the NMOS transistor NTr. At this time, the high-level gate signal turns off the PMOS transistor PTr, causing the current mirror circuit CM to operate, and a current proportional to the current flowing from the source terminal to the drain terminal of the PMOS transistor PTr-CM1 flows from the source terminal to the drain terminal of the PMOS transistor PTr-CM2. Because the PMOS transistor PTr-CM1 and the NMOS transistor NTr-ref are connected in series, the current flowing from the source terminal to the drain terminal of the PMOS transistor PTr-CM1 is equal to the current flowing from the drain terminal to the source terminal of the NMOS transistor NTr-ref. Therefore, a current proportional to the output voltage of the voltage generation circuit Vref is output to the gate terminal of the switching element Q1 or Q2 via the output terminal T223. When the output switching signal is high level ("1"), the output voltage of the voltage generation circuit Vref is lower than when the output switching signal is low level ("0"), and therefore the output of the gate drive current output from the gate drive circuit 2 (Figure 2) equipped with the gate output circuit 22a according to embodiment 2 is switched to a low level.
図8においては、電圧生成回路Vrefと、オペアンプOPrefと、NMOSトランジスタNTr-refと、抵抗素子Rrefとによって、入力端子T221に供給される出力切替信号のレベルに従った電流を出力する電流回路が構成されていると見なすことができる。この場合、電流回路から出力された電流に比例した電流が、スイッチング素子Q1またはQ2のゲート端子にゲート駆動電流として、カレントミラー回路CMから出力されることになる。 In Figure 8, the voltage generation circuit Vref, operational amplifier OPref, NMOS transistor NTr-ref, and resistor element Rref can be considered to constitute a current circuit that outputs a current according to the level of the output switching signal supplied to input terminal T221. In this case, a current proportional to the current output from the current circuit is output from current mirror circuit CM to the gate terminal of switching element Q1 or Q2 as gate drive current.
実施の形態2によれば、ゲート出力回路22aから出力されるゲート駆動電流のレベルを、出力切替信号に応じて切り替えることができる。実施の形態1と同様に、電力変換装置において共振外れが発生した場合、判定回路6(図1)の出力に応じて、ゲート駆動回路2の制御回路21が、出力切替信号を生成することで、貫通電流の時間変化量を抑制し、サージ電圧やノイズの発生を抑えることが可能となる。さらに、実施の形態2によれば、図3に示した抵抗素子Rgon1およびRgon2に対応する抵抗素子が必要となくなり、これらの抵抗素子での電力損失の発生を低減することができる。 According to embodiment 2, the level of the gate drive current output from gate output circuit 22a can be switched in response to an output switching signal. As with embodiment 1, when an off-resonance state occurs in the power conversion device, control circuit 21 of gate drive circuit 2 generates an output switching signal in response to the output of determination circuit 6 (Figure 1), thereby suppressing the amount of change in the through current over time and making it possible to suppress the generation of surge voltages and noise. Furthermore, according to embodiment 2, resistance elements corresponding to resistance elements Rgon1 and Rgon2 shown in Figure 3 are no longer necessary, making it possible to reduce power loss in these resistance elements.
また、ゲート出力回路から出力するゲート駆動電流のレベルを、2段階よりも増やす場合、図3に示したゲート出力回路22では、ゲート駆動電流のレベルの数に応じて、ゲートオン時の出力を駆動するPMOSトランジスタ(図3のPTr1、PTr2に相当)と、抵抗素子(Rgon1、Rgon2に相当)と、PMOSトランジスタのゲートを制御するオアゲート(or1、or2に相当)を増やす必要がある。これに対して、実施の形態2によれば、電圧生成回路Vrefの出力電圧を多段(3段以上)にするだけで良いため、簡単な構成で実現することが可能となる。また、出力切替信号に応じて、ゲート駆動電流の出力を速やかに切り替えることが可能となり、電力変換装置を高い動作周波数で動作させることが可能となる。なお、実施の形態2においても、ゲート出力回路22aを構成するトランジスタは、電界効果トランジスタに限定されず、例えばGaN-HEMTであってもよい。 Furthermore, when the number of levels of gate drive current output from the gate output circuit is increased beyond two, the gate output circuit 22 shown in FIG. 3 requires an increase in the number of PMOS transistors (corresponding to PTr1 and PTr2 in FIG. 3) that drive the output when the gate is on, resistive elements (corresponding to Rgon1 and Rgon2), and OR gates (corresponding to or1 and or2) that control the gates of the PMOS transistors, depending on the number of gate drive current levels. In contrast, according to the second embodiment, it is only necessary to set the output voltage of the voltage generation circuit Vref to multiple levels (three or more), thereby enabling a simple configuration. Furthermore, the output of the gate drive current can be quickly switched in response to an output switching signal, enabling the power conversion device to operate at a high operating frequency. Note that, even in the second embodiment, the transistors that make up the gate output circuit 22a are not limited to field-effect transistors and may be, for example, GaN-HEMTs.
(実施の形態3)
図9は、実施の形態3に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図9は、図1と類似しているので、相違点を主に説明する。主な相違点は、図9に示されている電力変換装置では、ハーフブリッジ回路の代わりにフルブリッジ回路が用いられている点である。
(Embodiment 3)
Fig. 9 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device according to embodiment 3. Fig. 9 is similar to Fig. 1, so differences will be mainly described. The main difference is that the power conversion device shown in Fig. 9 uses a full-bridge circuit instead of a half-bridge circuit.
図9において、101aは実施の形態3に係る電力変換装置を示している。電力変換装置101aは、ハーフブリッジ回路1(図1)の代わりにフルブリッジ回路7を備えている。すなわち、電力変換装置101aは、フルブリッジ回路7、ゲート駆動回路2、検出回路5、判定回路6、共振用キャパシタCr、一次巻線Tr1と二次巻線Tr2-1およびTr2-2とで構成されるトランスTr、ダイオードD1およびD2と平滑キャパシタCoとで構成される整流回路3を備えている。入力端子T1およびT2には、外部の直流電源Viが接続され、出力端子T3およびT4には負荷4が接続される。実施の形態3においても、直流電源Viは、例えばバッテリやAC/DCコンバータ等の直流電源を供給する装置である。 In FIG. 9, reference numeral 101a denotes a power conversion device according to embodiment 3. Power conversion device 101a includes a full-bridge circuit 7 instead of half-bridge circuit 1 (FIG. 1). That is, power conversion device 101a includes full-bridge circuit 7, gate drive circuit 2, detection circuit 5, determination circuit 6, resonance capacitor Cr, transformer Tr configured with primary winding Tr1 and secondary windings Tr2-1 and Tr2-2, and rectifier circuit 3 configured with diodes D1 and D2 and smoothing capacitor Co. An external DC power supply Vi is connected to input terminals T1 and T2, and a load 4 is connected to output terminals T3 and T4. In embodiment 3 as well, DC power supply Vi is a device that supplies DC power, such as a battery or AC/DC converter.
直流電源Viの両端子間には、入力端子T1およびT2を介して、フルブリッジ回路7が接続されている。フルブリッジ回路7においては、スイッチング素子Q1とQ2とが直列に接続され、スイッチング素子Q3とQ4とが直列に接続されている。スイッチング素子Q1~Q4は、例えば半導体チップのシリコン基板上に形成されたGaN-HEMTによって構成されている。フルブリッジ回路7において、スイッチング素子Q1およびQ3のドレイン端子は、入力端子T1を介して直流電源Viに接続されている。スイッチング素子Q1のソース端子とスイッチング素子Q2のドレイン端子とが接続され、またスイッチング素子Q3のソース端子とスイッチング素子Q4のドレイン端子とが接続されている。スイッチング素子Q2およびQ4のソース端子は入力端子T2を介して直流電源Viに接続されている。 A full-bridge circuit 7 is connected between both terminals of the DC power supply Vi via input terminals T1 and T2. In the full-bridge circuit 7, switching elements Q1 and Q2 are connected in series, and switching elements Q3 and Q4 are connected in series. Switching elements Q1 to Q4 are composed of, for example, GaN-HEMTs formed on the silicon substrate of a semiconductor chip. In the full-bridge circuit 7, the drain terminals of switching elements Q1 and Q3 are connected to the DC power supply Vi via input terminal T1. The source terminal of switching element Q1 is connected to the drain terminal of switching element Q2, and the source terminal of switching element Q3 is connected to the drain terminal of switching element Q4. The source terminals of switching elements Q2 and Q4 are connected to the DC power supply Vi via input terminal T2.
スイッチング素子Q1およびQ4のゲート端子は、ゲート駆動回路2の一方のゲート出力、例えば図2のT23に接続されている。スイッチング素子Q2およびQ3のゲート端子は、ゲート駆動回路2の他方のゲート出力(図2のT24)に接続されている。また、スイッチング素子Q1のソース端子とスイッチング素子Q2のドレイン端子とが接続された節点(ノード)と、スイッチング素子Q3のソース端子とスイッチング素子Q4のドレイン端子とが接続された節点との間に、検出回路5と、共振用キャパシタCrと、トランスTrの一次巻線Tr1とが直列的に接続されている。したがって、フルブリッジ回路7においては、対角に位置するスイッチング素子(スイッチング素子対)Q1およびQ4が同時にオンオフし、また同様に対角に位置するスイッチング素子(スイッチング素子対)Q2およびQ3が同時にオンオフする。 The gate terminals of switching elements Q1 and Q4 are connected to one gate output of gate drive circuit 2, for example, T23 in Figure 2. The gate terminals of switching elements Q2 and Q3 are connected to the other gate output of gate drive circuit 2 (T24 in Figure 2). Furthermore, detection circuit 5, resonant capacitor Cr, and primary winding Tr1 of transformer Tr are connected in series between the node connecting the source terminal of switching element Q1 and the drain terminal of switching element Q2, and the node connecting the source terminal of switching element Q3 and the drain terminal of switching element Q4. Therefore, in full-bridge circuit 7, diagonally positioned switching elements (switching element pair) Q1 and Q4 are simultaneously turned on and off, and similarly, diagonally positioned switching elements (switching element pair) Q2 and Q3 are simultaneously turned on and off.
スイッチング素子Q1およびQ4がオンする期間の動作については、スイッチング素子Q4のドレイン端子とソース端子間の電圧がほとんどゼロであるため、実施の形態1である、ハーフブリッジ回路1を用いた回路と同等となり、実施の形態1と同等の動作が行われる。すなわち、直流電源Vi、スイッチング素子Q1およびQ4、検出回路5、共振用キャパシタCr、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路に電流I1が流れる。 When switching elements Q1 and Q4 are on, the voltage between the drain and source terminals of switching element Q4 is almost zero, so the operation is equivalent to that of a circuit using half-bridge circuit 1 in embodiment 1, and the same operation as in embodiment 1 is performed. That is, current I1 flows through a resonant switching circuit including DC power supply Vi, switching elements Q1 and Q4, detection circuit 5, resonant capacitor Cr, and primary winding Tr1 of transformer Tr.
一方、スイッチング素子Q2およびQ3がオンする期間の動作については、実施の形態1と異なり、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路を流れる電流I2の経路に直流電源Viが含まれるようになる。したがって、フルブリッジ回路7を用いる実施の形態3によれば、スイッチング素子Q1およびQ4がオンする期間に加えて、スイッチング素子Q2およびQ3がオンする期間においても、直流電源Viから電流の供給を行う動作となるため、スイッチング素子Q1~Q4に、実施の形態1のスイッチング素子と同じ電流量を流した場合に比べて、電力変換装置101aから出力することが可能な電流を増大させることができる。したがって、大電流を出力する電力変換装置に適した動作が可能となる。 On the other hand, unlike in embodiment 1, operation during the period when switching elements Q2 and Q3 are on involves the DC power supply Vi being included in the path of current I2 flowing through the resonant switching circuit including the primary winding Tr1 of the transformer Tr. Therefore, according to embodiment 3 using full bridge circuit 7, current is supplied from DC power supply Vi not only during the period when switching elements Q1 and Q4 are on, but also during the period when switching elements Q2 and Q3 are on. This increases the current that can be output from power conversion device 101a compared to when the same amount of current is passed through switching elements Q1 to Q4 as in embodiment 1. This enables operation suitable for a power conversion device that outputs a large current.
実施の形態3においても、負荷4が例えば高負荷となった場合には、実施の形態1と同様に、スイッチング素子Q1とQ4との間およびスイッチング素子Q3とQ2との間を流れる貫通電流の時間変化量を抑制し、サージ電圧やノイズの発生を抑えることが可能となる。 In the third embodiment, as in the first embodiment, when the load 4 becomes high, for example, it is possible to suppress the amount of change over time in the through current flowing between switching elements Q1 and Q4 and between switching elements Q3 and Q2, thereby suppressing the generation of surge voltages and noise.
なお、実施の形態3においても、ゲート出力回路は、実施の形態2で述べた構成を採用するようにしてもよい。 In addition, in embodiment 3, the gate output circuit may also adopt the configuration described in embodiment 2.
(実施の形態4)
図10は、実施の形態4に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図10は、図1と類似しているので、以下、相違点を主に説明する。主な相違点は、図10では、2つのセンス素子が追加され、検知回路として、センス素子に対応する2つの検知回路が設けられ、2つの検知回路の出力が判定回路に供給されている点である。
(Fourth embodiment)
Fig. 10 is a circuit diagram showing the configuration of a power conversion device according to embodiment 4. Fig. 10 is similar to Fig. 1, so the differences will be mainly described below. The main differences are that in Fig. 10, two sense elements are added, two sense circuits corresponding to the sense elements are provided as sense circuits, and outputs of the two sense circuits are supplied to a determination circuit.
図10において、101bは、実施の形態4に係る電力変換装置を示している。電力変換装置101bは、ハーフブリッジ回路1a、ゲート駆動回路2、2つの検出回路5-1および5-2、判定回路6a、共振用キャパシタCr、一次巻線Tr1と二次巻線Tr2-1およびTr2-2とで構成されたトランスTr、ダイオードD1およびD2と平滑キャパシタCoとで構成された整流回路3を備えている。入力端子T1およびT2には、外部の直流電源Viが接続され、出力端子T3およびT4には負荷4が接続される。 In Figure 10, 101b indicates a power conversion device according to embodiment 4. The power conversion device 101b includes a half-bridge circuit 1a, a gate drive circuit 2, two detection circuits 5-1 and 5-2, a determination circuit 6a, a resonance capacitor Cr, a transformer Tr formed by a primary winding Tr1 and secondary windings Tr2-1 and Tr2-2, and a rectifier circuit 3 formed by diodes D1 and D2 and a smoothing capacitor Co. An external DC power supply Vi is connected to input terminals T1 and T2, and a load 4 is connected to output terminals T3 and T4.
ハーフブリッジ回路1aは、互いに直列的に接続されたスイッチング素子Q1aおよびQ2aを備えている。スイッチング素子Q1aおよびQ2aは、例えば半導体チップのシリコン基板上に形成されたGaN-HEMTによって構成されている。スイッチング素子Q1aおよびQ2aは、主な電流を流すスイッチング素子(主スイッチング素子)Q1a-fおよびQ2a-fと、スイッチング素子Q1aおよびQ2aに流れる電流を分流して流すスイッチング素子(センス用スイッチング素子)Q1a-sおよびQ2a-sと、を備えている。 The half-bridge circuit 1a includes switching elements Q1a and Q2a connected in series. The switching elements Q1a and Q2a are composed of, for example, GaN-HEMTs formed on the silicon substrate of a semiconductor chip. The switching elements Q1a and Q2a include switching elements (main switching elements) Q1a-f and Q2a-f that pass the main current, and switching elements (sensing switching elements) Q1a-s and Q2a-s that split the current flowing through the switching elements Q1a and Q2a and pass it.
スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sのそれぞれのドレイン端子は互いに接続されており、またスイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sのそれぞれのゲート端子も互いに接続されている。同様に、スイッチング素子Q2a-fおよびQ2a-sのそれぞれのドレイン端子は互いに接続されており、またスイッチング素子Q2a-fおよびQ2a-sのそれぞれのゲート端子も互いに接続されている。 The drain terminals of switching elements Q1a-f and Q1a-s are connected to each other, and the gate terminals of switching elements Q1a-f and Q1a-s are also connected to each other. Similarly, the drain terminals of switching elements Q2a-f and Q2a-s are connected to each other, and the gate terminals of switching elements Q2a-f and Q2a-s are also connected to each other.
実施の形態4で用いられる主スイッチング素子とセンス用スイッチング素子は、同一の半導体チップの半導体基板(シリコン基板)上に形成されている。図11は、実施の形態4に係る半導体チップの一部分を示す平面図である。図11には、半導体チップの半導体基板(シリコン基板)上に形成されたスイッチング素子Q1aの部分が示されている。 The main switching element and sense switching element used in embodiment 4 are formed on the semiconductor substrate (silicon substrate) of the same semiconductor chip. Figure 11 is a plan view showing a portion of a semiconductor chip according to embodiment 4. Figure 11 shows the portion of switching element Q1a formed on the semiconductor substrate (silicon substrate) of the semiconductor chip.
スイッチング素子Q1aに含まれているスイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sは、同一基板上に集積されている。図11において、符号Q1a-Tdは、スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sの共通のドレイン端子を示している。符号Q1a-Tgは、スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sの共通のゲート端子を示している。また、符号Q1a-Ts-fは、スイッチング素子Q1a-fのソース端子を示し、符号Q1a-Ts-sは、スイッチング素子Q1a-sのソース端子を示している。スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sのそれぞれのドレイン端子とゲート端子を互いに接続して、スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sを並列的に接続し、スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sを並列的に動作させることで、スイッチング素子Q1aに流れる電流の一部を、スイッチング素子Q1a-sに分流することで、スイッチング素子Q1a-sをセンス素子として用いている。 The switching elements Q1a-f and Q1a-s included in switching element Q1a are integrated on the same substrate. In Figure 11, the symbol Q1a-Td indicates the common drain terminal of switching elements Q1a-f and Q1a-s. The symbol Q1a-Tg indicates the common gate terminal of switching elements Q1a-f and Q1a-s. The symbol Q1a-Ts-f indicates the source terminal of switching element Q1a-f, and the symbol Q1a-Ts-s indicates the source terminal of switching element Q1a-s. The drain and gate terminals of switching elements Q1a-f and Q1a-s are connected to each other, connecting switching elements Q1a-f and Q1a-s in parallel and operating them in parallel. This diverts a portion of the current flowing through switching element Q1a to switching element Q1a-s, allowing switching element Q1a-s to be used as a sense element.
図11に示されているように、スイッチング素子Q1a-sのデバイス面積は、スイッチング素子Q1a-fのデバイス面積よりも小さくされている。図11には、スイッチング素子Q1aのみが示されているが、スイッチング素子Q2aについても、スイッチング素子Q1aと同様に構成されている。また、実施の形態4においては、スイッチング素子Q1aおよびQ2aは、同一の半導体基板上に形成されている。 As shown in Figure 11, the device area of switching element Q1a-s is smaller than the device area of switching element Q1a-f. While only switching element Q1a is shown in Figure 11, switching element Q2a is configured in the same way as switching element Q1a. Furthermore, in embodiment 4, switching elements Q1a and Q2a are formed on the same semiconductor substrate.
図10に戻って説明する。スイッチング素子Q1a-fのソース端子とスイッチング素子Q2aのドレイン端子とが接続されている。スイッチング素子Q2a-fのソース端子は入力端子T2を介して直流電源Viに接続されている。スイッチング素子Q1aおよびQ2aのゲート端子は、ゲート駆動回路2に接続されている。スイッチング素子Q1a-fのソース端子とスイッチング素子Q2aのドレイン端子とが接続された節点と、スイッチング素子Q2a-fのソース端子との間に、共振用キャパシタCrとトランスTrの一次巻線Tr1とが直列に接続されている。 Referring back to Figure 10, the source terminals of switching elements Q1a-f are connected to the drain terminal of switching element Q2a. The source terminals of switching elements Q2a-f are connected to DC power supply Vi via input terminal T2. The gate terminals of switching elements Q1a and Q2a are connected to gate drive circuit 2. Resonant capacitor Cr and primary winding Tr1 of transformer Tr are connected in series between the node connecting the source terminals of switching elements Q1a-f and the drain terminal of switching element Q2a and the source terminal of switching element Q2a-f.
また、スイッチング素子Q1a-fおよびQ1a-sのソース端子の間に、検出回路5-1が接続され、スイッチング素子Q2a-fおよびQ2a-sのソース端子の間に、検出回路5-2が接続されている。検出回路5-1および5-2は、例えばシャント抵抗、ホール素子、ロゴスキーコイル等を用いた電流センサである。検出回路5-1および5-2のそれぞれによって、スイッチング素子Q1a-sおよびQ2a-sに流れる電流の電流値が検出される。検出回路5-1および5-2によって検出された電流値はアナログ値として、判定回路6aに出力される。 Detection circuit 5-1 is connected between the source terminals of switching elements Q1a-f and Q1a-s, and detection circuit 5-2 is connected between the source terminals of switching elements Q2a-f and Q2a-s. Detection circuits 5-1 and 5-2 are current sensors that use, for example, shunt resistors, Hall elements, Rogowski coils, etc. Detection circuits 5-1 and 5-2 detect the current values of the currents flowing through switching elements Q1a-s and Q2a-s, respectively. The current values detected by detection circuits 5-1 and 5-2 are output as analog values to judgment circuit 6a.
判定回路6aは、例えばコンパレータ等の比較器と、例えばエッジ検出回路やマイクロプロセッサを用いたエッジ検出器により構成される。比較器は、電流検出回路5-1および5-2からの入力と、電流値がゼロの場合の検出値との大小を比較し、デジタル値として出力する。比較器から出力された信号はエッジ検出器に入力され、エッジ検出器は、比較器からの信号の立下りに対応した信号をゲート駆動回路2に出力する。 The judgment circuit 6a is composed of a comparator, for example, and an edge detector using an edge detection circuit or microprocessor, for example. The comparator compares the input from the current detection circuits 5-1 and 5-2 with the detected value when the current value is zero, and outputs the result as a digital value. The signal output from the comparator is input to the edge detector, which outputs a signal corresponding to the falling edge of the signal from the comparator to the gate drive circuit 2.
実施の形態1で説明したスイッチング素子Q1およびQ2は、実施の形態4におけるスイッチング素子Q1aおよびQ2aに対応するため、検出回路5-1および5-2からの出力される電流は、図5および図6に示した電流Id1およびId2に対応することになる。したがって、トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流I1の極性が、正から負へ反転する場合の判定信号として、検出回路5-1から出力される電流を用いている。すなわち、判定回路6aは、検出回路5-1から出力されている電流が、正から負へ反転したとき、電流I1の極性が正から負に反転したことを示す判定信号として出力される。 Since the switching elements Q1 and Q2 described in embodiment 1 correspond to the switching elements Q1a and Q2a in embodiment 4, the currents output from detection circuits 5-1 and 5-2 correspond to the currents Id1 and Id2 shown in FIGS. 5 and 6. Therefore, the current output from detection circuit 5-1 is used as a determination signal when the polarity of current I1 flowing through primary winding Tr1 of transformer Tr reverses from positive to negative. In other words, when the current output from detection circuit 5-1 reverses from positive to negative, determination circuit 6a outputs a determination signal indicating that the polarity of current I1 has reversed from positive to negative.
一方、トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流I1の極性が、負から正へ反転する場合の判定信号として、検出回路5-2から出力されている電流を用いている。すなわち、判定回路6aは、検出回路5-2から出力されている電流が、正から負へ反転したとき、電流I1の極性が負から正に反転したことを示す判定信号として出力される。ゲート駆動回路2は、判定回路6aからの判定信号を基にして、実施の形態1と同様の動作を行う。 On the other hand, the current output from detection circuit 5-2 is used as a determination signal when the polarity of current I1 flowing through primary winding Tr1 of transformer Tr reverses from negative to positive. That is, when the current output from detection circuit 5-2 reverses from positive to negative, determination circuit 6a outputs a determination signal indicating that the polarity of current I1 has reversed from negative to positive. Based on the determination signal from determination circuit 6a, gate drive circuit 2 performs the same operation as in embodiment 1.
実施の形態4によれば、スイッチング素子Q1aおよびQ2aを流れる電流を分流した電流を、それぞれ検出回路5-1および5-2により検出するため、検出される電流の絶対値の大きさは、トランスTrの一次巻線Tr1に流れる電流I1の絶対値よりも小さくなる。したがって、検出回路5-1および5-2を小型化することが可能となる。 In embodiment 4, the currents diverted from the currents flowing through switching elements Q1a and Q2a are detected by detection circuits 5-1 and 5-2, respectively, so the absolute value of the detected currents is smaller than the absolute value of current I1 flowing through primary winding Tr1 of transformer Tr. This makes it possible to reduce the size of detection circuits 5-1 and 5-2.
また、実施の形態4によれば、大電流の流れる経路である、トランスTrの一次巻線Tr1を含む共振スイッチング回路とは別の箇所に検出回路5-1および5-2を設けるため、共振スイッチング回路の寄生インダクタンスを小さくすることが可能となる。 Furthermore, according to embodiment 4, the detection circuits 5-1 and 5-2 are provided in a location separate from the resonant switching circuit including the primary winding Tr1 of the transformer Tr, which is the path through which a large current flows, thereby making it possible to reduce the parasitic inductance of the resonant switching circuit.
また、一般にセンス素子を集積したスイッチング素子を用いる場合、素子内部の温度分布等の影響により、電流センス比率は変動する。しかしながら、実施の形態4によれば、センス素子は、電流の極性(正、負)の反転を判定するために用いているだけであるため、センス素子によって検知された電流の比率(電流センス比率)の変動は、電力変換装置の動作に影響せずに、集積化したセンス素子を用いることが可能である。 In addition, when using a switching element with an integrated sense element, the current sense ratio generally fluctuates due to factors such as temperature distribution within the element. However, according to embodiment 4, the sense element is only used to determine the reversal of the current polarity (positive/negative), so fluctuations in the current ratio (current sense ratio) detected by the sense element do not affect the operation of the power conversion device, making it possible to use an integrated sense element.
図10に示した検出回路5-1は、スイッチング素子Q1aと同一の半導体基板上に形成してもよいし、検出回路5-2も、スイッチング素子Q2aと同一の半導体基板上に形成してもよい。 The detection circuit 5-1 shown in FIG. 10 may be formed on the same semiconductor substrate as the switching element Q1a, and the detection circuit 5-2 may also be formed on the same semiconductor substrate as the switching element Q2a.
なお、実施の形態4では、実施の形態1で説明した電力変換装置を基にした例を説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、実施の形態2および実施の形態3で説明した電力変換装置を基にしてもよい。 Note that in embodiment 4, an example based on the power conversion device described in embodiment 1 has been described, but this is not limited to this. In other words, it may also be based on the power conversion devices described in embodiments 2 and 3.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the inventor has been specifically described above based on the embodiments, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention.
1 ハーフブリッジ回路
2 ゲート駆動回路
3 整流回路
4 負荷
5、5-1、5-2 検出回路
6 判定回路
7 フルブリッジ回路
100、101、101a、101b 電力変換装置
Cp1、Cp2 出力容量
Q1、Q2、Q3、Q4、Q1a、Q2a スイッチング素子
RSC スイッチング回路
1 Half-bridge circuit 2 Gate drive circuit 3 Rectifier circuit 4 Load 5, 5-1, 5-2 Detection circuit 6 Determination circuit 7 Full-bridge circuit 100, 101, 101a, 101b Power conversion devices Cp1, Cp2 Output capacitance Q1, Q2, Q3, Q4, Q1a, Q2a Switching element RSC Switching circuit
Claims (12)
前記スイッチング素子のゲートに対してゲート駆動電流を出力して、前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート駆動回路と、
前記スイッチング回路に流れる電流を検出する検出回路と、
前記検出回路が検出した電流の極性の反転を判定する判定回路と、
を備え、
前記ゲート駆動回路は、前記判定回路による判定の結果に基づいて、前記ゲート駆動電流を調整するゲート調整回路を備え、
前記ゲート調整回路は、前記ゲート駆動電流を、何れも電流が流れた状態である少なくとも2つのレベルの間で切り替える出力切替信号を出力し、
前記ゲート調整回路は、前記判定回路によって前記極性の反転が判定されたとき、前記ゲート駆動回路が出力する前記ゲート駆動電流を低いレベルに切り替える前記出力切替信号を出力する、
電力変換装置。 a switching circuit including a transformer having a plurality of switching elements, a capacitor, and a primary winding connected in series with the capacitor;
a gate drive circuit that outputs a gate drive current to the gate of the switching element to control the on/off of the switching element;
a detection circuit for detecting a current flowing through the switching circuit;
a determination circuit for determining whether the polarity of the current detected by the detection circuit is reversed;
Equipped with
the gate drive circuit includes a gate adjustment circuit that adjusts the gate drive current based on the result of the determination by the determination circuit;
the gate adjustment circuit outputs an output switching signal for switching the gate drive current between at least two levels in both of which a current flows;
the gate adjustment circuit outputs the output switching signal for switching the gate drive current output by the gate drive circuit to a low level when the polarity reversal is determined by the determination circuit.
Power conversion device.
前記ゲート調整回路は、前記ゲート駆動電流を低いレベルに切り替えてから、所定の期間後に、前記ゲート駆動電流を高いレベルに切り替える前記出力切替信号を出力する、
電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
the gate adjustment circuit outputs the output switching signal for switching the gate drive current to a high level after a predetermined period of time has elapsed since the gate drive current was switched to a low level;
Power conversion device.
前記ゲート駆動回路は、互いに抵抗値が異なる複数のゲート抵抗と、前記複数のゲート抵抗から、前記出力切替信号に応じたゲート抵抗を選択し、選択されたゲート抵抗を所定の電圧と前記スイッチング素子のゲート端子との間に接続するスイッチ回路を備える、
電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
the gate drive circuit includes a plurality of gate resistors having different resistance values, and a switch circuit that selects a gate resistor from the plurality of gate resistors in accordance with the output switching signal and connects the selected gate resistor between a predetermined voltage and the gate terminal of the switching element.
Power conversion device.
前記ゲート駆動回路は、前記出力切替信号に応じて電流値が変化する電流回路と、前記電流回路に流れる電流に比例した電流を出力するカレントミラー回路とを備える、
電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
The gate drive circuit includes a current circuit whose current value changes in response to the output switching signal, and a current mirror circuit that outputs a current proportional to the current flowing through the current circuit.
Power conversion device.
前記複数のスイッチング素子は、2つのスイッチング素子を備え、
前記ゲート調整回路は、前記2つのスイッチング素子のうちの一方のスイッチング素子がオン状態のとき、他方のスイッチング素子のゲート駆動電流を低いレベルに調整する、
電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 4,
the plurality of switching elements includes two switching elements,
the gate adjustment circuit adjusts the gate drive current of one of the two switching elements to a low level when the other switching element is in an on state;
Power conversion device.
前記複数のスイッチング素子は、対角上に位置する2つのスイッチング素子対を備え、
前記ゲート調整回路は、前記スイッチング素子対のうちの一方のスイッチング素子がオン状態のとき、他方のスイッチング素子のゲート駆動電流を低いレベルに調整する、
電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 4,
the plurality of switching elements include two pairs of switching elements positioned diagonally opposite each other;
the gate adjustment circuit adjusts the gate drive current of one switching element of the pair of switching elements to a low level when the other switching element is in an on state;
Power conversion device.
前記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも1つのスイッチング素子は、オン状態のとき、前記キャパシタと、前記キャパシタと直列的に接続された一次巻線とに電流を供給する主スイッチング素子と、前記1つのスイッチング素子を流れる電流の一部を分流するセンス素子とを備え、
前記検出回路は、前記センス素子を流れる電流を検出し、
前記主スイッチング素子と前記センス素子は、同一の半導体チップに形成されている、
電力変換装置。 7. The power conversion device according to claim 1,
At least one of the plurality of switching elements includes a main switching element that supplies current to the capacitor and a primary winding connected in series with the capacitor when in an on state, and a sense element that shunts a part of the current flowing through the one switching element,
the detection circuit detects a current flowing through the sense element;
The main switching element and the sense element are formed on the same semiconductor chip.
Power conversion device.
前記検出回路は、前記複数のスイッチング素子のうちの少なくとも1つのスイッチング素子と、同一の半導体チップに形成されている、
電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7,
the detection circuit is formed on the same semiconductor chip as at least one of the plurality of switching elements;
Power conversion device.
前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも1つのスイッチング素子は、窒化ガリウム系材料を用いている、
電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 8,
At least one switching element among the plurality of switching elements uses a gallium nitride-based material.
Power conversion device.
前記スイッチング素子のゲート端子に対してゲート駆動電流を出力して、前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート駆動回路と、
を備える電力変換装置であって、
前記ゲート駆動回路は、前記ゲート駆動電流を、何れも電流が流れた状態である少なくとも2つのレベルの間で切り替える出力切替信号を出力するゲート調整回路を備え、
前記スイッチング回路を流れる電流を検出し、
検出された電流の極性が反転したか否かを判定し、
前記極性が反転したと判定された場合、前記ゲート調整回路は、前記ゲート駆動回路が出力する前記ゲート駆動電流を低いレベルに切り替える前記出力切替信号を出力する、
電力変換装置の制御方法。 a switching circuit including a transformer having a plurality of switching elements, a capacitor, and a primary winding connected in series with the capacitor;
a gate drive circuit that outputs a gate drive current to a gate terminal of the switching element to control the on/off of the switching element;
A power conversion device comprising:
the gate drive circuit includes a gate adjustment circuit that outputs an output switching signal for switching the gate drive current between at least two levels, both of which are in a state where a current flows;
Detecting a current flowing through the switching circuit;
determining whether the polarity of the detected current has reversed;
When it is determined that the polarity has been reversed, the gate adjustment circuit outputs the output switching signal that switches the gate drive current output by the gate drive circuit to a low level.
A method for controlling a power conversion device.
前記ゲート調整回路は、前記ゲート駆動電流を低いレベルに切り替えてから、所定の期間後に、前記ゲート駆動電流を高いレベルに切り替える前記出力切替信号を出力する、
電力変換装置の制御方法。 The method for controlling a power conversion device according to claim 10,
the gate adjustment circuit outputs the output switching signal for switching the gate drive current to a high level after a predetermined period of time has elapsed since the gate drive current was switched to a low level;
A method for controlling a power conversion device.
前記所定の期間は、前記極性が反転したと判定されてから前記スイッチング素子のオンオフ状態が切り替わるまでの時間よりも長く、前記スイッチング素子がオンオフする周期の半分よりも短い期間である、
電力変換装置の制御方法。 The method for controlling a power conversion device according to claim 11,
the predetermined period is longer than the time from when it is determined that the polarity has reversed until the on/off state of the switching element is switched, and is shorter than half the on/off cycle of the switching element.
A method for controlling a power conversion device.
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