JPWO2017038214A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
直列に接続した第1半導体素子及び第2半導体素子を複数列並列に接続したインバータでは、通常、上アームを構成する第1半導体素子及び下アームを構成する第2半導体素子にはMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の同一種類のスイッチング半導体素子を使用するようにしている。
そこで、本発明は、上記従来例の課題に着目してなされたものであり、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失を低減して上下アームのトータル損失を低減することができる半導体装置を提供することを目的としている。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
まず、本実施形態による半導体装置を備えた電力変換装置10について図1を用いて説明する。
そして、ダイオード14aのカソードと抵抗14cの一端とが正極ラインLpに接続され、ダイオード14aのアノードと抵抗14cの他端との接続点がスイッチング半導体素子14bとなる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(以下、IGBTと称す)のコレクタに接続されている。IGBTのエミッタは負極ラインLnに接続され、ゲートは制御部16に接続されている。
U相スイッチングアーム部15Uは、正極ラインLpに接続される上アーム部がIGBTよりスイッチング損失が小さいNチャネル形のMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)で構成される第1半導体素子Suと、この第1半導体素子Suと逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードDuとで構成されている。
V相スイッチングアーム部15Vは、正極ラインLpに接続される上アーム部がMOSFETで構成される第1半導体素子Svと、この第1半導体素子Svに逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードDvとで構成され、負極ラインLnに接続される下アーム部がIGBTで構成される第2半導体素子Syと、この第2半導体素子Syに逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードDyとで構成されている。
そして、各相スイッチングアーム部15U〜15Wの第1半導体素子Su〜Sw及び第2半導体素子Sx〜Szのゲートが制御部16に接続されている。
制御部16は、インバータ部15の出力ラインLu、Lv及びLwの出力電流を検出する電流検出器19u、19v及び19wからU相電流検出値、V相電流検出値及びW相電流検出値が入力される。また、制御部16には、平滑用コンデンサ13の両端間の端子電圧を検出する電圧検出器20から電圧検出値が入力されている。
また、制御部16は、電流検出器19u〜19wから入力される電流検出値と図示しない電流指令値とに基づいてU相スイッチングアーム部15Uの第1半導体素子15a及び第2半導体素子15bを下張付2相変調制御する。
この制御部16の動作を、図2(b)でW相が零電位に張り付いている区間T1及びT2について説明する。
同時に、U相スイッチングアーム部15Uの第2半導体素子Sxが、図3(e)に示すように、中間デューティ比でパルス幅変調(PWM)制御される。また、V相スイッチングアーム部15Vの第2半導体素子Syが、図3(f)に示すように、オフ状態に制御されるとともに、フリーホイーリングダイオードDyに還流電流が流れる。さらに、W相スイッチングアーム部15Wの第2半導体素子Szが、図3(g)に示すように、常時オン状態に制御される。
このように、インバータ部15を構成する第1半導体素子Su〜Sw及び第2半導体素子Sx〜Szを2相変調制御することにより、例えばU相電圧は、図3(h)に示すように、台形波状となり、U相電流は、図3(i)に示すように、正弦波に近い状態となる。なお、図3(h),(i)は、上述のHiデューティ比および中間デューティ比を固定とした場合に相当する。
ところで、インバータ部15を2相変調制御する場合に、上述したように、下アーム部の第2半導体素子Sx〜Szをスイッチング動作させずに常時オン状態として上側に尻状波形を形成する下張付2相変調制御と、特許文献1に記載されている上アーム部の第1半導体素子Su〜Swをスイッチング動作させずに常時オン状態とした下側に尻状波形を形成する上張付2相変調制御とがある。
しかしながら、上記実施形態で説明した下張付2相変調制御の方が上張付2相変調制御に対してスイッチング損失をより低減することができる。
このインテリジェントパワーモジュールは、例えば、U相スイッチングアーム部15Uを抜き出した場合の回路構成は、図5に示すようになる。
第1半導体素子Suのゲートには第1ゲート駆動回路GDu1が接続され、第2半導体素子Sxのゲートには第2ゲート駆動回路GDu2が接続されている。第1ゲート駆動回路GDu1及び第2ゲート駆動回路GDu2は、それぞれ直流制御電源26の正極側が接続される電源端子VccH及びVccLに接続されているとともに、直流制御電源26の負極側と接地との接続点が接続される共通接地端子COMに接続されて、制御電源が印加される。
また、インテリジェントパワーモジュール25の正極端子Pと接地との間には直流電源Vdc及び平滑用コンデンサCとの並列回路が接続され、負極端子Nと接地との間にはU相電流を検出するシャント抵抗Rsが接続されている。
一方、第2ゲート駆動回路GDu2および第2半導体素子Sxは、第2半導体素子Sxのエミッタがシャント抵抗Rsを介して共通接地端子COMに接続されている。このため、シャント抵抗Rs及び外部配線を含む大きなインピーダンスの共通インピーダンスの影響を受けることになる。
これに対して、第2半導体素子Sxのターンオン時のスイッチング特性は、図6(b)に示すように、電流検出用のシャント抵抗Rsの配線インピーダンスの影響により±di/dtが第1半導体素子Suよりも鈍くなることにより、ターンオン時のスイッチング損失Eonが0.38mJとなって、第1半導体素子Suより悪化する。
このように、インテリジェントパワーモジュール25を構成した場合に、下アーム側となる第2半導体素子Sxのスイッチング損失が上アーム側となる第1半導体素子Suのスイッチング損失より悪化することになる。
この結果、インテリジェントパワーモジュール25を構成した場合の第2半導体素子Sx〜Szのスイッチング損失の悪化を補うことができる。このため、第1半導体素子Su〜Sw及び第2半導体素子Sx〜Szのトータルスイッチング損失を低減することができる。これに対し、特許文献1の下側に尻状波形を形成する上張付2相変調制御では、逆にトータルスイッチング損失を増加させてしまうことになる。
これに対して、下アーム部では、第2半導体素子Sxの導通損失が支配的となっている。
この図7(b)から明らかなように、第1半導体素子としてMOSFETを使用し、第2半導体素子としてIGBTを使用することにより、第1半導体素子Su〜Swの導通損失がVon=0.7mJ、ターンオン時のスイッチング損失がton=2.7mJ、ターンオフ時のスイッチング損失がtoff=0.2mJ、フリーホイーリングダイオードDu〜Dwの導通損失がVf=0.09mJ、リカバリー損失がtrr=0.1mJとなり、比較例に対して大幅に減少している。
なお、上記第1の実施形態では、第1半導体素子Su〜SwとしてSi−MOSFETを使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、第1半導体素子Su〜Swとしてよりターンオン時のスイッチング損失が少ない、SiC、GaN、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体素子を適用するようにしてもよい。この場合にはトータル損失をより低減することができる。
この第2の実施形態では、前述した第1の実施形態のように、第1半導体素子Su〜Swとしてスイッチング損失が少ない半導体素子を使用し、第2半導体素子Sx〜Szとして導通損失が少ない半導体素子を使用する場合に代えて、第1半導体素子Su〜Sw及び第2半導体素子Sx〜Szとして共通の半導体スイッチング素子を使用し、下アーム部のフリーホイーリングダイオードのみを上アーム部のスイッチング損失より小さいスイッチング損失のダイオードに変更したものである。
第1の実施形態で前述したように、インバータ部15を第1半導体素子Su〜Sw及び第2半導体素子Sx〜Szを同じ半導体スイッチング素子で構成し、フリーホイーリングダイオードも同じSi−フリーホイーリングダイオードで構成している。このインバータ部15に対して下張付の2相変調制御を行った場合、第1半導体素子Su〜Swのターンオン時のスイッチング損失が支配的となっている。
すなわち、U相スイッチングアーム部15U、V相スイッチングアーム部15V及びW相スイッチングアーム部15Wのそれぞれについてスイッチング損失を検討する。
例えばU相スイッチングアーム部15Uを代表とした場合、図9に示すように、上アーム部のフリーホイーリングダイオードDu及び下アーム部のフリーホイーリングダイオードDxについてスイッチング損失が大きいSi−フリーホイーリングダイオードを使用するときのスイッチング特性は図10に示すようになる。
一方、上アーム部の第1半導体素子Suはオフ状態からターンオンするので、主回路電流ICは図10(a)に示すように零から増加を開始し、第1半導体素子Suのコレクタ・エミッタ間電圧VCEは図10(a)に示すように減少を開始する。
一方、上アーム部の第1半導体素子Suでは、主回路電流ICに下アーム部のフリーホイーリングダイオードDxの逆回復ピーク電流が重畳されて、図10(a)に示すように、大きく跳ね上がった後減少して第1半導体素子Suのゲート電圧に応じた略一定値となる。
したがって、トータル損失が9.2となって、図7(a)の従来例と比較するとトータル損失を12%程度改善することができた。
なお、上記実施形態においては、誘導性負荷を駆動する電力変換装置のインバータ部に本発明に係る半導体装置を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、誘導性負荷に代えて溶接機でアークを発生させる制御装置にも適用することができる。
力率改善回路33は、正極ラインLpに接続された第3半導体素子33aと、第3半導体素子33aの入力側と負極ラインLnとの間に接続された第4半導体素子33bと、第3半導体素子33a及び第4半導体素子33bの接続点と全波整流回路32の正極側との間に接続されたリアクトル33cとを備えた昇圧チョッパーの構成を有する。
第4半導体素子33bは、MOSFETより導通損失が小さい低導通損失半導体素子であるIGBTで構成されている。
各第2半導体素子Sc及びSdにも、フリーホイーリングダイオードDc及びDdが逆並列に接続され、これらフリーホイーリングダイオードDc及びDdと並列にコンデンサCc及びCdが接続されている。
出力側整流回路37は、トランス36の二次側巻線の両端にアノードが接続されたダイオード37a及び37bと、ダイオード37a及び37bのカソードが互いに接続されて正極側出力端子tpに接続され、トランス36の二次側巻線の中間タップが直接負極側出力端子tnに接続され、正極側出力端子tp及び負極側出力端子tn間に平滑用コンデンサ37cが接続されている。そして、正極側出力端子tp及び負極側出力端子tnが溶接機の溶接用端子及び溶接対称物に接続される。
この順バイアス状態から第4半導体素子33bがオフ状態からターンオン状態となると、第3半導体素子33aを構成するダイオードのアノード側が第4半導体素子33bを介して負極ラインLnに接続されることになる。このため、ダイオードのカソード側に平滑用コンデンサ34に蓄積された直流電圧が逆バイアス電圧として印加される状態となる。
すなわち、図13に示すように、図1及び図8に示したブレーキ回路14のダイオード14aを第3半導体素子44aとし、スイッチング半導体素子14bを第4半導体素子44bとし、抵抗14cを抵抗44cとする。
この回生制動時には、三相電動機17から出力される三相交流電力がインバータ部15で全波整流されて平滑用コンデンサ13に蓄積される。このとき、ブレーキ回路の第4半導体素子44bを制御部16でスイッチング制御することにより、抵抗44cを及び第4半導体素子44bを通じて電流が流れ、インバータ部15に対する電流バイパス路が形成される。この際に抵抗44cで電力消費することで、インバータ部15に加わる直流電圧Vdcの上昇を抑制する。この際発生するサージ電圧を第3半導体素子44aで吸収する。
また、上記実施形態のうちのブレーキ回路があるものについては、ブレーキ回路は全てのアプリケーションで必要とされるものではないことから、ブレーキ回路を必要としないアプリケーションではブレーキ回路を省略してもよい。
Claims (11)
- 直列に接続した第1半導体素子と第2半導体素子と有し、
前記第1半導体素子を前記第2半導体素子のスイッチング損失より小さいスイッチング損失を有する低スイッチング損失半導体素子で構成し、
前記第2半導体素子を前記第1半導体素子の導通損失より小さい導通損失を有する低導通損失半導体素子で構成したことを特徴とする半導体装置。 - 直列に接続した第1半導体素子と第2半導体素子とを有するスイッチングアーム部を複数並列に接続したブリッジ回路を備え、
前記ブリッジ回路の上アームを構成する前記第1半導体素子を前記第2半導体素子のスイッチング損失より小さいスイッチング損失を有する低スイッチング損失半導体素子で構成し、
前記ブリッジ回路の下アームを構成する前記第2半導体素子を前記第1半導体素子の導通損失より小さい導通損失を有する低導通損失半導体素子で構成したことを特徴とする半導体装置。 - 直列に接続した第1半導体素子と第2半導体素子とを有するスイッチングアーム部を3相分並列に接続したブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の各第1半導体素子及び各第の半導体素子をスイッチング動作させて誘導性負荷を駆動する制御回路とを備え、
前記ブリッジ回路の上アームを構成する前記第1半導体素子を前記第2半導体素子のスイッチング損失より小さいスイッチング損失を有する低スイッチング損失半導体素子で構成し、
前記ブリッジ回路の下アームを構成する前記第2半導体素子を前記第1半導体素子の導通損失より小さい導通損失を有する低導通損失半導体素子で構成し、
前記制御回路は、前記誘導性負荷に印加する3相電圧の各相電圧において、前記上アーム及び前記下アームの一方を2π/3毎に順番にオン状態に制御し、他方をオフ状態として各相電圧を周期的に固定させる2相変調方式で駆動する
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記低スイッチング損失半導体素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのスイッチング損失より小さいスイッチング損失を有する半導体素子で構成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
- 前記低導通損失半導体素子は、MOSFETの導通損失より小さい導通損失を有する半導体素子で構成されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体素子及び前記第2半導体素子は、スイッチング半導体素子と該スイッチング半導体素子と逆並列に接続されたダイオードとで構成され、下アームを構成する第2の半導体素子のダイオードが上アームを構成する第1半導体素子のダイオードの導通損失より小さい導通損失の小さいワイドバンドギャップダイオードで構成したことを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体素子及び前記第2半導体素子のスイッチング半導体素子が同一の半導体素子であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体素子及び前記第2半導体素子のスイッチング半導体素子は、Si−絶縁ゲートバイポーラトランジスタで構成されていることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。
- 直列に接続した第3半導体素子と第4半導体素子と有し、
前記第3半導体素子を絶縁ゲートバイポーラトランジスタのスイッチング損失より小さいスイッチング損失のワイドバンドギャップダイオードで構成し、
前記第4半導体素子をMOSFETの導通損失より小さい導通損失を有する低導通損失半導体素子で構成したことを特徴とする半導体装置。 - 前記ワイドバンドギャップダイオードと、前記低導通損失半導体素子と、前記ワイドバンドギャップダイオード及び前記低導通損失半導体素子の接続点と入力側との間に接続されたリアクトルとで電力変換装置の力率改善回路を構成していることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 前記ワイドバンドギャップダイオードと前記低導通損失半導体素子とで電力変換装置のブレーキ回路部を構成していることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
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