KR101992559B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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게이이치로 누마쿠라
다쿠 시모무라
데츠야 하야시
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

전력 변환 장치는, 병렬로 설치된 복수의 반도체 소자 Q1 내지 Q2의 각 게이트에 구동 신호를 보내는 게이트 구동 회로(11)로부터의 구동 신호에 작용하여, 반도체 소자의 게이트 전압을 조정하는 게이트 전압 조정 수단[검출 회로(12)]을 구비한다. 게이트 전압 조정 수단은, 복수의 반도체 소자의 하나에 흐르는 전류에 의한 자속과, 다른 반도체 소자에 흐르는 전류에 의한 자속의 차에 기초하여 발생하는 유기 전압을, 복수의 반도체 소자의 적어도 하나의 게이트에 보내는 게이트 전압에 중첩한다.

Description

전력 변환 장치
본 발명은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
배터리로부터의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 장치로서, 예를 들어 특허문헌 1에 개시된 전력 변환 장치가 알려져 있다. 이 전력 변환 장치는, 강전 릴레이로서 반도체 소자를 구비하고, 반도체 소자가 배터리로부터의 급전을 온/오프하고 있다. 또한, 강전 릴레이로서 반도체 소자를 사용하는 전력 변환 장치에서는, 반도체 소자에 흐르는 전류를 분산시키기 위해, 복수의 반도체 소자를 병렬로 설치한 것이 알려져 있다.
복수의 반도체 소자를 병렬로 설치한 전력 변환 장치에 있어서는, 반도체 소자가 온으로 되는 역치 전압이 반도체 소자마다 상이함으로써, 어느 하나의 반도체 소자가 다른 반도체 소자보다 먼저 온하는 경우가 있다. 그래서, 종래의 전력 변환 장치에서는, 반도체 소자의 이미터의 하류에 리액터를 구비하고, 리액터에 의한 유기 전압에 기초하여, 먼저 온으로 되는 반도체 소자에 흐르는 전류의 증가를 억제하여, 다른 반도체 소자에 흐르는 전류와의 밸런스를 도모하고 있다.
일본 특허 공개 평11-41909호 공보
그러나, 종래의 전력 변환 장치는, 반도체 소자의 이미터의 하류에 설치하는 리액터의 사이즈가 커져, 전체로서 대형화된다. 즉, 전력 변환 장치에 있어서는, 동작 개시 시에 있어서, 돌입 전류 방지를 위해 배터리로부터 공급하는 전류를 서서히 증가시킬 필요가 있기 때문에, 리액터에 흐르는 전류의 변화율이 작아, 유기 전압이 작아진다. 이 때문에, 종래의 전력 변환 장치의 반도체 소자에 흐르는 전류의 밸런스를 확보하기 위해서는, 리액터의 사이즈를 크게 하여, 유기 전압을 크게 할 필요가 있었다. 그 결과, 종래의 전력 변환 장치에서는, 장치 전체가 대형화되어 버린다는 문제가 발생하고 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 소형화할 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 병렬로 설치된 복수의 반도체 소자의 각 게이트 전압을 조정하는 게이트 전압 조정 수단을 구비한다. 게이트 전압 조정 수단은, 복수의 반도체 소자의 하나에 흐르는 전류에 의한 자속과 다른 반도체 소자에 흐르는 전류에 의한 자속의 차에 기초하여 발생하는 유기 전압을 복수의 반도체 소자의 각 게이트 전압에 중첩한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성 및 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 타이밍차트이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 적용한 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도면의 기재에 있어서 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 이 전력 변환 장치는, 제1 반도체 스위치 Q1, 제2 반도체 스위치 Q2, 게이트 구동 회로(11)를 포함하는 구동 회로(10), 검출 회로(12)를 구비한다. 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2는, 본 발명의 복수의 반도체 소자에 대응한다. 게이트 구동 회로(11)는 본 발명의 게이트 구동 수단에 대응한다. 검출 회로(12)는 본 발명의 게이트 전압 조정 수단에 대응한다.
제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2는, 예를 들어 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)를 포함한다. 혹은, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), JFET(Junction Field-Effect Transistor) 등을 사용해도 된다.
이들 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2는 병렬로 접속한다. 즉, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 드레인끼리, 또는 소스끼리는 각각 접속하고 있다.
구동 회로(10)는 게이트 구동 회로(11), 제1 게이트 저항 R1, 제2 게이트 저항 R2 및 검출 회로(12)를 구비한다. 게이트 구동 회로(11)는 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 각 게이트에 구동 신호를 보낸다. 또한, 제1 게이트 저항 R1 및 제2 게이트 저항 R2는, 본 발명의 속도 제어 저항에 대응한다.
정전원 Vdd와 부전원 Vss는 게이트 구동 회로(11)에 전원을 공급한다. 게이트 구동 회로(11)는 외부로부터의 지시에 따라서, 출력 단자 OUT로부터 구동 신호를 출력한다. 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT는, 스위칭의 속도 제어 저항으로서 기능하는 제1 게이트 저항 R1 및 제2 게이트 저항 R2의 각각의 한쪽 단자와 접속하고 있다.
제1 게이트 저항 R1의 다른 쪽 단자는, 검출 회로(12)의 한쪽 단자와 접속하고 있다. 검출 회로(12)의 다른 쪽 단자는, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트와 접속하고 있다. 게이트 구동 회로(11)는 제1 게이트 저항 R1을 통해 제1 반도체 스위치 Q1에 구동 신호를 보낸다. 제1 게이트 저항 R1은, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트를 구동하는 전류의 급준한 변화를 억제하는 기능을 갖는다.
제2 게이트 저항 R2의 다른 쪽 단자는, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트와 접속하고 있다. 게이트 구동 회로(11)는 제2 게이트 저항 R2를 통해 제2 반도체 스위치 Q2에 구동 신호를 보낸다. 제2 게이트 저항 R2는, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트를 구동하는 전류의 급준한 변화를 억제하는 기능을 갖는다. 제1 게이트 저항 R1 및 제2 게이트 저항 R2는, 검출 회로(12)에서 급준한 유기 전압이 발생하였다고 해도 구동 전류를 제한하므로, 구동 회로(10)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
검출 회로(12)는 코일형 배선 패턴에 의해 형성된 픽업 코일을 포함한다. 또한, 검출 회로(12)는 코일형으로 권회된 배선에 의해 구성하도록 해도 된다. 검출 회로(12)는 게이트 구동 회로(11)로부터의 구동 신호에 작용하여, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전압을 조정한다. 검출 회로(12)는 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 전류가 흐르는 것에 의한 자속과 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐르는 것에 의한 자속의 차에 기초하여 발생되는 유기 전압을 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 인가되는 게이트 전압에 중첩한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다. 단자판(20)에는 게이트 단자 G1, 소스 단자 S1, 게이트 단자 G2 및 소스 단자 S2를 설치하고 있다. 게이트 단자 G1은 제1 게이트 저항 R1과 접속하고, 소스 단자 S1은 부전원 Vss와 접속하고 있다. 또한, 게이트 단자 G2는 제2 게이트 저항 R2와 접속하고, 소스 단자 S2는 부전원 Vss와 접속하고 있다.
게이트 단자 G1은, 제1 게이트 저항 R1(도 1 참조)에 접속됨과 함께 검출 회로(12)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 픽업 코일의 타단은, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극 G에 접속하고 있다. 소스 단자 S1은, 부전원 Vss(도 1 참조)에 접속함과 함께 제1 반도체 스위치 Q1의 소스 전극 S와 접속한다. 마찬가지로, 게이트 단자 G2는, 제2 게이트 저항 R2(도 1 참조)와 접속함과 함께 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극 G와 접속하고, 소스 단자 S2는, 부전원 Vss(도 1 참조)와 접속함과 함께 제2 반도체 스위치 Q2의 소스 전극 S와 접속한다.
제1 반도체 스위치 Q1, 제2 반도체 스위치 Q2 및 절연 부재(21)가 탑재된 기판 상의, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2에 대응하는 위치에 하면 전극 패턴(23)이 형성된다. 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 상면에는 상면 전극 취출부(22)가 설치된다. 상면 전극 취출부(22)는 본딩 와이어, 본딩 리본 또는 리드 프레임 등에 의해 구성할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 동작을 설명한다. 게이트 구동 회로(11)가 구동 신호를 출력 단자 OUT로부터 출력하면, 구동 신호는, 제1 게이트 저항 R1 및 검출 회로(12)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 공급된다. 이 구동 신호로부터, 게이트 전압이 제1 반도체 스위치 Q1이 온으로 되는 역치보다 큰 경우에, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 전류가 흐른다. 마찬가지로, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT로부터 출력된 구동 신호는, 제2 게이트 저항 R2를 통해 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 공급된다. 이에 의해, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐른다.
이때, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐름으로써, 소스로부터의 배선 주위에 자속이 발생한다. 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류에 의한 자속과 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류에 의한 자속에 차가 있으면, 검출 회로(12)에서는, 그 자속의 차에 따른 유기 전압이 발생한다. 발생한 유기 전압은, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 공급되는 게이트 전압에 중첩된다. 이에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 역치가 제2 반도체 스위치 Q2의 그것보다 낮은 경우에는, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류가 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류보다 커지지만, 이 경우, 부의 유기 전압이 검출 회로(12)에 발생하여 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 상승을 억제하여, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류의 상승을 억제한다.
반대로, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 역치가 제2 반도체 스위치 Q2의 그것보다 높은 경우, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류가 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류보다 작아진다. 이 경우, 정의 유기 전압이 검출 회로(12)에 발생하여 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 상승을 촉진하여, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류의 상승을 촉진한다. 그 결과, 본 실시 형태에서는, 제1 반도체 스위치 Q1에 흐르는 전류와 제2 반도체 스위치 Q2에 흐르는 전류가 동등해지도록, 반도체 스위치의 게이트 전압이 조정된다.
이와 같이 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 따르면, 반도체 스위치의 소스의 하류에 리액터를 설치하지 않고 복수의 반도체 스위치에 흐르는 전류의 밸런스를 맞출 수 있으므로, 전력 변환 장치를 소형화할 수 있다.
또한, 상술한 제1 실시 형태에서는, 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2 사이에 검출 회로(12)를 배치하고 있다. 병렬로 접속된 복수의 반도체 스위치의 과도 열성능을 높이기 위해서는, 이들을 분산하여 실장하고, 각 반도체 스위치의 사이의 거리를 크게 하는 것이 바람직하다. 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에서는, 상술한 배치에 의해, 이것을 실현하고 있다.
또한, 상술한 제1 실시 형태에서는, 게이트 구동 회로(11)를 하나만 설치하였지만, 반도체 스위치마다 설치하도록 구성할 수도 있다.
또한, 상술에서는, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에서는, 반도체 스위치의 소스의 하류에 리액터를 설치하지 않아도 된다고 설명하였지만, 반드시 이에 한하지는 않고, 반도체 스위치의 소스의 하류에 리액터를 설치해도 된다. 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 반도체 스위치의 소스의 하류에 리액터를 설치하였다고 해도, 검출 회로(12)에 의해 게이트 전압을 조정할 수 있기 때문에, 대형 리액터를 설치할 필요는 없어, 전력 변환 장치의 소형화가 가능해진다.
(제2 실시 형태)
본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2에 흐르는 전류를 개별로 제어하고 있다. 이하, 제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 이 전력 변환 장치는, 제1 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 구동 회로(10)의 내부를 변경하여 구성되어 있다. 즉, 제1 실시 형태에 관한 검출 회로(12)의 구성 및 기능을 변경함과 함께, 턴오프용 제3 게이트 저항 R3, 제1 다이오드 D1, 턴오프용 제4 게이트 저항 R4 및 제2 다이오드 D2를 추가하고 있다.
검출 회로(12)는 제1 반도체 스위치 Q1을 제어하는 제1 검출 회로(12a)와 제2 반도체 스위치 Q2를 제어하는 제2 검출 회로(12b)를 포함한다. 제1 검출 회로(12a)와 제2 검출 회로(12b)는, 본 발명의 게이트 전압 조정부에 대응한다. 제1 검출 회로(12a)는 코일형 배선 패턴에 의해 형성된 픽업 코일을 포함한다. 또한, 제1 검출 회로(12a)는 코일형으로 권회된 배선에 의해 구성할 수도 있다. 제1 검출 회로(12a)는 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류에 의해 발생하는 유기 전압을 게이트 구동 회로(11)로부터의 구동 신호에 중첩한다.
제2 검출 회로(12b)는 코일형 배선 패턴에 의해 형성된 픽업 코일을 포함한다. 또한, 제2 검출 회로(12b)는 코일형으로 권회된 배선에 의해 구성할 수도 있다. 제2 검출 회로(12b)는 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류에 의해 발생하는 유기 전압을 제2 게이트 저항 R2를 통한 게이트 구동 회로(11)로부터의 구동 신호에 중첩한다.
제1 검출 회로(12a)를 구성하는 픽업 코일과, 제2 검출 회로(12b)를 구성하는 픽업 코일은 유도성 결합하고 있다. 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 흐르는 전류와 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 흐르는 전류의 방향이 동일한 경우에, 유도 성분은 감소하고, 전류의 방향이 상이한 경우에 유도 성분은 증가한다.
또한, 제3 게이트 저항 R3과 제1 다이오드 D1을 포함하는 직렬 회로는, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 사이에 설치된다. 마찬가지로, 제4 게이트 저항 R4와 제2 다이오드 D2를 포함하는 직렬 회로는, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 사이에 설치된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다. 단자판(20)은 제1 실시 형태의 구성에 게이트 단자 G1a 및 게이트 단자 G2a를 추가하여 구성되어 있다. 게이트 단자 G1a는 제3 게이트 저항 R3과 접속하고, 게이트 단자 G2a는 제4 게이트 저항 R4와 접속하고 있다.
게이트 단자 G1은, 제1 게이트 저항 R1(도 3 참조)과 접속함과 함께 제1 검출 회로(12a)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 픽업 코일의 타단은, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극 G에 접속하고 있다. 소스 단자 S1은, 부전원 Vss(도 3 참조)와 접속함과 함께 제1 반도체 스위치 Q1의 소스 전극 S와 접속하고 있다. 또한, 게이트 단자 G1a는, 제3 게이트 저항 R3(도 3 참조)과 접속함과 함께 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극 G와 접속하고 있다.
마찬가지로, 게이트 단자 G2는, 제2 게이트 저항 R2(도 3 참조)와 접속함과 함께 제2 검출 회로(12b)를 형성하는 픽업 코일의 일단에 접속하고, 픽업 코일의 타단은, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극 G와 접속하고 있다. 소스 단자 S2는, 부전원 Vss(도 3 참조)와 접속함과 함께 제2 반도체 스위치 Q2의 소스 전극 S와 접속하고 있다. 또한, 게이트 단자 G2a는, 제4 게이트 저항 R4(도 3 참조)와 접속함과 함께 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극 G와 접속하고 있다.
이하에서는, 구성되는 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 동작을 설명한다. 게이트 구동 회로(11)가 구동 신호를 출력 단자 OUT로부터 출력하면, 구동 신호는, 제1 게이트 저항 R1 및 제1 검출 회로(12a)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 공급된다. 이에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 전류가 흐른다. 마찬가지로, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT로부터 출력된 구동 신호는, 제2 게이트 저항 R2 및 제2 검출 회로(12b)를 통해 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 공급된다. 이에 의해, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐른다.
이때, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐름으로써, 소스로부터의 배선 주위에 자속이 발생한다. 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류에 의한 자속과 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류에 의한 자속에 차가 있으면, 검출 회로(12)에서는, 그 자속의 차에 따른 유기 전압이 발생한다. 제1 검출 회로(12a)에서는, 유기 전압이 발생하고, 이 유기 전압이 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 공급되는 게이트 전압에 중첩된다. 또한, 제2 검출 회로(12b)에서 유기 전압이 발생하고, 제2 검출 회로(12b)에서 발생한 유기 전압이 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 공급되는 게이트 전압에 중첩된다.
제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 역치가 제2 반도체 스위치 Q2의 그것보다 낮은 경우에는, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류가 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류보다 커진다. 이 경우, 제1 검출 회로(12a)에는 부의 유기 전압이 발생하여, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 상승을 억제하여, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류의 상승을 억제한다. 또한, 제2 검출 회로(12b)에는 정의 유기 전압이 발생하여, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전압의 상승을 촉진하기 때문에, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류의 상승을 촉진한다. 그 결과, 본 실시 형태에서는, 제1 반도체 스위치 Q1에 흐르는 전류와 제2 반도체 스위치 Q2에 흐르는 전류가 동등해지도록 반도체 스위치의 게이트 전압이 조정된다.
반대로, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 역치가 제2 반도체 스위치 Q2의 그것보다 높은 경우, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류가 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류보다 작아진다. 이 경우, 제1 검출 회로(12a)에는 정의 유기 전압이 발생하여, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전압의 상승을 촉진하기 때문에, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 흐르는 전류의 상승을 촉진한다. 또한, 제2 검출 회로(12b)에는 부의 유기 전압이 발생하여, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전압의 상승을 억제하여, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 흐르는 전류의 상승을 억제한다. 그 결과, 본 실시 형태에서는, 제1 반도체 스위치 Q1에 흐르는 전류와 제2 반도체 스위치 Q2에 흐르는 전류가 동등해지도록 반도체 스위치의 게이트 전압이 조정된다.
또한, 턴오프용 제3 게이트 저항 R3 및 제4 게이트 저항 R4가 검출 회로(12)를 통하지 않고 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2에 각각 접속되어 있으므로, 턴오프 시의 게이트 전류는, 검출 회로(12)를 통과하지 않는다. 그 결과, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2를 고속으로 턴오프시킬 수 있다.
또한, 이상과 같이 구성되는 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 따르면, 게이트 전압을 조정하는 검출 회로(12)를 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 각 소스로부터 전기적 연결되는 배선(주전류 경로로부터의 배선)의 사이에 설치하고 있다. 따라서, 검출 회로(12)에 주전류 경로로부터의 배선으로부터의 자속에 의해 유기 전압이 발생하기 때문에, 유기 전압을 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 각 게이트 전압에 중첩시킬 수 있다.
또한, 구동 신호가 게이트에 보내지는 경우에 상호 인덕턴스가 저하되도록 코일형 배선 패턴에 의해 형성된 픽업 코일끼리가 유도성 결합하고 있다. 이 때문에, 역치 전압이 낮은 반도체 소자의 게이트 전압의 상승을 억제함과 함께, 역치 전압이 높은 반도체 소자의 게이트 전압의 상승을 촉진할 수 있다. 즉, 검출 회로(12)에 발생하는 유기 전압을 이용하여 게이트 전압을 조정할 수 있기 때문에, 반도체 소자에 흐르는 전류를 밸런스를 이루게 할 수 있다. 그 결과, 종래, 반도체 소자의 하류에 배치되었던 리액터가 불필요해져, 전력 변환 장치의 회로를 소형화할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2에 동일한 크기의 전류가 흐른 경우에 있어서, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스로부터 전기적 연결되는 배선(주전류 경로의 배선)으로부터 발생하는 자속과, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스로부터 전기적 연결되는 배선(주전류 경로의 배선)으로부터 발생하는 자속은 검출 회로(12)의 배선 패턴에 동일하게 쇄교하도록, 검출 회로(12)의 배선 패턴을 설치하고 있다. 이에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 소스로부터 전기적 연결되는 배선에 흐르는 전류가 동등해지도록 게이트 전압이 조정될 때, 밸런스에 적합한 유기 전압을 검출 회로(12)가 중첩하게 된다. 또한, 반도체 소자의 소스로부터 전기적 연결되는 배선을 서로 수평으로 배치한, 즉 자속이 픽업 코일의 배선 패턴에 쇄교하도록 배치하였으므로, 배선으로부터의 자계가 커져, 픽업 코일에 발생하는 유기 전압을 크게 할 수 있다.
또한, 턴온용 게이트 저항 R1 및 게이트 저항 R2만이 검출 회로(12)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 각각 접속한다. 이 때문에, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 턴오프를 고속으로 실행할 수 있다.
또한, 병렬 접속된 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2를 구동하는 전류가 2개의 픽업 코일의 양쪽에 흐른 경우, 이들 2개의 픽업 코일은 노멀 모드 결합하고 있다. 전류의 방향이 동방향인 경우에는, 픽업 코일의 인덕턴스는 감소하고, 전류의 방향이 이방향인 경우에는, 픽업 코일의 인덕턴스는 증가한다. 이에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2가 고속으로 온/오프한 경우도 전압 진동이 증가하지 않을 뿐만 아니라, 병렬로 배치된 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2 사이에서 전류 공진에 의한 오작동을 억제하는 효과가 얻어진다.
(제3 실시 형태)
본 발명의 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 있어서, 턴온 시뿐만 아니라, 턴오프 시도 검출 회로를 통해 게이트 전류를 공급하도록 하고 있다. 이하, 제2 실시 형태와 상이한 부분을 중심으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 이 전력 변환 장치는, 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 구동 회로(10)의 내부를 변경하여 구성되어 있다. 즉, 제2 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 제3 게이트 저항 R3과 제1 다이오드 D1을 포함하는 직렬 회로를 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 검출 회로(12) 사이에 배치한다. 또한, 제4 게이트 저항 R4와 제2 다이오드 D2를 포함하는 직렬 회로를 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 검출 회로(12) 사이에 배치한다. 또한, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 제1 게이트 저항 R1 사이에 제3 다이오드 D3을 추가하고, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT와 제2 게이트 저항 R2 사이에 제4 다이오드 D4를 추가한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다. 단자판(20)은 제2 실시 형태의 그것으로부터 게이트 단자 G1a 및 게이트 단자 G2a를 제거한다. 따라서, 게이트 단자 G1a와 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극 G를 연결하는 와이어 및 게이트 단자 G2a와 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극 G를 연결하는 와이어가 제거되어 있다.
제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 있어서, 게이트 구동 회로(11)가 구동 신호를 출력 단자 OUT로부터 출력하면, 구동 신호는, 제3 다이오드 D3, 제1 게이트 저항 R1 및 제1 검출 회로(12a)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트에 공급된다. 이에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스에 전류가 흐른다. 마찬가지로, 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT로부터 출력된 구동 신호는, 제4 다이오드 D4, 제2 게이트 저항 R2 및 제2 검출 회로(12b)를 통해 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트에 공급된다. 이에 의해, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스에 전류가 흐른다. 이후의 동작은 제2 실시 형태의 동작과 동일하다.
또한, 턴오프용 제3 게이트 저항 R3 및 제4 게이트 저항 R4가 검출 회로(12)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2와 각각 접속하고 있으므로, 턴온 시 및 턴오프 시의 게이트 전류는 검출 회로(12)를 통과한다. 그 결과, 턴온 시뿐만 아니라, 턴오프 시에도 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2에 흐르는 전류를 밸런스를 이루게 할 수 있다.
또한, 제3 다이오드 D3은, 턴오프 시 턴온용 게이트 저항 R1이 작용하지 않도록 설치되어 있고, 제4 다이오드 D4는, 턴오프 시 턴온용 게이트 저항 R2가 작용하지 않도록 설치되어 있다. 또한, 이들 제3 다이오드 D3 및 제4 다이오드 D4는 제거할 수도 있다.
(제4 실시 형태)
본 발명의 제4 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 제3 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 변형예이다. 도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 도 7의 (a) 내지 도 7의 (c)에 도시한 회로도는 동일하므로, 도 7의 (a)에만 부호를 붙이고 있다.
이 전력 변환 장치는, 게이트 저항 R1의 일단과 게이트 저항 R2의 일단을 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT에 접속한다. 게이트 저항 R1의 타단과 제1 검출 회로(12a)의 접속점과 게이트 저항 R2의 타단과 제2 검출 회로(12b)의 접속점을 접속한 공통 접속점과 게이트 구동 회로(11)의 출력 단자 OUT 사이에, 다이오드 D 및 게이트 저항 R을 포함하는 직렬 회로가 배치된다.
상기와 같이 구성되는 전력 변환 장치에 있어서, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 픽업 코일에 쇄교하는 자속이 지면의 표면측으로부터 이면측을 향하는 경우, 제1 반도체 스위치 Q1의 전류 변화율보다 제2 반도체 스위치 Q2의 전류 변화율이 커진다. 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이, 픽업 코일에 쇄교하는 자속이 지면의 이면측으로부터 표면측을 향하는 경우, 제2 반도체 스위치 Q2의 전류 변화율보다 제1 반도체 스위치 Q1의 전류 변화율이 커진다. 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이, 픽업 코일에 쇄교하는 자속이 존재하지 않는 경우, 제2 반도체 스위치 Q2와 제1 반도체 스위치 Q1의 전류 변화율이 동일해진다.
도 8은 제4 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 8의 (a)는 턴오프 시의 전류의 밸런스 작용을 설명하기 위한 타이밍차트이다. 도 8의 (b)는 제1 반도체 스위치 Q1 및 제2 반도체 스위치 Q2의 Id-Vgs 특성을 도시하는 도면이다. 여기에서는, 제1 반도체 스위치 Q1의 역치 VthQ1보다도 제2 반도체 스위치 Q2의 역치 VthQ2가 큰 것으로 한다. 도시한 바와 같이, 드레인 전류 Id가 감소하기 시작하면, 바로 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2 사이의 전류가 밸런스를 이루도록 작용한다.
(제5 실시 형태)
본 발명의 제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 반도체 소자의 병렬수가 3개 이상인 경우의 예이며, 이하에서는, 반도체 소자의 병렬수가 4개인 경우를 예로 들어 설명한다. 또한, 제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 회로 구성은, 반도체 소자의 증가에 수반하여 제2 실시 형태에서 사용되고 있는 구성 요소를 증가시켰을 뿐이므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다. 이 전력 변환 장치는, 제1 반도체 스위치 Q1 내지 제4 반도체 스위치 Q4를 구비한다. 제1 반도체 스위치 Q1 내지 제4 반도체 스위치 Q4는, 본 발명의 복수의 반도체 소자에 대응한다.
제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2 사이에는 검출 회로(12)를 설치하고, 제2 반도체 스위치 Q2와 제3 반도체 스위치 Q3 사이에는 검출 회로(13)를 설치한다. 제3 반도체 스위치 Q3과 제4 반도체 스위치 Q4 사이에는 검출 회로(14)를 설치한다.
단자판(20)에는 게이트 단자 G1 내지 G4 및 소스 단자 S1 내지 S4를 설치한다. 게이트 단자 G1은, 검출 회로(12)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 픽업 코일의 타단은, 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극과 접속하고 있다. 소스 단자 S1은, 제1 반도체 스위치 Q1의 소스 전극과 접속하고 있다.
게이트 단자 G2는, 검출 회로(12)를 형성하는 다른 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 다른 픽업 코일의 타단은, 검출 회로 접속 부재(30)를 통해 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극 G와 접속하고 있다. 소스 단자 S2는, 제2 반도체 스위치 Q2의 소스 전극과 접속하고 있다. 또한, 게이트 단자 G2는, 검출 회로 접속 부재(30)를 통해 검출 회로(13)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 픽업 코일의 타단은, 제2 반도체 스위치 Q2의 게이트 전극과 접속하고 있다.
게이트 단자 G3은, 검출 회로(13)를 형성하는 다른 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 다른 픽업 코일의 타단은, 검출 회로 접속 부재(30)를 통해 제3 반도체 스위치 Q3의 게이트 전극과 접속하고 있다. 소스 단자 S3은, 제3 반도체 스위치 Q3의 소스 전극과 접속하고 있다. 또한, 게이트 단자 G3은, 검출 회로 접속 부재(30)를 통해 검출 회로(14)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 픽업 코일의 타단은, 제3 반도체 스위치 Q3의 게이트 전극과 접속하고 있다.
게이트 단자 G4는, 검출 회로(14)를 형성하는 다른 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 다른 픽업 코일의 타단은, 제4 반도체 스위치 Q4의 게이트 전극과 접속하고 있다. 소스 단자 S4는, 제4 반도체 스위치 Q4의 소스 전극과 접속하고 있다.
상기 구성에 의해, 인접하는 반도체 스위치에 접속되는 검출 회로의 2개의 픽업 코일이 유도성 결합하고 있다. 따라서, 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2, 제2 반도체 스위치 Q2와 제3 반도체 스위치 Q3, 및 제3 반도체 스위치 Q3과 제4 반도체 스위치 Q4의 전류가 밸런스를 이루도록 작용한다. 이 때문에, 제1 반도체 스위치 Q1 내지 제4 반도체 스위치 Q4 모두에 흐르는 전류가 밸런스를 이룬다.
제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에서는, 픽업 코일을 양단의 반도체 소자의 소스로부터 전기적 연결되는 배선에 인접하여 설치하기 때문에, 양단의 반도체 소자에 흐르는 전류를 보다 밸런스를 이루게 할 수 있다.
(제6 실시 형태)
본 발명의 제6 실시 형태에 관한 전력 변환 장치는, 제5 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 있어서 양단에 배치되어 있는 제1 반도체 스위치 Q1과 제4 반도체 스위치 Q4에 흐르는 전류도 밸런스를 이루게 하는 것을 특징으로 한다.
도 10은 제6 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 실장 구성을 도시하는 도면이다. 이 전력 변환 장치는, 제1 반도체 스위치 Q1을 사이에 두고 검출 회로(12)의 반대측에, 권취수가 검출 회로(12 내지 14)의 절반인 픽업 코일을 갖는 검출 회로(15a)를 설치하고 있다. 또한, 전력 변환 장치는, 제4 반도체 스위치 Q4를 사이에 두고 검출 회로(14)의 반대측에, 권취수가 검출 회로(12 내지 14)의 절반인 픽업 코일을 갖는 검출 회로(15b)를 설치하고 있다. 검출 회로(15a)의 픽업 코일과 검출 회로(15b)의 픽업 코일이 직렬로 접속되어 구성되어 있다.
더욱 상세하게는, 게이트 단자 G1은, 검출 회로(15a)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 픽업 코일의 타단은, 검출 회로 접속 부재(30), 검출 회로(12)를 통해 제1 반도체 스위치 Q1의 게이트 전극과 접속하고 있다.
또한, 게이트 단자 G4는, 검출 회로(14), 검출 회로 접속 부재(30)를 통해 검출 회로(15b)를 형성하는 픽업 코일의 일단과 접속하고, 이 픽업 코일의 타단은, 제4 반도체 스위치 Q4의 게이트 전극과 접속하고 있다.
이상의 구성에 의해, 제1 반도체 스위치 Q1과 제2 반도체 스위치 Q2, 제2 반도체 스위치 Q2와 제3 반도체 스위치 Q3, 및 제3 반도체 스위치 Q3과 제4 반도체 스위치 Q4의 전류가 밸런스를 이룰 수 있다. 게다가, 제4 반도체 스위치 Q4와 제1 반도체 스위치 Q1의 전류도 밸런스를 이루는 작용이 얻어진다. 이 때문에, 양단의 제1 반도체 스위치 Q1 또는 제4 반도체 스위치 Q4에 과잉된 전류가 흐른 경우라도 모든 반도체 스위치의 전류를 빠르게 밸런스를 이루게 할 수 있다.
또한, 제1 반도체 스위치 Q1 내지 제4 반도체 스위치 Q4 사이에 걸치는 픽업 코일의 선재로서 트위스트선을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 의도하지 않는 반도체 스위치의 전류 변화의 영향을 피할 수 있다.
또한, 제5 실시 형태와 마찬가지로, 반도체 스위치에 흐르는 전류를 밸런스를 이루게 하는 작용은, 임의의 병렬수의 반도체 스위치를 갖는 전력 변환 장치여도 가능하다.
또한, 양단의 반도체 스위치간의 전류차를 검출하는 검출 회로(15a, 15b)와 마찬가지의 구성에 의해, 이격된 반도체 스위치끼리 전류를 밸런스를 이루게 하도록 구성할 수도 있다. 예를 들어, 제1 반도체 스위치 Q1과 제3 반도체 스위치 Q3 또는 제2 반도체 스위치 Q2와 제4 반도체 스위치 Q4 등의 이격된 반도체 스위치끼리 전류를 밸런스를 이루게 할 수 있다.
또한 덧붙여서, 본 실시 형태에서는, 하나의 게이트 구동 회로를 설치하고, 이 게이트 구동 회로로부터 복수의 반도체 소자에 대하여 구동 신호를 송신하였지만, 반드시 이것에 한정되지는 않고, 반도체 소자마다 구동 회로가 설치되어 있어도 되고, 소정의 반도체 소자마다, 게이트 구동 회로를 설치하도록 해도 된다.
10 : 구동 회로
11 : 게이트 구동 회로
12 내지 14, 15a, 15b : 검출 회로
12a : 제1 검출 회로
12b : 제2 검출 회로
20 : 단자판
21 : 절연 부재
22 : 상면 전극 취출부
23 : 하면 전극 패턴
Q1 내지 Q4 : 제1 반도체 스위치 내지 제4 반도체 스위치
R, R1 내지 R4 : 저항, 제1 게이트 저항 내지 제4 게이트 저항
D, D1 내지 D4 : 다이오드
G : 게이트 전극
S : 소스 전극

Claims (10)

  1. 병렬로 설치된 복수의 반도체 소자와,
    상기 복수의 반도체 소자의 각 게이트에 구동 신호를 보내는 게이트 구동 수단과,
    상기 게이트 구동 수단으로부터의 구동 신호에 작용하여, 상기 반도체 소자의 게이트 전압을 조정하는 게이트 전압 조정 수단을 구비하고,
    상기 게이트 전압 조정 수단은, 상기 복수의 반도체 소자에 각각 대응하는 복수의 게이트 전압 조정부를 포함하고,
    상기 게이트 전압 조정부는, 상기 복수의 반도체 소자 중 하나의 반도체 소자와 상기 게이트 구동 수단 사이의 배선상에 형성된 코일형 배선 패턴으로 구성되며,
    상기 게이트 전압 조정부는,
    상기 복수의 반도체 소자 중 1개에 흐르는 전류에 의한 자속과 다른 반도체 소자에 흐르는 전류에 의한 자속의 차에 기초하여, 상기 코일형 배선 패턴에서 발생하는 유기 전압을, 상기 복수의 반도체 소자의 적어도 1개의 게이트에 보내는 게이트 전압에 중첩하고,
    상기 복수의 반도체 소자 중 상기 1개의 반도체 소자 및 다른 반도체 소자로부터 전기적 연결되어, 주전류 경로가 되는 배선의 중간에 설치되고,
    인접하는 2개의 게이트 전압 조정부는, 상기 2개의 게이트 전압 조정부에 각각 접속되는 2개의 반도체 소자의 게이트에 흐르는 전류의 방향이 동방향인 경우에 유도 성분이 감소하고, 이방향인 경우에 유도 성분이 증가하도록, 유도성 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전압 조정 수단은, 상기 복수의 반도체 소자 중 상기 1개의 반도체 소자의 역치 전압이 다른 반도체 소자의 역치 전압보다 낮은 경우에, 해당 1개의 반도체 소자에 흐르는 전류의 상승을 억제하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 게이트 전압 조정 수단은, 상기 복수의 반도체 소자 중 상기 1개의 반도체 소자의 역치 전압이 다른 반도체 소자의 역치 전압보다 높은 경우에, 해당 1개의 반도체 소자에 흐르는 전류의 상승을 촉진하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1개의 반도체 소자의 주전류 경로 및 상기 다른 반도체 소자의 주전류 경로에 흐르는 전류가 동일한 경우에 있어서, 상기 1개의 반도체 소자의 주전류 경로가 되는 배선으로부터 발생하는 상기 코일형 배선 패턴에 대해 쇄교하는 자속과, 상기 다른 반도체 소자의 주전류 경로가 되는 배선으로부터 발생하는 상기 코일형 배선 패턴에 대해 쇄교하는 자속이 동일하게 되도록, 상기 게이트 전압 조정 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 소자는, 병렬로 설치된 3개 이상의 반도체 소자를 포함하고,
    상기 3개 이상의 반도체 소자 중 양단의 반도체 소자의 게이트 전압 조정 수단은, 양단의 반도체 소자의 적어도 한쪽 소스로부터 전기적 연결되는 배선에 인접하여 설치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 반도체 소자의 각 게이트와 상기 게이트 구동 수단 사이에, 각 게이트를 구동하는 전류의 급준한 변화를 억제하는 속도 제어 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 속도 제어 저항은, 상기 복수의 반도체 소자의 각각의 턴온용과 턴오프용이 병렬로 설치되고,
    상기 턴온용 속도 제어 저항은, 상기 게이트 전압 조정 수단을 통해 상기 복수의 반도체 소자의 각 게이트에 접속되고,
    상기 턴오프용 속도 제어 저항은, 상기 복수의 반도체 소자의 각 게이트에 직접 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 속도 제어 저항은, 상기 복수의 반도체 소자의 각각의 턴온용과 턴오프용이 병렬로 설치되고,
    상기 턴온용 속도 제어 저항 및 상기 턴오프용 속도 제어 저항은, 상기 게이트 전압 조정 수단을 통해 상기 복수의 반도체 소자의 각 게이트에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
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