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JP7088041B2 - Power converter - Google Patents

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JP7088041B2 JP2019007219A JP2019007219A JP7088041B2 JP 7088041 B2 JP7088041 B2 JP 7088041B2 JP 2019007219 A JP2019007219 A JP 2019007219A JP 2019007219 A JP2019007219 A JP 2019007219A JP 7088041 B2 JP7088041 B2 JP 7088041B2
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Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to power converters.

DC-DCコンバータやインバータといった、電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置は、電源と負荷との間を複数のスイッチング回路を介して接続し、各々のスイッチング回路を例えばバルス幅変調(PWM;Pulse Width Modulation)方式により制御することによって、電源と負荷との間で電力変換を行っている。 Power conversion devices that perform power conversion between a power source and a load, such as a DC-DC converter and an inverter, are known. This type of power converter connects a power supply and a load via a plurality of switching circuits, and controls each switching circuit by, for example, a pulse width modulation (PWM) method. Power conversion is performed with the load.

例えば特許文献1に、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、各々のスイッチング回路が、並列に接続された2つのスイッチング素子を有している。一方のスイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であり、他方のスイッチング素子はMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。スイッチング回路を流れる電流等に応じて、IGBTとMOSFETを選択的に使用する。MOSFETについては、炭化シリコン(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている。ワイドバンドギャップ半導体により構成されたMOSFETは、耐電圧性に優れ、許容電流密度も高いという利点を有するため、高い性能を維持しつつ、小型化を図ることが可能である。 For example, Patent Document 1 discloses a power conversion device. In this power conversion device, each switching circuit has two switching elements connected in parallel. One switching element is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and the other switching element is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). The IGBT and MOSFET are selectively used according to the current flowing through the switching circuit and the like. The MOSFET is configured using a wide bandgap semiconductor such as silicon carbide (SiC). A MOSFET composed of a wide bandgap semiconductor has the advantages of excellent withstand voltage resistance and high allowable current density, so that it is possible to reduce the size while maintaining high performance.

特開2014-027816号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-027816

通常、各々のスイッチング回路には、還流ダイオードが設けられている。還流ダイオードは、二つのスイッチング素子と別体で用意されてもよいし、例えばIGBTと一体に設けることもできる。これにより、逆導通時の逆導通電流は、スイッチング素子を迂回し、還流ダイオードを通って流れる。しかしながら、MOSFETには、ボディダイオードが内在している。従って、還流ダイオードだけでなく、MOSFETのボディダイオードにも、逆導通電流が流れるおそれがある。特に、一方のスイッチング素子に大型のIGBTが採用され、他方のスイッチング素子に小型のMOSFETが採用された構成であると、IGBTを駆動しているときの逆導通時において、過大な電流がMOSFETのボディダイオードに流れるおそれがある。これを鑑み、本明細書は、IGBT、又は、その他の第1スイッチング素子の駆動中において、MOSFETのボディダイオードに過大な逆導通電流が流れることを未然に防止、又は、抑制し得る技術を提供する。 Usually, each switching circuit is provided with a freewheeling diode. The freewheeling diode may be prepared separately from the two switching elements, or may be provided integrally with the IGBT, for example. As a result, the reverse conduction current at the time of reverse conduction bypasses the switching element and flows through the freewheeling diode. However, a body diode is inherent in the MOSFET. Therefore, a reverse conduction current may flow not only in the freewheeling diode but also in the body diode of the MOSFET. In particular, if a large IGBT is used for one switching element and a small MOSFET is used for the other switching element, an excessive current will be generated in the MOSFET during reverse conduction while driving the IGBT. It may flow to the body diode. In view of this, the present specification provides a technique capable of preventing or suppressing an excessive reverse conduction current from flowing through the body diode of the MOSFET while driving the IGBT or other first switching element. do.

本明細書が開示する電力変換装置は、少なくとも二つのスイッチング回路と、制御装置とを備える。それらのスイッチング回路は、電源から負荷への電力供給経路上に設けられているとともに、各々のスイッチング回路は、互いに並列に接続された第1スイッチング素子、及び、第2スイッチング素子を有する。制御装置は、スイッチング回路を流れる電流等に基づいて、第1スイッチング素子を駆動する第1スイッチング制御と、第2スイッチング素子を駆動する第2スイッチング制御とを、選択的に実行する。第1スイッチング素子は、第1半導体材料を用いて構成されている。第2スイッチング素子はMOSFETである。MOSFETは、第1スイッチング素子よりバンドギャップの広い第2半導体材料を用いて構成されている。MOSFETのサイズは、第1スイッチング素子のサイズよりも小さく構成されている。制御装置は、第1スイッチング制御の実行中において、MOSFETのソースに対するゲート電圧を、所定の電圧に保持する。それによって、MOSFETのボディダイオードに所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、MOSFETの閾値電圧よりも大きくなるように構成されている。 The power conversion device disclosed herein includes at least two switching circuits and a control device. These switching circuits are provided on the power supply path from the power supply to the load, and each switching circuit has a first switching element and a second switching element connected in parallel with each other. The control device selectively executes the first switching control for driving the first switching element and the second switching control for driving the second switching element based on the current flowing through the switching circuit and the like. The first switching element is configured by using the first semiconductor material. The second switching element is a MOSFET. The MOSFET is configured by using a second semiconductor material having a bandgap wider than that of the first switching element. The size of the MOSFET is configured to be smaller than the size of the first switching element. The control device keeps the gate voltage to the source of the MOSFET at a predetermined voltage during the execution of the first switching control. As a result, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows through the body diode of the MOSFET, the gate voltage with respect to the drain of the MOSFET is configured to be larger than the threshold voltage of the MOSFET.

上記した電力変換装置では、第1スイッチング制御の実行中に、MOSFETのソースに対するゲート電圧が、所定の電圧に保持される。それによって、MOSFETのボディダイオードに、所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときは、MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、MOSFETの閾値電圧よりも大きくなる。その結果、MOSFETが導通状態になり、ソース-ドレイン間に電流が流れることによって、ボディダイオードを流れる電流が制限される。これにより、MOSFETのボディダイオードに、過大な電流が流れることが未然に防止されるか、あるいは、そのような事態の発生が抑制される。 In the power conversion device described above, the gate voltage with respect to the source of the MOSFET is held at a predetermined voltage during the execution of the first switching control. As a result, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows through the body diode of the MOSFET, the gate voltage with respect to the drain of the MOSFET becomes larger than the threshold voltage of the MOSFET. As a result, the MOSFET becomes conductive and the current flows between the source and the drain, which limits the current flowing through the body diode. As a result, it is possible to prevent an excessive current from flowing through the body diode of the MOSFET, or to suppress the occurrence of such a situation.

電力変換装置10の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the power conversion apparatus 10. スイッチング回路に流れる電流に応じて決定される、各スイッチング素子のゲート駆動電圧を示すグラフである。It is a graph which shows the gate drive voltage of each switching element which is determined according to the current which flows in a switching circuit. 逆導通時における、逆導通電流(IF1、IF2)の流れを模式的に示す。The flow of the reverse conduction current (IF1, IF2) at the time of reverse conduction is schematically shown. 図2のA点において、MOSFET36がターンオンされる様子を模式的に示す。At point A in FIG. 2, a state in which the MOSFET 36 is turned on is schematically shown. 大電流域での逆導通時において、MOSFET36のゲート電圧Vges2を0Vに保持した際の、逆導通電流(IF1、Ids、IF2-Ids)の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the reverse conduction current (IF1, Ids, IF2-Ids) when the gate voltage Vges2 of the MOSFET 36 is held at 0V at the time of reverse conduction in a large current region.

図面を参照して実施例の電力変換装置10を説明する。本実施例の電力変換装置10は、電源4と負荷6との間で電力変換を行う、DC-DCコンバータやインバータといった電力変換器の一部を構成することができる。本実施例の電力変換装置10は、一例ではあるが、ハイブリッド車、燃料電池車、又は、電気自動車といった自動車に搭載される。但し、本実施例で開示される技術は、自動車に搭載される電力変換装置10だけでなく、様々な用途の電力変換装置にも採用することができる。 The power conversion device 10 of the embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion device 10 of this embodiment can form a part of a power converter such as a DC-DC converter or an inverter that performs power conversion between the power supply 4 and the load 6. Although the power conversion device 10 of this embodiment is an example, it is mounted on an automobile such as a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle. However, the technique disclosed in this embodiment can be adopted not only in the power conversion device 10 mounted on the automobile but also in the power conversion device for various purposes.

図1は、本実施例の電力変換装置10のブロック図を示す。電力変換装置10は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30と、制御装置12と、複数の駆動回路42、44、46、48とを備える。上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30は、電源4と負荷6との間の電力供給経路上で、直列に接続されている。上側スイッチング回路20は、電源4の正極と負荷6との間を接続する電力供給経路に設けられている。下側スイッチング回路30は、電源4の負極と負荷6との間を接続する電力供給経路上に設けられている。即ち、上側スイッチング回路20は、いわゆる上アームに位置しており、下側スイッチング回路30は、いわゆる下アームに位置している。負荷6は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30の中点で接続されている。制御装置12は、駆動回路42、44、46、48を介して、各々のスイッチング回路20、30に接続されている。 FIG. 1 shows a block diagram of the power conversion device 10 of this embodiment. The power conversion device 10 includes an upper switching circuit 20, a lower switching circuit 30, a control device 12, and a plurality of drive circuits 42, 44, 46, 48. The upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 are connected in series on the power supply path between the power supply 4 and the load 6. The upper switching circuit 20 is provided in a power supply path connecting the positive electrode of the power supply 4 and the load 6. The lower switching circuit 30 is provided on a power supply path connecting the negative electrode of the power supply 4 and the load 6. That is, the upper switching circuit 20 is located on the so-called upper arm, and the lower switching circuit 30 is located on the so-called lower arm. The load 6 is connected to the upper switching circuit 20 at the midpoint of the lower switching circuit 30. The control device 12 is connected to the switching circuits 20 and 30 via the drive circuits 42, 44, 46 and 48, respectively.

上側スイッチング回路20は、IGBT22とMOSFET26とを備える。IGBT22とMOSFET26は、互いに並列に接続されている。IGBT22は、シリコン(Si)を用いて構成された半導体素子であり、MOSFET26は、炭化シリコン(SiC)を用いて構成された半導体素子である。本実施例におけるIGBT22は、RC(Reverse-Conducting)-IGBTであり、還流ダイオード24が一体に設けられている。また、MOSFET26には、ボディダイオード28が内在している。なお、還流ダイオード24は、IGBT22とは別に、独立した半導体素子として設けられてもよい。 The upper switching circuit 20 includes an IGBT 22 and a MOSFET 26. The IGBT 22 and the MOSFET 26 are connected in parallel with each other. The IGBT 22 is a semiconductor device made of silicon (Si), and the MOSFET 26 is a semiconductor device made of silicon carbide (SiC). The IGBT 22 in this embodiment is an RC (Reverse-Conducting) -IGBT, and a freewheeling diode 24 is integrally provided. Further, the body diode 28 is inherent in the MOSFET 26. The freewheeling diode 24 may be provided as an independent semiconductor element separately from the IGBT 22.

下側スイッチング回路30も同様に、IGBT32とMOSFET36とを備える。IGBT32とMOSFET36は、互いに並列に接続されている。IGBT32は、シリコンを用いて構成された半導体素子であり、MOSFET36は、炭化シリコンを用いて構成された半導体素子である。下側スイッチング回路30においても、IGBT32は、RC(Reverse-Conducting)-IGBTであり、還流ダイオード34が一体に設けられている。また、MOSFET36には、ボディダイオード38が内在している。なお、還流ダイオード34は、IGBT32とは別に、独立した半導体素子として設けられてもよい。 The lower switching circuit 30 also includes an IGBT 32 and a MOSFET 36. The IGBT 32 and the MOSFET 36 are connected in parallel with each other. The IGBT 32 is a semiconductor device made of silicon, and the MOSFET 36 is a semiconductor device made of silicon carbide. Also in the lower switching circuit 30, the IGBT 32 is an RC (Reverse-Conducting) -IGBT, and a freewheeling diode 34 is integrally provided. Further, the body diode 38 is inherent in the MOSFET 36. The freewheeling diode 34 may be provided as an independent semiconductor element separately from the IGBT 32.

MOSFET26、36を構成する炭化シリコンは、シリコンよりも広いバンドギャップを有しており、ワイドバンドギャップ半導体と称されるものの1つである。炭化シリコンは、本技術における第2半導体材料の一例である。MOSFET26、36を構成する第2半導体材料は、炭化シリコンに限定されず、例えば窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)、又は、ダイヤモンドといった他のワイドバンドギャップ半導体であってもよい。また、IGBT22、32を構成する半導体材料は、シリコンに限定されない。MOSFET26、36を構成する半導体材料が、IGBT22、32を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有すればよい。また、IGBT22、32は、必ずしもIGBTに限定されず、他の構造を有するスイッチング素子であってもよい。 The silicon carbide constituting the MOSFETs 26 and 36 has a bandgap wider than that of silicon, and is one of those referred to as a wide bandgap semiconductor. Silicon carbide is an example of a second semiconductor material in this technique. The second semiconductor material constituting the MOSFETs 26 and 36 is not limited to silicon carbide, and may be other wide bandgap semiconductors such as gallium nitride (GaN), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), or diamond. .. Further, the semiconductor material constituting the IGBTs 22 and 32 is not limited to silicon. The semiconductor material constituting the MOSFETs 26 and 36 may have a wider bandgap than the semiconductor material constituting the IGBTs 22 and 32. Further, the IGBTs 22 and 32 are not necessarily limited to the IGBT, and may be switching elements having other structures.

制御装置12は、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30を、例えばPWM方式により制御することによって、電源4と負荷6との間で電力変換を行う。上側スイッチング回路20のIGBT22は、第1駆動回路42を介して、制御装置12と接続されている。同様に、上側スイッチング回路20のMOSFET26は、第2駆動回路44を介して制御装置12と接続され、下側スイッチング回路30のIGBT32は、第3駆動回路46を介して制御装置12と接続され、下側スイッチング回路30のMOSFET36は、第4駆動回路48を介して制御装置12と接続されている。制御装置12は、複数の駆動回路42、44、46、48を介して、上側スイッチング回路20及び下側スイッチング回路30の動作を制御する。 The control device 12 performs power conversion between the power supply 4 and the load 6 by controlling the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 by, for example, a PWM method. The IGBT 22 of the upper switching circuit 20 is connected to the control device 12 via the first drive circuit 42. Similarly, the MOSFET 26 of the upper switching circuit 20 is connected to the control device 12 via the second drive circuit 44, and the IGBT 32 of the lower switching circuit 30 is connected to the control device 12 via the third drive circuit 46. The MOSFET 36 of the lower switching circuit 30 is connected to the control device 12 via the fourth drive circuit 48. The control device 12 controls the operation of the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30 via the plurality of drive circuits 42, 44, 46, 48.

特に、本実施例における制御装置12は、スイッチング回路20、30に流れる電流に応じて、第1スイッチング制御と第2スイッチング制御とを選択的に実行する。第1スイッチング制御では、IGBT22、32のみが駆動され、MOSFET26、36は使用されない。一方、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36のみが駆動され、IGBT22、32は使用されない。即ち、制御装置12は、第1スイッチング制御を実行する場合、駆動回路42、46を介して、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2を制御する。一方、制御装置12は、第2スイッチング制御を実行する場合、駆動回路44、48を介して、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2を制御する。 In particular, the control device 12 in this embodiment selectively executes the first switching control and the second switching control according to the currents flowing through the switching circuits 20 and 30. In the first switching control, only the IGBTs 22 and 32 are driven, and the MOSFETs 26 and 36 are not used. On the other hand, in the second switching control, only the MOSFETs 26 and 36 are driven, and the IGBTs 22 and 32 are not used. That is, when executing the first switching control, the control device 12 controls the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 via the drive circuits 42 and 46. On the other hand, when executing the second switching control, the control device 12 controls the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 via the drive circuits 44 and 48.

前述したように、MOSFET26、36は、炭化シリコンを用いて構成されている。炭化シリコンは、ワイドバンドギャップ半導体の一種であり、それを用いて構成されたMOSFET26、36は、耐電圧性に優れ、許容電流密度も高いという利点を有する。従って、MOSFET26、36については、高い性能を維持しつつ、小型化を図ることが可能である。この点に関して、一般に、IGBTやMOSFETといったスイッチング素子22、26、32、36の製造コストは、そのサイズに比例して増大するとともに、その傾向は、ワイドバンドギャップ半導体を採用したMOSFET26、36において顕著となる。そのことから、本実施例では、MOSFET26、36のサイズが、IGBT22、32のサイズよりも小さくされており、それによって、高い性能を維持しつつも、製造コストの低減が図られている。なお、本明細書におけるスイッチング素子22、26、32、36のサイズとは、平面視したときのサイズを意図しており、例えばチップサイズとも称される。 As described above, the MOSFETs 26 and 36 are configured using silicon carbide. Silicon carbide is a kind of wide bandgap semiconductor, and the MOSFETs 26 and 36 configured by using the silicon carbide have the advantages of excellent withstand voltage resistance and high allowable current density. Therefore, the MOSFETs 26 and 36 can be miniaturized while maintaining high performance. In this regard, in general, the manufacturing cost of switching elements 22, 26, 32, 36 such as IGBTs and MOSFETs increases in proportion to their sizes, and the tendency is remarkable in MOSFETs 26, 36 using wide bandgap semiconductors. It becomes. Therefore, in this embodiment, the sizes of the MOSFETs 26 and 36 are smaller than the sizes of the IGBTs 22 and 32, thereby reducing the manufacturing cost while maintaining high performance. The sizes of the switching elements 22, 26, 32, and 36 in the present specification are intended to be the size when viewed in a plan view, and are also referred to as, for example, the chip size.

制御装置12は、上側スイッチング回路20に所定の電流を超える大電流が流れる期間においては、サイズの大きいIGBT22を駆動する第1スイッチング制御を行う。本明細書では、所定の電流よりも大きい大電流が流れる期間を、「大電流域」と称する。制御装置12は、上側スイッチング回路20に所定の電流よりも小さい小電流が流れる期間においては、サイズの小さいMOSFET26を駆動する第2スイッチング制御を行う。本明細書では、所定の電流よりも小さい小電流が流れる期間を、「小電流域」と称する。同様に、下側スイッチング回路30に、大電流域の電流が流れる期間においては、制御装置12は、サイズの大きいIGBT32を駆動する第1スイッチング制御を行う。下側スイッチング回路30に、小電流域の電流が流れる期間においては、サイズの小さいMOSFET36を駆動する第2スイッチング制御を行う。 The control device 12 performs the first switching control for driving the large-sized IGBT 22 during a period in which a large current exceeding a predetermined current flows through the upper switching circuit 20. In the present specification, a period in which a large current larger than a predetermined current flows is referred to as a "large current region". The control device 12 performs a second switching control for driving the small-sized MOSFET 26 during a period in which a small current smaller than a predetermined current flows through the upper switching circuit 20. In the present specification, a period in which a small current smaller than a predetermined current flows is referred to as a "small current region". Similarly, during the period in which a current in a large current region flows through the lower switching circuit 30, the control device 12 performs the first switching control for driving the large-sized IGBT 32. During the period when the current in the small current region flows through the lower switching circuit 30, the second switching control for driving the small size MOSFET 36 is performed.

図2は、制御装置12によるゲート電圧Vge1、Vge2、Vgs1、Vgs2の制御例を示す。図2に示すように、大電流域では第1スイッチング制御が実行され、IGBT22、32を駆動するために、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2が経時的に制御される。一例ではあるが、第1スイッチング制御では、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2が、0ボルトと15ボルトとの間で制御される。一方、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2は、0ボルトに維持される。小電流域では第2スイッチング制御が実行され、MOSFET26、36を駆動するために、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2が経時的に制御される。一例ではあるが、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36のゲート電圧Vgs1、Vgs2が、-5ボルトと20ボルトとの間で制御される。一方、IGBT22、32のゲート電圧Vge1、Vge2は、ゼロボルトに維持される。 FIG. 2 shows an example of control of the gate voltages Vge1, Vge2, Vgs1, and Vgs2 by the control device 12. As shown in FIG. 2, the first switching control is executed in the large current region, and the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are controlled over time in order to drive the IGBTs 22 and 32. As an example, in the first switching control, the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are controlled between 0 volt and 15 volt. On the other hand, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are maintained at 0 volt. In the small current region, the second switching control is executed, and the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are controlled over time in order to drive the MOSFETs 26 and 36. As an example, in the second switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 of the MOSFETs 26 and 36 are controlled between −5 volt and 20 volt. On the other hand, the gate voltages Vge1 and Vge2 of the IGBTs 22 and 32 are maintained at zero volt.

ここで、図2に示すゲート電圧Vgs1、Vgs2のグラフから理解されるように、第1スイッチング制御と第2スイッチング制御との間において、MOSFET26、36をターンオフさせるときのゲート電圧Vgs1、Vgs2は互いに相違する。即ち、第1スイッチング制御では、MOSFET26、36をターンオフするときのゲート電圧Vgs1、Vgs2がゼロボルトである一方で、第2スイッチング制御では、MOSFET26、36をターンオフするときのゲート電圧Vgs1、Vgs2は-5ボルトとなっている。 Here, as can be understood from the graphs of the gate voltages Vgs1 and Vgs2 shown in FIG. 2, between the first switching control and the second switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when the MOSFETs 26 and 36 are turned off are mutually exclusive. It's different. That is, in the first switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when turning off the MOSFETs 26 and 36 are zero volts, while in the second switching control, the gate voltages Vgs1 and Vgs2 when turning off the MOSFETs 26 and 36 are -5. It is a bolt.

制御装置12は、上側スイッチング回路20を導通させる状態から、下側スイッチング回路30を導通させる状態へ切り替えるタイミング(図2中のA)で、全てのスイッチング素子22、26、32、36が、電源4の正極側から負極側に向かう方向に対して、非導通状態になる時間を設けている。この時間はデッドタイムと称される。上側スイッチング回路20が非導通状態になった直後には、電流が完全に切れていないため、そのタイミングで下側スイッチング回路30を、電源4の正極側から負極側に向かう方向に対して導通状態にしてしまうと、ショートを起こすおそれがある。これを未然に防ぐために、デッドタイムが設けられている。このデッドタイムにおいて、下側スイッチング回路30では逆導通電流が生じ得る。本実施例では、上側スイッチング回路20から、下側スイッチング回路30に切り替えるタイミングでの逆導通電流をメインとして説明するが、下側スイッチング回路30から、上側スイッチング回路20に切り替えるタイミングでも同様である。 In the control device 12, all the switching elements 22, 26, 32, and 36 are powered by the power supply at the timing of switching from the state in which the upper switching circuit 20 is conducted to the state in which the lower switching circuit 30 is conducted (A in FIG. 2). A time is provided for the non-conducting state in the direction from the positive electrode side to the negative electrode side of 4. This time is called dead time. Immediately after the upper switching circuit 20 is in the non-conducting state, the current is not completely cut off. Therefore, at that timing, the lower switching circuit 30 is in the conductive state in the direction from the positive electrode side to the negative electrode side of the power supply 4. If it is set to, there is a risk of causing a short circuit. A dead time is set to prevent this from happening. In this dead time, a reverse conduction current may occur in the lower switching circuit 30. In this embodiment, the reverse conduction current at the timing of switching from the upper switching circuit 20 to the lower switching circuit 30 will be mainly described, but the same applies to the timing of switching from the lower switching circuit 30 to the upper switching circuit 20.

図3に、上側スイッチング回路20を導通させる状態から、下側スイッチング回路30を導通させる状態に切り替えるタイミングにおいて、下側スイッチング回路30で発生する逆導通電流(IF1、IF2)の流れを示す。通常、逆導通電流(IF1、IF2)は、IGBT32と一体に設けられた還流ダイオード34に流れることが想定されている。しかしながら、それらと並列に接続されたMOSFET36にも、ボディダイオード38が内在している。従って、図3に示すように、還流ダイオード34だけでなく、MOSFET36のボディダイオード38にも、逆導通電流IF2が流れるおそれがある。 FIG. 3 shows the flow of the reverse conduction currents (IF1, IF2) generated in the lower switching circuit 30 at the timing of switching from the state in which the upper switching circuit 20 is made conductive to the state in which the lower switching circuit 30 is made conductive. Normally, it is assumed that the reverse conduction currents (IF1, IF2) flow through the freewheeling diode 34 provided integrally with the IGBT 32. However, the body diode 38 is also inherent in the MOSFET 36 connected in parallel with them. Therefore, as shown in FIG. 3, the reverse conduction current IF2 may flow not only in the freewheeling diode 34 but also in the body diode 38 of the MOSFET 36.

ここで、IGBT32は、大電流域でのスイッチングを担うことから、比較的にサイズの大きいものが採用されている。一方、MOSFET36は、小電流域でのスイッチングを担うことから、比較的にサイズの小さいものが採用されている。そのために、IGBT32の許容電流に対して、MOSFET36の許容電流は比較的に小さい。従って、大電流域における逆導通電流は、MOSFET36のボディダイオード38にとって過大であり、例えばMOSFET36にダメージを与えるおそれがある。 Here, since the IGBT 32 is responsible for switching in a large current range, a relatively large size is adopted. On the other hand, since the MOSFET 36 is responsible for switching in a small current region, a MOSFET 36 having a relatively small size is adopted. Therefore, the allowable current of the MOSFET 36 is relatively small with respect to the allowable current of the IGBT 32. Therefore, the reverse conduction current in the large current region is excessive for the body diode 38 of the MOSFET 36, and may damage the MOSFET 36, for example.

上記の問題に関して、本実施例の電力変換装置10では、第1スイッチング制御の実行中に、MOSFET36のソースに対するゲート電圧Vgs2が、ゼロボルトに保持されている。それにより、図4に示すように、MOSFET36のボディダイオード38に、所定の許容値を超える逆導通電流が流れ、その順方向電圧Vfが所定のレベルに達すると、MOSFET36のドレインに対するゲートの電圧(Vgs2-Vdであり、Vd=-Vf)が、MOSFET36の閾値電圧よりも大きくなる。その結果、図5に示すように、MOSFET36が導通状態になり、ソース-ドレイン間に電流Idsが流れることによって、ボディダイオード38を流れる電流IF2が制限される(即ち、IF2-Idsとなる)。 Regarding the above problem, in the power conversion device 10 of the present embodiment, the gate voltage Vgs2 with respect to the source of the MOSFET 36 is held at zero volt during the execution of the first switching control. As a result, as shown in FIG. 4, a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows through the body diode 38 of the MOSFET 36, and when the forward voltage Vf reaches a predetermined level, the gate voltage with respect to the drain of the MOSFET 36 ( Vgs2-Vd, where Vd = −Vf) is larger than the threshold voltage of the MOSFET 36. As a result, as shown in FIG. 5, the MOSFET 36 becomes conductive and the current Ids flows between the source and the drain, so that the current IF2 flowing through the body diode 38 is limited (that is, IF2-Ids).

本実施例の電力変換装置10では、第1スイッチング制御において、MOSFET36のゲート電圧Vgs1がゼロボルトに維持される。これにより、MOSFET36のボディダイオード38に、所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、MOSFET36のドレインに対するゲートの電圧Vdが、MOSFET36の閾値電圧よりも大きくなる。言い換えると、第1スイッチング制御において、MOSFET36に与える具体的なゲート電圧Vgs1の値は、MOSFET36の電流に関する許容値や、MOSFET36の閾値電圧に応じて定めることができる。そのことから、例えばMOSFET36の閾値電圧は、MOSFET36の温度に応じて変化することから、第1スイッチング制御においてMOSFET36に与えるゲート電圧Vgs1も、温度に応じて調節してもよい。 In the power conversion device 10 of this embodiment, the gate voltage Vgs1 of the MOSFET 36 is maintained at zero volt in the first switching control. As a result, when a reverse conduction current exceeding a predetermined allowable value flows through the body diode 38 of the MOSFET 36, the voltage Vd of the gate with respect to the drain of the MOSFET 36 becomes larger than the threshold voltage of the MOSFET 36. In other words, in the first switching control, the specific value of the gate voltage Vgs1 given to the MOSFET 36 can be determined according to the allowable value for the current of the MOSFET 36 and the threshold voltage of the MOSFET 36. Therefore, for example, since the threshold voltage of the MOSFET 36 changes according to the temperature of the MOSFET 36, the gate voltage Vgs1 given to the MOSFET 36 in the first switching control may also be adjusted according to the temperature.

いずれにしても、MOSFET36のソースに対するゲートの電圧をVaとした場合、逆導通電流IF2が流れた時のゲート-ドレイン間電圧Vgdは、Vgd=Va+VFとなる。このゲート-ドレイン間電圧Vgdが、MOSFET36の閾値電圧Vthを超えていれば、すなわち、Va+VF>Vthを満たせば、MOSFET36がターンオンされ、ソース-ドレイン間で導通状態となる。従って、第1スイッチング制御においてMOSFET36に与えるゲート電圧Vgs1は、ゼロボルトに限定されることなく、Va+VF>Vthを満たすような任意の値であってよい。 In any case, when the gate voltage with respect to the source of the MOSFET 36 is Va, the gate-drain voltage Vgd when the reverse conduction current IF2 flows is Vgd = Va + VF. If the gate-drain voltage Vgd exceeds the threshold voltage Vth of the MOSFET 36, that is, if Va + VF> Vth is satisfied, the MOSFET 36 is turned on and becomes a conduction state between the source and the drain. Therefore, the gate voltage Vgs1 applied to the MOSFET 36 in the first switching control is not limited to zero volt, and may be any value that satisfies Va + VF> Vth.

また、本実施例においては、上側スイッチング回路20から、下側スイッチング回路30に切り替えるタイミングで、下側スイッチング回路30に発生する逆導通電流について述べた。一方で、下側スイッチング回路30から、上側スイッチング回路20に切り替えるタイミングにおいては、上側スイッチング回路20に、負荷6から電源4の正極側の方向へ向かう、逆導通電流が発生する。この場合においても、上側スイッチング回路20と、下側スイッチング回路30の役割を反対にすることで、同様の効果を得ることができる。すなわち、第2駆動回路44が出力する電圧を、所定の電圧に保持し、MOSFET26を、ソース-ドレイン間で導通させることにより、ボディダイオード28に過大な逆導通電流が流れることを未然に防止、又は、抑制し得る。 Further, in this embodiment, the reverse conduction current generated in the lower switching circuit 30 at the timing of switching from the upper switching circuit 20 to the lower switching circuit 30 has been described. On the other hand, at the timing of switching from the lower switching circuit 30 to the upper switching circuit 20, a reverse conduction current is generated in the upper switching circuit 20 from the load 6 toward the positive electrode side of the power supply 4. Even in this case, the same effect can be obtained by reversing the roles of the upper switching circuit 20 and the lower switching circuit 30. That is, by holding the voltage output by the second drive circuit 44 at a predetermined voltage and conducting the MOSFET 26 between the source and the drain, it is possible to prevent an excessive reverse conduction current from flowing through the body diode 28. Or it can be suppressed.

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書、又は、図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the techniques disclosed in the present specification have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples exemplified above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Further, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.

4:電源
6:負荷
10:電力変換装置
12:制御装置
20、30:スイッチング回路
22、32:IGBT
24、34:還流ダイオード
26、36:MOSFET
28、38:ボディダイオード
42、44、46、48:駆動回路
4: Power supply 6: Load 10: Power conversion device 12: Control device 20, 30: Switching circuit 22, 32: IGBT
24, 34: Reflux diode 26, 36: MOSFET
28, 38: Body diode 42, 44, 46, 48: Drive circuit

Claims (1)

電源と負荷との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記電源から前記負荷への電力供給経路上に設けられているとともに、各々が互いに並列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有する、少なくとも二つのスイッチング回路と、
前記第1スイッチング素子を駆動する第1スイッチング制御と、前記第2スイッチング素子を駆動する第2スイッチング制御とを選択的に実行する制御装置と、
を備え、
前記第1スイッチング素子は、第1半導体材料を用いて構成されており、
前記第2スイッチング素子は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、前記第1半導体材料よりもバンドギャップの広い第2半導体材料を用いて構成されているとともに、そのサイズは前記第1スイッチング素子のサイズよりも小さく、
前記制御装置は、前記第1スイッチング制御の実行中において、前記MOSFETのソースに対するゲート電圧を、所定の電圧に保持するように構成されており、それによって、前記MOSFETのボディダイオードに所定の許容値を超える逆導通電流が流れたときに、前記MOSFETのドレインに対するゲート電圧が、前記MOSFETの閾値電圧よりも大きくなる、
電力変換装置。
A power conversion device that converts power between a power source and a load.
At least two switching circuits provided on the power supply path from the power supply to the load and each having a first switching element and a second switching element connected in parallel to each other.
A control device that selectively executes a first switching control for driving the first switching element and a second switching control for driving the second switching element.
Equipped with
The first switching element is configured by using the first semiconductor material.
The second switching element is a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), which is configured by using a second semiconductor material having a bandgap wider than that of the first semiconductor material, and its size is described above. Smaller than the size of the first switching element,
The control device is configured to hold the gate voltage with respect to the source of the MOSFET at a predetermined voltage during the execution of the first switching control, whereby a predetermined allowable value is set in the body diode of the MOSFET. When a reverse conduction current exceeding the above is applied, the gate voltage with respect to the drain of the MOSFET becomes larger than the threshold voltage of the MOSFET.
Power converter.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009183115A (en) 2008-01-31 2009-08-13 Daikin Ind Ltd Power converter
JP2010279193A (en) 2009-05-29 2010-12-09 Mitsubishi Electric Corp Power converter
JP2013187940A (en) 2012-03-06 2013-09-19 Nissan Motor Co Ltd Power conversion device
JP2014027816A (en) 2012-07-27 2014-02-06 Mitsubishi Electric Corp Power conversion device
WO2019039064A1 (en) 2017-08-22 2019-02-28 株式会社 日立パワーデバイス Semiconductor power conversion circuit, and semiconductor device and motor drive device using same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1080152A (en) * 1996-09-06 1998-03-24 Hitachi Ltd Inverter apparatus for forklift

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009183115A (en) 2008-01-31 2009-08-13 Daikin Ind Ltd Power converter
JP2010279193A (en) 2009-05-29 2010-12-09 Mitsubishi Electric Corp Power converter
JP2013187940A (en) 2012-03-06 2013-09-19 Nissan Motor Co Ltd Power conversion device
JP2014027816A (en) 2012-07-27 2014-02-06 Mitsubishi Electric Corp Power conversion device
WO2019039064A1 (en) 2017-08-22 2019-02-28 株式会社 日立パワーデバイス Semiconductor power conversion circuit, and semiconductor device and motor drive device using same

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