JP2006115630A - Power conversion circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】直流電圧と交流電圧との変換を行う電力変換装置において、スイッチング素子の電流を遮断させたときにこのスイッチング素子に印加される電圧の増加を低減すること。
【解決手段】電圧制御型スイッチング素子と、この素子をオンさせる電圧とオフさせる電圧とを時系列で供給する制御電圧発生部と、電圧制御型スイッチング素子の低電位側端子に接続されてアームの一部を構成し、かつ、電圧制御型スイッチング素子のしきい電圧をVth、制御電圧発生部が供給する上記オフさせる電圧をVgmin、電圧制御型スイッチング素子の規格耐圧をVrate、電圧制御型スイッチング素子の高電圧側端子、低電圧側端子間に定常オフ時に印加される電圧をVcc、電圧制御型スイッチング素子の高電圧側端子から外側に見える寄生インダクタンスの仕様をLsとしたときに、Le≧Ls(Vth−Vgmin)/(Vrate−Vcc)を満たすインダクタとを具備する。
【選択図】図3An object of the present invention is to reduce an increase in voltage applied to a switching element when a current of the switching element is interrupted in a power conversion device that performs conversion between a DC voltage and an AC voltage.
A voltage-controlled switching element, a control voltage generator that supplies a voltage for turning on and off the element in time series, and a low-potential side terminal of the voltage-controlled switching element connected to the arm The threshold voltage of the voltage-controlled switching element is Vth, the voltage to be turned off is supplied by the control voltage generator Vgmin, the standard withstand voltage of the voltage-controlled switching element is Vrate, the voltage-controlled switching element Le ≧ Ls where Vcc is the voltage applied between the high-voltage side terminal and the low-voltage side terminal during steady-state OFF, and Ls is the specification of the parasitic inductance that is visible from the high-voltage side terminal of the voltage-controlled switching element. And an inductor satisfying (Vth−Vgmin) / (Vrate−Vcc).
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、直流電圧と交流電圧との変換を行う電力変換装置に係り、特に、スイッチング素子への保護機能を備えた電力変換回路に関する。 The present invention relates to a power conversion device that performs conversion between a DC voltage and an AC voltage, and more particularly to a power conversion circuit having a protection function for a switching element.
直流電圧と交流電圧との変換を行う電力変換装置には、IGBT(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子が用いられている。これらのスイッチング素子では、あらかじめ、通常の使用状態より相当に大きな電流を流して電流遮断する試験を行い耐性を確認している。 A switching element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) is used in a power conversion device that performs conversion between a DC voltage and an AC voltage. For these switching elements, the resistance is confirmed in advance by conducting a test to cut off the current by flowing a considerably larger current than in a normal use state.
電流を遮断する際には、スイッチング素子の高電圧側端子の外側に見える寄生インダクタンスによって、スイッチング素子にその定常オフ時より大きな電圧が一時的に印加される。この電圧によりスイッチング素子内部ではキャリアの速度が上昇して電流の変化率di/dtが増加し、したがって寄生インダクタンスによってさらに大きな電圧の印加となる正帰還が発生する場合がある。正帰還が発生した場合のスイッチング素子への印加電圧も、仕様上は、その規格耐圧を超えない範囲に留める必要がある。 When interrupting the current, a voltage larger than that at the time of steady-state OFF is temporarily applied to the switching element due to the parasitic inductance that appears outside the high-voltage side terminal of the switching element. Due to this voltage, the carrier speed is increased inside the switching element, and the current change rate di / dt is increased. Therefore, a positive feedback in which a larger voltage is applied may occur due to parasitic inductance. The voltage applied to the switching element when positive feedback occurs must also be within a range that does not exceed the standard breakdown voltage in terms of specifications.
下記特許文献1には、このような印加電圧増加を避けるため有力な構成として考えられる、スイッチング素子の低電圧側端子にインダクタを接続する構成が開示されている。しかしながら、同文献の内容は電流遮断時の消費電力増大を問題としており、この結果、インダクタの値はスイッチング素子のチップあたり50nH以下が好ましいと記載されている。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、直流電圧と交流電圧との変換を行う電力変換装置において、スイッチング素子に流す電流を遮断させたときにこのスイッチング素子に印加される電圧の増加を低減することが可能な電力変換回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and in a power conversion device that converts between a DC voltage and an AC voltage, a voltage applied to the switching element when the current flowing through the switching element is interrupted. It is an object of the present invention to provide a power conversion circuit capable of reducing the increase in power consumption.
本発明の一態様に係る電力変換回路は、高電位側端子と低電位側端子と電圧制御端子とを有する電圧制御型スイッチング素子を、アームの電流をオンオフするための素子として用いる電力変換回路であって、前記電圧制御型スイッチング素子と、前記電圧制御型スイッチング素子の前記電圧制御端子に接続され、前記電圧制御型スイッチング素子をオンさせる電圧とオフさせる電圧とを時系列で前記電圧制御端子に供給する制御電圧発生部と、前記電圧制御型スイッチング素子の低電位側端子に接続されて前記アームの一部を構成するインダクタであって、そのインダクタンスLeが、前記電圧制御型スイッチング素子のしきい電圧をVth、前記制御電圧発生部の前記オフさせる電圧をVgmin、前記電圧制御型スイッチング素子の規格耐圧をVrate、前記電圧制御型スイッチング素子の前記高電圧側端子と前記低電圧側端子との間に定常オフ時に印加される電圧をVcc、前記電圧制御型スイッチング素子の前記高電圧側端子から外側に見える寄生インダクタンスの仕様をLsとしたときに、Le≧Ls(Vth−Vgmin)/(Vrate−Vcc)を満たす前記インダクタとを具備することを特徴とする。 A power conversion circuit according to one embodiment of the present invention is a power conversion circuit that uses a voltage-controlled switching element having a high-potential side terminal, a low-potential side terminal, and a voltage control terminal as an element for turning on and off an arm current. The voltage control type switching element and the voltage control terminal of the voltage control type switching element are connected to the voltage control terminal, and a voltage for turning on and off the voltage control type switching element are applied to the voltage control terminal in time series. A control voltage generator to be supplied and an inductor connected to a low potential side terminal of the voltage controlled switching element and constituting a part of the arm, the inductance Le being a threshold of the voltage controlled switching element The voltage is Vth, the voltage for turning off the control voltage generator is Vgmin, and the voltage-controlled switching element standard The voltage applied is Vrate, the voltage applied between the high-voltage side terminal and the low-voltage side terminal of the voltage-controlled switching element during steady-state OFF is Vcc, and the voltage-controlled switching element is outside the high-voltage side terminal. When the specification of the parasitic inductance that can be seen is Ls, the inductor satisfies Le ≧ Ls (Vth−Vgmin) / (Vrate−Vcc).
本発明によれば、直流電圧と交流電圧との変換を行う電力変換装置において、スイッチング素子に流す電流を遮断させたときにこのスイッチング素子に印加される電圧の増加を低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when the electric current which flows into a switching element is interrupted | blocked in the power converter device which converts a DC voltage and an alternating voltage, the increase in the voltage applied to this switching element can be reduced.
本発明に係る電力変換回路では、電圧制御型スイッチング素子の低電圧側端子に接続されてインダクタを有する。このインダクタのインダクタンスLeはLe≧Ls(Vth−Vgmin)/(Vrate−Vcc)を満足するように選択される。この範囲は、電流遮断時にオフ状態となったスイッチング素子を一時的にオン状態とするのに必要な範囲として求められたものである。スイッチング素子を一時的にオン状態にすることにより電流変化率di/dtが小さくなるので、したがって寄生インダクタンスによる電圧の増加を抑制することができる。この結果、スイッチング素子に印加される電圧の増加を低減することが可能となる。 The power conversion circuit according to the present invention has an inductor connected to the low voltage side terminal of the voltage controlled switching element. The inductance Le of this inductor is selected so as to satisfy Le ≧ Ls (Vth−Vgmin) / (Vrate−Vcc). This range is obtained as a range necessary to temporarily turn on the switching element that is turned off when the current is interrupted. Since the current change rate di / dt is reduced by temporarily turning on the switching element, an increase in voltage due to parasitic inductance can be suppressed. As a result, an increase in voltage applied to the switching element can be reduced.
本発明の実施態様として、前記電圧制御型スイッチング素子は、IGBT(insulated gate bipolar transistor)であり、前記高電位側端子が該IGBTのコレクタ端子、前記低電位側端子が該IGBTのエミッタ端子、前記電圧制御端子が該IGBTのゲート端子である、とすることができる。ここで、前記IGBTは、縦型プレーナ型IGBT、縦型トレンチ型IGBT、横型プレーナ型IGBT、または横型トレンチ型IGBTであることを例示できる。 As an embodiment of the present invention, the voltage-controlled switching element is an IGBT (insulated gate bipolar transistor), the high potential side terminal is the collector terminal of the IGBT, the low potential side terminal is the emitter terminal of the IGBT, The voltage control terminal can be the gate terminal of the IGBT. Here, the IGBT may be a vertical planar IGBT, a vertical trench IGBT, a horizontal planar IGBT, or a horizontal trench IGBT.
また、実施態様として、前記電圧制御型スイッチング素子が、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)であり、前記高電位側端子が該MOSFETのドレイン端子、前記低電位側端子が該MOSFETのソース端子、前記電圧制御端子が該MOSFETのゲート端子である、とすることもできる。ここで、前記MOSFETは、縦型プレーナ型MOSFET、縦型トレンチ型MOSFET、横型プレーナ型MOSFET、または横型トレンチ型MOSFETであることを例示できる。 Further, as an embodiment, the voltage-controlled switching element is a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor), the high potential side terminal is the drain terminal of the MOSFET, the low potential side terminal is the source terminal of the MOSFET, The voltage control terminal may be a gate terminal of the MOSFET. Here, the MOSFET can be exemplified as a vertical planar MOSFET, a vertical trench MOSFET, a lateral planar MOSFET, or a lateral trench MOSFET.
以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る電力変換回路(インバータ)の構成を示す回路図である。図1中に示す直流電源11から誘導性負荷(例えばモータ)16への出力電流を、直流電流11、電流スイッチング部12、誘導性負荷16、電流スイッチング部15、直流電源11の経路で流す期間と、直流電流11、電流スイッチング部14、誘導性負荷16、電流スイッチング部13、直流電源11の経路で流す期間とを繰り返すことで誘導性負荷16を交流駆動する。電流スイッチング部12、15のオンのタイミングと電流スイッチング部14、13のオンのタイミングとは排他的に設定される。回路上の、電流スイッチング部12(13、14、15)両端への分岐点間はアームと呼ばれる。
Based on the above, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a power conversion circuit (inverter) according to an embodiment of the present invention. A period in which an output current from the
以下では、電力変換回路としてこの単相のインバータの場合を例に挙げて説明するが、各電流スイッチング部12、13、14、15内の構成に特徴があるこの実施形態は、他の電力変換回路(3相インバータ、整流回路など)の場合にも応用できる。
In the following, the case of this single-phase inverter will be described as an example of the power conversion circuit, but this embodiment characterized by the configuration in each of the
図2は、図1中に示した各電流スイッチング部のうちひとつ分(電流スイッチング部13(15))についての等価回路図である。図2に示すように、電流スイッチング部13(15)から外側を見ると、直流電源21(直流電源11に相当)とインダクタンスLm(誘導性負荷16に相当)との直列接続が見える。 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of one current switching unit (current switching unit 13 (15)) shown in FIG. As shown in FIG. 2, when the outside is viewed from the current switching unit 13 (15), a series connection of the DC power source 21 (corresponding to the DC power source 11) and the inductance Lm (corresponding to the inductive load 16) can be seen.
インダクタンスLmに並列接続されるダイオードDは、電流スイッチング部13(15)が定常的にオフしているときに電流スイッチング部13(15)の両端に印加される電圧が、直流電源21の出力電圧にほぼ等しくなるようにするものである。図1に示すインバータの場合も、電流スイッチング部13(15)が定常的にオフしているときには電流スイッチング部12(14)が定常的にオンしており電流スイッチング部13(15)の両端に印加される電圧は直流電源11の出力電圧にほぼ等しくなる。インダクタンスLmとダイオードDとでインバータの誘導性負荷16を模擬したものと言える。
The diode D connected in parallel to the inductance Lm has a voltage applied to both ends of the current switching unit 13 (15) when the current switching unit 13 (15) is steadily turned off. To be approximately equal to. Also in the case of the inverter shown in FIG. 1, when the current switching unit 13 (15) is steadily turned off, the current switching unit 12 (14) is steadily turned on, and is connected to both ends of the current switching unit 13 (15). The applied voltage is approximately equal to the output voltage of the
電流スイッチング部13(15)の高電位側端子(コレクタ端子c)に挿入図示されたインダクタンスLsは、高電位側端子から外側に見える寄生インダクタンス(インダクタンスなので直流電源21の負極側にあるものを含んで一体である)であり、配線のインダクタンス分が主である。図2は、電流スイッチング部13(15)についての等価回路を示しているが、電流スイッチング部12(14)についての等価回路も、直流電源21とインダクタンスLmとの直列接続が両端に接続されることには変わりなく、その直列接続の順が逆になるだけである。
The inductance Ls inserted and shown in the high potential side terminal (collector terminal c) of the current switching unit 13 (15) includes a parasitic inductance (inductance that is on the negative side of the DC power supply 21) that is visible from the high potential side terminal. The main component is the inductance of the wiring. FIG. 2 shows an equivalent circuit for the current switching unit 13 (15), but the equivalent circuit for the current switching unit 12 (14) also has a series connection of the
電流スイッチング部13(15)の内部は、電圧制御型スイッチング素子としてのIGBTであるスイッチング素子Qのコレクタ端子cが高電位側端子、同エミッタ端子eが低電位側端子、同ゲート端子gが電圧制御端子となる構成である。ゲート端子gには抵抗Rを介して制御電圧発生部13aからの制御電圧が印加される。制御電圧発生部13aの基準側は、スイッチング素子Qのエミッタ端子eに挿入接続されたインダクタLeの他端に接続される。制御電圧発生部13aは、その両端に、スイッチング素子Qをオンさせる電圧とオフさせる電圧とを時系列で発生する。 Inside the current switching unit 13 (15), the collector terminal c of the switching element Q, which is an IGBT as a voltage-controlled switching element, has a collector terminal c as a high potential side terminal, the emitter terminal e as a low potential side terminal, and the gate terminal g as a voltage. It is the structure used as a control terminal. A control voltage from the control voltage generator 13a is applied to the gate terminal g via a resistor R. The reference side of the control voltage generator 13a is connected to the other end of the inductor Le that is inserted and connected to the emitter terminal e of the switching element Q. The control voltage generator 13a generates, at both ends, a voltage for turning on and off a switching element Q in time series.
図3は、各電流スイッチング部13(12、14、15)の内部構成例を具体的に示す回路図である。この例の場合、図3に示すように、スイッチング素子Qは、24個のスイッチング素子Q1〜Q24の並列接続により構成されており、それらのゲート端子にはそれぞれ抵抗器R1〜R24が、エミッタ端子にはそれぞれインダクタンスLe1〜Le24が接続されている。スイッチング素子の並列接続数は、それらの電流定格から決定されたものである。 FIG. 3 is a circuit diagram specifically showing an example of the internal configuration of each current switching unit 13 (12, 14, 15). In the case of this example, as shown in FIG. 3, the switching element Q is composed of 24 switching elements Q1 to Q24 connected in parallel. Resistors R1 to R24 are respectively connected to the gate terminals of the switching elements Q1 to Q24. Inductances Le1 to Le24 are connected to each. The number of switching elements connected in parallel is determined from their current ratings.
各インダクタンスLe1〜Le24の値は次のように求められた範囲から選択される。この範囲の導出のため図4を参照する。図4は、図1中、図2中に示した電流スイッチング部13(12、14、15)の動作説明図であり、図4(a)が本実施形態の場合、図4(b)、(c)はそれぞれ比較例の場合である。 The values of the inductances Le1 to Le24 are selected from the range obtained as follows. Refer to FIG. 4 for derivation of this range. FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the current switching unit 13 (12, 14, 15) shown in FIG. 2 in FIG. 1. When FIG. 4 (a) is the present embodiment, FIG. (C) is a case of a comparative example.
図4(a)の横軸の「切り替え」の時点で制御電圧発生部13aが発生する制御電圧が正値(スイッチング素子Qnをオンさせる電圧)から負値(低電圧値側:スイッチング素子Qnをオフさせる電圧)に切り替えられる。これにより、以下の経過で、各スイッチング素子Qnのコレクタ電流Icが遮断されていく。最初の段階では、ゲート電圧Vgeがミラー電圧に固定され、スイッチング素子Qn内部のキャリアが排出されてコレクタ電圧Vceが上昇するもののコレクタ電流Icはほとんど変化しない(蓄積期間31)。 The control voltage generated by the control voltage generator 13a at the time of “switching” on the horizontal axis in FIG. 4A is changed from a positive value (voltage for turning on the switching element Qn) to a negative value (low voltage value side: switching element Qn Voltage to be turned off). Thereby, the collector current Ic of each switching element Qn is cut off in the following progress. In the first stage, the gate voltage Vge is fixed to the mirror voltage, and the carriers in the switching element Qn are discharged and the collector voltage Vce rises, but the collector current Ic hardly changes (accumulation period 31).
次に、コレクタ電圧Vceが直流電圧源11の電圧Vccに達し、スイッチング素子Qn内部の空乏層の伸びに合わせてコレクタ電流Icが減少し始め、かつコレクタ電圧Vceがさらに上昇する(フォール期間32)。コレクタ電圧Vceがさらに上昇するのは、寄生インダクタンスLsが原因であり、コレクタ電流Icの電流変化率di/dtにLsを掛けた値の増加となる(図2参照)。このとき、Ls・(di/dt)+Vccはスイッチング素子Qnの規格耐圧Vrateを超えてはならない。すなわち、
Ls・(di/dt)+Vcc≦Vrate (1)
である。
Next, the collector voltage Vce reaches the voltage Vcc of the
Ls · (di / dt) + Vcc ≦ Vrate (1)
It is.
ある程度の時間の経過で、今度はゲート電圧Vgeが一時的に再び増加する。これは、スイッチング素子Qnのエミッタ側に挿入接続されたインダクタLenのためであり、この再びの増加によりスイッチング素子Qnが一時的にオンするように、インダクタLenの値が選ばれる。すなわち、図4(a)を参照すると、
Vgmin+Len・(di/dt)≧Vth (2)
でスイッチング素子Qnはオン状態となる。ここで、Vgminは制御電圧発生部13aが発生する負側(低電圧値側)の電圧値、Vthはスイッチング素子Qnのしきい電圧である。
After a certain period of time, the gate voltage Vge temporarily increases again this time. This is due to the inductor Len inserted and connected to the emitter side of the switching element Qn, and the value of the inductor Len is selected so that the switching element Qn is temporarily turned on by this increase again. That is, referring to FIG.
Vgmin + Len · (di / dt) ≧ Vth (2)
Thus, the switching element Qn is turned on. Here, Vgmin is a voltage value on the negative side (low voltage value side) generated by the control voltage generator 13a, and Vth is a threshold voltage of the switching element Qn.
スイッチング素子Qnが一時的に再びオン状態になるとコレクタ電流Icの電流変化率di/dtは穏やかになる。そして、コレクタ電圧Vceは規格耐圧Vrateを超えずにVccに収束し、かつコレクタ電流Icがゼロになっていく。ここまでの期間では、スイッチング素子Qn内部の空乏層の伸びが止まりキャリアが再結合によって消滅する(テール期間33)。 When the switching element Qn is temporarily turned on again, the current change rate di / dt of the collector current Ic becomes gentle. The collector voltage Vce converges to Vcc without exceeding the standard withstand voltage Vrate, and the collector current Ic becomes zero. In the period up to this point, the depletion layer inside the switching element Qn stops growing and the carriers disappear due to recombination (tail period 33).
上に示した式(1)、式(2)から、これをLenについての式にすると、
Len≧Ls(Vth−Vgmin)/(Vrate−Vcc) (3)
の関係が導かれる。このような関係が満たされるインダクタンスLenの値が選択されることにより、以上説明したように、スイッチング素子Qnのコレクタ電圧Vceはその規格耐圧Vrateを超えることがない。ここで、寄生インダクタンスLsは、インバータにおける実際の値ではなく、マージンをみて最大見込まれる仕様値を用いるのが好ましい。
From the equations (1) and (2) shown above, if this is an equation for Len,
Len ≧ Ls (Vth−Vgmin) / (Vrate−Vcc) (3)
The relationship is guided. By selecting a value of the inductance Len that satisfies such a relationship, as described above, the collector voltage Vce of the switching element Qn does not exceed the standard withstand voltage Vrate. Here, as the parasitic inductance Ls, it is preferable to use not the actual value in the inverter but the specification value that is expected to be maximized with a margin.
実際的な数値での例を挙げると一例として以下のようになる。例えば、Ls=400・24[nH](最大として見込まれる仕様値であり、各スイッチング素子Qnについての換算で24倍している)、Vth=5V、Vgmin=−15V、Vrate=3300V、Vcc=2500Vとすると、Len≧240[nH]となる。これは、図2に示すような仮想の単一のスイッチング素子Qに接続されるインダクタLeに換算すると24分の1になり、Le≧10nHである。 An example with practical numerical values is as follows. For example, Ls = 400 · 24 [nH] (a specification value expected as the maximum, and multiplied by 24 in terms of each switching element Qn), Vth = 5V, Vgmin = −15V, Vrate = 3300V, Vcc = If 2500 V, Len ≧ 240 [nH]. This is 1/24 in terms of an inductor Le connected to a virtual single switching element Q as shown in FIG. 2, and Le ≧ 10 nH.
図4(b)、(c)は、それぞれ、各スイッチング素子Qnのエミッタ側にインダクタンスLenが挿入接続されない場合の同様な各電圧、電流の変化を比較例として示している。図4(b)に示すのは、スイッチング素子Q内部で正帰還現象が生じた場合である。蓄積期間31については図4(a)に示す場合と同様である。フォール期間32についても、スイッチング素子Qn内部の空乏層の伸びに合わせてコレクタ電流Icが減少し始め、また、コレクタ電圧Vceが寄生インダクタンスLsによりさらに上昇することは同様である。
FIGS. 4B and 4C show similar voltage and current changes as comparative examples when the inductance Len is not inserted and connected to the emitter side of each switching element Qn. FIG. 4B shows a case where a positive feedback phenomenon occurs inside the switching element Q. The
しかし、その後、ゲート電圧Vgeが負側(低電圧側)に安定して何ら作用を及ぼさないので、空乏層の伸びが速くてキャリアの速度が上昇しコレクタ電流Icの変化率di/dtが増加する。したがって寄生インダクタンスLsによりさらに大きな電圧の印加となって正帰還が発生したものである。このような場合、最悪では、図示するようにコレクタ電圧Vceはスイッチング素子Qnの規格耐圧Vrateを超えてしまう。その後はスイッチング素子Qn内部でアバランシェ現象によってコレクタ電圧Vceがクランプされコレクタ電流Icが流れなくなるとVceはVccに等しくなる。 However, after that, the gate voltage Vge does not have any effect stably on the negative side (low voltage side), so that the depletion layer grows fast, the carrier velocity increases, and the change rate di / dt of the collector current Ic increases. To do. Therefore, a larger voltage is applied by the parasitic inductance Ls and positive feedback occurs. In such a case, at the worst, the collector voltage Vce exceeds the standard withstand voltage Vrate of the switching element Qn as shown in the figure. Thereafter, when the collector voltage Vce is clamped by the avalanche phenomenon inside the switching element Qn and the collector current Ic does not flow, Vce becomes equal to Vcc.
実際の場合には、寄生インダクタンスLsが仕様で見込まれる最大値よりは小さいと考えられるので、Ls・(di/dt)で示されるコレクタ電圧Vceの電圧増加分がさほどでもない。よって、多くの場合、図4(c)に示されるように正常に切り替え(ターンオフ)が起こると言えるが、何らかの異常時を想定した場合のマージンという意味では不十分である。この不十分さは、寄生インダクタンスLsとして最大見込まれる値を使用しかつ通常の使用状態より相当に大きな電流を流して電流遮断する電流遮断試験の場合には顕著に露呈する。本実施形態では、図4(a)に示したように、コレクタ電圧Vceは、最悪でもスイッチング素子Qnの規格耐圧Vrateを超えないようにできる。 In an actual case, since the parasitic inductance Ls is considered to be smaller than the maximum value expected in the specification, the increase in the collector voltage Vce indicated by Ls · (di / dt) is not so large. Therefore, in many cases, it can be said that switching (turn-off) normally occurs as shown in FIG. 4 (c), but it is not sufficient in terms of a margin when some kind of abnormality is assumed. This insufficiency is conspicuously exposed in the case of a current interruption test in which the maximum possible value is used as the parasitic inductance Ls and the current is interrupted by flowing a considerably larger current than in a normal use state. In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the collector voltage Vce can be prevented from exceeding the standard withstand voltage Vrate of the switching element Qn at worst.
なお、式(3)によりLenの下限が示されたが、上限については次のような目安で決めることができる。Lenを増加していくと、スイッチング素子Qnが一時的にオン状態となる期間が長くなる。すなわちスイッチング素子Qnの電流遮断が甘くなっている状態が続き、コレクタ電流Icが完全にオフするまでの時間が長くなっていく。そこで、スイッチング(ターンオフ)時間として必要な時間(インバータとして必要な時間)の仕様に収まるようにLenの上限を決めることができる。 In addition, although the lower limit of Len was shown by Formula (3), about an upper limit, it can determine with the following references | standards. As Len is increased, the period during which the switching element Qn is temporarily turned on becomes longer. In other words, the state in which the current interruption of the switching element Qn is reduced continues, and the time until the collector current Ic is completely turned off becomes longer. Therefore, the upper limit of Len can be determined so as to be within the specifications of the time required as switching (turn-off) time (time required as an inverter).
以上本発明の実施形態を説明したが、以下では、スイッチング素子Qnとして使用することができる素子の具体例を図5ないし図12を参照して説明する。 Although the embodiments of the present invention have been described above, specific examples of elements that can be used as the switching element Qn will be described below with reference to FIGS.
図5は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(縦型プレーナ型IGBT)の構成を示す断面構造図である。ここで縦型とは、コレクタ端子cとエミッタ端子eとが縦方向に対向して配置される構造である。プレーナ型とは、チャネルの形成領域が横方向になるように各領域が形成されている構造である。図5に示す縦型プレーナ型IGBTは、その構造として、エミッタ電極層41、ゲート電極層42、ゲート絶縁膜43、N型ソース層44、P型ベース層45、N型ベース層46、N型バッファ層47、P型エミッタ層48、コレクタ電極層49を有する。ゲート絶縁膜43を介してゲート電極層42に対向するP型ベース層45の領域がチャネルになる。
FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram showing a configuration of an element (vertical planar IGBT) that can be used as the switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. Here, the vertical type is a structure in which the collector terminal c and the emitter terminal e are arranged to face each other in the vertical direction. The planar type is a structure in which each region is formed so that the channel formation region is in the horizontal direction. The vertical planar IGBT shown in FIG. 5 has, as its structure, an
図6は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(縦型トレンチ型IGBT)の構成を示す断面構造図である。ここでトレンチ型とは、ゲート電極がトレンチ内に埋め込み形成されており、これによりチャネルの形成領域が縦方向になるように各領域が形成されている構造である。図6に示す縦型トレンチ型IGBTは、その構造として、エミッタ電極層51、ゲート電極層52、ゲート絶縁膜53、N型ソース層54、P型ベース層55、N型ベース層56、N型バッファ層57、P型エミッタ層58、コレクタ電極層59を有する。ゲート絶縁膜53を介してゲート電極層52に対向するP型ベース層55の領域がチャネルになる。
FIG. 6 is a cross-sectional structure diagram showing the configuration of an element (vertical trench IGBT) that can be used as switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. Here, the term “trench type” refers to a structure in which a gate electrode is embedded in a trench and each region is formed so that a channel formation region is in a vertical direction. The vertical trench IGBT shown in FIG. 6 has, as its structure, an
図7は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(横型プレーナ型IGBT)の構成を示す断面構造図である。ここで横型とは、コレクタ端子cとエミッタ端子eとが横方向の関係として配置される構造である。図7に示す横型プレーナ型IGBTは、その構造として、エミッタ電極層61、ゲート電極層62、ゲート絶縁膜63、N型ソース層64、P型ベース層65、N型ベース層66、N型バッファ層67、P型エミッタ層68、コレクタ電極層69を有する。ゲート絶縁膜63を介してゲート電極層62に対向するP型ベース層65の領域がチャネルになる。
FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram showing a configuration of an element (horizontal planar IGBT) that can be used as switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. Here, the horizontal type is a structure in which the collector terminal c and the emitter terminal e are arranged in a horizontal relationship. The lateral planar IGBT shown in FIG. 7 has, as its structure, an
図8は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(横型トレンチ型IGBT)の構成を示す断面構造図である。「横型」、「トレンチ型」は上に説明した通りである。図8に示す横型トレンチ型IGBTは、その構造として、エミッタ電極層71、ゲート電極層72、ゲート絶縁膜73、N型ソース層74、P型ベース層75、N型ベース層76、N型バッファ層77、P型エミッタ層78、コレクタ電極層79を有する。ゲート絶縁膜73を介してゲート電極層72に対向するP型ベース層75の領域がチャネルになる。
FIG. 8 is a cross-sectional structure diagram showing a configuration of an element (lateral trench IGBT) that can be used as switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. “Horizontal type” and “trench type” are as described above. The lateral trench IGBT shown in FIG. 8 has, as its structure, an emitter electrode layer 71, a
図9は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(縦型プレーナ型MOSFET)の構成を示す断面構造図である。上記4つの例はIGBTであったが、以下ではMOSFETの例を示す。MOSFETの場合には、IGBTのコレクタ端子cに代えてドレイン端子dを、同じくエミッタ端子eに代えてソース端子sを用いればよい。ゲート端子gは同じである。「縦型」、「プレーナ型」は上に説明したのと同じである。図9に示す縦型プレーナ型MOSFETは、その構造として、ソース電極層81、ゲート電極層82、ゲート絶縁膜83、N型ソース層84、P型ベース層85、N型ベース層86、N型ドレイン層87、ドレイン電極層88を有する。ゲート絶縁膜83を介してゲート電極層82に対向するP型ベース層85の領域がチャネルになる。
FIG. 9 is a cross-sectional structure diagram showing the configuration of an element (vertical planar MOSFET) that can be used as the switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. The above four examples are IGBTs, but an example of a MOSFET is shown below. In the case of a MOSFET, the drain terminal d may be used instead of the collector terminal c of the IGBT, and the source terminal s may be used instead of the emitter terminal e. The gate terminal g is the same. “Vertical” and “planar” are the same as described above. The vertical planar MOSFET shown in FIG. 9 has, as its structure, a
図10は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(縦型トレンチ型MOSFET)の構成を示す断面構造図である。「縦型」、「トレンチ型」は上に説明した通りである。図10に示す縦型トレンチ型MOSFETは、その構造として、ソース電極層91、ゲート電極層92、ゲート絶縁膜93、N型ソース層94、P型ベース層95、N型ベース層96、N型ドレイン層97、ドレイン電極層98を有する。ゲート絶縁膜93を介してゲート電極層92に対向するP型ベース層95の領域がチャネルになる。
FIG. 10 is a cross-sectional structure diagram showing the configuration of an element (vertical trench MOSFET) that can be used as switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. “Vertical type” and “trench type” are as described above. The vertical trench MOSFET shown in FIG. 10 has, as its structure, a
図11は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(横型プレーナ型MOSFET)の構成を示す断面構造図である。「横型」、「プレーナ型」は上に説明した通りである。図11に示す横型プレーナ型MOSFETは、その構造として、ソース電極層101、ゲート電極層102、ゲート絶縁膜103、N型ソース層104、P型ベース層105、N型ベース層106、N型ドレイン層107、ドレイン電極層108を有する。ゲート絶縁膜103を介してゲート電極層102に対向するP型ベース層105の領域がチャネルになる。
FIG. 11 is a cross-sectional structure diagram showing the configuration of an element (lateral planar MOSFET) that can be used as the switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. “Horizontal type” and “planar type” are as described above. The lateral planar MOSFET shown in FIG. 11 has, as its structure, a
図12は、図2中に示した電流スイッチング部のスイッチング素子Qnとして使用可能な素子(横型トレンチ型MOSFET)の構成を示す断面構造図である。「横型」、「トレンチ型」は上に説明した通りである。図12に示す横型トレンチ型MOSFETは、その構造として、ソース電極層111、ゲート電極層112、ゲート絶縁膜113、N型ソース層114、P型ベース層115、N型ベース層116、N型ドレイン層117、ドレイン電極層118を有する。ゲート絶縁膜113を介してゲート電極層112に対向するP型ベース層115の領域がチャネルになる。
12 is a cross-sectional structure diagram showing the configuration of an element (lateral trench MOSFET) that can be used as switching element Qn of the current switching unit shown in FIG. “Horizontal type” and “trench type” are as described above. The lateral trench MOSFET shown in FIG. 12 has, as its structure, a
11…直流電源、12,13,14,15…電流スイッチング部、13a…制御電圧発生部、16…誘導性負荷、22…直流電源、31…蓄積期間、32…フォール期間、33…テール期間、41,51,61,71…エミッタ電極層、42,52,62,72…ゲート電極層、43,53,63,73…ゲート絶縁膜、44,54,64,74…N型ソース層、45,55.65,75…P型ベース層、46,56,66,76…N型ベース層、47,57,67,77…N型バッファ層、48,58,68,78…P型エミッタ層、49,59,69,79…コレクタ電極層、81,91,101,111…ソース電極層、82,92,102,112…ゲート電極層、83,93,103,113…ゲート絶縁膜、84,94,104,114…N型ソース層、85,95,105,115…P型ベース層、86,96,106,116…N型ベース層、87,97,107,117…N型ドレイン層、88,98,108,118…ドレイン電極層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電圧制御型スイッチング素子と、
前記電圧制御型スイッチング素子の前記電圧制御端子に接続され、前記電圧制御型スイッチング素子をオンさせる電圧とオフさせる電圧とを時系列で前記電圧制御端子に供給する制御電圧発生部と、
前記電圧制御型スイッチング素子の低電位側端子に接続されて前記アームの一部を構成するインダクタであって、そのインダクタンスLeが、前記電圧制御型スイッチング素子のしきい電圧をVth、前記制御電圧発生部の前記オフさせる電圧をVgmin、前記電圧制御型スイッチング素子の規格耐圧をVrate、前記電圧制御型スイッチング素子の前記高電圧側端子と前記低電圧側端子との間に定常オフ時に印加される電圧をVcc、前記電圧制御型スイッチング素子の前記高電圧側端子から外側に見える寄生インダクタンスの仕様をLsとしたときに、Le≧Ls(Vth−Vgmin)/(Vrate−Vcc)を満たす前記インダクタと
を具備することを特徴とする電力変換回路。 A power conversion circuit that uses a voltage-controlled switching element having a high-potential side terminal, a low-potential side terminal, and a voltage control terminal as an element for turning on and off an arm current,
The voltage-controlled switching element;
A control voltage generator connected to the voltage control terminal of the voltage control type switching element and supplying a voltage for turning on and off the voltage control type switching element to the voltage control terminal in time series;
An inductor connected to a low potential side terminal of the voltage controlled switching element and constituting a part of the arm, the inductance Le of which is the threshold voltage of the voltage controlled switching element Vth, and the control voltage generation The voltage to be turned off is Vgmin, the standard withstand voltage of the voltage-controlled switching element is Vrate, and the voltage applied between the high-voltage side terminal and the low-voltage side terminal of the voltage-controlled switching element during steady-state off Vcc, and the inductor satisfying Le ≧ Ls (Vth−Vgmin) / (Vrate−Vcc), where Ls is the specification of the parasitic inductance that can be seen from the high voltage side terminal of the voltage controlled switching element. A power conversion circuit comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004301336A JP2006115630A (en) | 2004-10-15 | 2004-10-15 | Power conversion circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2004301336A JP2006115630A (en) | 2004-10-15 | 2004-10-15 | Power conversion circuit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006115630A true JP2006115630A (en) | 2006-04-27 |
Family
ID=36383646
Family Applications (1)
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| JP2004301336A Withdrawn JP2006115630A (en) | 2004-10-15 | 2004-10-15 | Power conversion circuit |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2006115630A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017200308A (en) * | 2016-04-27 | 2017-11-02 | ニチコン株式会社 | Inductive power supply |
-
2004
- 2004-10-15 JP JP2004301336A patent/JP2006115630A/en not_active Withdrawn
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| JP2017200308A (en) * | 2016-04-27 | 2017-11-02 | ニチコン株式会社 | Inductive power supply |
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