JP2014117112A - Semiconductor control device, and power conversion equipment - Google Patents
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Abstract
【課題】短絡検知した直後にターンオン時のゲート抵抗を切り替え、ターンオンを遅くしてdi/dtを抑制し、短絡振動を防止する。
【解決手段】直交変換を行うために複数のスイッチング素子により主回路を構成し、第1のスイッチング素子と第1の抵抗と第2の抵抗と第2のスイッチング素子がこの順に直流電源端子間に配列され、第1の抵抗と第2の抵抗の接続点がスイッチング素子のゲートに接続された第1の直列回路と、第3のスイッチング素子と第3の抵抗がこの順に配列され、直流電源端子の一端とスイッチング素子のゲートの間に接続された第2の直列回路とを備え、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を制御信号により交互に制御するとともに、主回路の短絡を検知して第3のスイッチング素子をターンオンさせて第1の抵抗よりも抵抗値の大きい第3の抵抗をスイッチング素子のゲートに接続する。
【選択図】図1Immediately after detecting a short circuit, the gate resistance at the time of turn-on is switched, the turn-on is delayed to suppress di / dt, and short circuit vibration is prevented.
In order to perform orthogonal transformation, a main circuit is constituted by a plurality of switching elements, and the first switching element, the first resistor, the second resistor, and the second switching element are arranged in this order between the DC power supply terminals. A first series circuit in which a connection point of the first resistor and the second resistor is connected to a gate of the switching element, a third switching element and a third resistor are arranged in this order, and a DC power supply terminal And a second series circuit connected between one end of the switching element and the gate of the switching element. The first switching element and the second switching element are alternately controlled by a control signal, and a short circuit of the main circuit is detected. Then, the third switching element is turned on to connect the third resistor having a resistance value larger than that of the first resistor to the gate of the switching element.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体制御装置及び電力変換装置に係り、特に高速性を確保しながら短絡時の短絡電流のdi/dtを低減することができる半導体制御装置及び電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor control device and a power conversion device, and more particularly to a semiconductor control device and a power conversion device capable of reducing di / dt of a short-circuit current at the time of a short circuit while ensuring high speed.
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。この変換機能を果すために電力変換装置は複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。 The power converter is a function for converting DC power supplied from a DC power source into AC power for supplying an AC electric load such as a rotating electrical machine, or for supplying AC power generated by the rotating electrical machine to a DC power source. It has a function to convert to DC power. In order to perform this conversion function, the power conversion device has an inverter circuit having a plurality of switching elements, and the switching elements repeat the conduction operation and the interruption operation to change from DC power to AC power or from AC power to DC power. Power conversion.
スイッチング素子を駆動する回路では、電源短絡などの異常時に保護回路がないとスイッチング素子に過大な電流が流れ、素子の発熱やスイッチングサージ電圧で破壊してしまうという問題がある。 In a circuit for driving a switching element, there is a problem that if there is no protection circuit in the event of an abnormality such as a power supply short circuit, an excessive current flows through the switching element and the element is destroyed due to heat generation or switching surge voltage.
この短絡時過電流を抑える技術が、特許文献1(特開平3−40517号公報)に記載されている。特許文献1には、スイッチング素子として例えばセンスIGBTを使用し、そのセンス電流に基づいて過電流及び短絡を検知しスイッチング素子IGBTを遮断することが記載されている。 A technique for suppressing this short-circuit overcurrent is described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 3-40517). Patent Document 1 describes that, for example, a sense IGBT is used as a switching element, an overcurrent and a short circuit are detected based on the sense current, and the switching element IGBT is cut off.
特許文献1は、過電流及び短絡時にスイッチング素子IGBTを遮断する対策について開示したものであるが、以下に述べるようにターンオン側についても対策すべきである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 discloses a countermeasure for shutting off the switching element IGBT at the time of an overcurrent and a short circuit. However, a countermeasure should be taken on the turn-on side as described below.
電力変換装置では運転時の電力損失を極力低減することが望ましく、この低損失化対策の一環として、スイッチング素子ターンオン時のゲート抵抗を下げてスイッチングを高速化させている。 In power converters, it is desirable to reduce power loss during operation as much as possible. As part of measures to reduce this loss, the gate resistance when switching elements are turned on is lowered to speed up switching.
この対策は通常運転時の損失低減には有効であるが、ゲート抵抗が小さいために短絡時に短絡電流のdi/dtが急増し、短絡電流の振動が起こり、スイッチング素子IGBTが破壊に至る可能性が生じる。このため短絡時には、ターンオン側の対策として、di/dtを低減することが望ましい。 This measure is effective for reducing the loss during normal operation, but because the gate resistance is small, the di / dt of the short-circuit current rapidly increases at the time of a short circuit, causing the short-circuit current to oscillate and possibly causing the switching element IGBT to break down. Occurs. For this reason, at the time of a short circuit, it is desirable to reduce di / dt as a countermeasure on the turn-on side.
そこで、本発明の目的は短絡検知した直後にターンオン時のゲート抵抗を切り替え、ターンオンを遅くしてdi/dtを抑制し、短絡振動を防止できる半導体制御装置及び電力変換装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor control device and a power conversion device that can switch a gate resistance at the time of turn-on immediately after detecting a short-circuit, delay a turn-on to suppress di / dt, and prevent a short-circuit vibration. .
以上のことから本発明においては、直流と交流の間での変換を行うために複数のスイッチング素子により主回路を構成する半導体制御装置であって、スイッチング素子のゲート信号を定める制御装置は、第1のスイッチング素子と第1の抵抗と第2の抵抗と第2のスイッチング素子がこの順に直流電源端子間に配列され、第1の抵抗と第2の抵抗の接続点がスイッチング素子のゲートに接続された第1の直列回路と、第3のスイッチング素子と第3の抵抗がこの順に配列され、直流電源端子の一端とスイッチング素子のゲートの間に接続された第2の直列回路とを備え、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を上位制御装置からの制御信号により交互に制御するとともに、主回路の短絡を検知して第3のスイッチング素子をターンオンさせて第1の抵抗よりも抵抗値の大きい第3の抵抗をスイッチング素子のゲートに接続することを特徴とする。 From the above, in the present invention, a semiconductor control device that constitutes a main circuit with a plurality of switching elements in order to perform conversion between direct current and alternating current, and the control device that determines the gate signal of the switching elements includes: One switching element, a first resistor, a second resistor, and a second switching element are arranged between the DC power supply terminals in this order, and a connection point of the first resistor and the second resistor is connected to the gate of the switching element. A first series circuit, a third switching element and a third resistor arranged in this order, and a second series circuit connected between one end of the DC power supply terminal and the gate of the switching element, The first switching element and the second switching element are alternately controlled by a control signal from the host control device, and a short circuit of the main circuit is detected and the third switching element is turned on. Than the first resistor are turned on, characterized in that for connecting the third resistor having a large resistance value to the gate of the switching element.
本発明によれば、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズ、高信頼の小型パワーモジュールを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the current vibration and surge voltage which generate | occur | produce at the time of a short circuit can be reduced, and high-speed switching, a low loss, high noise resistance, and a highly reliable small power module can be provided.
また、本発明の実施例によれば、駆動部と車載回転電機との間に上記パワーモジュール回路を備えた小型・高出力電力変換装置を提供できる。 Moreover, according to the Example of this invention, the small and high output power converter device provided with the said power module circuit between a drive part and a vehicle-mounted rotary electric machine can be provided.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
以下に説明する実施例では、本発明のパワーモジュールが用いられる電力変換装置を例に挙げて説明する。 In the embodiments described below, a power conversion device using the power module of the present invention will be described as an example.
尚、以下に説明する構成は、DC/DCコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置にも適用可能である。また、以下に説明する構成は、車載用、産業用や家庭用などの電力変換装置にも適用可能である。 The configuration described below can also be applied to a DC-DC power converter such as a DC / DC converter or a DC chopper. Moreover, the structure demonstrated below is applicable also to power converters, such as vehicle-mounted use, industrial use, and household use.
本発明の第1実施例を図に基づいて説明する。初めに、図7を用いて、本実施例のインバータ装置INVの電気的な回路構成について説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the electrical circuit configuration of the inverter device INV of this embodiment will be described with reference to FIG.
本実施例のインバータ装置INVは、パワーモジュールPMU、駆動回路装置DCU及び電動機制御装置MCUから構成されている。 The inverter device INV of the present embodiment includes a power module PMU, a drive circuit device DCU, and an electric motor control unit MCU.
パワーモジュールPMUは電力変換用の主回路を構成しており、駆動回路装置DCUから出力された制御信号VP,VNを受けて動作し、高圧バッテリBATから供給された直流電力を三相交流電力に変換し、モータMの固定子巻線に供給する。 The power module PMU constitutes a main circuit for power conversion, operates in response to the control signals VP and VN output from the drive circuit unit DCU, and converts the DC power supplied from the high voltage battery BAT into three-phase AC power. Converted and supplied to the stator winding of the motor M.
主回路は3相ブリッジ回路であり、3相分の直列回路A(AU,AV,AW)が高圧バッテリBATの正極P側と負極N側との間に電気的に並列に接続されて構成されている。直列回路A(AU,AV,AW)はアームとも呼ばれ、2つのパワー半導体素子MP,MNによって構成されている。 The main circuit is a three-phase bridge circuit, and a series circuit A (AU, AV, AW) for three phases is electrically connected in parallel between the positive electrode P side and the negative electrode N side of the high voltage battery BAT. ing. The series circuit A (AU, AV, AW) is also called an arm, and is composed of two power semiconductor elements MP, MN.
アームA(AU,AV,AW)は、上アーム側のパワー半導体素子MPと下アーム側のパワー半導体素子MNとが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施例では、パワー半導体素子MP,MNとして、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)を用いている。IGBTは、別途、コレクタ電極とエミッタ電極との間にダイオード素子を電気的に接続する必要がある。IGBTはコレクタ電極とエミッタ電極の他にゲート電極を備えている。なおゲート電極に駆動回路装置DCUから出力された制御信号VP,VNが印加される。 The arm A (AU, AV, AW) is configured by electrically connecting an upper arm power semiconductor element MP and a lower arm power semiconductor element MN in series. In this embodiment, IGBTs (insulated gate bipolar transistors) are used as the power semiconductor elements MP and MN. In the IGBT, it is necessary to separately connect a diode element between the collector electrode and the emitter electrode. The IGBT includes a gate electrode in addition to the collector electrode and the emitter electrode. Control signals VP and VN output from the drive circuit unit DCU are applied to the gate electrode.
パワー半導体素子MP,MNとしてはスイッチング半導体素子であるnチャネルのMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい。MOSFETを構成する半導体チップは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の3つの電極を備えている。また、ドレイン電極とソース電極との間には、ソース電極からドレイン電極に向かう方向が順方向である寄生のダイオードが電気的に接続されている。 As the power semiconductor elements MP and MN, n-channel MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors) which are switching semiconductor elements may be used. A semiconductor chip constituting the MOSFET includes three electrodes, a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode. In addition, a parasitic diode having a forward direction from the source electrode to the drain electrode is electrically connected between the drain electrode and the source electrode.
U相アームAuはパワー半導体素子Mpuのエミッタ電極とパワー半導体素子Mnuのコレクタ電極が電気的に直列に接続されて構成されている。V相アームAv及びW相アームAwもU相アームAuと同様であり、パワー半導体素子Mpv、Mpwのエミッタ電極とパワー半導体素子Mnv、Mnwのコレクタ電極が電気的に直列に接続されて構成されている。 The U-phase arm Au is configured by electrically connecting an emitter electrode of the power semiconductor element Mpu and a collector electrode of the power semiconductor element Mnu in series. The V-phase arm Av and the W-phase arm Aw are the same as the U-phase arm Au, and are configured such that the emitter electrodes of the power semiconductor elements Mpv and Mpw and the collector electrodes of the power semiconductor elements Mnv and Mnw are electrically connected in series. Yes.
なお詳細を省略するが、アームA、パワー半導体素子Mに付与されたu、v、wは、モータMの固定子巻線の交流各相を意味し、P,Nは高圧バッテリBATの正極、負極を意味している。この約束は、以後の記号の説明でも適用される。 Although details are omitted, u, v, and w given to the arm A and the power semiconductor element M mean AC phases of the stator winding of the motor M, and P and N are positive poles of the high-voltage battery BAT, Means negative electrode. This convention also applies to the following explanation of symbols.
半導体素子Mpu、Mpv、Mpwのコレクタ電極は高圧バッテリBATの高電位側(正極側)に電気的に接続されている。パワー半導体素子Mnu、Mnv、Mnwのエミッタ電極は高圧バッテリBATの低電位側(負極側)に電気的に接続されている。U相アームAuの中点(上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分)はモータMのU相の固定子巻線に電気的に接続されている。V相アームAv、W相アームAwの中点もu相アームAuの中点と同様に、モータMのV相、W相の固定子巻線に電気的に接続されている。 The collector electrodes of the semiconductor elements Mpu, Mpv, and Mpw are electrically connected to the high potential side (positive electrode side) of the high-voltage battery BAT. The emitter electrodes of the power semiconductor elements Mnu, Mnv and Mnw are electrically connected to the low potential side (negative electrode side) of the high voltage battery BAT. The midpoint of the U-phase arm Au (the connection portion between the emitter electrode of the upper arm side power semiconductor element and the collector electrode of the lower arm side power semiconductor element) is electrically connected to the U phase stator winding of the motor M. Yes. Similarly to the midpoint of the u-phase arm Au, the midpoint of the V-phase arm Av and the W-phase arm Aw is electrically connected to the V-phase and W-phase stator windings of the motor M.
高圧バッテリBATの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子の動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサSECが電気的に接続されている。 A smoothing electrolytic capacitor SEC is electrically connected between the positive electrode side and the negative electrode side of the high-voltage battery BAT in order to suppress fluctuations in DC voltage caused by the operation of the power semiconductor element.
パワーモジュールPMUは、ケースによって囲われたベース上に絶縁基板を介して半導体チップが実装され、三相ブリッジ回路が形成されるように、半導体チップ間、半導体チップと入力端子との間、半導体チップと出力端子との間がアルミワイヤや板状導体などの接続導体によって電気的に接続されて構成されている。ベースは、銅やアルミニウムなどの熱伝導性部材によって構成されている。ベースの下面は空気或いは冷却水などの冷却媒体によって冷却されるようになっている。ベースの下面には、冷却媒体による冷却効率を向上させるために、フィンなどが設けられている。絶縁基板は、窒化アルミニウムなどの絶縁部材からなるものであって、両面に配線パターンがメタライズされている。半導体チップは、前述したIGBTを構成するものであり、両面に電極を有している。ベースと絶縁基板との間、絶縁基板と半導体チップとの間は、半田などの接合部材によって接合されている。 In the power module PMU, a semiconductor chip is mounted on a base surrounded by a case via an insulating substrate so that a three-phase bridge circuit is formed. Between the semiconductor chips, between the semiconductor chip and the input terminal, the semiconductor chip And the output terminal are electrically connected by a connection conductor such as an aluminum wire or a plate-like conductor. The base is made of a heat conductive member such as copper or aluminum. The lower surface of the base is cooled by a cooling medium such as air or cooling water. Fins and the like are provided on the lower surface of the base in order to improve the cooling efficiency by the cooling medium. The insulating substrate is made of an insulating member such as aluminum nitride, and wiring patterns are metallized on both sides. The semiconductor chip constitutes the IGBT described above, and has electrodes on both sides. The base and the insulating substrate, and the insulating substrate and the semiconductor chip are joined by a joining member such as solder.
駆動回路装置DCUはパワー半導体素子Mpu、Mpv、Mpw、Mnu、Mnv、Mnwのゲート電極に電気的に接続されている。 The drive circuit unit DCU is electrically connected to the gate electrodes of the power semiconductor elements Mpu, Mpv, Mpw, Mnu, Mnv, and Mnw.
駆動回路装置DCUは、電動機制御装置MCUから出力された上アームパワー半導体素子Mpu、Mpv、Mpwの制御信号Vpu*、Vpv*、Vpw*を受けて、受けた制御信号Vpu*、Vpv*、Vpw*を、上アームパワー半導体素子Mpu、Mpv、Mpwを駆動するための制御信号Vpu、Vpv、Vpwとして、上アームパワー半導体素子Mpu、Mpv、Mpwのゲート電極に出力する。 The drive circuit unit DCU receives the control signals Vpu *, Vpv *, Vpw * of the upper arm power semiconductor elements Mpu, Mpv, Mpw output from the motor control unit MCU, and receives the received control signals Vpu *, Vpv *, Vpw. * Is output to the gate electrodes of the upper arm power semiconductor elements Mpu, Mpv, Mpw as control signals Vpu, Vpv, Vpw for driving the upper arm power semiconductor elements Mpu, Mpv, Mpw.
また駆動回路装置DCUは、電動機制御装置MCUから出力された下アームパワー半導体素子Mnu、Mnv、Mnwの制御信号Vnu*、Vnv*、Vnw*を受けて、受けた制御信号Vnu*、Vnv*、Vnw*を、下アームパワー半導体素子Mnu、Mnv、Mnwを駆動するための制御信号Vnu、Vnv、Vnwとして、下アームパワー半導体素子Mnu、Mnv、Mnwのゲート電極に出力する。 The drive circuit unit DCU receives the control signals Vnu *, Vnv *, Vnw * of the lower arm power semiconductor elements Mnu, Mnv, Mnw output from the motor control unit MCU, and receives the received control signals Vnu *, Vnv *, Vnw * is output to the gate electrodes of the lower arm power semiconductor elements Mnu, Mnv, Mnw as control signals Vnu, Vnv, Vnw for driving the lower arm power semiconductor elements Mnu, Mnv, Mnw.
電動機制御装置MCUは、パワーモジュールPMUのパワー半導体素子を動作させるための制御値を、入力された複数の入力信号に基づいて演算し、演算された制御値を制御信号Vpu*、Vpv*、Vpw*、Vnu*、Vnv*、Vnw*として駆動回路装置DCUに出力するものであり、制御値の演算を行うマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と称する)を備えている。 The motor control unit MCU calculates a control value for operating the power semiconductor element of the power module PMU based on a plurality of input signals that are input, and calculates the calculated control values as control signals Vpu *, Vpv *, Vpw. *, Vnu *, Vnv *, and Vnw * are output to the drive circuit unit DCU, and are provided with a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) that calculates control values.
マイコンには、入力信号として、トルク指令信号(トルク指令値)τ*、回転数指令信号(回転数指令値)n*、検知信号(u相〜w相の電流値)iu、iv、iw及び検知信号(回転子の磁極位置)θが入力される。 The microcomputer has as input signals a torque command signal (torque command value) τ *, a rotation speed command signal (rotation speed command value) n *, detection signals (current values of u phase to w phase) iu, iv, iw, and A detection signal (rotor magnetic pole position) θ is input.
トルク指令信号(トルク指令値)τ*及び回転数指令信号(回転数指令値)n*は、車両の運転モードに応じて図示せぬ上位の総合制御装置から出力される。検知信号(u相、v相、w相の電流値)iu、iv、iwは電流センサCu、Cv,Cwから出力される。検知信号(回転子の磁極位置)θは図示せぬ磁極位置センサから出力される。 The torque command signal (torque command value) τ * and the rotation speed command signal (rotation speed command value) n * are output from a higher-level integrated control device (not shown) according to the vehicle operation mode. Detection signals (u-phase, v-phase, and w-phase current values) iu, iv, and iw are output from current sensors Cu, Cv, and Cw. The detection signal (rotor magnetic pole position) θ is output from a magnetic pole position sensor (not shown).
電流センサCu、Cv,Cwは、インバータ装置INV(パワーモジュールPMU)からモータMの固定子の固定子巻線に供給されるu相、v相、w相電流iu、iv、iwを検知するためのものであり、シャント抵抗器、変流器(CT)などから構成されたものである。 Current sensors Cu, Cv, and Cw detect u-phase, v-phase, and w-phase currents iu, iv, and iw supplied from the inverter device INV (power module PMU) to the stator winding of the stator of the motor M. It is comprised from a shunt resistor, a current transformer (CT), etc.
磁極位置センサは、モータMの回転子の磁極位置θを検出するためのものであり、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子、ホールICなどから構成されたものである。 The magnetic pole position sensor is for detecting the magnetic pole position θ of the rotor of the motor M, and includes a resolver, an encoder, a Hall element, a Hall IC, and the like.
マイコンは、d軸、q軸の電流指令値Id*、Iq*を入力信号に基づいて演算し、演算された電流指令値Id*、Iq*に基づいて電圧制御値Vu、Vv、Vwを演算し、演算された電圧制御値Vu、Vv、Vwを、パワーモジュールPMUのパワー半導体素子を動作させるための制御信号(PWM信号(パルス幅変調信号))Vpu*、Vpv*、Vpw*、Vnu*、Vnv*、Vnw*として駆動回路装置DCUに出力する。 The microcomputer calculates the d-axis and q-axis current command values Id * and Iq * based on the input signal, and calculates the voltage control values Vu, Vv and Vw based on the calculated current command values Id * and Iq *. The calculated voltage control values Vu, Vv, and Vw are used as control signals (PWM signals (pulse width modulation signals)) Vpu *, Vpv *, Vpw *, and Vnu * for operating the power semiconductor elements of the power module PMU. , Vnv *, Vnw * are output to the drive circuit unit DCU.
次に、図1、2を用いて、本実施例の半導体制御装置の構成について詳細に説明する。 Next, the configuration of the semiconductor control device of this embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
図1は、本実施例の上記パワーモジュールPMUのうち、U相のアームAuの下アーム(負極側)を構成するスイッチング素子MNuの半導体制御装置の代表的な構成を示す。なお、パワーモジュールPMUの他の相、あるいは上アームの場合も同様の回路構成により対応可能であるので、ここでは図示並びに説明を省略する。なお以下の説明ではスイッチング素子MNuが例えばIGBTであり、センス電流を検知する機能が付与されたものとする。またMNuをスイッチング素子24と表記している。
FIG. 1 shows a typical configuration of a semiconductor control device of a switching element MNu constituting a lower arm (negative electrode side) of a U-phase arm Au in the power module PMU of the present embodiment. The other phases of the power module PMU or the upper arm can be handled by the same circuit configuration, and therefore illustration and description thereof are omitted here. In the following description, it is assumed that the switching element MNu is, for example, an IGBT and has a function of detecting a sense current. Further, MNu is expressed as a switching
ここでは、スイッチング素子(以下単にIGBTという)24と並列にダイオード素子25が電気的に接続されている。またIGBT24には、その主電流を検知する電流センス用IGBT100が付いていて、例えば主電流の数千分の1のセンス電流が流れる。センス抵抗101はセンス電流をセンス電圧に変換する。
Here, a
DCUNuは、駆動回路装置DCUのうち、U相のアームAuの下アーム(負極側)を構成するスイッチング素子MNuを制御する回路部分(ドライバ)である。ドライバDCUNuは、電動機制御装置MCUからの制御信号Vnu*を駆動回路105に得て制御信号VnuをIGBT24に与えている。この回路部分は、従来周知のものであり、詳細説明を省略する。本発明においては、駆動回路105がIGBT24に与える制御信号Vnuを短絡検知信号に応じて修正することで初期の目的を達成する。
DCUNu is a circuit portion (driver) that controls the switching element MNu constituting the lower arm (negative electrode side) of the U-phase arm Au in the drive circuit unit DCU. The driver DCUNu obtains the control signal Vnu * from the motor control unit MCU to the
制御信号Vnuの修正処理のために、ドライバDCUNu内には、短絡di/dt制御部106と駆動遮断部104が備えられる。短絡di/dt制御部106は短絡時の、ターンオン側の対策としてdi/dtを低減する処理を実行し、駆動遮断部104は短絡時の遮断側の対策としてスイッチング素子IGBTを遮断する。なお、駆動遮断部104の前段処理のために、短絡検知部102とノイズマスク部103が備えられている。短絡di/dt制御部106と駆動遮断部104は、いずれもセンス抵抗101で検知、変換したセンス電圧を入力として以降の処理を実行する。
In order to correct the control signal Vnu, a short circuit di /
まず、特許文献1にも述べられた駆動遮断側の動作について説明する。ここではセンス抵抗101で検知、変換したセンス電圧を短絡検知部102に与え、これが所定の閾値を超えると短絡検知信号を出力する。この検知出力はノイズマスク部103に入り、検知信号がIGBT24のスイッチングノイズによるものであれば検知信号をマスクし、それ以外は短絡検知信号を通過させる。スイッチングノイズは高調波であることから、ノイズマスク部103では積分機能によりこれを除去する。駆動遮断部104はノイズマスク部103からの短絡検知信号を受けて、IGBT24を駆動する駆動部105に遮断信号を送る。
First, the operation on the drive cutoff side described in Patent Document 1 will be described. Here, the sense voltage detected and converted by the
なお駆動遮断部104は、短絡時の上記遮断動作以外にも遮断動作を行う機能を備えていてもよい。これらは、IGBT24のゲート電源が所定の電圧より低下した場合、あるいはIGBT24が所定の温度を超えた場合などであり、これらの異常状態の検知信号を受けて駆動部105に遮断信号を送る論理機能も有するものとされるのがよい。
In addition, the drive interruption | blocking
駆動部105は上位の電動機制御装置MCUから送られてきた制御信号を受けてIGBT24をターンオン、ターンオフする制御信号を送る。尚、上位からの制御信号は通常、例えばフォトカプラなどで電気的に絶縁されている。なお駆動部105は駆動遮断部104からの遮断信号を受けて、IGBT24をゆっくりターンオフさせるソフト遮断機能も有する。
The
本発明では、短絡時のゲートオン側の対策としてdi/dtを低減する処理を実行するものである。短絡di/dt制御部106は、センス電圧を受けて所定の閾値を超えると、IGBT24をゆっくりターンオンさせて、短絡電流のdi/dtを下げる機能を有する。
In the present invention, a process for reducing di / dt is executed as a countermeasure on the gate-on side at the time of a short circuit. The short-circuit di /
図2は、本実施例の具体的な電気的回路構成をブロック図で示したものである。この回路においてまず通常運転時の動作について説明し、その後短絡時の動作について説明することにする。 FIG. 2 is a block diagram showing a specific electrical circuit configuration of the present embodiment. In this circuit, the operation during normal operation will be described first, and then the operation during short circuit will be described.
図2において駆動部105は、上位の電動機制御装置MCUから送られてきた制御信号Vnu*を受けてIGBT24をターンオン、ターンオフする制御信号をIGBT24のゲートに送る。尚、上位からの制御信号Vnu*は通常、例えばフォトカプラなどで電気的に絶縁されている。
In FIG. 2, the driving
駆動部105は通常運転時の動作のために、pMOS211と、抵抗Rg(on)と、抵抗Rg(off)と、pMOS208とが、この順序に直列接続された直列回路を制御用電源Vccとアースの間に接続している。
The
このうちpMOS211は、上位からの制御信号Vnu*を受けてIGBT24をターンオンさせるスイッチング素子で、例えば、数アンペアクラスの電流を出力できる。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部105を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。オン用ゲート抵抗Rg(on)210は、IGBT24をターンオンさせるときにIGBT24のゲート入力容量をチャージさせる電流を制限する抵抗器である。
Among these, the
ところで先にも述べたように、電力変換装置では運転時の電力損失を極力低減することが望ましく、この低損失化対策の一環として、スイッチング素子ターンオン時のゲート抵抗を下げてスイッチングを高速化させている。この高速化を図るための観点に沿って、オン用ゲート抵抗Rg(on)210の抵抗値が設定されている。 As mentioned earlier, it is desirable for power converters to reduce power loss during operation as much as possible. As part of measures to reduce this loss, the gate resistance when switching elements are turned on is lowered to speed up switching. ing. The resistance value of the on-gate resistance Rg (on) 210 is set in accordance with the viewpoint for increasing the speed.
nMOS208は、上位からの制御信号Vnu*を受けてIGBT24をターンオフさせるスイッチング素子で、例えば、数アンペアクラスの電流を出力できる。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。オフ用ゲート抵抗Rg(off)209は、IGBT24をターンオフさせるときにIGBT24のゲート入力容量に溜まったチャージを引き抜くための抵抗器である。
The
以上説明した通常運転時の動作のための駆動部105の回路構成に対し、特許文献1の「センス電流に基づく過電流及び短絡の検知によるスイッチング素子の遮断」動作のために、以下の回路構成が追加されている。この対策の回路が短絡検知部102と、ノイズマスク部103と、駆動遮断部104である。また駆動遮断部104からの信号を受けてIGBT24の遮断を行うために、駆動部105内の抵抗Rg(on)と抵抗Rg(off)の接続点(IGBT24のゲート端子)とアースの間に、ソフト遮断用ゲート抵抗Rg(sc)207とnMOS206の直列回路が接続されている。nMOS206は、駆動遮断部104からの遮断信号を受けて、ソフト遮断するときに動作させるスイッチング素子である。
In contrast to the circuit configuration of the
短絡検知部102から、信号の流れに沿って順次回路構成とその動作について説明する。まず図2の短絡検知部102は、比較器201を中心に構成され、センス抵抗101のセンス電圧を入力し、所定の閾値Vic1を越えると短絡検知信号(例えばHigh信号)を出力する。なお閾値Vic1は例えばIGBT24の定格電流の数倍の電流をセンスIGBT100のセンス比とセンス抵抗に基づいて決まる基準電圧であり、例えばバンドギャップレファレンスなど高精度な基準電源から抵抗分圧などで作られている。
The circuit configuration and its operation will be described sequentially from the short-
この短絡検知部102の検知出力はノイズマスク部103に入り、検知信号が例えば数マイクロ秒以下のIGBT24のスイッチングノイズによるものであれば検知信号をマスクし、数マイクロ秒を超える場合はIGBT24が短絡状態と判定して短絡検知信号を通過させる。
The detection output of the short-
駆動遮断部104は短絡検知信号を受けて、IGBT24を駆動する駆動部105に遮断信号を送る。また駆動遮断部104は、IGBT24のゲート電源が所定の電圧より低下した場合、あるいはIGBT24が所定の温度を超えた場合などの異常状態の検知信号を受けて駆動部105に遮断信号を送る論理機能も有する。
The
駆動部105は駆動遮断部104からの遮断信号を受けて、IGBT24をゆっくりターンオフさせるソフト遮断機能を有する。駆動部105においてnMOS206は、駆動遮断部104からの遮断信号を受けて、ソフト遮断するときに動作させるスイッチング素子である。またソフト遮断用ゲート抵抗Rg(sc)207は、IGBT24をソフトターンオフさせるときに、IGBT24のゲート入力容量に溜まったチャージをゆっくり引き抜く抵抗器であり、例えばオフ用ゲート抵抗Rg(off)209の数十から数百倍程度の抵抗値である。
The
駆動遮断部104からの信号を受けて駆動部105で行われる以上の動作は、電流遮断側の動作を行うものである。これに対し本発明ではターンオン側を対策する。短絡di/dt制御部106はこのために追加設置されている。このターンオン対策のために、駆動部105内の抵抗Rg(on)と抵抗Rg(off)の接続点(IGBT24のゲート端子)とアースの間に、ソフトターンオン用ゲート抵抗Rg(di)205とpMOS205の直列回路が接続されている。また短絡を検知するために比較器202と反転器203を備える。
The above operations performed by the
このように構成された短絡di/dt制御部106は、センス電圧を受けてこれが所定の閾値を超えると、IGBT24をゆっくりターンオンさせて、短絡電流のdi/dtを下げる機能を有する。以下具体的な回路動作について説明する。
The short-circuit di /
まず比較器202はセンス抵抗101のセンス電圧を入力し、所定の閾値Vic2を越えると短絡検知信号(例えばHigh信号)を出力する。閾値Vic2は例えばIGBT24の定格電流の数倍の電流をセンスIGBT100のセンス比とセンス抵抗に基づいて決まる基準電圧であり、例えばバンドギャップレファレンスなど高精度な基準電源から抵抗分圧などで作られている。比較器201の閾値Vic1と比較器202の閾値Vic2は同じである。反転器203は比較器202の短絡検知信号(例えばHigh信号)の極性を反転する信号を出力する。
First, the
短絡di/dt制御部106内のpMOS205はスイッチング素子であり、反転器203の出力で駆動される。このため、短絡電流が流れて比較器202がこれを検知してから駆動されるので、短絡電流がピークに達するまでの途中でpMOS205がターンオンされる。
The
他方において比較器202の出力は、駆動回路105のpMOS211にも与えられている。これにより、pMOS205がターンオンすると同時にpMOS211をターンオフさせてオン用ゲート抵抗Rg(on)を切り離し、ソフトターンオン用ゲート抵抗Rg(di)205に切り替える。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。
On the other hand, the output of the
ソフトターンオン用ゲート抵抗Rg(di)205は、IGBT24の短絡電流がピークに達するまでの途中で短絡電流のdi/dtを下げるために、IGBT24のゲート入力容量をゆっくりチャージさせる抵抗器であり、例えばオン用ゲート抵抗Rg(on)210の数十から数百倍程度の抵抗値である。
The soft turn-on gate resistance Rg (di) 205 is a resistor that slowly charges the gate input capacitance of the
尚、本実施例ではパワー半導体素子24にIGBTを用いているが、MOSFETを用いてもよく、MOSFETの場合、ダイオードは不要である。また、IGBT及びダイオードを1個ずつ接続しているが、それらの個数は電力変換装置の容量に依存し、N個ずつ並列に接続される場合もあり得る。また上記説明ではU相アームAuの構成について説明したが、V相アームAv及びW相アームAwも同様の構成である。
In this embodiment, an IGBT is used for the
以下本発明の処理により達成される短絡時のゲートオン部の電流抑制効果について従来方式と比較して図を用いて説明する。まず図5は従来方式での通常時と短絡時の波形を示している。図5は、横軸に時間をとり、縦軸に図2回路各部の電流、電圧波形などを示している。また前半に正常動作時の各部波形、後半に短絡時の各部波形を示している。なお従来方式は、図2において短絡di/dt制御部106を備えない回路を想定している。
Hereinafter, the current suppression effect of the gate-on part at the time of a short circuit achieved by the process of the present invention will be described with reference to the drawings in comparison with the conventional method. First, FIG. 5 shows waveforms at the normal time and short circuit in the conventional method. FIG. 5 shows time on the horizontal axis and the current, voltage waveforms, etc. of each part of the circuit in FIG. 2 on the vertical axis. In addition, each part waveform during normal operation is shown in the first half, and each part waveform during short circuit is shown in the second half. The conventional method assumes a circuit that does not include the short-circuit di /
図5に示す時系列的な波形は、上段から順次pMOS211のゲート電圧75、nMOS208のゲート電圧76、nMOS206のゲート電圧77、IGBT24(図7のMNu)のゲート電圧Vge71、IGBT24のゲート電流Ig72、正極側IGBT(図7のMPu)のコレクタ・エミッタ間電圧74、正極側IGBTのコレクタ電流73を示している。
The time-series waveforms shown in FIG. 5 are the
この回路による正常時の動作はよく知られたものであるので詳細説明を省略するが、ターンオン用のpMOS211では、その制御信号によりゲート電圧75が周期的に高レベルHと低レベルLを繰り返す。ターンオフ用のnMOS208でも、その制御信号によりゲート電圧76が周期的に高レベルHと低レベルLを繰り返すが、ゲート電圧76の立下げ後にゲート電圧75が立上がり、ゲート電圧75の立下げ後にゲート電圧76が立上がるという時間関係が維持される。このことにより、IGBT24(図7のMNu)のゲート電圧Vge71は安定にターンオン、ターンオフをすることができる。なおIGBT24のゲート電流Ig72は、ターンオン、ターンオフ動作の過渡時に発生している。
The normal operation by this circuit is well known and will not be described in detail. However, in the
他方において、IGBT24(図7のMNu)と直列に接続されてU相のアームを形成する正極側IGBT(図7のMPu)においても、正常動作では同様にターンオン、ターンオフ動作が行われており、その結果として図5に示す正極側IGBT(図7のMPu)のコレクタ・エミッタ間電圧74、正極側IGBTのコレクタ電流73が表れている。
On the other hand, the positive-side IGBT (MPu in FIG. 7) connected in series with the IGBT 24 (MNu in FIG. 7) to form the U-phase arm is similarly turned on and off in normal operation. As a result, the collector-
これに対し、図5の右半分の短絡時動作では以下のように波形変動する。まず短絡状態で、ターンオフ用のnMOS208がその制御信号によりゲート電圧76の立下げをおこない、これに続いてターンオン用のpMOS211がその制御信号によりゲート電圧75の立上がりを順次行う。これによりIGBT24(図7のMNu)のゲート電圧Vge71およびIGBT24のゲート電流Ig72が増大するが、その大きさは通常時の値を大きく超え、かつ急峻である。またゲート電流Ig72が振動電流となり、増減を繰り返し始める。ゲート電流Ig72は当初増大し、その後減少して、以後これを繰り返す。
On the other hand, in the operation at the time of short circuit in the right half of FIG. 5, the waveform fluctuates as follows. First, in a short circuit state, the turn-off
他方この状態における正極側IGBT(図7のMPu)についてみると、短絡時に短絡電流(ゲート電流Ig72)が流れ始めると、この短絡電流のdi/dtとスイッチング素子とバッテリとを接続する配線の寄生インダクタンスLで誘導起電圧が発生し、コレクタ・エミッタ間電圧74が下がる。またIGBT24の短絡電流(ゲート電流Ig72)がピークに達し、下がり始めると、コレクタ・エミッタ間電圧74が上がる。また、これに伴い正極側IGBTのコレクタ電流73も増減する。以降、短絡電流の増減に伴い、本図に示すような電流・電圧振動を繰り返す。また、コレクタ・エミッタ電圧の時間変化dv/dtとIGBT24の帰還容量によってゲートに電流が流れ、更にコレクタ電圧振動を誘起する。
On the other hand, with regard to the positive-side IGBT (MPu in FIG. 7) in this state, when a short-circuit current (gate current Ig72) starts to flow at the time of a short circuit, the short circuit current di / dt and the parasitic of the wiring connecting the switching element and the battery An induced electromotive voltage is generated by the inductance L, and the collector-
なお、短絡検知部102と駆動遮断部104を介して、駆動部105のnMOS206が駆動され、nMOS206のゲート電圧77を高レベルとしてIGBT24の遮断動作を行うことにはなるが、遮断に至るまでの間に電流・電圧振動によるダメージを受けてしまっている。特に短絡初期の状態でのダメージが大きい。
The
これに対し、図6に示す本発明波形では、電流・電圧振動を抑制している。図6でも通常時と短絡時の波形を示しているが、図5と相違しているのは、新たにpMOS205のゲート電圧78を追加している点であり、その他の波形は図5とまったく同じものを表示している。pMOS205は、短絡検知時にのみ機能するものであり、正常動作時は低レベルLに保持されているため図5の動作とまったく同じ動作波形を示している。このため、以下の説明は短絡時動作についてのみ行う。
On the other hand, in the waveform of the present invention shown in FIG. 6, current / voltage oscillation is suppressed. FIG. 6 also shows waveforms at normal time and short circuit, but the difference from FIG. 5 is that a
図6右半分の短絡時動作では、ターンオフ用のnMOS208がその制御信号によりゲート電圧76の立下げをおこない、これに続いてターンオン用のpMOS211がその制御信号によりゲート電圧75の立上がりを順次行う。これによりIGBT24(図7のMNu)のゲート電圧Vge71およびIGBT24のゲート電流Ig72が増大する。
In the short-half operation in the right half of FIG. 6, the turn-off
本発明では上記動作に並行して、短絡時に短絡電流が流れ始めたことを比較器202が検知し、pMOS211をオフして、pMOS205をオンする。つまりpMOS211は制御信号による立ち上がり直後に、比較器202出力で立下げられてしまう。これにより短時間のみ小さいゲート抵抗値の抵抗Rg(on)210が、IGBT24のゲート端子に接続されるが、すぐに大きいゲート抵抗値の抵抗Rg(di)204に切り替わる。この結果、IGBT24のターンオン速度が遅くなる。
In the present invention, in parallel with the above operation, the
図6の波形71(IGBT24(図7のMNu)のゲート電圧Vge)によれば、pMOS211の立ち上がりから立下りまでの短期間は電圧が急上昇するが、pMOS205のオン直後に電圧増加の傾きを急減させている。またIGBT24のゲート電流Ig72も電流ピーク値が抑制され、かつその後の電流振動を生じないことが見て取れる。
According to the
他方この状態における正極側IGBT(図7のMPu)についてみると、短絡時に短絡電流(ゲート電流Ig72)が流れ始めると、本発明の短絡di/dt制御により、IGBT24が短絡しはじめて、ピーク電流に達するまでに正極側IGBT(図7のMPu)のdi/dtが下がり、ピーク電流値も従来に比べて下がっている。このため、短絡電流振動がなくなっている。また、従来よりdi/dtが下がるので、エミッタ・コレクタ間電圧74の落ち込み量も従来に比べて小さくなり、コレクタ・エミッタ間電圧74のdv/dtも下がって、IGBT24の帰還容量によって誘起されるゲート電流も下がり、コレクタ電圧振動もなくなっている。尚、U相アームAuに関して説明したが、V相アームAv及びW相アームAwについても同様である。
On the other hand, with regard to the positive side IGBT (MPu in FIG. 7) in this state, when the short circuit current (gate current Ig72) starts to flow at the time of the short circuit, the
以上、本実施例によれば、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズ、高信頼の小型パワーモジュールを提供できる。また、本実施例によれば、駆動部と車載回転電機との間に上記パワーモジュール回路を備えた小型・高出力電力変換装置を提供できる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to reduce current vibration and surge voltage generated at the time of a short circuit, and it is possible to provide a small power module with high speed switching, low loss, high noise resistance, and high reliability. Moreover, according to the present Example, the small and high output power converter device provided with the said power module circuit between a drive part and a vehicle-mounted rotary electric machine can be provided.
また、パワーモジュールの小型化が可能になるためインバータ装置INVの冷却装置の小型化、低コスト化できる。 Further, since the power module can be downsized, the cooling device of the inverter device INV can be downsized and reduced in cost.
尚、モジュール化にあたっては、各相単位(2in1)で行ってもよい。或いは全てまとめた形(6in1)で行ってもよい。 Note that modularization may be performed in units of each phase (2 in 1). Or you may carry out by the form (6 in 1) which put all together.
次に本発明の第2実施例について図2を使って説明する。実施例1では比較器201の閾値Vic1と比較器202の閾値Vic2が同じであったが、実施例2では閾値Vce1より閾値Vce2の方が大きくされる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the threshold value Vic1 of the
実施例1の短絡di/dt制御部にはノイズマスク部103を入れていないため、IGBT24のスイッチングノイズなどで短絡の誤検知により短絡di/dt制御部106が動作する懸念がある。そこで閾値Vic1より閾値Vic2を大きく設定し、スイッチングノイズよる短絡di/dt制御部106の誤動作を防止する。それ以外は実施例1の動作と全く同じである。
Since the
以上、本実施例によれば、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズ、高信頼の小型パワーモジュールを提供できる。また、本実施例によれば、駆動部と車載回転電機との間に上記パワーモジュール回路を備えた小型・高出力電力変換装置を提供できる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to reduce current vibration and surge voltage generated at the time of a short circuit, and it is possible to provide a small power module with high speed switching, low loss, high noise resistance, and high reliability. Moreover, according to the present Example, the small and high output power converter device provided with the said power module circuit between a drive part and a vehicle-mounted rotary electric machine can be provided.
また、パワーモジュールの小型化が可能になるためインバータ装置INVの冷却装置の小型化、低コスト化できる。 Further, since the power module can be downsized, the cooling device of the inverter device INV can be downsized and reduced in cost.
尚、モジュール化にあたっては、各相単位(2in1)で行ってもよい。或いは全てまとめた形(6in1)で行ってもよい。 Note that modularization may be performed in units of each phase (2 in 1). Or you may carry out by the form (6 in 1) which put all together.
本発明の第3実施例を図3、図4に基づいて説明する。第1実施例との違いは、短絡検知方法である。第1実施例はセンスIGBT100を使って短絡検知していたが、本実施例ではIGBT24のコレクタ電圧を使って短絡検知を行っている。それ以外は第1実施例と同じ動作になる。なお、図3は、本実施例の上記パワーモジュールPMUのうち、U相(V相、W相)Au(Av、Aw)の下アーム(負極側)の半導体制御装置の構成を示す。
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The difference from the first embodiment is the short circuit detection method. In the first embodiment, the short circuit is detected using the
図3ではスイッチング素子IGBT24と並列にダイオード素子25が電気的に接続されている。またIGBT24のコレクタ電圧VCEが短絡検知部102に導入され、これが所定の閾値を超えると短絡検知信号を出力する。この検知出力はノイズマスク部103に入り、検知信号がIGBT24のスイッチングノイズによるものであれば検知信号をマスクし、それ以外は短絡検知信号を通過させる。
In FIG. 3, a
駆動遮断部302は短絡検知信号とIGBT24のゲート電圧を受けて、IGBT24を駆動する駆動部105に遮断信号を送る。IGBT24のゲート電圧を入力する理由は短絡の誤検知を防止するためである。また、IGBT24のゲート電源が所定の電圧より低下した場合、あるいはIGBT24が所定の温度を超えた場合などの異常状態の検知信号を受けて駆動部105に遮断信号を送る論理機能も有する。
The drive cut-off
駆動部105は上位の電動機制御装置MCUから送られてきた制御信号を受けてIGBT24をターンオン、ターンオフする制御信号を送る。尚、上位からの制御信号は通常、例えばフォトカプラなどで電気的に絶縁されている。また、駆動部105は駆動遮断302からの遮断信号を受けて、IGBT24をゆっくりターンオフさせるソフト遮断機能も有する。
The
短絡di/dt制御部301は、IGBT24のコレクタ電圧VCEを受けて所定の閾値を超えると、IGBT24をゆっくりターンオンさせて、短絡電流のdi/dtを下げる機能を有する。
The short-circuit di /
図4は、本実施例の具体的な電気的回路構成をブロック図で示したものである。 FIG. 4 is a block diagram showing a specific electrical circuit configuration of the present embodiment.
この図を用いて、まず短絡をコレクタ電圧VCEで検知するための回路構成について説明する。ダイオード401はIGBT24のコレクタ電圧VCEを検知するためのもので、IGBT24がターンオンしてコレクタ電圧VCEが制御電圧Vccより下がったときに導通してIGBT24のコレクタ電圧VCEを短絡検知102及び短絡di/dt制御301に出力する。抵抗402は制御電圧Vccとダイオード401に接続され、ダイオード401が導通するときの電流値を制限する。
First, a circuit configuration for detecting a short circuit with the collector voltage VCE will be described with reference to FIG. The
比較器201は、IGBT24のターンオン時のコレクタ電圧VCEとダイオード401の順方向電圧との加算値を入力し、所定の閾値Vic1を越えると短絡検知信号(例えばHigh信号)を出力する。閾値Vic1は例えばIGBT24の定格電流の数倍の電流が流れたときのIGBT24のコレクタ・エミッタ電圧に基づいて決まる基準電圧であり、例えばバンドギャップレファレンスなど高精度な基準電源から抵抗分圧などで作られている。
The
この検知出力はノイズマスク部103に入り、検知信号が例えば数マイクロ秒以下のIGBT24のスイッチングノイズによるものであれば検知信号をマスクし、数マイクロ秒を超える場合はIGBT24が短絡状態と判定して短絡検知信号を通過させる。
This detection output enters the
駆動遮断部302は短絡検知信号とIGBT24のゲート電圧を受けて、IGBT24を駆動する駆動部105に遮断信号を送る。また駆動遮断部302は、IGBT24のゲート電源が所定の電圧より低下した場合、あるいはIGBT24が所定の温度を超えた場合などの異常状態の検知信号を受けて駆動部105に遮断信号を送る論理機能も有する。
The drive cut-off
駆動部105は、上位の電動機制御装置MCUから送られてきた制御信号を受けてIGBT24をターンオン、ターンオフする制御信号を送る。尚、上位からの制御信号は通常、例えばフォトカプラなどで電気的に絶縁されている。pMOS211は上位からの制御信号を受けてIGBT24をターンオンさせるスイッチング素子で、例えば、数アンペアクラスの電流を出力できる。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。オン用ゲート抵抗Rg(on)210はIGBT24をターンオンさせるときにIGBT24のゲート入力容量をチャージさせる電流を制限する抵抗器である。
The
nMOS208は上位からの制御信号を受けてIGBT24をターンオフさせるスイッチング素子で、例えば、数アンペアクラスの電流を出力できる。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。オフ用ゲート抵抗Rg(off)209はIGBT24をターンオフさせるときにIGBT24のゲート入力容量に溜まったチャージを引き抜くための抵抗器である。また、駆動部105は駆動遮断302からの遮断信号を受けて、IGBT24をゆっくりターンオフさせるソフト遮断機能も有する。
The
nMOS206は駆動遮断部104からの遮断信号を受けて、ソフト遮断するときに動作させるスイッチング素子である。ソフト遮断用ゲート抵抗Rg(sc)207はIGBT24をソフトターンオフさせるときに、IGBT24のゲート入力容量に溜まったチャージをゆっくり引き抜く抵抗器であり、例えばオフ用ゲート抵抗Rg(off)209の数十から数百倍程度の抵抗値である。
The
短絡di/dt制御部106はIGBT24のターンオン時のコレクタ電圧VCEとダイオード401の順方向電圧との加算値を受けてこれが所定の閾値を超えると、IGBT24をゆっくりターンオンさせて、短絡電流のdi/dtを下げる機能を有する。
The short-circuit di /
比較器202はIGBT24のターンオン時のコレクタ電圧VCEとダイオード401の順方向電圧との加算値を入力し、所定の閾値Vic2を越えると短絡検知信号(例えばHigh信号)を出力する。閾値Vic2は例えばIGBT24の定格電流の数倍の電流が流れたときのIGBT24のコレクタ・エミッタ電圧に基づいて決まる基準電圧であり、例えばバンドギャップレファレンスなど高精度な基準電源から抵抗分圧などで作られている。比較器201の閾値Vic1と比較器202の閾値Vic2は同じである。
The
論理部403は比較器202の短絡検知信号(例えばHigh信号)とIGBT24のゲート電圧を入力して短絡かどうかを判断する機能を有する。IGBT24のゲート電圧も入力する理由は、短絡の誤検知を防止するためであり、IGBT24のコレクタ電圧VCEが比較器202の閾値Vic2を越えて、且つIGBT24のゲート電圧がターンオン状態のとき短絡と判断する。
The
pMOS205はスイッチング素子であり、短絡電流が流れて電流がピークに達するまでの途中でpMOS205がターンオンする。pMOS205がターンオンすると同時にpMOS211をターンオフさせてオン用ゲート抵抗Rg(on)を切り離し、ソフトターンオン用ゲート抵抗Rg(di)205に切り替える。尚、本図ではMOSトランジスタで駆動部を構成しているが、バイポーラトランジスタでも同じ機能になる。
The
ソフトターンオン用ゲート抵抗Rg(di)205は、IGBT24の短絡電流がピークに達するまでの途中で短絡電流のdi/dtを下げるために、IGBT24のゲート入力容量をゆっくりチャージさせる抵抗器であり、例えばオン用ゲート抵抗Rg(on)210の数十から数百倍程度の抵抗値である。
The soft turn-on gate resistance Rg (di) 205 is a resistor that slowly charges the gate input capacitance of the
尚、本実施例ではパワー半導体素子にIGBTを用いているが、MOSFETを用いてもよく、MOSFETの場合、ダイオードは不要である。また、IGBT及びダイオードを1個ずつ接続しているが、それらの個数は電力変換装置の容量に依存し、N個ずつ並列に接続される場合もあり得る。また本図ではU相アームAuの構成について説明したが、V相アームAv及びW相アームAwも同様の構成である。 In this embodiment, an IGBT is used as the power semiconductor element, but a MOSFET may be used. In the case of a MOSFET, no diode is required. Moreover, although the IGBT and the diode are connected one by one, the number thereof depends on the capacity of the power conversion device, and N may be connected in parallel. In addition, although the configuration of the U-phase arm Au has been described in the drawing, the V-phase arm Av and the W-phase arm Aw have the same configuration.
本実施例による短絡波形は図6と同じであり、本実施例によれば、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズ、高信頼の小型パワーモジュールを提供できる。また、本実施例によれば、駆動部と車載回転電機との間に上記パワーモジュール回路を備えた小型・高出力電力変換装置を提供できる。 The short-circuit waveform according to the present embodiment is the same as that of FIG. 6, and according to the present embodiment, it is possible to reduce current vibration and surge voltage generated at the time of short-circuit, and to achieve high-speed switching, low loss, high noise resistance, and a highly reliable small power module. Can provide. Moreover, according to the present Example, the small and high output power converter device provided with the said power module circuit between a drive part and a vehicle-mounted rotary electric machine can be provided.
100:電流センス用IGBT
101:センス抵抗
102:短絡検知部
103:ノイズマスク部
104:駆動遮断部
105:駆動部
106:短絡di/dt制御部
Mpu、Mpv、Mpw:正極側IGBT
Mnu、Mnv、Mnw:負極側IGBT
P:正極側入力端子
N:負極側入力端子
U、V、W:出力端子
100: IGBT for current sensing
101: Sense resistor 102: Short circuit detection unit 103: Noise mask unit 104: Drive cutoff unit 105: Drive unit 106: Short circuit di / dt control unit Mpu, Mpv, Mpw: Positive side IGBT
Mnu, Mnv, Mnw: Negative side IGBT
P: Positive side input terminal N: Negative side input terminal U, V, W: Output terminal
Claims (12)
前記スイッチング素子のゲート信号を定める制御装置は、
第1のスイッチング素子と第1の抵抗と第2の抵抗と第2のスイッチング素子がこの順に直流電源端子間に配列され、第1の抵抗と第2の抵抗の接続点が前記スイッチング素子のゲートに接続された第1の直列回路と、
第3のスイッチング素子と第3の抵抗がこの順に配列され、前記直流電源端子の一端と前記スイッチング素子のゲートの間に接続された第2の直列回路とを備え、
第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子を上位制御装置からの制御信号により交互に制御するとともに、前記主回路の短絡を検知して前記第3のスイッチング素子をターンオンさせて前記第1の抵抗よりも抵抗値の大きい前記第3の抵抗を前記スイッチング素子のゲートに接続することを特徴とする半導体制御装置。 A semiconductor control device that constitutes a main circuit by a plurality of switching elements to perform conversion between direct current and alternating current,
The control device for determining the gate signal of the switching element is:
The first switching element, the first resistor, the second resistor, and the second switching element are arranged in this order between the DC power supply terminals, and the connection point of the first resistor and the second resistor is the gate of the switching element. A first series circuit connected to
A third switching element and a third resistor arranged in this order, and a second series circuit connected between one end of the DC power supply terminal and the gate of the switching element;
The first switching element and the second switching element are alternately controlled by a control signal from a host controller, and a short circuit of the main circuit is detected to turn on the third switching element to thereby turn on the first resistor. A semiconductor control device, wherein the third resistor having a larger resistance value is connected to the gate of the switching element.
前記第3のスイッチング素子をターンオンさせて前記第1の抵抗よりも抵抗値の大きい前記第3の抵抗を前記スイッチング素子のゲートに接続するとともに、前記第1のスイッチング素子をターンオフさせることを特徴とする半導体制御装置。 The semiconductor control device according to claim 1,
The third switching element is turned on to connect the third resistance having a resistance value larger than that of the first resistance to the gate of the switching element, and to turn off the first switching element. Semiconductor control device.
前記スイッチング素子はセンス電流検知部を備えたものであり、検知したセンス電流の値から主回路の短絡を検知することを特徴とする半導体制御装置。 The semiconductor control device according to claim 1 or 2,
The switching device includes a sense current detection unit, and detects a short circuit of the main circuit from the detected sense current value.
前記スイッチング素子のコレクタ電圧に基づいて短絡を検知することを特徴とする半導体制御装置。 The semiconductor control device according to claim 1 or 2,
A semiconductor control device that detects a short circuit based on a collector voltage of the switching element.
第4の抵抗と第4のスイッチング素子とがこの順に配列され、前記スイッチング素子のゲートと前記直流電源端子の他端との間に接続された第3の直列回路とを備え、
前記主回路の短絡を検知して前記第4のスイッチング素子をターンオンさせて前記第2の抵抗よりも抵抗値の大きい前記第4の抵抗を前記スイッチング素子のゲートに接続することを特徴とする半導体制御装置。 The semiconductor control device according to any one of claims 1 to 4, wherein:
A fourth resistor and a fourth switching element arranged in this order, and a third series circuit connected between the gate of the switching element and the other end of the DC power supply terminal,
Detecting a short circuit of the main circuit and turning on the fourth switching element to connect the fourth resistor having a resistance value larger than that of the second resistor to a gate of the switching element; Control device.
前記スイッチング素子の制御電圧を制御するための駆動部と、前記スイッチング素子の電流をセンスするための電流センス用スイッチング素子と、該電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、前記センス電圧に基づいて短絡を検知する短絡検知部と、該短絡検知部が出力する短絡検知信号を遅延又はフィルタリングするノイズマスク部と、前記フィルタ部が出力する信号に基づいて前記スイッチング素子を遮断する駆動遮断部と、前記センス電圧に基づいて短絡を検知し短絡電流のdi/dtを下げる短絡di/dt制御部とを有することを特徴とする半導体制御装置。 A semiconductor control device that constitutes a main circuit by a plurality of switching elements to perform conversion between direct current and alternating current,
A drive unit for controlling the control voltage of the switching element; a current sensing switching element for sensing the current of the switching element; and a sense resistor for converting the current of the current sensing switching element into a sense voltage; A short-circuit detection unit that detects a short circuit based on the sense voltage, a noise mask unit that delays or filters a short-circuit detection signal output from the short-circuit detection unit, and a switching element that blocks the switching element based on a signal output from the filter unit And a short-circuit di / dt control unit that detects a short circuit based on the sense voltage and reduces a short-circuit current di / dt.
前記短絡検知部の検知閾値より前記短絡di/dt制御部の検知閾値が大きいことを特徴とする半導体制御装置。 The semiconductor element control device according to claim 6,
A semiconductor control device, wherein a detection threshold value of the short circuit di / dt control unit is larger than a detection threshold value of the short circuit detection unit.
前記スイッチング素子の制御電圧を制御するための駆動部と、前記スイッチング素子のコレクタ電圧に基づいて短絡を検知する短絡検知部と、該短絡検知部が出力する短絡検知信号を遅延又はフィルタリングするノイズマスク部と、前記フィルタ部が出力する信号と前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて前記スイッチング素子を遮断する駆動遮断部と、前記前スイッチング素子のコレクタ電圧と前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて短絡を検知し短絡電流のdi/dtを下げる短絡di/dt制御部とを有することを特徴とする半導体制御装置。 A semiconductor control device that constitutes a main circuit by a plurality of switching elements to perform conversion between direct current and alternating current,
A drive unit for controlling a control voltage of the switching element, a short-circuit detection unit that detects a short circuit based on a collector voltage of the switching element, and a noise mask that delays or filters a short-circuit detection signal output by the short-circuit detection unit A drive cutoff unit that shuts off the switching element based on a signal output from the filter unit and a gate voltage of the switching element, and a short circuit based on a collector voltage of the previous switching element and a gate voltage of the switching element. A semiconductor control device comprising: a short-circuit di / dt control unit that detects and reduces di / dt of a short-circuit current.
スイッチング用パワー半導体のチップを複数個有するパワーモジュールと、直流端子を有するコンデンサと、前記スイッチング用パワー半導体のチップを制御するための駆動回路と直流電力が供給される直流端子と、回転電機に三相コル流を供給するための交流端子とを有し、
前記スイッチング素子の制御電圧を制御するための駆動部と、前記スイッチング素子の電流をセンスするための電流センス用スイッチング素子と、該電流センス用スイッチング素子の電流をセンス電圧に変換するセンス抵抗と、前記センス電圧に基づいて短絡を検知する短絡検知部と、該短絡検知部が出力する短絡検知信号を遅延又はフィルタリングするノイズマスク部と、前記フィルタ部が出力する信号に基づいて前記スイッチング素子を遮断する駆動遮断部と、前記センス電圧に基づいて短絡を検知し短絡電流のdi/dtを下げる短絡di/dt制御部とを有することを特徴とする電力変換装置。 A power converter electrically connected between a power source and a load,
A power module having a plurality of switching power semiconductor chips, a capacitor having a DC terminal, a drive circuit for controlling the switching power semiconductor chip, a DC terminal to which DC power is supplied, and a rotating electric machine An AC terminal for supplying a phase-cold flow,
A drive unit for controlling the control voltage of the switching element; a current sensing switching element for sensing the current of the switching element; and a sense resistor for converting the current of the current sensing switching element into a sense voltage; A short-circuit detection unit that detects a short circuit based on the sense voltage, a noise mask unit that delays or filters a short-circuit detection signal output from the short-circuit detection unit, and a switching element that blocks the switching element based on a signal output from the filter unit And a short-circuit di / dt control unit that detects a short circuit based on the sense voltage and reduces a short-circuit current di / dt.
前記短絡検知部の検知閾値より前記短絡di/dt制御部の検知閾値が大きいことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 9, wherein
The power conversion device, wherein a detection threshold value of the short-circuit di / dt control unit is larger than a detection threshold value of the short-circuit detection unit.
スイッチング用パワー半導体のチップを複数個有するパワーモジュールと、直流端子を有するコンデンサと、前記スイッチング用パワー半導体のチップを制御するための駆動回路と直流電力が供給される直流端子と、回転電機に三相コル流を供給するための交流端子とを有し、
前記スイッチング素子の制御電圧を制御するための駆動部と、前記スイッチング素子のコレクタ電圧に基づいて短絡を検知する短絡検知部と、該短絡検知部が出力する短絡検知信号を遅延又はフィルタリングするノイズマスク部と、前記フィルタ部が出力する信号と前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて前記スイッチング素子を遮断する駆動遮断部と、前記前スイッチング素子のコレクタ電圧と前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて短絡を検知し短絡電流のdi/dtを下げる短絡di/dt制御部とを有することを特徴とする電力変換装置。 A power converter electrically connected between a power source and a load,
A power module having a plurality of switching power semiconductor chips, a capacitor having a DC terminal, a drive circuit for controlling the switching power semiconductor chip, a DC terminal to which DC power is supplied, and a rotating electric machine An AC terminal for supplying a phase-cold flow,
A drive unit for controlling a control voltage of the switching element, a short-circuit detection unit that detects a short circuit based on a collector voltage of the switching element, and a noise mask that delays or filters a short-circuit detection signal output by the short-circuit detection unit A drive cutoff unit that shuts off the switching element based on a signal output from the filter unit and a gate voltage of the switching element, and a short circuit based on a collector voltage of the previous switching element and a gate voltage of the switching element. A power conversion apparatus comprising: a short-circuit di / dt control unit that detects and reduces di / dt of a short-circuit current.
前記スイッチング素子の制御電圧を制御するための駆動部と、前記主回路の短絡を検知する短絡検知部と、該短絡検知部が出力する短絡検知信号に基づいて前記スイッチング素子を遮断する駆動遮断部と、前記短絡検知信号に基づいて短絡電流のdi/dtを下げる短絡di/dt制御部とを有することを特徴とする半導体制御装置。 A semiconductor control device that constitutes a main circuit by a plurality of switching elements to perform conversion between direct current and alternating current,
A drive unit for controlling a control voltage of the switching element, a short-circuit detection unit for detecting a short circuit of the main circuit, and a drive cutoff unit for blocking the switching element based on a short-circuit detection signal output by the short-circuit detection unit And a short-circuit di / dt control section for reducing the short-circuit current di / dt based on the short-circuit detection signal.
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