JP2019129545A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
【課題】SiC−MOSFET型パワー半導体素子の低温領域で発生するスイッチング損失を低減する。【解決手段】電力変換装置は、ハーフブリッジ回路で構成されたパワー半導体モジュール1a−1〜1b−3とパワー半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路2a、2bを備える。ゲート駆動回路は、ゲート電圧閾値検知判定回路3とゲート抵抗切り替え回路28、29と抵抗可変機能を備えたゲート抵抗33、34を有する。ゲート電圧閾値検知判定回路は、パワー半導体モジュールのゲート・ソースセンス端子間電圧を入力信号として、内蔵するゲート電圧閾値生成回路の閾値電圧を基準にゲート・ソースセンス端子間電圧のレベル比較をしてパワー半導体モジュール内部のSiC−MOSFET型パワー半導体素子11の素子温度の高低を判定し、低温領域であればゲート切り替え回路の制御信号端子に切り替え信号を送信し、ゲート抵抗値を変更制御する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a switching loss generated in a low temperature region of a SiC-MOSFET type power semiconductor element. A power conversion device includes power semiconductor modules 1a-1 to 1b-3 configured by a half-bridge circuit and gate drive circuits 2a and 2b for driving the power semiconductor modules. The gate drive circuit includes a gate voltage threshold value detection determination circuit 3, gate resistance switching circuits 28 and 29, and gate resistors 33 and 34 having a resistance variable function. The gate voltage threshold detection determination circuit uses the gate-source sense terminal voltage of the power semiconductor module as an input signal and compares the gate-source sense terminal voltage levels with reference to the threshold voltage of the built-in gate voltage threshold generation circuit. The high and low of the element temperature of the SiC-MOSFET type power semiconductor element 11 inside the power semiconductor module is determined, and if it is in the low temperature region, a switching signal is transmitted to the control signal terminal of the gate switching circuit to change and control the gate resistance value. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、電力変換用半導体素子を電力変換の主回路要素とする電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device in which a power conversion semiconductor element is a main circuit element of power conversion.
電力変換用パワー半導体素子は、モータドライブ用インバータや電力送配電用変換機器などの電力変換装置(「電力変換器」とも言う)の基幹部品として広く使用されている。パワー半導体素子は、一つの素子で、もしくは複数の素子の並列接続の構成で、パワー半導体モジュールに搭載され、電力変換器に組み込まれる。 Power semiconductor elements for power conversion are widely used as basic components of power converters (also referred to as “power converters”) such as motor drive inverters and power transmission / distribution converters. The power semiconductor device is mounted on the power semiconductor module and incorporated in the power converter in one device or in a parallel connection of a plurality of devices.
近年では、電力変換器の性能向上に向けて、電力変換用パワー半導体素子に、低損失性と高速動作性の特長を有するシリコンカーバイド(Silicon Carbide: SiC)素子が用いられている。SiC素子はバンドギャップが広く、絶縁破壊耐圧がSiの10 倍程度高い特長があり、絶縁破壊電圧を等しく設計した場合に、電流経路となるチャネル半導体層の膜厚をSi素子より薄層化が可能であるため、非常に小さい導通時のオン抵抗値を実現できる。また、同一の耐圧で比較した場合にSi素子に対して空乏層幅が約1/10と短くキャリヤ走行長の短縮効果から10倍程度の高速スイッチングが可能である。 In recent years, a silicon carbide (SiC) device having features of low loss and high speed operation has been used as a power semiconductor device for power conversion in order to improve the performance of a power converter. SiC devices have the advantage of a wide band gap and a breakdown breakdown voltage about 10 times higher than Si. When the breakdown voltage is designed to be equal, the thickness of the channel semiconductor layer that becomes the current path can be made thinner than that of Si devices. Since this is possible, it is possible to realize a very small on-resistance value at the time of conduction. Further, when compared with the same breakdown voltage, the depletion layer width is as short as about 1/10 of the Si element, and high-speed switching of about 10 times is possible due to the effect of shortening the carrier travel length.
従来、電力用スイッチングデバイスの低温動作時に、電力用スイッチングデバイスでの電力損失を低減する技術として、ゲート電圧制御/抵抗切替回路において、チャネル抵抗検出部での検出値に基づいて、トランジスタのチャネル抵抗の抵抗値を求め、該抵抗値に基づいて、電力用スイッチングデバイスのゲート電圧を制御する指示を駆動回路に与えるか、または、ターンオントランジスタに接続されたターンオン抵抗およびターンオフトランジスタに接続されたターンオフ抵抗の抵抗値を切り替える制御を行うものがあった(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a technique for reducing power loss in a power switching device during low-temperature operation of the power switching device, in the gate voltage control / resistance switching circuit, the channel resistance of the transistor is determined based on the detection value in the channel resistance detection unit. To provide an instruction to control the gate voltage of the power switching device based on the resistance value, or a turn-off resistance connected to the turn-on resistance connected to the turn-on transistor and the turn-off transistor There has been a control to switch the resistance value of (see, for example, Patent Document 1).
また、従来、ワイドギャップ半導体素子の損失の温度依存性を低減する駆動回路として、パワー半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出値に基づいてゲート駆動電圧またはゲート駆動抵抗を変化させるものがあった(例えば、特許文献2参照)。 Conventionally, as a drive circuit for reducing the temperature dependence of the loss of the wide gap semiconductor element, there is one that detects the temperature of the power semiconductor switching element and changes the gate drive voltage or the gate drive resistance based on the detected value. (See, for example, Patent Document 2).
また、従来、スイッチング損失の温度領域依存性を決定するSiC−MOSFETの閾値電圧Vth等の温度依存性について、低温領域でVthが増大する傾向のあることが実験値として示されていた(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, it has been shown as an experimental value that the temperature dependence of the threshold voltage Vth or the like of the SiC-MOSFET that determines the dependence of the switching loss on the temperature region tends to increase in the low temperature region (for example, Non-patent document 1).
また、従来、パワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGPと負荷電流Iloadとの関係が定式化されていた(例えば、非特許文献2参照)。 Conventionally, the relationship between the gate plateau voltage VGP, which is one of the characteristics of the power semiconductor element, and the load current Iload has been formulated (see, for example, Non-Patent Document 2).
電力変換器には省エネルギー下の観点から低消費電力であることが求められており、電力変換器が発生する電力損失の一部は、パワー半導体モジュールが消費する電力損失である。この電力損失は、定常電流が流れる流路で発生する抵抗性損失(導通損失)とスイッチング時の過渡電流と過渡電圧の乗算で発生するスイッチング損失(スイッチング損失)の和である。従って、パワー半導体モジュール、そして内部に搭載されるパワー半導体素子には低い電力損失であることが求められる。 The power converter is required to have low power consumption from the viewpoint of energy saving, and part of the power loss generated by the power converter is the power loss consumed by the power semiconductor module. The power loss is the sum of a resistive loss (conduction loss) generated in a flow path through which a steady current flows and a switching loss (switching loss) generated by the multiplication of a transient current and a transient voltage at switching. Therefore, the power semiconductor module and the power semiconductor element mounted therein are required to have low power loss.
SiCを適用したMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)型パワー半導体素子が電力変換器に応用された場合に発生する電力損失の温度依存性については、例えば、特許文献1に記載がある。特許文献1の段落0003に、温度上昇に伴ってオン電圧が増大し、従って電力損失の温度依存性を低減する制御方式が重要、との記載がある。また、特許文献1に、デバイス温度を下げると、ある温度まではオン電圧が温度と共に低下するが、さらに温度を下げると、再びオン電圧が増大するという特性を示す、との記載がある。上記の特許文献1の記載内容から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子に生じる電力損失の温度依存性は、オン電圧、すなわち定常電流が流れる流路で発生する抵抗性損失に起因して発生し、温度領域の低温側と高温側で損失が増大することが明示されている。
The temperature dependency of power loss MOSFET according to the SiC (M etal O xide S emiconductor F ield E ffect T ransistor) type power semiconductor device occurs when it is applied to the power converter, for example, in
特許文献2は、ワイドギャップ半導体素子の損失の温度依存性を低減する駆動回路を提供することを目的とした文献であり、特許文献2では、パワー半導体スイッチング素子の温度を検出し、その検出温度が所定の温度より高い場合には、ゲート駆動電圧を上昇させたり、ゲート駆動抵抗を小さくさせる、ことが記載されている。また、特許文献2には、パワーモジュール内の素子の温度が高い場合にゲート抵抗を小さくし、di/dtとdv/dtを高速化してパワー素子の損失を低減することができる、ことが記載されている。半導体素子の温度を検出する方式として、サーミスタを利用する方式や温度検出用ダイオードの電流電圧特性の温度依存性を利用する方式が開示されている。従って、特許文献2は、素子温度が高くなった場合に、スイッチング損失を低減することで素子の損失を減少させる方式の一例を記載している。
上記の特許文献1および2から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子で電力損失のうち、1)導通損失は低温領域と高温領域で損失が増大すること、2)素子が高温になった場合にはゲート抵抗を小さくすることでスイッチング時間を短縮し、電力損失のうちスイッチング損失を低減して素子の温度を下げる方式、が従来から公知であると言える。
From the
このように、電力変換装置において、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールを用いた場合には、素子温度が低温領域でスイッチング損失と導通損失が共に増大する問題がある。パワー半導体モジュールを複数台並列接続した場合には、モジュール間の特性ばらつきにより、前記のスイッチング損失と導通損失を併せた損失は複数のモジュール間で不均一に配分され、特定のパワー半導体モジュールで過電流が流れる場合や、急峻な温度上昇が発生する場合が生じ、パワー半導体モジュールの長期動作信頼性が低下する可能性がある。 As described above, when a power semiconductor module equipped with a SiC-MOSFET type power semiconductor element is used in the power conversion device, there is a problem that both the switching loss and the conduction loss increase when the element temperature is low. When a plurality of power semiconductor modules are connected in parallel, due to the characteristic variation among the modules, the combined loss of the switching loss and the conduction loss is unevenly distributed among the plurality of modules, and a certain power semiconductor module A current may flow or a sharp temperature rise may occur, which may reduce the long-term operation reliability of the power semiconductor module.
先に説明したように、SiC−MOSFET型パワー半導体素子は、MOSFET内の電流経路の抵抗の温度依存性があり、素子温度領域を低温、中間温度、高温の3領域に大別した場合に、低温領域と高温領域の抵抗値が高く、中間温度領域の抵抗値が低い特性を示す。SiC−MOSFET型パワー半導体素子をパワー半導体モジュールに用いた場合に、定常電流と抵抗によって決まる導通損失(Econd)の特性は、図8の上部に示す傾向を有し、低温領域から中間温度領域にかけて導通損失は減少し、中間温度領域から高温領域にかけて再び増加する。スイッチング損失(Esw)は、図8の下部に示す素子温度に対する傾向を有し、低温領域の損失が中間温度領域と高温領域の損失に比較して増大する傾向を示す。スイッチング頻度の多い電力変換器への応用では、スイッチング損失が支配的となる。このスイッチング損失の温度領域依存性は、SiC−MOSFETの閾値電圧Vth等の温度依存性により決定される。その支配要因であるVthの温度依存性については非特許文献1のFig.2に実験値が開示されており、低温領域でVthが増大する傾向が明示されている。 As described above, the SiC-MOSFET type power semiconductor element has the temperature dependence of the resistance of the current path in the MOSFET, and when the element temperature region is roughly divided into three regions of low temperature, intermediate temperature, and high temperature, The resistance value is high in the low temperature region and the high temperature region, and the resistance value in the intermediate temperature region is low. When a SiC-MOSFET type power semiconductor element is used for a power semiconductor module, the characteristics of conduction loss (Econd) determined by steady current and resistance have a tendency shown in the upper part of FIG. The conduction loss decreases and increases again from the intermediate temperature range to the high temperature range. The switching loss (Esw) has a tendency with respect to the element temperature shown in the lower part of FIG. 8, and the loss in the low temperature region tends to increase as compared to the loss in the intermediate temperature region and the high temperature region. In applications to power converters with high switching frequency, switching losses dominate. The temperature range dependency of the switching loss is determined by the temperature dependency of the threshold voltage Vth and the like of the SiC-MOSFET. The temperature dependency of Vth, which is the controlling factor, is shown in FIG. An experimental value is disclosed in 2 and it is clearly shown that Vth tends to increase in the low temperature region.
低温領域では、図8に示したように導通損失Econdとスイッチング損失Eswの両方が増大傾向となる。この場合、電力変換装置の起動時や低温環境下での電力損失が増大してしまうため、素子温度が低温領域においても電力損失を低減することが必要である。また、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールを複数台用い、これらを並列接続して前記電力変換装置を構成する場合には、パワー半導体モジュール間の特性ばらつきにより前記の導通損失とスイッチング損失とを併せた損失は、複数のモジュール間で不均一となり、パワー半導体モジュールに搭載された複数のパワー半導体素子の素子温度が不均一になる。これにより、特定のパワー半導体モジュールやその内部で並列接続されたパワー半導体素子のうち一部に過電流が流れる場合や、急峻な温度変動が発生する場合が生じることから、パワー半導体モジュールの長期動作信頼性が低下する可能性がある。 In the low temperature region, both the conduction loss Econd and the switching loss Esw tend to increase as shown in FIG. In this case, since the power loss increases at the time of starting up the power conversion device or in a low temperature environment, it is necessary to reduce the power loss even when the element temperature is low. When a plurality of power semiconductor modules mounted with SiC-MOSFET type power semiconductor elements are connected in parallel to configure the power converter, the conduction loss due to the characteristic variation among the power semiconductor modules The loss combined with the switching loss becomes non-uniform among the plurality of modules, and the element temperatures of the plurality of power semiconductor elements mounted on the power semiconductor module become non-uniform. This may cause overcurrent to flow in a part of a specific power semiconductor module or power semiconductor elements connected in parallel within the power semiconductor module, or may cause rapid temperature fluctuations. Reliability may be reduced.
SiC−MOSFET型パワー半導体素子の温度を検知してゲート駆動回路の電圧や抵抗を変化させる先行技術は、特許文献1および特許文献2に記載されている。
The prior art which detects the temperature of a SiC-MOSFET type | mold power semiconductor element, and changes the voltage and resistance of a gate drive circuit is described in
前記特許文献1の図1、図2、図5に示された回路構成には、電力変換器の主電流の流路となるスイッチング素子とは別のチャネル抵抗検出部18もしくは18Aを具備し、その検出値によってゲート駆動抵抗値やゲート駆動電圧を変化させることが示されている。前記特許文献1に記載の回路構成では、パワー半導体モジュール内にチャネル抵抗検出部からの電圧出力端子を追加で設けることが必要となり。更に前記主電流のスイッチング素子の面積の一部を割いてチャネル抵抗検出部に割り当てることから、スイッチング素子の面積が減少してしまう欠点がある。
The circuit configuration shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 5 of
前記特許文献2では、素子の温度を検知する方法として、サーミスタと温度検出用ダイオードの例が記載されている。しかし、これら検出方法では、電気絶縁特性を確保するため検出素子がパワー半導体素子と離れた位置に設置されるため、実施のパワー半導体素子と温度差があり、かつ温度変動に対する時間応答性も異なる。従って、特許文献2で記載されたゲート抵抗の変更制御のタイミングのずれや抵抗値の変更量の過大、もしくは不足となる可能性がある。さらに、SiC−MOSFET型パワー半導体素子を用いた誘導性負荷に対するスイッチング動作では、前記のように高温領域でスイッチング損失は少なく、その電圧変化率(dv/dt)と電流変化率(di/dt)は低温領域に比較して高い。その上で更にゲート抵抗を小さくしてdv/dtとdi/dtを高くする場合、スイッチング過渡波形に生ずる高周波のスパイク雑音の強度が増し、電力変換器から発生する雑音の値が増大してしまう問題が生じる。
In the
従って、前記の先行技術が有する課題を克服するために為されたものであり、パワー半導体モジュールに搭載したSiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度を素子の電気特性から検知し、前記検知結果に基づき素子の低温領域で発生する電力損失のうち、スイッチング損失を低減することが課題となる。 Accordingly, the present invention has been made to overcome the problems of the prior art described above, and the element temperature of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module is detected from the electric characteristics of the element, and the detection result is obtained. Based on the power loss generated in the low temperature region of the element, it is a problem to reduce the switching loss.
本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の電力変換装置は、複数のパワー半導体モジュールと、複数のゲート駆動回路とを備えた電力変換装置であって、前記複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体と下アームのパワー半導体とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有し、前記上アームのパワー半導体と前記下アームのパワー半導体とはハーフブリッジ回路を構成し、前記上アームのパワー半導体のドレイン端子は高電位端子であり、前記上アームのパワー半導体のソース端子と前記下アームのパワー半導体のドレイン端子とは中間電位端子に共通に接続され、前記下アームのパワー半導体のソース端子は低電位端子であり、前記上アームのパワー半導体および前記下アームのパワー半導体のゲート端子およびソースセンス端子は、それぞれ、ゲート配線とソースセンス配線とを介して、上アーム用の前記ゲート駆動回路および下アーム用の前記ゲート駆動回路と互いに接続され、前記複数のゲート駆動回路の各々は、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子と、前記ゲート駆動端子の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子と、前記ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子と、前記ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子と、前記ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子と、ゲート電圧閾値検知判定回路と、第1のゲート抵抗切替回路と第2のゲート抵抗切替回路とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、前記第1のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗と、前記第2のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗とを具備し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、前記パワー半導体のゲート電圧を入力するための第1の入力端子と、前記パワー半導体のソース電圧を入力するための第2の入力端子とを有し、前記ソースセンス駆動端子に前記第2の入力端子が接続され、前記ゲート駆動回路の前記第1の電源端子および前記ゲート駆動回路の前記第2の電源端子にそれぞれ前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の電源端子および前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の電源端子が接続され、前記ゲート駆動回路の前記駆動制御信号端子に制御参照信号端子が接続され、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第1の出力端子が接続され、前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第2の出力端子が接続され、前記第1の入力端子と前記第2の入力端子との間の電位差である入力端子間電圧と、前記制御参照信号端子の電位とに基づき、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子および前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与えることを特徴とする。 The present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems. For example, the power conversion apparatus according to the present invention includes a plurality of power semiconductor modules and a plurality of gate drive circuits. The plurality of power semiconductor modules have a power semiconductor of the upper arm and a power semiconductor of the lower arm integrally in a common module or individually in separate modules, and the power of the upper arm The semiconductor and the power semiconductor of the lower arm constitute a half bridge circuit, and the drain terminal of the power semiconductor of the upper arm is a high potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm The drain terminal is commonly connected to the intermediate potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the lower arm is a low potential terminal, and the upper arm The gate terminal and the source sense terminal of the power semiconductor and the power semiconductor of the lower arm are respectively connected to the gate drive circuit for the upper arm and the gate drive circuit for the lower arm via the gate wiring and the source sense wiring, respectively. Each of the plurality of gate drive circuits connected is a gate drive terminal that outputs a gate drive voltage, a source sense drive terminal that outputs a reference potential of the potential of the gate drive terminal, and a high that configures the gate drive voltage. A first power supply terminal to which a potential side potential is applied, a second power supply terminal to which a low potential side potential constituting the gate drive voltage is applied, a drive control signal terminal for controlling the gate drive voltage, and a gate Two or more gate resistance switching circuits including a voltage threshold detection determination circuit, a first gate resistance switching circuit, and a second gate resistance switching circuit A turn-on gate resistor connected to the first gate resistance switching circuit and having a variable resistance function, and a second gate resistance switching circuit connected to the second gate resistance switching circuit and turned off when the variable resistance function is provided The gate voltage threshold detection determination circuit includes a first input terminal for inputting a gate voltage of the power semiconductor, and a second input for inputting a source voltage of the power semiconductor And the second input terminal is connected to the source sense drive terminal, and the gate voltage is applied to the first power supply terminal of the gate drive circuit and the second power supply terminal of the gate drive circuit, respectively. A first power supply terminal of the threshold detection determination circuit and a second power supply terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit are connected to the drive control signal terminal of the gate drive circuit. A control reference signal terminal is connected, a first output terminal is connected to the control signal terminal of the first gate resistance switching circuit, and a second output terminal is connected to the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit. And a control signal of the first gate resistance switching circuit based on a voltage between the input terminals which is a potential difference between the first input terminal and the second input terminal and a potential of the control reference signal terminal. An instruction to switch the value of the gate resistance is given to at least one of the terminal and the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit.
本発明によれば、スイッチング損失の低温での増大を抑制して電力変換装置全体の損失を低減することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to suppress the increase in switching loss at a low temperature to reduce the loss of the entire power conversion device.
本発明の電力変換装置は、パワー半導体モジュールを用いたハーフブリッジ回路を構成し、前記パワー半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路は、ゲート電圧閾値検知判定回路とゲート抵抗切り替え回路と抵抗可変機能を備えたゲート抵抗を備える。前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、パワー半導体モジュールのゲート・ソースセンス端子間電圧を入力信号として、内蔵するゲート電圧閾値生成回路の閾値電圧を基準にゲート・ソースセンス端子間電圧のレベル比較をしてパワー半導体モジュール内部のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度の高低を判定し、低温領域であればゲート切り替え回路の制御信号端子に切り替え信号を送信し、ゲート抵抗値を変更制御する。 The power converter of the present invention constitutes a half bridge circuit using a power semiconductor module, and the gate drive circuit for driving the power semiconductor module comprises a gate voltage threshold detection judging circuit, a gate resistance switching circuit, and a variable resistance function. Provided with gate resistance. The gate voltage threshold detection detection circuit compares the level of the gate-source sense terminal voltage based on the threshold voltage of the built-in gate voltage threshold generation circuit with the voltage between the gate-source sense terminals of the power semiconductor module as an input signal. The element temperature of the SiC-MOSFET type power semiconductor element inside the power semiconductor module is determined, and if it is a low temperature area, a switching signal is transmitted to the control signal terminal of the gate switching circuit to change and control the gate resistance value.
以下、本発明の電力変換装置の実施形態の例を、各実施例として、図面を用いて説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a power converter of the present invention is explained as each example using a drawing.
《全体回路構成の一例》
図1に本発明の第1の実施形態である実施例1に係る電力変換装置の構成を示す。本実施例に係る電力変換装置は、複数のパワー半導体モジュール1a−n、1b−n(nは互いに並列接続された複数のパワー半導体モジュールの並列数を最大値とする任意の自然数。以下、同様。)と、複数のゲート駆動回路2a、2bとを備えた電力変換装置である。
<Example of overall circuit configuration>
The structure of the power converter device which concerns on FIG. 1 at Example 1 which is the 1st Embodiment of this invention is shown. The power conversion device according to this embodiment includes a plurality of power semiconductor modules 1a-n and 1b-n (n is an arbitrary natural number having a maximum value as the parallel number of the plurality of power semiconductor modules connected in parallel to each other. And a plurality of gate drive circuits 2a and 2b.
複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体11(図中の2つのパワー半導体11のうち上側のパワー半導体11)と下アームのパワー半導体11(図中の2つのパワー半導体11のうち下側のパワー半導体11)とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有して構成される。つまり、図1では上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とが互いに別々のパワー半導体モジュールに搭載される、すなわち、それぞれ上側のパワー半導体モジュール11a−nと下側のパワー半導体モジュール11b−nとに搭載される形態を示しているが、本発明はこの形態に限定されず、例えば、上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とが互いに共通のパワー半導体モジュールに一体的に搭載される形態(図示せず)も本発明の範囲に含まれる。 The plurality of power semiconductor modules include an upper arm power semiconductor 11 (the upper power semiconductor 11 of the two power semiconductors 11 in the figure) and a lower arm power semiconductor 11 (the lower side of the two power semiconductors 11 in the figure). The power semiconductor 11) is integrated with a common module or separately in separate modules. That is, in FIG. 1, the power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm are mounted on separate power semiconductor modules, that is, the upper power semiconductor module 11a-n and the lower power semiconductor module 11b, respectively. In the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. For example, the power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm are integrated into a common power semiconductor module. The form (not shown) mounted on is also within the scope of the present invention.
上アームのパワー半導体11と下アームのパワー半導体11とはハーフブリッジ回路を構成する。上アームのパワー半導体11のドレイン端子D1は高電位端子である。上アームのパワー半導体のソース端子S1と下アームのパワー半導体のドレイン端子D2とは中間電位端子に共通に接続される。下アームのパワー半導体のソース端子S2は低電位端子である。 The power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm constitute a half bridge circuit. The drain terminal D1 of the power semiconductor 11 of the upper arm is a high potential terminal. The source terminal S1 of the power semiconductor of the upper arm and the drain terminal D2 of the power semiconductor of the lower arm are commonly connected to the intermediate potential terminal. The source terminal S2 of the lower arm power semiconductor is a low potential terminal.
上アームのパワー半導体11および下アームのパワー半導体11のゲート端子G1、G2、およびソースセンス端子Ss1、Ss2は、それぞれ、ゲート配線41とソースセンス配線42とを介して、上アーム用のゲート駆動回路2aおよび下アーム用のゲート駆動回路2bと互いに接続される。 The gate terminals G1 and G2 of the power semiconductor 11 of the upper arm and the power semiconductor 11 of the lower arm, and the source sense terminals Ss1 and Ss2 respectively drive the gate for the upper arm via the gate wiring 41 and the source sense wiring 42. Circuit 2a and gate drive circuit 2b for the lower arm are mutually connected.
複数のゲート駆動回路2a、2bの各々は、ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子G0と、ゲート駆動端子G0の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子Ss0と、ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子GSHと、ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子GSLと、ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子SIGと、ゲート電圧閾値検知判定回路3と、第1のゲート抵抗切替回路28と第2のゲート抵抗切替回路29とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、第1のゲート抵抗切替回路28に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗33と、第2のゲート抵抗切替回路29に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗34とを具備する。
Each of the plurality of gate drive circuits 2a and 2b includes a gate drive terminal G0 that outputs a gate drive voltage, a source sense drive terminal Ss0 that outputs a reference potential of the potential of the gate drive terminal G0, and a high voltage that constitutes the gate drive voltage. A first power supply terminal GSH to which a potential side potential is applied, a second power supply terminal GSL to which a low potential side potential constituting a gate drive voltage is applied, a drive control signal terminal SIG for controlling the gate drive voltage, Two or more gate resistance switching circuits including a gate voltage threshold value
ゲート電圧閾値検知判定回路3は、パワー半導体11のゲート電圧を入力するための第1の入力端子G0と、パワー半導体11のソース電圧を入力するための第2の入力端子Ss0とを有する。ソースセンス駆動端子Ss0には第2の入力端子Ss0が接続される。ゲート駆動回路2a、2bの第1の電源端子GSHおよびゲート駆動回路2a、2bの第2の電源端子GSLにはそれぞれゲート電圧閾値検知判定回路3の第1の電源端子GSHおよびゲート電圧閾値検知判定回路3の第2の電源端子GSLが接続される。ゲート駆動回路2a、2bの駆動制御信号端子SIGには制御参照信号端子SIGが接続される。第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子には第1の出力端子CNTONが接続され、第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子には第2の出力端子DNTOFFが接続される。以上の接続関係により、ゲート電圧閾値検知判定回路3は、第1の入力端子G0と第2の入力端子Ss0との間の電位差である入力端子間電圧と、制御参照信号端子SIGの電位とに基づき、第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子および第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、すなわち、ターンオン時には第1のゲート抵抗切替回路28の制御信号端子に、ダーンオフ時には第2のゲート抵抗切替回路29の制御信号端子に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与える動作を行う。
The gate voltage threshold
本実施例に係る電力変換装置は、図9に示す従来の電力変換装置の構成に加え、ゲート駆動回路2内部に、ゲート電圧閾値検知判定回路3、第1の抵抗切替スイッチ素子28、第2の抵抗切替スイッチ素子29、ゲート駆動抵抗RgON2(33)、およびゲート駆動抵抗RgOFF2(34)を具備した構成である。図9に示す従来の電力変換装置の構成については後述する。
The power conversion device according to the present embodiment has the gate voltage threshold
本実施例に係る電力変換装置の構成は、ゲート電圧閾値検知判定回路3の端子CNTONおよびCNTOFFから出力される電圧値に応じて抵抗切替スイッチ素子28および29のスイッチが開閉され、ゲート駆動抵抗RgON2およびゲート駆動抵抗RgOFF2の抵抗値がゲート駆動抵抗として動作するか、スイッチ素子により短絡されて無効となるかを切り替えることが可能な構成である。ターンオンスイッチングの場合には、ゲート駆動電圧VGSHが印加されている端子GSHからゲート駆動回路出力端子G0までの経路ではゲート駆動抵抗RgON1とRgON2の値を加えたゲート駆動抵抗が発生する。後述するゲート電圧閾値検知判定回路3の動作によっては、抵抗切替スイッチ素子28が短絡し、実効のゲート駆動抵抗値はRgON1+RgON2の和からRgON1へ低減できる。同様に、ターンオフスイッチングの場合には、ゲート駆動電圧VGSLが印加されている端子GSLからゲート駆動回路出力端子G0までの経路にて、ゲート駆動抵抗RgOFF1とRgOFF2の和のゲート駆動抵抗が発生する。ゲート電圧閾値検知判定回路3の出力信号制御によって、抵抗切替スイッチ素子29が短絡し、実効のゲート駆動抵抗はRgOFF1+RgOFF2の和からRgOFF1の値のみに低減できる。
In the configuration of the power conversion device according to the present embodiment, the switches of the resistance change switch elements 28 and 29 are opened and closed according to the voltage values output from the terminals CNTON and CNTOFF of the gate voltage threshold
ゲート電圧閾値検知判定回路3は、ゲート端子G0とソースセンス端子Ss0の差電位を入力とし、内部に予め設定された判定閾値電圧VGPRgと比較判定を行い、判定結果によってターンオン用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTONとターンオフ用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTOFFを変化させる。また、ゲート駆動回路2自体の制御信号SIGをモニタすることによって、その制御信号の出力を有効化と無効化の2状態に切り替える機能を有する。この制御信号CNTONおよびCNTOFFの無効化は、ゲート端子G0の電位にノイズが乗った場合やOFF状態を保持する期間でゲート電圧閾値検知判定回路3が誤動作することを防止する。
The gate voltage threshold
《従来回路の構成》
図9に、本実施例に係る電力変換装置の基礎をなす従来の電力変換器の構成を示す。電力変換器の主回路は、パワー半導体モジュール1、ゲート駆動回路2、電源51、負荷インダクタンス52(Lload)、によって構成される。
<< Configuration of conventional circuit >>
FIG. 9 shows a configuration of a conventional power converter that forms the basis of the power converter according to the present embodiment. The main circuit of the power converter includes the
パワー半導体モジュール1は1アーム構成で示しており、複数のモジュール(1a−1〜1a−3、1b−1〜1b−3)を並列接続し、ハーフブリッジを構成するために上アーム用パワー半導体モジュール1aと下アーム用モジュール1bとを縦続に接続する構成をとる。電源51は、上アーム用モジュール1aのドレイン端子D1と下アームモジュール1bのソース端子S2との間に接続される。負荷インダクタンス52は、電流の流入および流出に応じて、等価的に下アーム用モジュールのS2端子に接続する場合があるが、本明細書では、上アーム用モジュールのD1端子に接続する場合を用いて説明する。尚、上記パワー半導体モジュール、電源、負荷インダクタンス間の接続には大電流を流すことのできるバスバーが用いられるが、図9では表記を割愛する。
The
パワー半導体モジュール1のスイッチング動作の制御のために、ゲート駆動回路2を用いる。上アーム用ゲート駆動回路2aは、電源端子GSHとGSL、駆動制御信号端子SIG、ゲート駆動端子G0とソースセンス端子Ss0を有し、ゲート配線41とソースセンス配線42を介して、パワー半導体モジュール1aのゲート端子G1とソースセンス端子Ss1と接続する。下アーム用ゲート駆動回路2bは、ゲート配線41とソースセンス配線42を介して、パワー半導体モジュール1bのゲート端子G2とソースセンス端子Ss2と接続される。
A
ゲート駆動回路2の電源端子GSHとGSLの端子間には駆動回路2が動作可能な所定の電源電圧を印加する。駆動制御信号端子SIGには、上アーム用制御信号Vsigaと下アーム用制御信号Vsigbの別の制御信号を印加してスイッチング動作を制御する。
A predetermined power supply voltage at which the
パワー半導体モジュール1は、1つ以上のSiC−MOSFET型パワー半導体素子11と、1つ以上の還流用ダイオード素子12、によって構成する。前記パワー半導体素子11のドレインをドレイン端子D1に接続し、前記パワー半導体素子11のソースをソース端子S1に接続する。パワー半導体モジュールの電流定格が、パワー半導体素子11と還流用ダイオード素子12の定格を超える場合には、複数の素子を用いて並列接続される。
The
ゲート端子G1(G2)には、前記パワー半導体素子11のゲートを接続し、前記G1(G2)と対になってゲート駆動電圧が印加されるソースセンス端子Ss1(Ss2)は前記パワー半導体素子11のソースに接続される。 The gate of the power semiconductor element 11 is connected to the gate terminal G1 (G2), and the source sense terminal Ss1 (Ss2) to which the gate drive voltage is applied in pairs with the G1 (G2) is the power semiconductor element 11 Connected to the source.
ゲート駆動回路2は、分圧回路21と分圧回路22、分圧コンデンサ23と分圧コンデンサ24、駆動信号制御回路25、高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27、ターンオン用ゲート駆動抵抗RgON1(31)とターンオフ用ゲート駆動抵抗RgOFF1(32)、によって構成する。前記分圧回路21と分圧回路22、分圧コンデンサ23と分圧コンデンサ24は、前記ゲート駆動回路2の電源端子GSHとGSL間に印可される電圧VGDを分圧して、ソースセンス端子Ss0の電位VSs0を決定する。駆動信号制御回路25は、前記駆動制御信号端子SIGに入力された制御信号電圧VSIGを入力信号とし、高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27の制御端子を駆動する。ターンオン用ゲート駆動抵抗RgON1(31)とターンオフ用ゲート駆動抵抗RgOFF1(32)と、前記スイッチ素子26およびスイッチ素子27は、前記端子GSHと端子GSLの間に図9に示すように直列接続されており、前記高電位側スイッチ素子26と低電位側スイッチ素子27とを接続する節点を前記ゲート駆動端子G0とする。駆動信号制御回路25により高電位側スイッチ素子26がオフ(解放)からオン(閉鎖)、低電位側スイッチ素子27がオンからオフへ変化した場合には、端子G0は、抵抗RgOFF1を介してVGSLに接続した状態から、抵抗RgON1を介してVGSHへと状態を変化し、パワー半導体モジュールをターンオン動作させる。ターンオフ動作する場合には逆の制御を行い、高電位側スイッチ素子26がオンからオフ、低電位側スイッチ素子27がオフからオンへ変化した場合には、端子G0は、抵抗RgON1を介してVGSHへ接続した状態から、抵抗RgOFF1を介してVGSLに接続した状態へと変化する。
The
《従来回路の過渡波形》
図10を用いて、過渡波形の動作を説明する。パワー半導体モジュール1aはオフ状態を保ち、パワー半導体モジュール1bをターンオンさせる場合の過渡応答波形を示す。波形を示した項目は、駆動制御信号Vsigb、モジュール1bのゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2(前記ゲート端子G2とソースセンス端子VSs2間の電圧)、前記端子G2へ流入するゲート駆動電流Ig2、前記ソース端子S2から流出するソース主電流Is2、モジュール1bのドレイン端子D2とソース端子S2と端子間電圧Vds2、である。
<< Transient waveform of conventional circuit >>
The operation of the transient waveform will be described with reference to FIG. The power semiconductor module 1a shows a transient response waveform when the power semiconductor module 1b is turned on while the power semiconductor module 1b is turned on. Items showing waveforms are a drive control signal Vsigb, a gate-source sense terminal voltage Vgs2 of the module 1b (voltage between the gate terminal G2 and the source sense terminal VSs2), a gate drive current Ig2 flowing into the terminal G2, The source main current Is2 flowing out from the source terminal S2, and the drain terminal D2 and source terminal S2 of the module 1b, and the voltage Vds2 between the terminals.
Vsigのトリガ時刻t1では、電位がVLからVHへと変化し、一定の遅延時間(td1)を経た時刻t2に、ゲート駆動回路2内部の高電位側電位VGSHとモジュールソースセンス端子電圧のVSs2の間に、VGSL(例えば−10V)からVGSH(例えば+15V)へ正のステップ電圧が印加される。
At the trigger time t1 of Vsig, the potential changes from VL to VH, and at time t2 after a certain delay time (td1), the high potential side potential VGSH inside the
モジュールのターンオン動作を決めるゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は、モジュールの入力容量Cissとゲート駆動経路に生じるターンオン駆動抵抗RgON1によるCR時定数で過渡応答し、VGSHへ向かって増加を始める。 The gate-source sense terminal voltage Vgs2 that determines the turn-on operation of the module transiently responds with a CR time constant due to the input capacitance Ciss of the module and the turn-on drive resistor RgON1 generated in the gate drive path, and starts increasing toward VGSH.
端子G2から流入するゲート電流Ig2は、前記ステップ電圧が前記Cissと前記RgON1の直列回路に印加した過渡応答を示し、ゲートピーク電流Ig2peakを最大値として減少する。 The gate current Ig2 flowing from the terminal G2 shows a transient response when the step voltage is applied to the series circuit of the Ciss and RgON1, and decreases with the gate peak current Ig2peak as a maximum value.
時刻t3において、Vgs2はSiC−MOSFET型パワー半導体素子の閾値電圧VTHに到達し、前記パワー半導体素子のドレイン・ソース端子間に電流Is2が通流し始める。 At time t3, Vgs2 reaches the threshold voltage VTH of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, and the current Is2 begins to flow between the drain and source terminals of the power semiconductor element.
時刻t4で前記Is2の値は負荷電流値Iloadに達する。その後、時刻t4からt5までの期間では、一定のIs2(=Iload)を通流させながら、ドレイン・ソース端子間電圧Vds2が電源電圧VccからIload通流時のオン電圧VON1へ低下する。t4からt5までの期間では、Vds2の電圧低下に対応してゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は増加する傾向がある。この傾向は、主電流Iloadが一定に流入する条件においては、Vdsが変化(減少)した場合には、ゲート・ソースセンス間電圧Vgsが変化(増加)するSiC−MOSFET型パワー半導体素子の静特性を反映するためである。Vgs2の変化に応じてゲート駆動電流Ig2の値はIGP1からIGP2へと減少する。 At time t4, the value of Is2 reaches the load current value Iload. Thereafter, in a period from time t4 to time t5, the drain-source terminal voltage Vds2 drops from the power supply voltage Vcc to the on-voltage VON1 at the time of Iload conduction, while flowing a constant Is2 (= Iload). In the period from t4 to t5, the voltage Vgs2 between the gate and the source sensing terminal tends to increase corresponding to the voltage drop of Vds2. This tendency is the static characteristics of the SiC-MOSFET type power semiconductor device in which the voltage Vgs between the gate and the source sense changes (increases) when Vds changes (decreases) under the condition that the main current Iload flows in constantly. Is to reflect. The value of the gate drive current Ig2 decreases from IGP1 to IGP2 according to the change of Vgs2.
時刻t5からt6への期間では、主電流Is2とVds2の変化がほぼ終了しているが、Vgs2は入力されたステップ応答の電圧値(VDSH)へ到達するように変化し、これに応じてIg2の値はゼロ電流値へと漸近し、Vgs2値の増加に伴ってオン抵抗が低下し、オン電圧はVON1より低い定常時VONであるVON2へ変化する。以上が、ターンオン時のスイッチング過渡応答の動作である。 In the period from time t5 to time t6, the changes of the main currents Is2 and Vds2 are almost complete, but Vgs2 changes so as to reach the voltage value (VDSH) of the input step response, and accordingly, Ig2 Asymptotically approaches the zero current value, the ON resistance decreases as the Vgs2 value increases, and the ON voltage changes to VON2, which is a steady-state VON lower than VON1. The above is the operation of the switching transient response at turn-on.
本発明の目的は素子温度が低温領域でのスイッチング損失の低減である。スイッチング損失は図10中の(t4−t3)期間にソース電流の変化率dIs2/dtに応じて決まるターンオン損失EonIと、(t5−t4)期間にソース電流の変化率dVds2/dtに応じて決まるターンオン損失EonVの和である。 An object of the present invention is to reduce switching loss in the low temperature region of the device temperature. The switching loss is determined according to the turn-on loss EonI determined in accordance with the change rate dIs2 / dt of the source current in the (t4-t3) period in FIG. 10 and the change rate dVds2 / dt in the source current in the (t5-t4) period. It is the sum of the turn-on loss EonV.
《従来回路の過渡波形の温度依存性》
図11に、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオン時スイッチング過渡応答について、素子温度に対する依存性を模式的に示す。素子温度が高温(実線:例えば150℃)と低温(点線:例えば−50℃)の場合の波形例を示す。
<Temperature dependence of transient waveform of conventional circuit>
FIG. 11 schematically shows the dependency of the turn-on switching transient response of the SiC-MOSFET type power semiconductor device on the device temperature. The example of a waveform in case element temperature is high temperature (solid line: for example 150 degreeC) and low temperature (dotted line: for example -50 degreeC) is shown.
ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2の過渡応答では、低温(LT)ほど閾値電圧VTHが高くなるため、高温(HT)時に比較してソース端子電流Is2の流れ出しタイミングt3LTが遅くなる。Is2が定常値Iloadに達し、Vds2が減少し始めるタイミングt4のVgs2の電位をゲート・プラトー開始電位(VGP1)と呼ぶことにする。素子温度が低下することにより、VTHが増加し、VTHLT>VTHHTの関係を持つが、一方でVGP1も低温で増加し、VGP1LT>VGP1HTの関係が生じる。上述したように、非特許文献2ではパワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGP1と負荷電流Iloadとの関係が定式化されており、VGP1がIloadとの間にVGP1≒VTH+Iload/gmなる関係を有することが明らかになっている。この式から、VGP−VTHの差電圧は電流Iloadと相互コンダクタンスgmによって決まる。Iloadを所定の値に決めた場合、gmの温度依存性が小さい場合には、VGP−VTHの差電圧は温度に依らずほぼ一定である。従って、差電圧(VGP1LT―VTHLT)と(VGP1HT―VTHHT)は同等であり、(t4LT−t3LT)と(t4HT−t3HT)の過渡時間の差は小さいと言える。時刻t3からt4への過渡応答は、ターンオン抵抗RgON1と素子の入力容量Cissの積で決まる時定数で、その時定数の温度依存性は小さく、前記の差電圧の値の温度依存性も小さいからである。(t4−t3)の期間は、ソース電流の変化(増加)期間であり、つまりdIs2/dtの値は温度依存性が小さい。そこで、ターンオンスイッチング損失Eonのうち、dIs2/dtが主要因となるEonIの値は素子温度に対する依存性が小さいと言える。
In the transient response of the gate-source sense terminal voltage Vgs2, the threshold voltage VTH increases as the temperature (LT) decreases. Therefore, the flow-out timing t3 LT of the source terminal current Is2 is delayed as compared with the high temperature (HT). The potential of Vgs2 at timing t4 when Is2 reaches the steady value Iload and Vds2 starts to decrease is referred to as a gate plateau start potential (VGP1). As the element temperature decreases, VTH increases and has a relationship of VTH LT > VTH HT . On the other hand, VGP1 also increases at a low temperature, and a relationship of VGP1 LT > VGP1 HT occurs. As described above, in
次にターンオンスイッチング損失Eonのうち、dVds2/dtが主要因となる期間(t5−t4)について、その温度依存性を検討する。Vgs2がVGP1に到達した後(t4)、VGP2(t5)へと変化し、その期間にVds2がVccからオン電圧VON1へ減少する。この期間(t5−t4)の長さは、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdとその充電電流Ig2によって決まる。Cgdの温度依存性は無視できるため、Ig2の温度依存性が支配的となる。Ig2は図11中のVgs波形に連動しており、VGP1LT>VGP1HTの関係から、VGPとVGSHとの差電圧で決まるターンオン時のゲート抵抗RgON1に印加されるVRgは、VRgLT<VRgHT の関係となる。ゲート電流Ig2はVRgの温度依存性から、IgLT<IgHTの関係となるため、温度依存性の無いCgdを充電する期間、すなわち(t5−t4)は、(t5HT―t4HT)<(t5LT−t4LT)の関係となることが図11に示されている。更に、低温領域ではVGP1LTからVGP2LTへかけてのVgs2の増大が顕著であり、一層VRgLTはVRgHTに対して小さくなる傾向を有する。以上の検討から、低温時のターンオン波形においては、高温時に比較して、VGP1およびVGP2の電位が高電位に変動し、ゲート電流Igの値が減少し、Vds2が減少する変化期間が長くなり、ターンオンスイッチング損失Eonのうち、dVds2/dtによって決まるEonVの値が増大してしまうことが、明らかである。 Next, of the turn-on switching loss Eon, the temperature dependence of the period (t5-t4) where dVds2 / dt is the main factor is examined. After Vgs2 reaches VGP1 (t4), it changes to VGP2 (t5), and Vds2 decreases from Vcc to ON voltage VON1 during that period. The length of this period (t5-t4) is determined by the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element and its charging current Ig2. Since the temperature dependency of Cgd is negligible, the temperature dependency of Ig2 is dominant. Ig2 is linked to the Vgs waveform in FIG. 11. From the relationship of VGP1 LT > VGP1 HT , VRg applied to the gate resistance RgON1 at the turn-on determined by the difference voltage between VGP and VGSH is VRg LT <VRg HT It becomes the relationship. Gate current Ig2 from the temperature dependence of VRg, since a relationship of Ig LT <Ig HT, duration of charging without Cgd temperature dependence, namely (t5-t4) is, (t5 HT -t4 HT) < ( FIG. 11 shows that t5 LT −t4 LT ). Further, in a low temperature region is remarkable increase in the Vgs2 of the period from VGP1 LT to VGP2 LT, more VRg LT have smaller tendency against VRg HT. From the above study, in the low temperature turn-on waveform, the potentials of VGP1 and VGP2 fluctuate to higher potentials compared to the high temperature, the value of gate current Ig decreases, and the change period of decreasing Vds2 becomes longer, It is apparent that the value of EonV determined by dVds2 / dt among the turn-on switching losses Eon is increased.
ここで、VGP1とVGP2の値について整理する。SiC−MOSFET型パワー素子を用いたパワー半導体モジュールが誘導性負荷に対してスイッチング動作をする場合に、所定の負荷電流をIloadとし、パワー半導体モジュールの素子温度(T)依存性を含む閾値をVTH(T)とし、パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧がオン電圧時のパワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(VON)とし、ゲート・プラトー電圧VGP2は、
VGP2≒VTH(T)+Iload/gm(VON)
と概算できる。
Here, the values of VGP1 and VGP2 are arranged. When a power semiconductor module using a SiC-MOSFET type power element performs a switching operation with respect to an inductive load, a predetermined load current is defined as Iload, and a threshold including the element temperature (T) dependence of the power semiconductor module is defined as VTH. (T), the mutual conductance of the power semiconductor module when the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is the on-voltage is gm (VON), and the gate-plateau voltage VGP2 is
VGP2≈VTH (T) + Iload / gm (VON)
Can be estimated.
また、パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧が電源電圧(Vcc)の場合の相互コンダクタンスをgm(Vcc)とした場合、ゲート・プラトー電圧VGP1は、
VGP1=VTH(T)+Iload/gm(Vcc)
と概算できる。
gm(VON)<gm(Vcc)のため、素子温度が一定の場合には、
VGP1<VGP2の関係が生じ、図10および図11で示すゲート・プラトー電圧の過渡応答を発生する。
When the mutual conductance when the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is the power supply voltage (Vcc) is gm (Vcc), the gate plateau voltage VGP1 is
VGP1 = VTH (T) + Iload / gm (Vcc)
Can be estimated.
Since gm (VON) <gm (Vcc), when the element temperature is constant,
The relationship VGP1 <VGP2 is generated to generate a transient response of the gate plateau voltage shown in FIGS.
上記の図10と図11を用いたターンオン時の過渡応答の説明から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の素子温度依存性によって低温領域でスイッチング損失が増大する問題が明らかである。ターンオフ時においても同様の問題が発生する。 From the above description of the transient response at turn-on using FIGS. 10 and 11, it is clear that the device temperature dependency of the SiC-MOSFET type power semiconductor device increases the switching loss in a low temperature region. The same problem occurs at turn-off.
図12に、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオフ時スイッチング過渡応答について、素子温度に対する依存性を模式的に示す。素子温度が高温(実線:例えば150℃)と低温(点線:例えば−50℃)の場合の波形例を示す。 FIG. 12 schematically shows the dependency of the switching transient response at turn-off of the SiC-MOSFET type power semiconductor device on the device temperature. The example of a waveform in case element temperature is high temperature (solid line: for example 150 degreeC) and low temperature (dotted line: for example -50 degreeC) is shown.
ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2の過渡応答では、まず、時刻t2において、Vgs2が正の駆動電圧VGSHからVGSLに向かって減少する。その時定数は、ゲート抵抗RgOFF1と、パワー半導体素子の入力容量Cissの積で決まるCR時定数である。 In the transient response of the gate-source sense terminal voltage Vgs2, first, Vgs2 decreases from the positive drive voltage VGSH toward VGSL at time t2. The time constant is a CR time constant determined by the product of the gate resistance RgOFF1 and the input capacitance Ciss of the power semiconductor element.
時刻t3では、ソース電流Is2は一定のまま、Vgs2がゲート・プラトー電圧VGP2の値まで減少し、Vds2がVON2の電位から増大し始める。VGP2の値は、素子の温度によって異なり、高温(HT)と低温(LT)では、(VGP2LT>VGP2HT)の関係がある。VGP2の温度依存性は、前述のように、VGP2≒VTH+Iload/gmの関係があり、温度の上昇に対して減少するVTH項が支配的であるためである。 At time t3, the source current Is2 remains constant, Vgs2 decreases to the value of the gate plateau voltage VGP2, and Vds2 starts to increase from the potential of VON2. The value of VGP2 is different depending on the temperature of the element, the low temperature (LT) and high temperature (HT), a relationship of (VGP2 LT> VGP2 HT). The temperature dependency of VGP2 is, as described above, because VGP2 ≒ VTH + Iload / gm, and the VTH term decreasing with increasing temperature is dominant.
時刻t3からt4までの期間は、SiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの印可電圧を増加させるため、ゲート電流Ig2が充電電流となる。Vds2の増大に伴って、Vgs2、つまりゲート・プラトー電圧も減少し、VGP2(時刻t3)からするVGP1(時刻t4)へと変動する。このVGP2からVGP1への電圧変動はSiC−MOSFET型パワー半導体素子の静特性(Id2−Vds2特性)によって決定される。電流Is2が一定の条件下では、Vds2に対するVgs2の変化率が異なり、低温であるほど変化率が大きい。従って、ゲート・プラトー電圧領域では、ゲート電流Ig2は、前記の帰還容量Cgdだけでなく、VGP2からVGP1へのVgs2の変化が発生するため、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート・ソース間入力容量Cgsに対しても充電電流となる。このため、Ig2は、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート端子にて、Cgd充電電流とCgs充電電流に分流し、Vds2を増加させるCgdへの充電電流が減少する。特に、素子温度が低温の領域では、VGP2からVGP1へのVgs2の変動が大きいため、その期間でCgdを充電する実効的なゲート電流値は、パワー半導体モジュール1のゲート端子G2を通流するゲート電流Ig2に対して減少し、Cgs充電時間(時刻t4−t3)が長くなってしまう。
In the period from time t3 to t4, the applied voltage of the feedback capacitor Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is increased, so that the gate current Ig2 becomes a charging current. As Vds2 increases, Vgs2, that is, the gate plateau voltage also decreases, and changes from VGP2 (time t3) to VGP1 (time t4). The voltage fluctuation from VGP2 to VGP1 is determined by the static characteristic (Id2-Vds2 characteristic) of the SiC-MOSFET type power semiconductor device. Under the condition that the current Is2 is constant, the change rate of Vgs2 to Vds2 is different, and the change rate is larger as the temperature is lower. Therefore, in the gate plateau voltage region, not only the feedback capacitance Cgd but also a change in Vgs2 from VGP2 to VGP1 occurs in the gate current Ig2, so the gate-source input capacitance of the SiC-MOSFET type power semiconductor device The charge current is also applied to Cgs. For this reason, Ig2 is shunted into the Cgd charging current and the Cgs charging current at the gate terminal of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, and the charging current to Cgd that increases Vds2 decreases. In particular, in the region where the element temperature is low, the fluctuation of Vgs2 from VGP2 to VGP1 is large, so the effective gate current value for charging Cgd in that period is the gate flowing through the gate terminal G2 of the
時刻t5は、ソース電流Is2がIloadの値から減少し、ゼロ電流へと減少した時刻である。この期間(t4からt5)では、Vgs2はVGP1からVTHへと減少する。減少に要する時間は、Vgs2の時定数で決まり、ゲート抵抗RgOFF1とSiC−MOSFET型パワー半導体素子のCgsで決定されため、素子温度による依存性は小さい。従って、dIs2/dtが主要因となる Eoff発生期間、つまり期間(t4からt5)で発生するEoffIは、素子温度依存性が少ない。上記の説明から、SiC−MOSFET型パワー半導体素子のターンオフ動作時のスイッチング損失は、dVds2/dtが主要因となる電圧変化期間の損失EoffVにて素子温度依存性があり、低温領域で増大する。一方、dIs2/dtが主要因となる電流変化期間の損失EoffIは、素子温度依存性が少ない、と言える。
Time t5 is the time when the source current Is2 decreases from the value of Iload and decreases to zero current. In this period (t4 to t5), Vgs2 decreases from VGP1 to VTH. The time required for the reduction is determined by the time constant of Vgs2, and is determined by the gate resistance RgOFF1 and Cgs of the SiC-MOSFET type power semiconductor element, and therefore the dependence on the element temperature is small. Therefore, the Eoff generation period in which
本発明の目的に示したように、SiC−MOSFET型パワー半導体素子に生じるスイッチング損失を低温領域で減少することが重要である。特に、スイッチング動作のうち、主電圧(Vds)の変化期間で生じるスイッチング損失(EonVおよびEoffV)の素子温度依存性が大きく、低温領域で低減することが必要である。 As shown in the object of the present invention, it is important to reduce the switching loss occurring in the SiC-MOSFET type power semiconductor device in the low temperature region. In particular, in the switching operation, the device temperature dependency of the switching loss (EonV and EoffV) generated in the change period of the main voltage (Vds) is large, and it is necessary to reduce it in the low temperature region.
図13に、SiC−MOSFET型パワー素子のゲート・ソース間電圧Vgsのターンオン時のゲート・プラトー期間のVds電圧依存性を示す。Vds電圧を横軸にVON1電圧から電源電圧Vccまでの範囲にて、ゲート・プラトー期間のVgsの特性を模式的に示した。ここで、VGP1は同一の素子温度の場合に、ゲート・プラトー期間のVgsの低電位側(ターンオンでは開始電圧)の電位を示し、VGP2は同一の素子温度の場合に、ゲート・プラトー期間のVgsの高電位側(ターンオンでは終了電圧)の電位を示す。素子温度が低温になるほど、ゲート・プラトー期間のVgs電位は高電位となる。上記に説明したように、ターンオン時のスイッチング動作のうち、主電圧(Vds)の変化期間で生じるスイッチング損失の温度依存性は、図13中のVGP1からVGP2の電位の大小によってゲート電流Igの値が変動し、充電電流であるIgの値が低温領域で変動(減少)することによって生じる。 FIG. 13 shows the Vds voltage dependency of the gate plateau period when the gate-source voltage Vgs of the SiC-MOSFET type power device is turned on. The horizontal axis of the Vds voltage ranges from the VON1 voltage to the power supply voltage Vcc, and the characteristics of Vgs in the gate-plate period are schematically shown. Here, VGP1 indicates the potential on the low potential side (starting voltage at turn-on) of Vgs in the gate plateau period in the case of the same device temperature, and VGP2 indicates the Vgs in the gate plateau period in the same device temperature. Indicates the potential on the high potential side (the end voltage at turn-on). The lower the element temperature, the higher the Vgs potential during the gate-plateau period. As described above, in the switching operation at turn-on, the temperature dependency of the switching loss generated in the change period of the main voltage (Vds) depends on the magnitude of the potential of VGP1 to VGP2 in FIG. And the value of Ig, which is the charging current, varies (decreases) in the low temperature region.
《本発明の本実施例に係る判定閾値VGPRgの設定範囲》
そこで、本発明では、素子温度が低温領域であるか否かを判断し、低温領域である場合には、ゲート電流Igを増加させることによって、スイッチング損失の増加を抑制する。実現する手段として、ゲート・プラトー期間の電圧値に基づき素子温度を判定し、ゲート電流Igを増加させるために可変できるゲート抵抗を制御(抵抗値を低減)することを以下説明する。ゲート・プラトー期間の電圧値の基準値となり、ゲート抵抗を制御するためのVgsの判定閾値(VGPRg)の値は、一例として図13中に示す範囲に設定する。特にスイッチング損失を低減する低温領域(LT)では、判定閾値VGPRgを、ゲート・プラトー開始電圧VGP1LT近傍に設定してゲート・プラトー期間の大部分の期間でゲート抵抗が低減されるよう設定し、同時にスイッチング損失が小さい中間温度(MT)ではゲート・プラトー期間の終了電圧VGP2MT近傍に設定してゲート抵抗の低減によるスイッチング損失への変化が少ないように設定する。
<< Setting range of determination threshold value VGPRg according to this embodiment of the present invention >>
Therefore, in the present invention, it is determined whether or not the element temperature is in a low temperature region, and in the case of a low temperature region, an increase in switching loss is suppressed by increasing the gate current Ig. As means for realizing this, it will be described below that the element temperature is determined based on the voltage value during the gate plateau period, and that the gate resistance that can be varied to increase the gate current Ig is controlled (resistance value is reduced). The reference value of the voltage value during the gate-plateau period and the value of the Vgs determination threshold value (VGPRg) for controlling the gate resistance is set in the range shown in FIG. 13 as an example. Particularly in the low temperature region (LT) where the switching loss is reduced, the determination threshold VGPRg is set near the gate / plateau start voltage VGP1LT so that the gate resistance is reduced during most of the gate / plateau period. At an intermediate temperature (MT) where the switching loss is small, it is set near the ending voltage VGP2MT of the gate plateau period so that the change to the switching loss due to the reduction of the gate resistance is small.
《本実施例の効果》
本実施例によれば、上記の設定によって、低温領域のスイッチング損失を、中間温度領域に対して低減することができる。スイッチング損失の小さい高温領域では、そのスイッチング動作が終了した後に、ゲート抵抗が低減されるため、スイッチング損失については変動無く小さい値を保つ。なお、電力変換装置がパワー半導体モジュールに求める仕様によっては、中間温度領域にてもスイッチング損失の大幅低減が必要な場合も発生することから、そのVgsの判定閾値電圧(VGPRg)の設定値は図13に示す範囲に限定されるものではないが、スイッチング損失を低減したい温度領域の低温側温度をLT、高温側をMTと称すならば、VGPRgの値は、VGP1MTからVGP2LTの間に設定することが必要である。
<< Effects of the present embodiment >>
According to the present embodiment, the switching loss in the low temperature region can be reduced with respect to the intermediate temperature region by the above setting. In the high temperature region where the switching loss is small, the gate resistance is reduced after the switching operation is completed, so that the switching loss is kept small without fluctuation. Note that depending on the specifications that the power converter requires for the power semiconductor module, switching loss may need to be significantly reduced even in the intermediate temperature range, so the setting value of the determination threshold voltage (VGPRg) of Vgs is shown in the figure. Although it is not limited to the range shown in 13, if the low temperature of the temperature range where the switching loss is desired to be reduced is referred to as LT and the high temperature side is referred to as MT, the value of VGPRg is set between VGP1 MT and VGP2 LT It is necessary to.
《高周波ノイズ成分を低減する全体回路構成の一例》
図6に本発明の第2の実施形態である実施例2の全体回路構成を示す。本実施例は実施例1の変形例である。本実施例においては、上下アームを構成するパワー半導体モジュール1cおよび1dは、内部に搭載するSiC−MOSFET型パワー素子のゲートから、パワー半導体モジュールのゲート端子G1(G2)とゲートセンス端子Gs1(Gs2)に2分岐した構成を取る。端子Gs1は、パワー素子のゲートから高抵抗Rgs1(Rgs2)を介して、ゲートセンス端子Gs1に接続され、Gs1端子は容量を介してソースセンス端子Ss1(Ss2)端子へ接続される。以上の点で本実施例は実施例1と相違するが、その他の点は実施例1と共通である。ここで、Rgs1とCgs1とで決まるCR時定数は、スイッチング時の高周波ノイズを低減しながら、図11および図12を用いて説明したゲート・ソースセンス端子Vgsの過渡応答を、端子Gs1(Gs2)と端子Ss1(Ss2)との間に伝達するCR定数であるように調整する。
<< One example of overall circuit configuration to reduce high frequency noise components >>
FIG. 6 shows an overall circuit configuration of Example 2 which is the second embodiment of the present invention. The present embodiment is a modification of the first embodiment. In this embodiment, the power semiconductor modules 1c and 1d constituting the upper and lower arms are connected to the gate terminal G1 (G2) and the gate sense terminal Gs1 (Gs2) of the power semiconductor module from the gate of the SiC-MOSFET type power element mounted inside. ). The terminal Gs1 is connected to the gate sense terminal Gs1 from the gate of the power element through the high resistance Rgs1 (Rgs2), and the Gs1 terminal is connected to the source sense terminal Ss1 (Ss2) terminal through the capacitor. Although the present embodiment is different from the first embodiment in the above points, the other points are common to the first embodiment. Here, the CR time constant determined by Rgs1 and Cgs1 reduces the high-frequency noise at the time of switching while the transient response of the gate-source sense terminal Vgs described with reference to FIGS. 11 and 12 is the terminal Gs1 (Gs2) And the terminal Ss1 (Ss2) are adjusted so that the CR constant is transmitted.
ゲート駆動回路2cおよび2dは、ゲート端子G0、ゲートセンス端子Gs0、ソースセンス端子Ss0の端子を備える。前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲート端子G1(G2)とゲート配線41を介してゲート駆動回路2cおよび2dのゲート端子G0を接続する。前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲートセンス端子Gs1(Gs2)とゲート配線43を介してゲート駆動回路2cおよび2dのゲートセンス端子Gs0を接続する。同様に、前記パワー半導体モジュール1cおよび1dのゲートセンス端子Ss1(Ss2)とゲート配線42を介してゲート駆動回路2cおよび2dのソースセンス端子Ss0を接続する。 The gate drive circuits 2c and 2d each include a gate terminal G0, a gate sense terminal Gs0, and a source sense terminal Ss0. The gate terminals G1 (G2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the gate terminals G0 of the gate drive circuits 2c and 2d via the gate wiring 41, respectively. The gate sense terminals Gs1 (Gs2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the gate sense terminals Gs0 of the gate drive circuits 2c and 2d through the gate wiring 43. Similarly, the gate sense terminals Ss1 (Ss2) of the power semiconductor modules 1c and 1d are connected to the source sense terminals Ss0 of the gate drive circuits 2c and 2d via the gate wiring 42.
《本実施例の効果》
本実施例によれば、図6に示すパワー半導体モジュール1cおよび1dと、ゲート駆動回路2cおよび2dを用いることにより、図1に示した実施例1の構成に対して、ゲート電圧閾値検知判定回路に入力するVgs波形の高周波ノイズ成分を低減することが可能となる。これに伴って、ゲート駆動回路2cおよび2dに内蔵されるゲート電圧閾値検知判定回路のゲート端子G0とソースセンス端子Ss0の差電位に基いて行う閾値判定の誤検知回数を低減する効果が得られる。
<< Effects of the present embodiment >>
According to the present embodiment, by using the power semiconductor modules 1c and 1d and the gate drive circuits 2c and 2d shown in FIG. 6, the gate voltage threshold value detection / determination circuit is compared with the configuration of the first embodiment shown in FIG. It is possible to reduce the high frequency noise component of the Vgs waveform input to the Accordingly, an effect of reducing the number of false detections of threshold determination performed based on the potential difference between the gate terminal G0 and the source sense terminal Ss0 of the gate voltage threshold detection determination circuit built in the gate drive circuits 2c and 2d can be obtained. .
《ゲート電圧閾値検知判定回路の構成および機能を具体化した一例》
図7に本発明の第3の実施形態である実施例3の部分回路構成を示す。本実施例は実施例1または実施例2のゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路構成を具体化した一例であり、よって、実施例1または実施例2の変形例である。ゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路構成が具体化されている点で実施例1および実施例2と相違するが、その他の点は実施例1または実施例2と共通である。ゲート電圧閾値検知判定回路3は、ターンオン用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTONを出力する検知判定回路3aとターンオフ用ゲート駆動抵抗の制御信号CNTOFFを出力する検知判定回路3bの2回路で構成する。閾値検知判定回路3aを例に構成を説明する。ゲート閾値発生回路101は、VGSHとVGSLを電源電圧として動作し、予め設定されるターンオン時のVGS値の検知閾値電圧VGPRgONを出力する。アンプ103はゲート端子G0の電圧とVGPRgONとの差電圧を増幅し、シュミットトリガ型コンパレータ104は、比較電圧発生回路105が出力する比較電圧VCOMPを基準に、アンプ103の出力電圧の大小を判断し、制御信号CNTONの出力電圧として2値の高低の電圧信号を発生する。この電圧信号が、図1および図6に示した抵抗切替スイッチ素子28および29の制御信号となり、例えば、低電位の場合には抵抗切替スイッチ素子28および29は解放、高電位では短絡となる動作を実現する。アンプ制御電源106は、ゲート駆動回路2自体の制御信号SIGを参照し、ゲート電圧を参照しているパワー半導体モジュールが、スイッチングする期間であって、かつ、ターンオン動作を指示されている場合にのみ、前記のコンパレータ104に供給する電源電圧を所定の値で出力し、コンパレータ104の出力にて、例えば高電位信号を出力可能とし、前記抵抗切替スイッチ素子の状態を変化できるように制御する。一方、ゲート電圧を参照しているパワー半導体モジュールが、スイッチングする期間であって、かつ、ターンオン動作を指示されている場合以外では、コンパレータ104への電源電圧が所定の電圧より低下した値で出力し、コンパレータ104出力はコンパレータ104の入力電位に依らず、例えば低電位信号のみ出力して前記抵抗切替スイッチ素子の状態を不変とし、ゲート電圧閾値検知判定回路3、もしくはゲート駆動回路2の電源端子の電位がノイズ等で変動した場合でも誤動作を発生させる制御信号の出力を抑制する機能を果たす。
<< Example of the configuration and function of the gate voltage threshold detection circuit >>
FIG. 7 shows a partial circuit configuration of Example 3 which is the third embodiment of the present invention. The present embodiment is an example in which the internal circuit configuration of the gate voltage threshold
閾値検知判定回路3bは、閾値検知判定回路3a同様に、ゲート閾値発生回路102が出力する閾値電圧VGPRgOFFに基づき、アンプ103はゲート端子G0の電圧とVGPRgOFFとの差電圧を増幅し、シュミットトリガ型コンパレータ104は、比較電圧発生回路105が出力する比較電圧VCOMPを基準に、アンプ103の出力電圧の大小を判断し、制御信号CNTOFFの出力電圧となる2値の高低の電圧信号を発生する。
Similar to the threshold detection determination circuit 3a, the threshold detection determination circuit 3b amplifies the difference voltage between the voltage at the gate terminal G0 and VGPRgOFF based on the threshold voltage VGPRgOFF output from the gate threshold generation circuit 102, and the Schmitt trigger type. The
本実施例に示すゲート電圧閾値検知判定回路3の構成とすることにより、ターンオン時ゲート抵抗(RgON1+RgON2、もしくはRgON1)の値と、ターンオフ時ゲート抵抗(RgOFF1+RgOFF2、もしくはRgOFF1)の値とを独立に制御して変化でき、さらにノイズ耐性が高く保ったまま、実施例1および2で記載した動作を実現できる。
With the configuration of the gate voltage threshold value detection /
《本発明を適用した場合の過渡波形例》
実施例1乃至実施例3で示した本発明の回路のスイッチング動作時の過渡応答を、図2に模式的に示す。実施例1(図1)の下アームのパワー半導体モジュール1bをターンオン駆動する例である。ゲート・ソースセンス端子間電圧Vgs2は、時刻t2にて、図9に示す従来回路の過渡応答動作(図11)と同様に上昇する。この際に、パワー半導体モジュールの素子温度が低温(LT)である場合には点線で示す波形に、中間温度(MT)の場合は実線で示す波形となる。図13に例示したパワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲート・プラトー電圧の温度依存性に従い、低温領域の場合は中間温度領域の場合に比較してゲート・プラトー電位が高く、ゲート・プラトー期間自体が長くなる。すでに説明したように、低温領域では、ゲート駆動回路の高電位VGSHとゲート・プラトー期間中のVgs2との差電圧が減少し、ゲート電流Ig2の値が低下するためである。実施例1乃至実施例3に示した回路構成を取ることにより、図2中に示すゲート電圧判定閾値VGPRgONの値を設定できる。判定閾値VGPRgONの設定範囲は図13の説明にて述べてあるように、中間温度時のゲート・プラトー電圧VGP1MTよりも高い電位で、かつ、低温時のゲート・プラトー期間のVgs2の最大電圧VGP2LTまでの範囲にVGPRgONの値を設定する。時刻t3MTおよびt3LTにて、Vgs2がSiC−MOSFET型パワー素子の閾値VTHを超過し、ソース電流Is2が通流し始める。ソース電流が、負荷電流Iloadと同じ値にまで増加した時刻t4のVgs2をゲート・プラトー開始電圧VGP1とすると、低温時のVGP1LTに対して中間温度のVGP1MTの値は、VGP1MT<VGP1LTの大小関係がある。Vgs2がVGP1からゲート・プラトー終了電圧VGP2まで増加する過程で、本発明では予め設定した判定閾値VGPRgONに到達し(時刻txLTおよびtxMT)、ゲート抵抗値を低減する制御を行う。図2中のRgON@LTの過渡応答波形に示すように、時刻txLTにてRgON1+RgON2の抵抗値から、RgON1のみへと抵抗値を低減する。なお、ゲート抵抗値の変更制御には、実施例1乃至実施例3に記載の回路動作に伴う遅延時間が生じるが、その遅延時間は本発明のスイッチング動作に対して小さいため、説明から割愛する。
<< Example of transient waveform when the present invention is applied >>
The transient response during the switching operation of the circuit of the present invention shown in Examples 1 to 3 is schematically shown in FIG. This is an example of turning on the power semiconductor module 1b of the lower arm of the first embodiment (FIG. 1). The gate-source sense terminal voltage Vgs2 rises at the time t2, similarly to the transient response operation (FIG. 11) of the conventional circuit shown in FIG. At this time, when the element temperature of the power semiconductor module is low temperature (LT), a waveform shown by a dotted line is obtained, and when it is an intermediate temperature (MT), a waveform shown by a solid line. According to the temperature dependence of the gate plateau voltage of the SiC-MOSFET type power semiconductor element mounted on the power semiconductor module illustrated in FIG. 13, the gate plateau potential is higher in the low temperature region than in the intermediate temperature region, The gate plateau period itself becomes longer. As described above, in the low temperature region, the difference voltage between the high potential VGSH of the gate driving circuit and Vgs2 during the gate plateau period decreases, and the value of the gate current Ig2 decreases. By adopting the circuit configuration shown in the first to third embodiments, the value of the gate voltage determination threshold value VGPRgON shown in FIG. 2 can be set. The setting range of determination threshold VGPRgON is, as described in the description of FIG. 13, up to the maximum voltage VGP2LT of Vgs2 in the gate plateau period at the low temperature with a potential higher than the gate plateau voltage VGP1MT at the intermediate temperature. The value of VGPRgON is set in the range. At time t3 MT and t3 LT , Vgs2 exceeds the threshold value VTH of the SiC-MOSFET type power element, and the source current Is2 starts to flow. Assuming that Vgs2 at time t4 when the source current has increased to the same value as the load current Iload is the gate plateau start voltage VGP1, the value of VGP1 MT at an intermediate temperature with respect to VGP1 LT at low temperature is VGP1 MT <VGP1 LT There is a large and small relationship. In the process of increasing Vgs2 from VGP1 to the gate / plateau end voltage VGP2, according to the present invention, the preset determination threshold VGPRgON is reached (time tx LT and tx MT ), and control is performed to reduce the gate resistance value. As shown in the transient response waveform of RgON @ LT in FIG. 2, the resistance value is reduced from the resistance value of RgON1 + RgON2 to only RgON1 at time txLT. In addition, although the delay time accompanying the circuit operation of Example 1 thru | or Example 3 arises in change control of gate resistance value, since the delay time is small with respect to the switching operation | movement of this invention, it omits from description. .
《本実施例の効果》
本実施例によれば、時刻txLTではRgONの値の変化により、ゲート電流Ig2が増加し、時刻t4LTから低下しているVds2の変化率dVds2@LT/dtが、より急峻な変化率dVds2’@LT/dtへと変化する。この作用によって、低温領域でありながら、ターンオンスイッチングに要する時間を短縮することができ、ターンオン時のスイッチング損失Eonの値を低減することができるという効果が得られる。以上は低温時の本発明の効果を述べたが、図2中に実線で示した中間温度の場合には、判定閾値電圧VGPRgONの設定によって、中間温度の場合にゲート抵抗が減少する変化タイミングは時刻txMTである。時刻txMTは、中間温度時のVds2の変化時間t5MTを経過した後であるために、ゲート抵抗が低減される時刻はスイッチング損失が発生する期間外である。従って、中間温度では、スイッチング損失を従来回路同等の特性に保つことができる。図2中のVds2において、時刻txLT時にVds2電圧降下の傾きが急峻へと変化することが実施例1における効果である。実施例2では、Vgs2に基づいてゲート抵抗制御を行う際に、Vgs2の過渡波形に高周波のノイズが重畳した場合に、実施例1の回路構成に対して、ゲート抵抗制御での誤動作発生回数を低減できることが効果である。
<< Effects of the present embodiment >>
According to this embodiment, the gate current Ig2 increases at time tx LT due to the change of the value of RgON, and the change rate dVds2 @ LT / dt of Vds2 decreasing from time t4 LT is more steep change rate dVds2 Change to '@ LT / dt. Due to this action, the time required for turn-on switching can be shortened in the low temperature region, and the effect of reducing the value of the switching loss Eon at the time of turn-on can be obtained. The above describes the effect of the present invention at a low temperature. However, in the case of the intermediate temperature indicated by the solid line in FIG. 2, the change timing at which the gate resistance decreases at the intermediate temperature by the setting of the determination threshold voltage VGPRgON is Time tx MT . Since the time tx MT is after the change time t5 MT of Vds2 at the intermediate temperature has passed, the time when the gate resistance is reduced is outside the period when the switching loss occurs. Therefore, at an intermediate temperature, the switching loss can be maintained at a characteristic equivalent to that of the conventional circuit. In Vds2 in FIG. 2, the effect of the first embodiment is that the slope of the Vds2 voltage drop changes to a steep state at time tx LT . In the second embodiment, when performing gate resistance control based on Vgs2, when high-frequency noise is superimposed on the transient waveform of Vgs2, the number of malfunction occurrences in gate resistance control is compared with the circuit configuration of the first embodiment. The effect is that it can be reduced.
ターンオン動作と同様に、図3に示すターンオフ動作においても、実施例1乃至実施例3に示す構成は、素子温度が低温の場合にスイッチング損失低減の効果が得られる。ターンオフの場合には、実施例3で示したゲート電圧閾値検知判定回路3の内部回路で設定する検知閾値電圧VGPRgOFFの値を、中間温度時のゲート・プラトー電圧VGP1MTより高い電圧とし、低温時のVGP2LTより低い電圧に設定することで、本発明の効果を得ることができる。上記の範囲に設定したVGPRgOFFによって、低温時のゲート・プラトー電圧は、そのドレイン・ソース電圧Vds2が増加途中の時点でVGPRgOFF以下になり、ゲート電圧閾値検知判定回路3が動作し、ターンオン時のゲート駆動抵抗を(RgOFF1+RgOFF2)からRgOFF1へと低減させる。ゲート駆動抵抗の減少により、ゲート駆動電流Ig2の絶対値を増加し、パワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの充電時間は短縮される。従って、低温時のターンオフ動作に必要な時間は短くなり、特に電圧Vds2の上昇時間の短縮によって、ターンオフ時のスイッチング損失Eoffの値を低減することができる。
Similar to the turn-on operation, even in the turn-off operation shown in FIG. 3, the configurations shown in the first to third embodiments can reduce the switching loss when the element temperature is low. In the case of turn-off, the value of the detection threshold voltage VGPRgOFF set in the internal circuit of the gate voltage threshold
ターンオン時の本発明の効果の説明と同様に、以上は低温時のターンオフ時スイッチングに対して本発明の効果を述べたものだが、図3中に実線で示した中間温度の場合には、判定閾値電圧VGPRgOFFの設定によって、中間温度の場合にもスイッチング期間中にゲート抵抗が減少する場合を示している。中間温度時のゲート抵抗の変化タイミングは時刻txMTである。時刻txMTは、中間温度時のVds2の変化終了時間t4MT以前であるために、ゲート抵抗が低減されてスイッチング損失を低減することができる。VGPRgONとVGPRgOFFの値を個別に設定可能とすることで、スイッチング損失の低減効果を得る素子温度を、ターンオン時とターンオフ時で別に設定することができる。図3中のVds2においても、時刻txLTにてVds2電圧降下の傾きが、dVds2@LT/dtから、より急峻な変化率dVds2’@LT/dt急峻へと変化することが実施例1の効果である。ターンオン時と同様に、実施例2では、Vgs2に基づいてゲート抵抗制御を行う際に、Vgs2の過渡波形に高周波のノイズが重畳した場合に、実施例1の回路構成に対して、ゲート抵抗制御での誤動作発生回数を低減できることが効果である。 Similar to the description of the effect of the present invention at turn-on, the above describes the effect of the present invention on the switching at turn-off at low temperature, but in the case of the intermediate temperature shown by the solid line in FIG. The setting of the threshold voltage VGPRgOFF shows the case where the gate resistance decreases during the switching period also in the case of the intermediate temperature. The change timing of the gate resistance at the intermediate temperature is time tx MT . Since the time tx MT is before the change end time t4 MT of Vds2 at the intermediate temperature, the gate resistance can be reduced and the switching loss can be reduced. By making it possible to individually set the values of VGPRgON and VGPRgOFF, it is possible to separately set the element temperature for obtaining the effect of reducing the switching loss at the time of turn-on and turn-off. In Vds2 in FIG. 3 as well, the slope of the Vds2 voltage drop changes from dVds2 @ LT / dt to a steeper change rate dVds2 '@ LT / dt steeply at time tx LT . It is. Similar to the turn-on, in the second embodiment, when performing gate resistance control based on Vgs2, when high-frequency noise is superimposed on the transient waveform of Vgs2, gate resistance control is performed with respect to the circuit configuration of the first embodiment. It is advantageous that the number of malfunctions can be reduced.
ここで、ターンオン時の過渡波形(図4)を用いて、同一の素子温度に対して、従来の動作と本発明を適用した場合の動作を比較する。図4に示すように、本発明を適用することにより、時刻txLT以降で、ゲート駆動電流Ig2の絶対値を増加し、パワー半導体モジュールに搭載のSiC−MOSFET型パワー半導体素子の帰還容量Cgdの充電時間は短縮される。ターンオン動作に必要な時間は短くなり、特に電圧Vds2の降下時間の短縮によって、ターンオン時のスイッチング損失Eonの値を低減することができる。 Here, using the transient waveform at the time of turn-on (FIG. 4), the operation in the case where the conventional operation and the present invention are applied to the same device temperature is compared. As shown in FIG. 4, by applying the present invention, the absolute value of the gate drive current Ig2 is increased after time txLT to charge the feedback capacitance Cgd of the SiC-MOSFET type power semiconductor device mounted on the power semiconductor module. Time is shortened. The time required for the turn-on operation is shortened. In particular, the value of the switching loss Eon at the turn-on can be reduced by shortening the drop time of the voltage Vds2.
《負荷電流値に応じてゲート・プラトー電圧を決定する一例》
図5に、本発明の第4の実施形態である実施例4に係る本発明の効果と負荷電流値Iloadとの関係を示す。実施例1乃至実施例3に記載の本発明の説明は、一定の負荷電流Iloadの前提をおいたものである。実際の電力変換装置では、その負荷インダクタンスと、それを駆動するパワー半導体モジュールの制御指令に依存して、負荷電流の値は変化する。負荷電流Iloadをパラメータに、素子温度とスイッチング損失の依存性を模式的に示す。
<Example of determining the gate plateau voltage according to the load current value>
FIG. 5 shows the relationship between the effect of the present invention and the load current value Iload according to the fourth embodiment which is the fourth embodiment of the present invention. The description of the present invention described in the first to third embodiments is premised on a constant load current Iload. In an actual power converter, the value of the load current changes depending on the load inductance and the control command of the power semiconductor module that drives the load inductance. The dependency of the element temperature and the switching loss is schematically shown using the load current Iload as a parameter.
上述したように、非特許文献2ではパワー半導体素子の特性の1つであるゲート・プラトー電圧VGPと負荷電流Iloadとの関係が定式化されており、VGPがIloadとの間にVGP≒VTH+Iload/gmなる関係を有することが明らかになっている。つまり、SiC−MOSFET型パワー素子の閾値電圧VTHと相互コンダクタンスgmが一定であれば、ゲート・プラトー電圧VGPの値は負荷電流Iloadに比例して増減する。ここで、スイッチング損失自体も負荷電流Iloadの大小に依存し、Iloadが大きいほどそのスイッチング損失Eswは増加する。
As described above, in
本発明の実施例4は、Vgsの判定閾値電圧VGPRgの値を、負荷電流Iloadと素子温度との両者に基づいて決めることである。図5では、素子温度が中間温度(TMT)の場合に、負荷電流Iload1の条件でVGPRgの値を決めることを示している。 The fourth embodiment of the present invention is to determine the value of the determination threshold voltage VGPRg of Vgs based on both the load current Iload and the element temperature. FIG. 5 shows that when the element temperature is an intermediate temperature (TMT), the value of VGPRg is determined under the condition of the load current Iload1.
《本実施例の効果》
本実施例によれば、上記の設定により、負荷電流がIload1であれば、素子温度がTMTより低温の領域で、実施例1乃至実施例3で述べた本発明の効果が得られる他に、Iload1より小さな負荷電流Iload2の場合においても、TMT2より低温領域であれば、本発明の効果が得られる。その効果によってEswが低減された結果を図5中に点線で示す。負荷電流がIload1で示す大電流の場合には、中間温度TMT1から低温の領域でEswLT1からEswLT1’へスイッチング損失を低減する。Iload1より小さいIload2の場合でも低温TMT2(ここでTMT2<TMT1)より低温でスイッチング損失は低減でき、EswLT2’へと減少する。
<< Effects of the present embodiment >>
According to the present embodiment, if the load current is Iload1 by the above setting, the effect of the present invention described in the first to third embodiments can be obtained in the region where the element temperature is lower than TMT. Even in the case of a load current Iload2 smaller than Iload1, the effect of the present invention can be obtained in the region lower than TMT2. The result of Esw being reduced by the effect is shown by a dotted line in FIG. When the load current is a large current indicated by Iload1, the switching loss is reduced from EswLT1 to EswLT1 ′ in the range from the intermediate temperature TMT1 to a low temperature. Even in the case of Iload2 smaller than Iload1, the switching loss can be reduced at a temperature lower than low temperature TMT2 (where TMT2 <TMT1), and decreases to EswLT2 '.
以上のように、負荷電流によるVGP電圧の変動に基づいてスイッチング損失の低減効果を設定することにより、電力変換装置の電力損失低減することが可能である。 As described above, the power loss of the power conversion device can be reduced by setting the switching loss reduction effect based on the fluctuation of the VGP voltage due to the load current.
また、実施例1乃至実施例4では、ターンオン動作時と同様にターンオフ動作においても本発明は効果を有し、ターンオン動作の場合のみや、ターンオフ動作の場合のみに適用した場合でもそのスイッチング損失低減の効果は得られる。 Further, in the first to fourth embodiments, the present invention is effective in the turn-off operation as well as in the turn-on operation, and the switching loss is reduced even in the turn-on operation or the turn-off operation only. The effect is obtained.
また、上記の検知閾値電圧VGPRgの設定値は、特に低温時のスイッチング損失の低減に効果のある設定例を述べたのであって、低温から中間温度など広い範囲でスイッチング損失を低減したい場合にはVGPRgの値を適宜調整して設定することでスイッチング損失の低減が得られる。 In addition, the setting value of the detection threshold voltage VGPRg described above is a setting example that is particularly effective for reducing switching loss at low temperatures, and when it is desired to reduce switching losses in a wide range such as low temperature to intermediate temperature. Switching loss can be reduced by appropriately adjusting and setting the value of VGPRg.
1a、1b:パワー半導体モジュール
1c、1d:ゲートセンス端子を備えたパワー半導体モジュール
2a、2b:ゲート駆動回路
2c、2d:ゲートセンス端子を備えたパワー半導体モジュールに接続可能なゲート駆動回路
3:ゲート電圧閾値検知判定回路
31〜34:ゲート駆動抵抗
41、42:ゲート配線
51:電源
52:負荷インダクタンス
101、102:ゲート閾値発生回路
103:アンプ
104:シュミットトリガ型コンパレータ
105:比較電位発生回路
106:アンプ制御電源
1a, 1b: power semiconductor modules 1c, 1d: power semiconductor modules with gate sense terminals 2a, 2b: gate drive circuits 2c, 2d: gate drive circuits connectable to power semiconductor modules with gate sense terminals 3: gate Voltage threshold detection circuit 31-34: Gate drive resistance 41, 42: Gate wiring 51: Power supply 52: Load inductance 101, 102: Gate threshold generation circuit 103: Amplifier 104: Schmitt trigger type comparator 105: Comparison potential generation circuit 106: Amplifier control power supply
Claims (12)
前記複数のパワー半導体モジュールは、上アームのパワー半導体と下アームのパワー半導体とを共通のモジュールにて一体的に、または別々のモジュールにて個別に有し、
前記上アームのパワー半導体と前記下アームのパワー半導体とはハーフブリッジ回路を構成し、前記上アームのパワー半導体のドレイン端子は高電位端子であり、前記上アームのパワー半導体のソース端子と前記下アームのパワー半導体のドレイン端子とは中間電位端子に共通に接続され、前記下アームのパワー半導体のソース端子は低電位端子であり、
前記上アームのパワー半導体および前記下アームのパワー半導体のゲート端子およびソースセンス端子は、それぞれ、ゲート配線とソースセンス配線とを介して、上アーム用の前記ゲート駆動回路および下アーム用の前記ゲート駆動回路と互いに接続され、
前記複数のゲート駆動回路の各々は、
ゲート駆動電圧を出力するゲート駆動端子と、
前記ゲート駆動端子の電位の基準電位を出力するソースセンス駆動端子と、
前記ゲート駆動電圧を構成する高電位側電位が印加される第1の電源端子と、
前記ゲート駆動電圧を構成する低電位側電位が印加される第2の電源端子と、
前記ゲート駆動電圧を制御する駆動制御信号端子と、
ゲート電圧閾値検知判定回路と、
第1のゲート抵抗切替回路と第2のゲート抵抗切替回路とを含む2つ以上のゲート抵抗切替回路と、
前記第1のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオン時用ゲート抵抗と、
前記第2のゲート抵抗切替回路に接続され、かつ、抵抗可変機能を具備したターンオフ時用ゲート抵抗と
を具備し、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、
前記パワー半導体のゲート電圧を入力するための第1の入力端子と、前記パワー半導体のソース電圧を入力するための第2の入力端子とを有し、
前記ソースセンス駆動端子に前記第2の入力端子が接続され、
前記ゲート駆動回路の前記第1の電源端子および前記ゲート駆動回路の前記第2の電源端子にそれぞれ前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の電源端子および前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の電源端子が接続され、
前記ゲート駆動回路の前記駆動制御信号端子に制御参照信号端子が接続され、
前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第1の出力端子が接続され、
前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子に第2の出力端子が接続され、
前記第1の入力端子と前記第2の入力端子との間の電位差である入力端子間電圧と、前記制御参照信号端子の電位とに基づき、前記第1のゲート抵抗切替回路の制御信号端子および前記第2のゲート抵抗切替回路の制御信号端子の少なくともいずれか一方に、ゲート抵抗の値の切り替え指示を与える
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device comprising a plurality of power semiconductor modules and a plurality of gate drive circuits,
The plurality of power semiconductor modules have an upper arm power semiconductor and a lower arm power semiconductor integrally in a common module or individually in separate modules,
The power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm constitute a half bridge circuit, the drain terminal of the power semiconductor of the upper arm is a high potential terminal, the source terminal of the power semiconductor of the upper arm and the lower semiconductor The drain terminal of the power semiconductor of the arm is commonly connected to the intermediate potential terminal, and the source terminal of the power semiconductor of the lower arm is a low potential terminal,
A gate terminal and a source sense terminal of the power semiconductor of the upper arm and the power semiconductor of the lower arm are respectively connected to the gate drive circuit for the upper arm and the gate for the lower arm via a gate wiring and a source sense wiring. Connected to the drive circuit,
Each of the plurality of gate drive circuits is
A gate drive terminal for outputting a gate drive voltage;
A source sense drive terminal for outputting a reference potential of the potential of the gate drive terminal;
A first power supply terminal to which a high potential side potential constituting the gate drive voltage is applied;
A second power supply terminal to which a low potential side potential forming the gate drive voltage is applied;
A drive control signal terminal for controlling the gate drive voltage;
A gate voltage threshold value detection determination circuit;
Two or more gate resistance switching circuits including a first gate resistance switching circuit and a second gate resistance switching circuit;
A turn-on gate resistor connected to the first gate resistor switching circuit and having a variable resistance function;
A turn-off gate resistor connected to the second gate resistor switching circuit and having a variable resistance function;
The gate voltage threshold detection determination circuit
A first input terminal for inputting a gate voltage of the power semiconductor, and a second input terminal for inputting a source voltage of the power semiconductor;
The second input terminal is connected to the source sense drive terminal;
The first power supply terminal of the gate voltage threshold detection detection circuit and the second power supply terminal of the gate drive circuit are connected to the first power supply terminal of the gate drive circuit and the second power supply terminal of the gate drive circuit, respectively. The power terminal is connected,
A control reference signal terminal is connected to the drive control signal terminal of the gate drive circuit,
A first output terminal is connected to a control signal terminal of the first gate resistance switching circuit;
A second output terminal is connected to the control signal terminal of the second gate resistance switching circuit;
A control signal terminal of the first gate resistance switching circuit based on a voltage between input terminals, which is a potential difference between the first input terminal and the second input terminal, and a potential of the control reference signal terminal; A power conversion device characterized by giving a switching instruction of a value of gate resistance to at least one of control signal terminals of the second gate resistance switching circuit.
前記ゲート駆動端子に前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第1の入力端子が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter according to claim 1,
The power conversion device according to claim 1, wherein the first input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit is connected to the gate drive terminal.
前記パワー半導体の少なくとも1つはSiC−MOSFET型パワー半導体素子であり、
一つ或いは複数の並列接続された前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のドレインが前記パワー半導体モジュールのドレイン端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のソースが前記パワー半導体モジュールのソース端子およびソースセンス端子とされる
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2,
At least one of the power semiconductors is a SiC-MOSFET type power semiconductor element,
The drain of one or more of the SiC-MOSFET type power semiconductor devices connected in parallel is used as the drain terminal of the power semiconductor module,
A power converter characterized in that a source of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is a source terminal and a source sense terminal of the power semiconductor module.
前記複数のゲート駆動回路の各々は、前記パワー半導体モジュールのゲート電圧を検知するゲート電圧センス端子を更に具備し、
前記ゲート電圧センス端子に前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第1の入力端子が接続される
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter according to claim 1,
Each of the plurality of gate drive circuits further comprises a gate voltage sense terminal for detecting a gate voltage of the power semiconductor module,
The power conversion device according to claim 1, wherein the first input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit is connected to the gate voltage sense terminal.
前記パワー半導体の少なくとも1つはSiC−MOSFET型パワー半導体素子であり、
一つ或いは複数の並列接続された前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のドレインが前記パワー半導体モジュールのドレイン端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のソースが前記パワー半導体モジュールのソース端子およびソースセンス端子とされ、
前記SiC−MOSFET型パワー半導体素子のゲートが前記パワー半導体モジュールのゲート駆動端子とされ、
前記ゲートが第1の抵抗の第1の端子に接続され、前記第1の抵抗の第2の端子が第1の容量の第1の端子に接続され、前記第1の容量の第2の端子が前記ソースセンス端子またはソース端子に接続され、前記第1の抵抗の第2の端子が前記パワー半導体モジュールのゲートセンス端子とされる
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 4,
At least one of the power semiconductors is a SiC-MOSFET type power semiconductor element,
The drain of one or more of the SiC-MOSFET type power semiconductor devices connected in parallel is used as the drain terminal of the power semiconductor module,
The source of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is a source terminal and a source sense terminal of the power semiconductor module,
The gate of the SiC-MOSFET type power semiconductor element is a gate drive terminal of the power semiconductor module,
The gate is connected to a first terminal of a first resistor, a second terminal of the first resistor is connected to a first terminal of a first capacitor, and a second terminal of the first capacitor Is connected to the source sense terminal or the source terminal, and the second terminal of the first resistor is a gate sense terminal of the power semiconductor module.
前記ゲート電圧閾値検知判定回路は、
第1のゲート電圧閾値生成回路と、第1のゲート電圧検知回路と、第1のゲート電圧判定回路と、第1のゲート電圧検知回路制御電源とを有する第1の閾値検知判定回路と、
第2のゲート電圧閾値生成回路と、第2のゲート電圧検知回路と、第2のゲート電圧判定回路と、第2のゲート電圧検知回路制御電源とを有する第2の閾値検知判定回路と
を含んで構成され、
前記第1のゲート電圧検知回路は、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の入力端子の電位を基準に、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の入力端子と、予め設定された第1の素子温度判定閾値を出力する前記第1のゲート電圧閾値生成回路の出力端子との間の電位差を増幅した電位差を出力端子に出力し、
前記第1のゲート電圧判定回路は、前記第1のゲート電圧検知回路の出力電圧を比較電圧と比較して、前記第1のゲート抵抗切替回路の切替信号を出力し、
前記第1のゲート電圧検知回路制御電源は、前記第1のゲート電圧判定回路に供給する電源電位を制御し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記制御参照信号端子に入力されるスイッチング制御信号を参照し、ターンオン指示を行う場合に前記第1のゲート電圧判定回路の出力電位を出力する制御を行い、
前記第2のゲート電圧検知回路は、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第2の入力端子の電位を基準に、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の第1の入力端子と、予め設定された第2の素子温度判定閾値を出力する前記第2のゲート電圧閾値生成回路の出力端子との間の電位差を増幅した電位差を出力端子に出力し、
前記第2のゲート電圧判定回路は、前記第2のゲート電圧検知回路の出力電圧を比較電圧と比較して、前記第2のゲート抵抗切替回路の切替信号を出力し、
前記第2のゲート電圧検知回路制御電源は、前記第2のゲート電圧判定回路に供給する電源電位を制御し、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記制御参照信号端子に入力されるスイッチング制御信号を参照し、ターンオフ指示を行う場合に前記第2のゲート電圧判定回路の出力電位を出力する制御を行う
ことを特徴とする電力変換装置。 In the power converter according to claim 1,
The gate voltage threshold detection determination circuit
A first threshold voltage detection circuit including a first gate voltage threshold voltage generation circuit, a first gate voltage detection circuit, a first gate voltage judgment circuit, and a first gate voltage detection circuit control power supply;
A second gate voltage threshold generation circuit; a second gate voltage detection circuit; a second gate voltage determination circuit; and a second threshold voltage detection determination circuit having a second gate voltage detection circuit control power supply. Consists of
The first gate voltage detection circuit includes a first input terminal of the gate voltage threshold value detection determination circuit and a preset first value based on the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold value detection determination circuit. A potential difference obtained by amplifying the potential difference with the output terminal of the first gate voltage threshold value generation circuit that outputs the element temperature determination threshold value is output to the output terminal;
The first gate voltage determination circuit compares the output voltage of the first gate voltage detection circuit with a comparison voltage, and outputs a switching signal of the first gate resistance switching circuit.
The first gate voltage detection circuit control power supply controls a power supply potential supplied to the first gate voltage determination circuit, and a switching control signal input to the control reference signal terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit is used. Reference is made to control to output the output potential of the first gate voltage determination circuit when a turn-on instruction is given,
The second gate voltage detection circuit has a first input terminal of the gate voltage threshold value detection determination circuit and a preset second value based on the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold value detection determination circuit. A potential difference obtained by amplifying a potential difference with the output terminal of the second gate voltage threshold generation circuit that outputs the element temperature determination threshold is output to the output terminal;
The second gate voltage determination circuit compares the output voltage of the second gate voltage detection circuit with a comparison voltage, and outputs a switching signal of the second gate resistance switching circuit.
The second gate voltage detection circuit control power supply controls a power supply potential supplied to the second gate voltage determination circuit, and a switching control signal input to the control reference signal terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit is used. A power conversion apparatus characterized by performing control to output an output potential of the second gate voltage determination circuit when a turn-off instruction is performed with reference.
前記パワー半導体モジュールは誘導性負荷に対してスイッチング動作を行うよう構成され、
所定の負荷電流をIとし、前記パワー半導体モジュールの素子温度(T)依存性を含む閾値をVTH(T)とし、前記パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧がオン電圧時の前記パワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(VON)とし、ゲート・プラトー電圧VGP2を
VGP2=VTH(T)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP2以下に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 6, wherein
The power semiconductor module is configured to perform a switching operation on an inductive load;
The power semiconductor when the predetermined load current is I, the threshold value including the element temperature (T) dependence of the power semiconductor module is VTH (T), and the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is the on-voltage The transconductance of the module is gm (VON), and the gate plateau voltage VGP2 is VGP2 = VTH (T) + I / gm (VON)
If
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output from the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit Is set to the VGP2 or lower.
前記パワー半導体モジュールのドレイン端子・ソース端子間電圧が前記電力変換装置の電源電圧(Vcc)に等しい場合のオン電圧時の前記パワー半導体モジュールの相互コンダクタンスをgm(Vcc)とし、ゲート・プラトー電圧VGP1を
VGP1=VTH(T)+I/gm(Vcc)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP1以上に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 7,
When the voltage between the drain terminal and the source terminal of the power semiconductor module is equal to the power supply voltage (Vcc) of the power converter, the mutual conductance of the power semiconductor module at the on voltage is gm (Vcc), and the gate plateau voltage VGP1. VGP1 = VTH (T) + I / gm (Vcc)
If
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output from the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit Is set to VGP1 or higher.
前記ゲート・プラトー電圧VGP2を定義する素子温度Tが低温時の温度TLである場合のゲート・プラトー電圧VGP2LTを
VGP2LT=VTH(TL)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP2LT以下に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 8, wherein
The gate plateau voltage VGP2 LT when the element temperature T defining the gate plateau voltage VGP2 is the temperature T L at a low temperature is VGP2 LT = VTH ( TL ) + I / gm (VON)
If
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output from the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit Is set to be equal to or less than the VGP2 LT .
前記ゲート・プラトー電圧VGP1を定義する素子温度Tが中間温度時の温度TMである場合のゲート・プラトー電圧VGP1MTを
VGP1MT=VTH(TM)+I/gm(VON)
とした場合に、
前記ゲート電圧閾値検知判定回路を構成する前記第1のゲート電圧閾値生成回路が出力する素子温度判定閾値電圧と、前記ゲート電圧閾値検知判定回路の前記第2の入力端子の電位との間の電位差が前記VGP1MT以上に設定される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 9, wherein
The gate plateau voltage gate plateau voltage when the element temperature T that define VGP1 is at a temperature T M at intermediate temperature VGP1 MT to VGP1 MT = VTH (T M) + I / gm (VON)
If
Potential difference between the element temperature determination threshold voltage output from the first gate voltage threshold generation circuit constituting the gate voltage threshold detection determination circuit and the potential of the second input terminal of the gate voltage threshold detection determination circuit Is set to the VGP1 MT or more.
前記ゲート・プラトー電圧VGP2LTを定義する低温時の温度TLが−25℃とされ、
前記ゲート・プラトー電圧VGP1MTを定義する中間温度時の温度TMが+25℃とされる
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 10,
The low temperature T L that defines the gate plateau voltage VGP2 LT is −25 ° C.
The temperature T M at the intermediate temperature defining the gate plateau voltage VGP1 MT is set to + 25 ° C.
Power converter characterized in that.
前記ゲート・プラトー電圧VGP1および前記ゲート・プラトー電圧VGP2は、所定の負荷電流Iに応じて決定される
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 11,
A power converter characterized in that the gate plateau voltage VGP1 and the gate plateau voltage VGP2 are determined according to a predetermined load current I.
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