JP5461899B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
すなわち、スイッチング動作時に、一方のアーム(例えばU相)のカスコード素子110uが導通(オン)すると、他方のアーム(X相)の金属酸化膜半導体型電界効果トランジスタ112xのダイオード113xが非導通(オフ)になる。
更に、本発明によれば、スイッチング損失並びに発熱損失を減少することができ、小型にすることができる電力変換装置を提供することができる。
図1は本発明の実施形態1に係る電力変換装置の主回路構成図である。
(構成)
図1において、直流電源1は、例えば3相交流電源を整流してなるものであり、直流電源1の正側直流母線1pと負側直流母線1nとの間に平滑コンデンサ2およびインバータ主回路3が接続されている。
図1において、例えばU相のカスコード素子21uのゲート駆動回路8uは、ノーマリーオフ型スイッチング素子5uのゲート−ソース間に当該素子5uをオンにするのに十分な大きさの正電圧を常時印加することで、ノーマリーオフ型スイッチング素子5uを常時オン状態とする。
なお、21u以外のカスコード素子21v、21w、21x、21y、21zのターンオン、ターンオフ動作は21uと同様であるため、それらの説明を省略する。
この場合においても、誘導成分により出力端子UからU相アームを通って正側直流母線1pへ還流電流が流れ続ける。還流電流は、高速ダイオード6uを通る第2の電流経路と、ノーマリーオフ型スイッチング素子5uおよびノーマリーオン型スイッチング素子4uの内蔵ダイオード(図示せず)を通る第3の電流経路を通って電流が流れる。ここで、電流が流れることによる高速ダイオード6uの電圧降下が、ノーマリーオン型スイッチング素子4uの内蔵ダイオード(図示せず)の電圧降下よりも低い高速ダイオード6を選定しているため、還流電流は全て第2の電流経路、つまり高速ダイオード6uを流れる。
ゲート電源喪失により、カスコード素子21へのゲート供給がなくなる。つまり、ノーマリーオフ型スイッチング素子5のゲート−ソース間電圧は0[V]となり、ノーマリーオフ型スイッチング素子5はオフ状態となる。すると、直流電源1によりノーマリーオフ型スイッチング素子5のドレイン−ソース間の方向に正の電圧が発生する。このとき、カスコード接続用ダイオード7を介してノーマリーオン型スイッチング素子4のゲートとノーマリーオフ型スイッチング素子5のソースが接続(カスコード接続)されているため、ノーマリーオン型スイッチング素子4のゲート−ソース間に負の電圧が印加され、ノーマリーオン型スイッチング素子4はオフ状態となる。つまり、ゲート電源喪失状態において、カスコード素子21はオフ状態となる。これにより、インバータ主回路3の直流短絡故障を防止できる。
以上述べたように、本実施形態1に係る電力変換装置によれば、逆回復電流に起因するスイッチング損失を減少することができるので、スイッチング損失に伴う発熱損失を減少することができ、カスコード素子の小型化ひいてはインバータ主回路の小型化を図ることができる。また、電源投入時や異常時において、短絡故障を防止することができる。
図2は本発明の実施形態2に係る電力変換装置の主回路構成図である。
(構成)
図2において、本実施形態2が図1で示した実施形態1と大きく相違する点は、負極アームの構成であり、その他の点は実施形態1と同様である。
しかし、本実施形態2の場合、負極アームの構成が以下のように異なっている。
ノーマリーオン型スイッチング素子4x、4y、4zのゲートは、ゲート駆動回路8x、8y、8zにそれぞれ接続され、また、ノーマリーオフ型スイッチング素子5yのゲートは、ゲート駆動回路8yに接続される。
インバータ主回路3の出力端子U、VおよびWは、負荷9、例えば交流電動機に接続されている。
また、上記の説明において、ノーマリーオフ型スイッチング素子5yはy相に設置されるものとして説明したが、y相に替わり、x相またはz相に設置されても良く、また、多レベルインバータにおいてはどの相に設置されても良い。
図2に示すカスコード素子それぞれのターンオン、ターンオフ動作は図1の実施形態1と同様であるため、それらの説明を省略する。
カスコード素子21u、21xがそれぞれオフ状態、オン状態で、還流電流が負極直流母線1nから出力端子Uへ流れている場合について説明する。
誘導成分により、この場合においても、負極直流母線1nから出力端子Uへ還流電流が流れ続ける。還流電流は、高速ダイオード6uを通る第2の電流経路と、ノーマリーオフ型スイッチング素子5yおよびノーマリーオン型スイッチング素子4xの内蔵ダイオード(図示せず)を通る第3の電流経路を通って電流が流れる。ここで、電流が流れることによる高速ダイオード6xの電圧降下が、ノーマリーオン型スイッチング素子4xの内蔵ダイオードの電圧降下よりも低い高速ダイオード6を選定しているため、還流電流は全て第2の電流経路、つまり高速ダイオード6xを流れる。
なお、x相以外のY相およびZ相に対する動作は基本的にx相と同様であり、それらの説明を省略する。
この場合も実施形態1と同様の作用であり、X相、Y相、Z相を構成する負極アームについても、ノーマリーオフ型スイッチング素子5yを共通に、ノーマリーオン型スイッチング素子4x、4y、4zのゲート−ソース間に負の電圧が印加されることで、ノーマリーオン型スイッチング素子4x、4y、4zはオフ状態となる。
つまり、ゲート電源喪失状態において、カスコード素子21はオフ状態となる。これにより、インバータ主回路の直流短絡故障を防止できる。
以上述べたように、本実施形態2に係る電力変換装置によれば、実施形態1の奏する作用効果に加えて、負極アームを構成するノーマリーオフ型スイッチング素子を共通化することで、実施形態1の場合よりもカスコード素子ひいてはインバータ主回路の低コスト化を図ることができる。
図3は前述の実施形態1および2のゲート駆動回路を具体化した実施形態3の回路構成図である。
(構成)
図3において、図1および図2の各部と同一部分には同一符号を付けて重複する説明は省略する。
低圧直流電源10の出力は、各アーム間との絶縁をとることを目的として、共通電源用絶縁型DC/DCコンバータ(図中、共通電源用DC/DCコンバータと表記)28の入力に接続されている。
またこの直列回路と並列に、ゲート駆動用p型MOSFET24、ゲート抵抗26、ゲート抵抗27、ゲート駆動用n型MOSFET25の順に正極より直列接続されている。
図3において、インバータ制御回路(図示せず)から信号伝達素子15に与えられる信号に基づいて電力変換装置が運転している時は、ノーマリーオフ型スイッチング素子5のゲートにオンとなる電圧(例えば15[V])を定常的に印加し、ノーマリーオフ型スイッチング素子5を常時オンさせる。
ゲート駆動用p型MOSFET24がオンすることにより、ノーマリーオン型スイッチング素子4のソースとゲートは同電位、つまり0[V]となり、ノーマリーオン型スイッチング素子4はオンする。このとき、ゲート駆動用p型MOSFET24がオンしているので、このゲート駆動用p型MOSFET24とコンプリメンタリ関係にあるもう一方のゲート駆動用n型MOSFET25は、オフの状態である。
これらの作用により、ノーマリーオン型スイッチング素子4のソースとゲートは同電位つまり0[V]となり、ノーマリーオン型スイッチング素子4はオンする。
コンデンサ18により、ゲート駆動用p型MOSFET24に入力されるゲート電圧は負バイアスとなることから、ゲート駆動用p型MOSFET24は高速にオフする。
信号伝達素子15に入力する図示しないインバータ制御回路の信号(オン/オフ)により、ノーマリーオン型スイッチング素子4を駆動(オン/オフ)することができる。
ゲート電源喪失により、共通電源用絶縁型DC/DCコンバータ28への電源供給がなくなる。つまり、ノーマリーオフ型スイッチング素子5のゲート−ソース間電圧は0[V]となり、ノーマリーオフ型スイッチング素子5はオフ状態となる。すると、直流電源1によりノーマリーオフ型スイッチング素子5のドレイン−ソース間の方向に正の電圧が発生する。このとき、カスコード接続用ダイオード7を介してノーマリーオン型スイッチング素子4のゲートとノーマリーオフ型スイッチング素子5のソースが接続(カスコード接続)されているため、ノーマリーオン型スイッチング素子4のゲート−ソース間に負の電圧が印加され、ノーマリーオン型スイッチング素子4はオフ状態となる。つまり、ゲート電源喪失状態において、カスコード素子21はオフ状態となる。ゲート駆動回路8の作用により、インバータ主回路3の直流短絡故障を防止できる。
また、実施形態2の場合、インバータ主回路3のX相、Y相、Z相の負極アームのノーマリーオフ型スイッチング素子は、唯一5yだけのためソースは1つであり、図3の共通電源用絶縁型DC/DCコンバータ28を負極アームで共通化し、1つにまとめることができる。共通電源用絶縁型DC/DCコンバータ28に関しては、6相分の6個から4個に部品点数を削減可能である。
以上述べたように、本実施形態3に係る電力変換装置によれば、実施形態1の奏する作用効果に加えて、負極アームの共通電源用絶縁型DC/DCコンバータを共通化することにより、低コスト化することができる。
(構成)
本実施形態4の回路構成図については図示しないが、上述した実施形態1から実施形態3において、ノーマリーオフ型スイッチング素子5の耐圧をノーマリーオン型スイッチング素子4の耐圧より低く選定することを特徴とするものである。なお、ノーマリーオフ型スイッチング素子5の耐圧は、ノーマリーオン型スイッチング素子4をオフするためにゲートに入力される電圧に対する耐圧で良い。
本実施形態4は実施形態1から実施形態3と同等の作用を奏する。
一般的に半導体素子の耐圧を低くすると、オン抵抗を小さくすることができる。ノーマリーオフ型スイッチング素子5の耐圧をノーマリーオン型スイッチング素子4の耐圧より低く選定することで、ノーマリーオフ型スイッチング素子5のオン抵抗を低減することができ、導通損失を低減することができる。また、半導体素子を同じ電流定格で比較した場合、耐圧が低い方が低コスト化できる。
以上述べたように、本実施形態4に係る電力変換装置によれば、実施形態1の奏する作用効果に加えて、ノーマリーオン型スイッチング素子の耐圧を低くすることによって、半導体素子ひいてはインバータ主回路の低コスト化を図ることができる。
(構成)
本実施形態5の回路構成図についても図示しないが、上述した実施形態1から実施形態4において、カスコード接続用ダイオード7の耐圧を、ノーマリーオフ型スイッチング素子5の耐圧と同等に選定することを特徴とするものである。
本実施形態5は実施形態1乃至3と同等の作用を奏する。
一般的に半導体素子の耐圧を低くすると、オン抵抗を小さくすることができる。カスコード接続用ダイオード7の耐圧をノーマリーオフ型スイッチング素子5の耐圧と同等に選定することによって、半導体素子を低コスト化することができる。
以上述べたように、本実施形態5に係る電力変換装置によれば、実施形態1ないし3の奏する作用効果に加えて、カスコード接続用ダイオードの耐圧をノーマリーオン型スイッチング素子のそれと同じくすることで、半導体素子ひいてはインバータ主回路の低コスト化を図ることができる。
(構成)
本実施形態6の回路構成図についても図示しないが、上述した実施形態1乃至5の電力変換装置において、高速ダイオード6が、ユニポーラダイオードから成ることを特徴とするものである。
このように構成された本実施形態において、ユニポーラダイオードは少数キャリアの蓄積がなく逆回復電荷が形成されないので、逆回復電流は流れず、逆回復損失が本質的にゼロとなる。ユニポーラダイオードは接合容量に蓄積する電荷があるが、その接合容量の充電電流は僅かである。従って、高速ダイオード6の損失を低減できる。
また、逆回復電流が反対アームのターンオン過渡状態のカスコード素子21に流れ込むことがなくなり、カスコード素子21のスイッチング損失を低減することができる。
以上述べたように、本実施形態6に係る電力変換装置によれば、実施形態1と同等の作用効果を奏することができる。
(構成)
本実施形態7の回路構成図についても図示しないが、ユニポーラダイオードである高速ダイオード6を、ショットキーバリアダイオード(Shootkey Barrier Diode;SBD)又は、接合障壁ショットキーダイオード、又はPiN/ショットキー混合ダイオードから構成したことを特徴とするものである。
ユニポーラダイオードは少数キャリアの蓄積がなく逆回復電荷が形成されず、逆回復電流は流れない。ユニポーラダイオードは接合容量成分のみの電荷であり、逆回復損失が極めて小さい。よって、高速ダイオード6の損失を低減できる。
また、逆回復電流が反対アームのターンオン過渡状態のカスコード素子21に流れ込むことがなくなり、カスコード素子21のスイッチング損失を低減することができる。
(効果)
以上述べたように、本実施形態7に係る電力変換装置によれば、実施形態1と同等の作用効果を奏することができる。
(構成)
本実施形態8の回路構成図についても図示しないが、前述した実施形態1から実施形態7のいずれかの電力変換装置において、ノーマリーオン型スイッチング素子4をSiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体によって構成したことを特徴とするものである。
本実施形態8によれば、ワイドギャップ半導体から成るノーマリーオン型スイッチング素子4は、シリコン半導体に比べて絶縁破壊電界強度を1桁程度大きくすることができ、耐圧を保持するためのドリフト層を1/10程度まで薄くできるため、ノーマリーオン型スイッチング素子4の導通損失を低減することができる。
以上述べたように、本実施形態8によれば、ワイドギャップ半導体から成るノーマリーオン型スイッチング素子4を用いることで、ノーマリーオン型スイッチング素子4の導通損失、およびスイッチング損失を低減させることができ、低損失で小型なインバータ主回路を提供することができる。
(構成)
本実施形態9の回路構成図についても図示しないが、前述した実施形態1から実施形態8のいずれかの電力変換装置において、高速ダイオード6をSiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、ダイヤモンド等のワイドギャップ半導体によって構成したことを特徴とするものである。
本実施形態9によれば、ワイドギャップ半導体から成る高速ダイオード6は、シリコン半導体に比べて絶縁破壊電界強度を1桁程度大きくすることができ、高速ダイオード6の高耐圧化を実現できる。例えば、シリコン半導体では高速ダイオード6にバイポーラダイオードでしか使用できないような耐圧の高い高速ダイオードでも、ワイドギャップ半導体ではユニポーラダイオードが実用可能となる。耐圧の高い高速ダイオードでも、実施形態6と同様な作用により、逆回復損失を低減させ、高速ダイオード6の損失を低減できる。
また、実施形態6と同様な作用により、カスコード素子21の損失を低減することができる。
以上述べたように、本実施形態9によれば、ワイドギャップ半導体から成る高速ダイオード6を用いることで、カスコード素子21の損失を低減することができ、小型な電力変換装置を提供できる。
Claims (10)
- 直流電源と、前記直流電源の直流を交流に変換するためにブリッジ接続される正極アームおよび負極アームを構成する複数個の主回路スイッチング素子と、前記複数個の主回路スイッチング素子のそれぞれに逆並列接続した高速ダイオードと、前記複数個の主回路スイッチング素子のそれぞれを所望のタイミングでスイッチングするゲート駆動回路を具備し、
前記正極アームおよび負極アームを構成する主回路スイッチング素子は、ノーマリーオン型スイッチング素子と、前記ノーマリーオン型スイッチング素子の負極に正極が接続されたノーマリーオフ型スイッチング素子と、前記ノーマリーオン型スイッチング素子のゲートと前記ノーマリーオフ型スイッチング素子の負極の間に順方向に直列接続されたカスコード接続用ダイオードによって構成され、
前記ゲート駆動回路は、前記主回路スイッチング素子を構成する前記ノーマリーオン型スイッチング素子のゲートおよび前記ノーマリーオフ型スイッチング素子のゲートとそれぞれ接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 直流電源と、前記直流電源の直流を交流に変換するためにブリッジ接続される正極アームおよび負極アームを構成する複数個の主回路スイッチング素子と、前記主回路スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続した複数個の高速ダイオードと、前記主回路スイッチング素子のそれぞれを所望のタイミングでスイッチングする複数個のゲート駆動回路を具備し、
前記正極アームを構成する主回路スイッチング素子は、ノーマリーオン型スイッチング素子と、前記ノーマリーオン型スイッチング素子の負極に正極が接続されたノーマリーオフ型スイッチング素子と、前記ノーマリーオン型スイッチング素子のゲートと前記ノーマリーオフ型スイッチング素子の負極の間に順方向に直列接続されたカスコード接続用ダイオードによって構成され、
前記負極アームを構成する主回路スイッチング素子は、各相毎に設けられたノーマリーオン型スイッチング素子と、前記各ノーマリーオン型スイッチング素子の負極それぞれに対して正極が直列に接続された各相共通のノーマリーオフ型スイッチング素子と、
前記ノーマリーオン型スイッチング素子のゲートそれぞれと前記ノーマリーオフ型スイッチング素子の負極の間に順方向に直列接続された複数個のカスコード接続用ダイオードによって構成され、
前記ゲート駆動回路は、前記主回路スイッチング素子を構成するノーマリーオン型スイッチング素子のゲートおよびノーマリーオフ型スイッチング素子のゲートとそれぞれ接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記ゲート駆動回路は、前記ノーマリーオン型スイッチング素子と前記ノーマリーオフ型スイッチング素子を別々に駆動することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記ノーマリーオフ型スイッチング素子の耐圧が、前記ノーマリーオン型スイッチング素子の耐圧よりも低く選定したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記カスコード接続用ダイオードの耐圧が、前記ノーマリーオフ型スイッチング素子の耐圧と同等に選定したことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記高速ダイオードはユニポーラダイオードであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ユニポーラダイオードはショットキーバリアダイオード又は、接合障壁ショットキーダイオード又は、PiN/ショットキー混合ダイオードであることを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記ノーマリーオン型スイッチング素子は、ワイドギャップ半導体から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記高速ダイオードは、ワイドギャップ半導体から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドギャップ半導体は、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、ダイヤモンドのいずれかから成ることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の電力変換装置。
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