(57)【要約】  本明細書は、２個のトランジスタの直列接続を含む電力変換器に関し、何らかの不具合で２個のトランジスタが同時にＯＮになった場合に、トランジスタに流れる電流の増大を抑制する技術を提供する。  本明細書が開示する電力変換器は、第１トランジスタ６ａと第２トランジスタ６ｂの直列接続を含む。その電力変換器は、第１トランジスタ６ａと第２トランジスタ６ｂの少なくとも一方に、ゲート電圧の異常上昇を抑制するクランプ回路５を備える。クランプ回路５は、ダイオード１４とコンデンサ１５を含む。ダイオード１４のアノードはトランジスタのゲートＧに接続している。コンデンサ１５は、その一方の電極がダイオード１４のカソードに接続しており、他方の電極がトランジスタのエミッタＥに接続している。
2013157086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１トランジスタと第２トランジスタの直列接続を含む電力変換器であり、
アノードが第１トランジスタのゲートに接続しているダイオードと、
一方の電極が前記ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が第１トランジスタのエミッタに接続しているコンデンサと、
を備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
コンデンサの容量が、第１トランジスタのゲートとエミッタの間に生じる入力容量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
コンデンサをプリチャージするプリチャージ回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器。
【請求項４】
コンデンサと並列に接続している抵抗をさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電圧コンバータやインバータに代表される電力変換器（Electrical Power Converter）に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な電力変換器は、２個のトランジスタの直列接続を含む。電力変換器は、それぞれのトランジスタのON／OFFタイミングを調整することで、入力電力を目標の電力に変換して出力する。例えば、昇降圧コンバータは、２個のトランジスタの直接接続を１セット有する。また、３相交流出力のインバータは、２個のトランジスタ直列接続が３セット並列に接続された回路を含む。２個のトランジスタの直列接続の回路の高電圧側は入力端子の高電圧端子に接続しており、低電圧側は入力端子の低電圧端子（グランド端子）に接続している。なお、電気自動車など、大電力を扱う電力変換器では、トランジスタにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が採用されることが多い。【０００３】
ここで、本明細書で用いる技術用語についての留意点を述べておく。トランジスタの３つの電極は、トランジスタの種類によってベース／コレクタ／エミッタと呼ばれたり、ゲート／ドレイン／ソースと呼ばれたりする。例えば、ＦＥＴでは、ゲート／ドレイン／ソースという呼称が一般に用いられる。また、バイポーラトランジスタでは、ゲート／コレクタ／エミッタ、という呼称も使われることがある。本明細書が開示する技術は、「ベース／コレクタ／エミッタ」との呼び名を有するトランジスタにも「ゲート／ドレイン／ソース」との呼び名を有するトランジスタにも適用可能である。そこで、本明細書では、ゲートとベースを合わせて「ゲート」と総称、コレクタとドレインを合わせて「コレクタ」と総称し、「エミッタ」と「ソース」を合わせて「エミッタ」と総称する。【０００４】
また、以下では、説明の便宜上、直列に接続された２個のトランジスタを第１トランジスタ、第２トランジスタと称する。なお、第１トランジスタと第２トランジスタとの呼称は、２個のトランジスタを区別するためであり、直列に接続された２個のトランジスタに特段の相違を意味付けるものではないことに留意されたい。【０００５】
背景技術の説明に戻る。トランジスタには、その構造上の特性として、本来は意図しない抵抗や静電容量が寄生（付随）する。ゲート電極に寄生する抵抗はゲート抵抗と呼ばれる。ゲートとコレクタ間に寄生する静電容量は帰還容量（あるいはコレクタ／ゲート容量）と呼ばれる。ゲートとエミッタ間に寄生する静電容量は入力容量（あるいはゲート／エミッタ容量）と呼ばれる。これらの寄生要素は、トランジスタの直列接続回路にいくつかの不都合を与えることがあり、その対策が検討されている。【０００６】
例えば、第１トランジスタが高電圧側に接続し、第２トランジスタが低電圧側に接続している場合、第１トランジスタがＯＮするとき、第１トランジスタのコレクタ／エミッタ電圧が急激に変化し、第２トランジスタのゲート／コレクタ容量によりコレクタとゲートの間に電流が流れる。その結果、第２トランジスタのゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が閾値電圧を超えてしまうと、第２トランジスタが誤ってＯＮしてしまう。そのような事象を抑制する技術が特開２００６−３２４７９４号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１の技術は、第１トランジスタがＯＦＦからＯＮに切り換わるときに第１トランジスタのゲートとエミッタの間にコンデンサを接続する。コンデンサが電流を吸収することによって、第１トランジスタがＯＮしたときのコレクタ／エミッタ間の電圧変化を緩やかにすることができる。その結果、第２トランジスタのゲート電圧の上昇が抑えられる。【０００７】
また、第１トランジスタのＯＮ／ＯＦＦに伴い、第２トランジスタの入力容量によってゲート電圧が変化する。特に、入力容量の放電によりゲート電圧が低下し、その結果、第２トランジスタのコレクタ電流が減少してしまう。特開２００３−１２５５７４号公報（特許文献２）には、コレクタ電流の減少を抑制する技術の一つが開示されている。特許文献２の技術は、第２トランジスタのゲートに２個の抵抗を直列に接続し、２個の抵抗の間とエミッタの間にコンデンサを接続する。新たに接続されたコンデンサのチャージが、入力容量の放電によるゲート電圧の低下を補償する。【０００８】
本明細書は、２個のトランジスタの直列接続を含む電力変換器において、ゲート電圧の望ましくない増加を抑制する技術に関する。電力変換器ではないが、ゲート電圧の望ましくない増加を抑制する技術の一例として、特開２００３−１１５７５２号公報（特許文献３）を挙げておく。特許文献３の技術は、トランジスタのエミッタとゲートの間にツェナーダイオードを接続する。ツェナーダイオードは、予め決められた電圧（ツェナー電圧／降伏電圧）を超えると電流が逆流するデバイスである。特許文献３に開示された回路では、ツェナーダイオードのアノードがエミッタに接続し、カソードがゲートに接続する。ゲート電圧がツェナー電圧（降伏電圧）を超えるとツェナーダイオードに電流が逆流し、その結果、ゲート電圧はツェナー電圧に維持される。
【発明の概要】
【０００９】
電力変換器では、２個のトランジスタが直列に接続された回路の高電圧端には入力電圧が供給され、低電圧端はグランドに接続している。そして、２個のトランジスタが交互にＯＮし、２個のトランジスタの接続点からモータへの電流が出力される。通常は、２個のトランジスタが同時にＯＮしてしまうことはない。しかしながら、何らかの不具合で２個のトランジスタが同時にＯＮしてしまうと、エミッタ／コレクタ間を流れる電流が異常に増大する。そうすると、コレクタ／エミッタ電圧が変化し、ゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が上昇するとさらにコレクタ／エミッタ電流が増大する悪循環が生じる。最悪の場合、トランジスタの耐電流閾値を超え、トランジスタがダメージを受ける。本明細書は、何らかの不具合で直列に接続された２個のトランジスタが同時にＯＮになった場合に、トランジスタを流れる電流の増大を抑制する技術を提供する。
【００１０】
本明細書が開示する技術は、２個のトランジスタが直列に接続された回路に新規なクランプ回路を付加する。クランプ回路は、いずれか一方のトランジスタのみに備えてもよいし、両方のトランジスタに備えてもよい。いずれか一方のトランジスタにクランプ回路を備える場合、下アームのトランジスタに備えることが好ましい。なお、「下アーム」とは、「低電圧側」を意味する。従って、「下アームのトランジスタ」とは、直列に接続された２個のトランジスタのうち、低電圧側に位置するトランジスタを表す。
【００１１】
以下、説明の便宜上、第１トランジスタに取り付けるクランプ回路を説明する。本明細書が開示する技術は、第１トランジスタのゲートとエミッタの間にコンデンサを接続する。そうすると、新たに加えたコンデンサは、第１トランジスタが固有に有している入力容量に並列に接続される。２個のトランジスタがともにＯＮし、帰還容量を介して第１トランジスタのコレクタからゲートへ電流が流れると、その電流の一部は新たなコンデンサに流れ込み、残りが入力容量に流れ込む。エミッタ／ゲート電流の一部を新たに加えたコンデンサが吸収することにより、ゲート電圧の上昇が抑制される。以下、ゲートとエミッタの間に接続するコンデンサをバッファコンデンサと称する。
【００１２】
ゲートとエミッタの間に単純にバッファコンデンサを付加しただけでは、ゲートにパルス信号（ＰＷＭ信号）が入力されるときに、バッファコンデンサの充放電によりゲート電圧が変動してしまう。そこで、本明細書が開示する技術では、ゲートとバッファコンデンサの間にダイオードを挿入する。ダイオードのアノードをゲートに接続し、カソードをバッファコンデンサに接続する。ダイオードは、アノードからカソード、即ち、ゲートからバッファコンデンサへは電流を通すが、逆には電流を通さない。ダイオードを挿入することによって、バッファコンデンサからゲートへ電流が流れることを防止し、PWM信号をゲートに与えたときのゲート電圧の変動（バッファコンデンサのチャージに起因する電圧変動）を抑える。
【００１３】
本明細書が開示する技術の一態様は、第１トランジスタと第２トランジスタの直列接続を含む電力変換器に具現化することができる。その電力変換器は、第１トランジスタと第２トランジスタの少なくとも一方に、ゲート電圧の異常上昇を抑制するクランプ回路を備える。クランプ回路は、ダイオードとコンデンサ（バッファコンデンサ）を含む。第１トランジスタを例にすると、ダイオードのアノードは第１トランジスタのゲートに接続している。バッファコンデンサは、その一方の電極がダイオードのカソードに接続しており、他方の電極が第１トランジスタのエミッタに接続している。第２トランジスタに同様のクランプ回路を備えてもよい。クランプ回路が下アームのトランジスタに備えられる場合、トランジスタのエミッタはグランドに接続しているので、バッファコンデンサの他方の電極はグランドに接続してもよい。
【００１４】
バッファコンデンサの容量は、好適には、第１トランジスタの入力容量よりも大きい方がよい。一般に、トランジスタの入力容量は数ナノファラドである。例えば、それに対して数マイクロファラド程度の容量のバッファコンデンサを取り付けるとよい。
【００１５】
本明細書が開示する電力変換器の一つの改良として、第１トランジスタをプリチャージするプリチャージ回路を備えているとよい。プリチャージ回路は、第１トランジスタを駆動する前にコンデンサをチャージする（プリチャージする）。また、別の一つの改良として、コンデンサと並列に接続している抵抗をさらに備えているとよい。前者は、最初のトランジスタＯＮ指令（ＰＷＭ信号の最初のパルス）に対する応答遅れを小さくすることができる。後者は、電力変換器を停止したのちにバッファコンデンサを放電することができる。
【００１６】
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電力変換器のブロック図である。
【図２】クランプ回路の一例のブロック図である。
【図３】ゲート電圧の時間変化の一例を示すグラフである。
【図４】第１の変形例のクランプ回路のブロック図である。
【図５】第２の変形例のクランプ回路のブロック図である。
【図６】第３の変形例のクランプ回路のブロック図である。
【図７】第３の変形例におけるゲート電圧の時間変化の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。実施例の電力変換器は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を走行用のモータの駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。図１に電力変換器２のブロック図を示す。
【００１９】
電力変換器２は、主として昇降圧コンバータ回路３とインバータ回路４とコントローラ９で構成される。昇降圧コンバータ回路３は、バッテリ９１の出力電圧を高くする機能と、モータ９６の発電電力をバッテリ９１の出力電圧と同じ程度に低くする機能を有する。昇降圧コンバータ回路３は、電力を一次的に蓄えるフィルタコンデンサ９２、リアクトル９３、２個のトランジスタ６ｃ、６ｄ、２個のダイオード７ｃ、７ｄ、及び、クランプ回路５で構成されている。２個のトランジスタ６ｃ、６ｄはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、直列に接続されている。ダイオード７ｃ、７ｄはそれぞれ、トランジスタ６ｃ、６ｄに逆並列に接続されている。ダイオード７ｃ、７ｄは、トランジスタがＯＦＦするときに発生するサージ電流を逃がすために設けられており、フリーホイールダイオードと呼ばれる。昇降圧コンバータ回路３は、トランジスタ６ｃ、６ｄのゲートに適宜のＰＷＭ信号を与えることによって、バッテリ電圧を昇圧したり、回生電力を降圧する。ＰＷＭ信号は、コントローラ９によって生成され、各トランジスタに与えられる。昇降圧コンバータ回路３に使われているトランジスタ６ｃ、６ｄ、及び、インバータ回路４に使われているトランジスタ（後述）はいずれもＩＧＢＴである。
【００２０】
それぞれのトランジスタ６ｃ、６ｄのゲートとエミッタの間に、クランプ回路５が接続されている。昇降圧コンバータ回路３において、クランプ回路５を除く回路の構成は良く知られているので詳しい説明は省略する。クランプ回路５については後に詳しく説明する。
【００２１】
昇降圧コンバータ回路３は、モータ９６を駆動する場合には、バッテリ９１の電圧をモータ駆動に適した電圧に高める。電気自動車の場合、バッテリ９１の出力電圧は例えば３００ボルトであり、モータ駆動に適した電圧、即ち、昇降圧コンバータ回路３の出力電圧は例えば６００ボルトである。
【００２２】
昇降圧コンバータ回路３とインバータ回路４の間には平滑化コンデンサ９４が接続されている。平滑化コンデンサ９４は、インバータ回路４に供給される電流の脈動を抑えるために備えられている。
【００２３】
本実施例のインバータ回路４は、３相交流モータ９６を駆動するためのデバイスである。インバータ回路４は、バッテリ９１の直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する。インバータ回路４は、２個のトランジスタの直列接続を３セット備えている。以下、３セットのうち、上アームトランジスタ６ａと下アームトランジスタ６ｂで構成されるセットについて説明する。他のセットについても同様である。また、以下では表現の簡略化のため、上アームトランジスタ６ａを上トランジスタ６ａと称し、下アームトランジスタ６ｂを下トランジスタ６ｂと表現する。
【００２４】
上トランジスタ６ａと下トランジスタ６ｂの夫々にはフリーホイールダイオード７ａ、７ｂが逆並列に接続している。バッテリ９１の正極に繋がっている正極線Ｐの側の上トランジスタ６ａとダイオード７ａは「上アーム」と呼ばれることがあり、バッテリ９１の負極（グランド）に繋がっているグランド線Ｎの側の下トランジスタ６ｂとダイオード７ｂは「下アーム」と呼ばれることがある。上トランジスタ６ａのゲートとエミッタの間にクランプ回路５が接続しており、下トランジスタ６ｂのゲートとエミッタの間には別のクランプ回路５が接続している。
【００２５】
バッテリ９１の直流電力を交流電力に変換する際、及び、モータ９６が発電した交流電力を直流電力に変換する際、上トランジスタ６ａと下トランジスタ６ｂは交互にＯＮする（交互にＯＦＦする）。システムが正常の場合、２個のトランジスタが同時にＯＮすることはない。しかしいずれかのトランジスタが故障した場合など、２個のトランジスタが同時にＯＮすることがあり得る。直列に接続された２個のトランジスタが同時にＯＮすると、６００ボルトの正極線Ｐとグランド線Ｎが非常に小さな抵抗（コレクタ／エミッタ間のＯＮ抵抗）を介して直結される。それゆえ、２個のトランジスタには大電流が流れる。コレクタ／エミッタ間に大電流が流れると、寄生要素（帰還容量と入力容量）によりゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が上昇するとＯＮ抵抗がさらに下がり、コレクタ／エミッタ間の電流がさらに増す。クランプ回路５は、ゲート電圧の上昇を抑え、コレクタ／エミッタ間の電流が増加するのを防止する。次にクランプ回路５について詳しく説明する。
【００２６】
図２にクランプ回路５のブロック図を示す。図２では、下トランジスタ６ｂに備えられているクランプ回路５のブロック図を示している。図２では、上トランジスタ６ａに備えられているクランプ回路５の詳細については図示を省略している。上トランジスタ６ａのクランプ回路５と、下トランジスタ６ｂのクランプ回路は同一の構成である。
【００２７】
クランプ回路５は、ダイオード１４とコンデンサ（バッファコンデンサ１５）の直列接続で構成される。なお、名称：「バッファコンデンサ」は、他のコンデンサ（例えばコンデンサ９２やコンデンサ９４）と区別するための便宜上の呼称であることに留意されたい。
【００２８】
ダイオード１４のアノードが下トランジスタ６ｂのゲートＧに接続している。バッファコンデンサ１５は、一方の電極がダイオード１４のカソードに接続しており、他方の電極は下トランジスタ６ｂのエミッタに接続している。このクランプ回路５は、上トランジスタ６ａ（上アームトランジスタ）が短絡故障し、さらに下トランジスタ６ｂがＯＮして正極線Ｐとグランド線Ｎが直結状態となったときのゲート電圧Ｖｇｅの過剰な上昇を抑制する。そのメカニズムについて説明する。なお、図２には、下トランジスタ６ｂの寄生要素である帰還容量８１と入力容量８２も示されていることに留意されたい。帰還容量８１は、ゲートＧとコレクタＣの間に形成されるコンデンサであり、入力容量８２は、ゲートＧとエミッタＥの間に形成されるコンデンサである。いずれも、設計されたコンデンサではなく、トランジスタの構造に起因して不可避的に形成されてしまう要素である。
【００２９】
下トランジスタ６ｂがＯＮしているときに、上トランジスタ６ａが短絡故障すると、下トランジスタ６ｂのコレクタ電圧が増加し、正極線Ｐの電圧（電圧ＶＨ）とほぼ等しくなる。この電圧変化に起因して、帰還容量８１を介してゲートへ電流が流れる。もしクランプ回路５が無ければ、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇する。クランプ回路５を加えた場合、ゲートへ流れた電流は、一部が入力容量８２に蓄えられ、残りはダイオード１４を介してバッファコンデンサ１５に流れる。入力容量８２とバッファコンデンサ１５は並列接続しているため、ゲートＧへ流れた電荷は入力容量８２とバッファコンデンサ１５とに分散し、その結果、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇が抑制される。ゲート電圧Ｖｇｅが抑制されることによって、上トランジスタ６ａが短絡故障した場合に、下トランジスタ６ｂのコレクタエミッタ間に流れる電流の増大を抑制することができる。
【００３０】
このときの下トランジスタ６ｂのゲート電圧Ｖｇｅの電圧変化を、図３を参照して説明する。図３の縦軸はゲート電圧Ｖｇｅとコンデンサ電圧Ｖｃであり、横軸は時間である。図３における時刻Ｔ１でトランジスタ６ａ、６ｂが共に短絡したと仮定する。なお、正確には、時刻Ｔ１にて上トランジスタ６ａは短絡故障し、下トランジスタ６ｂはＯＮしている。時刻Ｔ１からゲート電圧Ｖｇｅが上昇する。時刻Ｔ２からバッファコンデンサ１５へのチャージが始まる。そうすると、バッファコンデンサ１５の電圧Ｖｃが上昇するとともに、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇スピードが下がる。図３における破線Ｄは、クランプ回路５がない場合の短絡時のゲート電圧Ｖｇｅの時間変化を示している。図３に示したとおり、クランプ回路５により、ゲート電圧Ｖｇｅの上昇が抑制される。なお、バッファコンデンサ１５の電圧Ｖｃとゲート電圧Ｖｇｅの差は、ダイオード１４の固有のＯＮ電圧Ｖｆに相当する。
【００３１】
前述したように、クランプ回路５は、帰還容量８１を介してゲートＧに流れ込む電流の一部をバッファコンデンサ１５にチャージすることによってゲート電圧Ｖｇｅの上昇を抑制する。それゆえ、バッファコンデンサ１５の容量は大きいほどよい。入力容量の大きさは、数ナノファラド程度である。バッファコンデンサ１５の容量は、それよりも数桁大きいマイクロファラド程度が好ましい。別言すれば、バッファコンデンサ１５の容量は、入力容量よりも大きいことが望ましい。なお、バッファコンデンサ１５の容量は、フルチャージしたときの電圧が、ゲートのＯＮ電圧（ＰＷＭ信号のパルスのＨｉｇｈレベルの電圧）を超えるように、選定されることが望ましい。フルチャージしたときの電圧とＯＮ電圧との差に対応する余裕容量が、クランプ回路５の性能（ゲート電圧抑制の性能）を決定する。
【００３２】
ダイオード１４は、バッファコンデンサ１５の電荷をゲートＧへ逆流させないために挿入されている。ダイオード１４を付加しない場合、下トランジスタ６ｂのゲートにＰＷＭ信号が印加されたときにゲート電圧がふらつき、その結果、スイッチングの応答性が低下する。ダイオード１４のおかげで、下トランジスタ６ｂのゲートにＰＷＭ信号が印加されたときにゲート電圧がふらつくことが抑制される。
【００３３】
ツェナーダイオードと比較した場合のクランプ回路５の利点を説明する。クランプ回路５は、ゲート電圧の過剰な上昇を抑制する。別言すれば、クランプ回路５は、ゲート電圧をクランプする。ゲート電圧の抑制は、ツェナーダイオードを用いても可能である。しかし、ツェナーダイオードを用いたクランプ回路には不利な点がある。ツェナーダイオードは、降伏電圧を超えると電流が逆流する素子である。ツェナーダイオードを用いる場合、ツェナーダイオードのアノードをトランジスタのエミッタに接続し、カソードをゲートに接続する。ゲート電圧が降伏電圧（ツェナー電圧）を超えると、カソードからアノードに向かって電流が流れ、ゲート電圧がツェナー電圧に保持される。ツェナーダイオードを用いると、ゲートからコレクタへ電流が流れ続けることになり、他の素子やエレメントの過熱を招く虞がある。本実施例で示したように、クランプ回路を通常のダイオードとコンデンサで構成することによって、ゲートの余剰の電荷はコンデンサにチャージされ、電流はエミッタには流れない。それゆえ、実施例のクランプ回路５は、他の素子やエレメントの過熱を招く可能性が小さい。
【００３４】
また、ツェナーダイオードは、アノードをトランジスタのエミッタに接続し、カソードをゲートに接続する。それゆえ、エミッタからゲートへ向けて電流が流れるという短所がある。この短所は、ゲートにＰＷＭ信号を加えたときにゲート電圧のふらつきをもたらす。図２のクランプ回路５にはそのような短所がない。
【００３５】
さらに、コンデンサ（バッファコンデンサ）の充電はトランジスタのゲートがＯＮしている間だけであるため、通電中に損失を生じるツェナーと比較して、損失が小さいという利点がある。例えば、コンデンサの容量Ｃ＝0.33［μF］であり、印加電圧Ｖ＝１５［Ｖ］でそのコンデンサが充電される場合、損失Ｅｃ＝１／２ｘＣｘＶ２＝３７［μＪ］となる。一方、ツェナーダイオードを用いた場合、印加電圧Ｖ＝１５［Ｖ］、リーク電流Ｉｔ＝５［mＡ］とすると、損失Ｅｄ＝ＶｘＩｔ＝７５［ｍＪ］となる。コンデンサを用いたときの損失Ｅｃは、ツェナーダイオードを用いたときの損失Ｅｄよりもはるかに小さい。なお、バッファコンデンサに接続されるダイオードのリーク電流はμＡのレベルであり、その損失は無視し得る。
【００３６】
図２に示したクランプ回路５のいくつかの改良タイプを説明する。図４は、第１の変形例のクランプ回路５ａのブロック図である。クランプ回路５ａは、抵抗１６を除いて図２のクランプ回路５と同じである。抵抗１６は、バッファコンデンサ１５と並列に接続される。抵抗１６は、電力変換器２ａが停止した後にバッファコンデンサ１５を放電するために備えられる。抵抗１６は、バッファコンデンサ１５にいつまでもチャージが残ることを防止する。
【００３７】
図５に第２の変形例のクランプ回路５ｂのブロック図を示す。クランプ回路５ｂは、プルアップ電源１８と定電流素子１７を除いて図２のクランプ回路５と同じである。定電流素子１７は、例えば一定の電流を流すダイオードでよい。定電流素子１７の出力はダイオード１４とバッファコンデンサ１５の間に接続される。プルアップ電源１８と定電流素子１７は、バッファコンデンサ１５に予め定められた容量をチャージするプリチャージ回路１９を構成する。プルアップ電源１８の電圧は、下トランジスタ６ｂのＯＮ電圧と同等に設定される。図２のクランプ回路５では、電力変換器２ｂが起動する前は、バッファコンデンサ１５容量はゼロである。それゆえ、電力変換器２ｂが起動した直後は、バッファコンデンサ１５がチャージするまで下トランジスタ６ｂのスイッチング動作が遅れる。プリチャージ回路１９は、バッファコンデンサ１５をプリチャージする。詳しく言えば、プリチャージ回路１９は、下トランジスタ６ｂを駆動する前にバッファコンデンサ１５をチャージする。プリチャージ回路１９を備えることで、電力変換器２ｂの起動後に直ちにバッファコンデンサ１５の電圧ＶｃはゲートのＯＮ電圧とほぼ等しくなる。すなわち、図５の電力変換器２ｂは、起動直後から、図３に示したように、ＯＮ時のゲート電圧Ｖｇｅとバッファコンデンサ１５の電圧Ｖｃを等しくすることができる。それゆえ、起動直後における下トランジスタ６ｂのスイッチング遅れを防止することができる。なお、プルアップ電源１８と定電流素子１７は、プリチャージ回路１９によってチャージされる容量（プリチャージ容量）が、バッファコンデンサ１５の最大容量よりも小さくなるように選定される。最大容量とプリチャージ容量の差が、ゲート電圧の抑制の性能を決定する。
【００３８】
上アームトランジスタ６ａにプリチャージ回路１９を含むクランプ回路５ｂを備えることも好適である。さらには、クランプ回路は、図４の抵抗１６と図５のプリチャージ回路１９を共に備えることも好適である。
【００３９】
図６に、第３の変形例のクランプ回路５ｃのブロック図を示す。クランプ回路５ｃは、電圧調整用ダイオード２１を除き、図５のクランプ回路５ｂと同じである。電圧調整用ダイオード２１のアノードが定電流素子１７に接続され、カソードがバッファコンデンサ１５の高電圧側に接続される。プルアップ電源１８の電圧は、図５のクランプ回路５ｂの場合と同様に、下トランジスタ６ｂのＯＮ電圧と同じに設定される。図６のクランプ回路５ｃを採用したときのゲート電圧Ｖｇｅの変化を図７に示す。時刻Ｔ３が、上トランジスタ６ａが短絡故障し、下トランジスタ６ｂがＯＮしたタイミングに相当する。バッファコンデンサ１５にプリチャージ容量がチャージされると、電圧調整用ダイオード２１の電圧Ｖｈの分だけ、バッファコンデンサ１５の電圧Ｖｃが下がる。逆に言えば、ゲート電圧Ｖｇｅをバッファコンデンサ１５の電圧ＶｃよりもＶｈだけ高くしておくことができる。それゆえ、下トランジスタ６ｂがＯＮしているときに上トランジスタ６ａが短絡故障すると、帰還容量を介してコレクタＣからゲートＧに電流が流れ込むが、その電流は遅延なくバッファコンデンサ１５に流れ込む。その結果、時刻Ｔ３、即ち、上トランジスタ６ａの短絡と下トランジスタ６ｂのＯＮが共に発生したタイミングから直ちにゲート電圧Ｖｇｅの増加が抑制される。なお、図７においても破線Ｄはクランプ回路がないときのゲート電圧の増加を示す。
【００４０】
実施例で説明した技術の留意点を述べる。実施例では、下トランジスタ６ｂ（下アームトランジスタ）に備えられたクランプ回路を説明した。同じクランプ回路は、上トランジスタ６ａ（上アームトランジスタ）に適用することもできる。また、同じクランプ回路は、昇降圧コンバータのトランジスタ６ｃ、６ｄにも適用することができる。それゆえ、第１トランジスタは上トランジスタでも下トランジスタでもよく、また、第２トランジスタも上トランジスタでも下トランジスタでもよい。第１トランジスタと第２トランジスタとの称呼は、単に直列接続された２個のトランジスタを区別する便宜上の呼び名であることに留意されたい。
【００４１】
本明細書が開示する技術はＩＧＢＴだけでなく、例えばＦＥＴなど、他のタイプのトランジスタに適用することもできる。一般に、ＦＥＴの電極はゲート／ドレイン／ソースと呼ばれる。他方、本明細書では、ゲートとベースを合わせて「ゲート」と総称し、コレクタとドレインを合わせて「コレクタ」と総称し、「エミッタ」と「ソース」を合わせて「エミッタ」と総称した。それゆえ、本明細書が開示する技術を他のタイプのトランジスタに適用する場合、請求の範囲における「ゲート」は「ベース」を意味し得るし、「コレクタ」は「ドレイン」を意味し得るし、「エミッタ」は「ソース」を意味し得ることに留意されたい。
【００４２】
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された電力変換器を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
【００４３】
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属請求項に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
【００４４】
本明細書及び／又は請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
【００４５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年9月29日(2014.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１トランジスタと第２トランジスタの直列接続を含む電力変換器であり、
アノードが第１トランジスタのゲートに接続しているダイオードと、
一方の電極が前記ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が第１トランジスタのエミッタに接続しているコンデンサと、
を備えており、
コンデンサの容量が、第１トランジスタのゲートとエミッタの間に生じる入力容量よりも大きいことを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
コンデンサをプリチャージするプリチャージ回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
第１トランジスタと第２トランジスタの直列接続を含む電力変換器であり、
アノードが第１トランジスタのゲートに接続しているダイオードと、
一方の電極が前記ダイオードのカソードに接続しており他方の電極が第１トランジスタのエミッタに接続しているコンデンサと、
コンデンサをプリチャージするプリチャージ回路と、
を備えていることを特徴とする電力変換器。
【請求項４】
コンデンサと並列に接続している抵抗をさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換器。
【国際調査報告】
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