(57)【要約】【課題】ターンオン損失を大きくすることなくリンギングの発生を抑制することができる半導体スイッチングデバイスのゲート回路を提供する。【解決手段】電力変換装置のＦＥＴ１２に流れる主電流Ｉを、該主電流Ｉの大きさに比例した電圧に変換する電流計測部（変流器１１）と、前記電流計測部により変換された電圧のうち、規定値を超えた超過電圧を出力する超過電圧変換部（ダイオード１５）と、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧の電圧レベルを調整する電圧レベル調整部（トランス１６）と、オンゲート電源１７の電圧ＶＧｏｎから、前記超過電圧変換部により出力され、電圧レベル調整部により調整された超過電圧を減じた電圧を、前記ＦＥＴ１２のゲート電圧とするゲート電圧制御部と、を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置の半導体スイッチングデバイスに流れる主電流を、該主電流の大きさに比例した電圧に変換する電流計測部と、
前記電流計測部により変換された電圧のうち、規定値を超えた超過電圧を出力する超過電圧変換部と、
ゲート電源電圧から、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とするゲート電圧制御部と、
を備えたことを特徴とする半導体スイッチングデバイスのゲート回路。
【請求項２】
前記超過電圧変換部により出力された超過電圧の電圧レベルを調整する電圧レベル調整部を備え、
前記ゲート電圧制御部は、前記ゲート電源電圧から、前記電圧レベル調整部で調整された電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート回路。
【請求項３】
前記電流計測部は、前記半導体スイッチングデバイスの主電流を一次側とし、二次側に主電流に応じた電圧を発生させる変流器から成り、
前記超過電圧変換部は、前記主電流に応じた電圧の規定電圧以下をカットするダイオードから成り、
前記電圧レベル調整部は、前記ダイオードの出力電圧を一次側に入力し、二次側電圧を発生するトランスから成り、
前記ゲート電圧制御部は、前記ゲート電源電圧から前記トランスの二次側電圧を減じた電圧を前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート回路。
【請求項４】
電流計測部が、電力変換装置の半導体スイッチングデバイスに流れる主電流を、該主電流の大きさに比例した電圧に変換する電流計測ステップと、
超過電圧変換部が、前記電流計測部により出力された電圧のうち、規定値を超えた超過電圧を出力する超過電圧変換ステップと、
ゲート電圧制御部が、ゲート電源電圧から、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とするゲート電圧制御ステップと、
を備えたことを特徴とする半導体スイッチングデバイスのゲート駆動方法。
【請求項５】
電圧レベル調整部が、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧の電圧レベルを調整する電圧レベル調整ステップを備え、
前記ゲート電圧制御ステップは、前記ゲート電源電圧から、前記電圧レベル調整部で調整された電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置において、半導体スイッチングデバイスの動作に伴い発生する電流振動（リンギング）を抑制する半導体スイッチングデバイスのゲート回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、半導体スイッチングデバイスを用いてスイッチングを行う。高効率化、高耐圧化のため、ＳｉＣ（炭化ケイ素）を用いた半導体スイッチングデバイスの開発が進められている。ＳｉＣを用いた半導体スイッチングデバイスはスイッチング損失を低減できるが、代わりにターンオン時に激しい電圧、電流の振動（リンギング）が発生する。リンギングは盤内制御回路等にノイズとして悪影響を及ぼす虞があり抑制する必要がある。
【０００３】
そこで、従来、例えば特許文献１に記載のように、ゲート回路の制御において、ターンオン途中で一度ゲート電圧を下げる期間（放電期間）を設けることで、主電流であるコレクタ電流の急激な上昇を抑え、リンギングを低減させることが提案されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４７２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図１、図２には、ターンオン途中で一度ゲート電圧を下げる放電期間（Δｔ１２）を設けることにより、急激なコレクタ電流の上昇を抑えることが記載されている。特許文献１の方法によれば、コレクタ電流の上昇が緩やかになることでリンギングを抑制できる。
【０００６】
しかし、代わりにターンオンに伴う損失が発生する。前記放電期間を長くとるほどコレクタ電流の上昇は穏やかになり、リンギング抑制効果を上げられるが、同時にターンオン損失が大きくなってしまう（特許文献１の図１３）。そのため、リンギングを抑制すると装置全体での電力変換効率が低下する。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、ターンオン損失を大きくすることなくリンギングの発生を抑制することができる半導体スイッチングデバイスのゲート回路、ゲート駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための請求項１に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート回路は、
電力変換装置の半導体スイッチングデバイスに流れる主電流を、該主電流の大きさに比例した電圧に変換する電流計測部と、
前記電流計測部により変換された電圧のうち、規定値を超えた超過電圧を出力する超過電圧変換部と、
ゲート電源電圧から、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とするゲート電圧制御部と、
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート回路は、請求項１において、
前記超過電圧変換部により出力された超過電圧の電圧レベルを調整する電圧レベル調整部を備え、
前記ゲート電圧制御部は、前記ゲート電源電圧から、前記電圧レベル調整部で調整された電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート回路は、請求項２において、
前記電流計測部は、前記半導体スイッチングデバイスの主電流を一次側とし、二次側に主電流に応じた電圧を発生させる変流器から成り、
前記超過電圧変換部は、前記主電流に応じた電圧の規定電圧以下をカットするダイオードから成り、
前記電圧レベル調整部は、前記ダイオードの出力電圧を一次側に入力し、二次側電圧を発生するトランスから成り、
前記ゲート電圧制御部は、前記ゲート電源電圧から前記トランスの二次側電圧を減じた電圧を前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート駆動方法は、
電流計測部が、電力変換装置の半導体スイッチングデバイスに流れる主電流を、該主電流の大きさに比例した電圧に変換する電流計測ステップと、
超過電圧変換部が、前記電流計測部により変換された電圧のうち、規定値を超えた超過電圧を出力する超過電圧変換ステップと、
ゲート電圧制御部が、ゲート電源電圧から、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とするゲート電圧制御ステップと、
を備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５に記載の半導体スイッチングデバイスのゲート駆動方法は、請求項４において、
電圧レベル調整部が、前記超過電圧変換部により出力された超過電圧の電圧レベルを調整する電圧レベル調整ステップを備え、
前記ゲート電圧制御ステップは、前記ゲート電源電圧から、前記電圧レベル調整部で調整された電圧を減じた電圧を、前記半導体スイッチングデバイスのゲート電圧とする、
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
（１）請求項１〜５に記載の発明によれば、半導体スイッチングデバイスのターンオンに伴い発生するリンギング（電流振動）の大きさに応じた超過電圧が抽出され、ゲート電源電圧から前記超過電圧を減じた電圧がゲート電圧となるため、ターンオン損失を大きくすることなくリンギングを抑制することができる。
【００１４】
これによって、リンギングに伴うノイズの発生を防ぎ、信頼性、変換効率の高い電力変換装置を実現することができる。
（２）請求項２、４に記載の発明によれば、電圧レベル調整部（電圧レベル調整ステップ）を設けているので、ゲート電源電圧から減じる超過電圧（リンギングの大きさに応じた電圧）を、電力変換装置の諸条件に沿って任意に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態例による半導体スイッチングデバイスのゲート回路の構成図。
【図２】図１の回路の各部の信号波形図。
【図３】本発明の実施形態例における半導体スイッチングデバイスであるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の伝達特性を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は、本実施形態例による半導体スイッチングデバイスのゲート回路を表し、誘導負荷（Ｌ）を有した誘導負荷スイッチ回路を示している。
【００１７】
図１において、直流電圧源１０（ＧＳ）の正極は、変流器１１（ＴｒＤ：本発明の電流計測部）の一次巻線１１ａを介して、電力変換装置、例えばインバータの半導体スイッチングデバイスである電界効果トランジスタ１２（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＦＥＴと称することもある）のドレインに接続され、ＦＥＴ１２のソースは図示極性のダイオード１３（Ｄ）および誘導負荷１４（Ｌ）の並列回路を介して直流電圧源１０の負極に接続されている。
【００１８】
変流器１１はＦＥＴ１２に流れる主電流Ｉ（ドレイン電流）を一次側として、磁気結合により二次側（二次巻線１１ｂ）に、主電流Ｉに応じた電圧（変流比で決まる電圧）を発生させる。このため二次巻線１１ｂには、例えば一端にプラス、他端にマイナスの極性の電圧が発生する。
【００１９】
尚、変流器１１を貫通型で構成した場合、図示一次巻線１１ａは一次導体で構成される。
【００２０】
変流器１１の二次巻線１１ｂの一端はダイオード１５（ＤＧ：本発明の超過電圧変換部）を介してトランス１６（ＴｒＧ：本発明の電圧レベル調整部）の一次巻線１６ａの一端に接続され、一次巻線１６ａの他端は変流器１１の二次巻線１１ｂの他端に接続されている。
【００２１】
前記ダイオード１５は、複数のダイオードを、各アノードＡが変流器１１の二次巻線１１ｂの一端側になるように、各カソードＫがトランス１６の一次巻線１６ａの一端側になるように直列接続して構成され、変流器１１の二次巻線１１ｂに発生した電圧の閾値を規定している。
【００２２】
すなわちダイオード１５は、変流器１１の二次側に発生した電圧に対して、規定値以下の電圧をカットし、規定値を超過した分の電圧（超過電圧）を出力する（この電圧は、ＦＥＴ１２のターンオンに伴い発生するリンギングの大きさを示す）。
【００２３】
前記トランス１６は、一次側（一次巻線１６ａ）に入力された超過電圧を、トランスの巻線比で決まる電圧レベルに変換して二次側（二次巻線１６ｂ）に出力する。この例では二次巻線１６ｂに誘起する電圧の極性は、一端がプラス、他端がマイナスである。
【００２４】
１７はＦＥＴ１２のオンゲート用のオンゲート電源であり、その正極は、トランス１６の二次巻線の一端、他端およびオンゲート用スイッチ１８（ＳＷｏｎ）を介してＦＥＴ１２のゲート（Ｇ）に接続され、オンゲート電源１７の負極はＦＥＴ１２のソース（Ｓ）に接続されている。
【００２５】
１９はＦＥＴ１２のオフゲート用のオフゲート電源であり、その正極はＦＥＴ１２のソースに接続され、負極はオフゲート用スイッチ２０（ＳＷｏｆｆ）を介してＦＥＴ１２のゲートに接続されている。
【００２６】
前記スイッチ１８、２０は、ＦＥＴ１２のゲートＧへの印加電圧（ゲートＧ−ソースＳ間電圧）を制御するスイッチである。これらのスイッチ１８、２０をオン、オフすることにより、ＦＥＴ１２のスイッチング信号を発生させる。オンゲート用スイッチ１８とオフゲート用スイッチ２０のオン、オフのスイッチングタイミングは図示省略のＰＷＭ制御部により与えるものである。
【００２７】
次に、上記のように構成された回路の動作を図２の信号波形図および図３のＦＥＴ伝達特性図とともに説明する。
【００２８】
図２において、（ａ）はオンゲート用スイッチ１８（ＳＷｏｎ）のオン、オフ制御信号、（ｂ）はオフゲート用スイッチ２０（ＳＷｏｆｆ）のオン、オフ制御信号、（ｃ）はＦＥＴ１２の主電流Ｉ（変流器１１の一次巻線１１ａに流れる電流）、（ｄ）は変流器１１の二次巻線１１ｂの電圧（ＴｒＤ二次側電圧）、（ｅ）はトランス１６の一次巻線１６ａの電圧（ＴｒＧ一次側電圧）、（ｆ）はトランス１６の二次巻線１６ｂの電圧（ＴｒＧ二次側電圧）、（ｇ）はＦＥＴ１２のゲート−ソース間電圧（ＦＥＴＧ−Ｓ間電圧）の各波形を示している。
【００２９】
図３は、横軸にＦＥＴのゲート−ソース間電圧をとり、縦軸にＦＥＴのドレイン電流（ＦＥＴ主電流）をとり、４つの温度における各伝達特性を示している。
【００３０】
まず時刻ｔ１において、オンゲート用スイッチ１８をオン、オフゲート用スイッチ２０をオフにすると、オンゲート電源１７の正極からトランス１６の二次巻線１６ｂおよびオフゲート用スイッチ１８を介してＦＥＴ１２のゲートにオンゲート電圧（ゲートＧ−ソースＳ間電圧）が印加されて、ＦＥＴ１２はターンオンする。
【００３１】
このときＦＥＴ１２の主電流Ｉが急上昇して図２（ｃ）のようにリンギングが発生する。このリンギング発生により変流器１１の二次巻線１１ｂには、図２（ｄ）のように、前記主電流Ｉに応じた電圧が、時刻ｔ１よりも若干遅れた時刻ｔ２から発生する。
【００３２】
変流器１１の二次巻線１１ｂの電圧はダイオード１５によって規定レベル以下の電圧がカットされ、図２（ｅ）のように規定レベル超過分の電圧がトランス１６の一次巻線１６ａに入力される。
【００３３】
トランス１６の一次巻線１６ａの電圧はトランス１６の巻線比によって任意のレベルに変換され、二次巻線１６ｂの電圧は図２（ｆ）のような電圧となる。
【００３４】
トランス１６の二次巻線１６ｂの電圧は一端側がプラス極性であるため、オンゲート電源１７の電圧ＶＧｏｎから図２（ｆ）に示すトランス１６の二次巻線電圧が差し引かれ、電圧ＶＧｏｎよりもトランス１６の二次巻線電圧の分低い電圧がＦＥＴ１２のゲートＧ−ソースＳ間に図２（ｇ）のように印加される。
【００３５】
これによってＦＥＴ１２のゲート電圧が通常よりも下るため、それに応じて、図３の特性図のとおりＦＥＴ１２の主電流Ｉは抑制され、時刻ｔ３においてリンギングは収束する。
【００３６】
尚、図２（ｄ）に示す変流器１１の二次巻線１１ｂの電圧のリンギングの収束は、時刻ｔ３から若干遅れた時刻ｔ４となる。
【００３７】
次に時刻ｔ５において、オンゲート用スイッチ１８をオフ、オフゲート用スイッチ２０をオンにすると、オフゲート電源１９からＦＥＴ１２のゲートＧ−ソースＳ間に、図２（ｇ）に示すように前記と逆極性のオフゲート電圧が印加され、ＦＥＴ１２はターンオフする。ＦＥＴ１２のターンオフにともなって、図２（ｃ）に示すＦＥＴ１２の主電流Ｉ、すなわち変流器１１の一次巻線１１ａの電流がゼロとなり、図２（ｄ）に示す変流器１１の二次巻線１１ｂの電圧は、時刻ｔ５から若干遅れた時刻ｔ６においてゼロとなる。
【００３８】
次に、時刻ｔ７において再びオンゲート用スイッチ１８がオン、オフゲート用スイッチ２０がオフ制御されるが、図２の時刻ｔ７〜ｔ９における動作は、前述した時刻ｔ１〜ｔ３の動作と同一となる。
【００３９】
以上のように本実施形態例においては、ＦＥＴ１２のターンオンに伴い発生する電流振動（リンギング）の大きさに応じて、必要な分だけゲート電圧を下げることによりリンギングを抑制している。この動作はＦＥＴ１２のターンオンには影響を与えないため、ターンオン損失を大きくすることなくリンギングを抑制することが可能である。
【００４０】
これにより、リンギングに伴うノイズの発生を防ぎ、信頼性、変換効率が高い電力変換装置を実現できる。
【００４１】
尚、電圧レベル調整部としてのトランス１６の巻線比を任意に設定することで、ゲート電源電圧（ＶＧｏｎ）から減じる超過電圧（リンギングの大きさに応じた電圧）を、電力変換装置や半導体スイッチングデバイス（ＦＥＴ）の諸条件に沿った超過電圧に調整することができる。
【００４２】
また、電圧レベル調整部としてのトランス１６を削除し、ダイオード１５（超過電圧変換部）で生成された超過電圧（リンギングの大きさに応じた電圧）を、例えば減算器を用いて直接オンゲート電源１７の電圧から減算するように構成してもよい。
【００４３】
このため図１では、本発明のゲート電圧制御部の範囲を、トランス１６を除外した、オンゲート電源１７、オンゲート用スイッチ１８、オフゲート電源１９およびオフゲート用スイッチ２０を含む破線の範囲として図示している。
【００４４】
また、本実施形態例では半導体スイッチングデバイスがＦＥＴである場合を説明したが、本発明はこれに限らず、印加するゲート電圧と、通流する主電流の関係が図３のような伝達特性と同様の他の半導体スイッチングデバイスにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…直流電圧源
１１…変流器
１２…ＦＥＴ
１３，１５…ダイオード
１４…誘導負荷
１６…トランス
１７…オンゲート電源
１８…オンゲート用スイッチ
１９…オフゲート電源
２０…オフゲート用スイッチ
【図１】
2019047444.tif 000003
【図２】
2019047444.tif 000004
【図３】
2019047444.tif 000005