(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電圧が間に与えられ得るハイ供給ライン（１２、２２）およびロー供給ライン（１４、２４）との間に接続される、ＤＣ−ＡＣコンバータ（１０、２０）内のインバータ位相レグ（１００）において、
前記ハイ供給ラインに接続されたハイサイドゲート制御型スイッチ（１１０）と、
前記ロー供給ラインに接続されたローサイドゲート制御型スイッチ（１１４）と、
前記ハイサイドゲート制御型スイッチと前記ローサイドゲート制御型スイッチとの間に配置された出力ノード（１０４）と、
前記ハイサイドゲート制御型スイッチ（１１０）に接続され、制御信号（１２８）からの入力電圧、前記ハイサイドゲート制御型スイッチ（１１０）をスイッチングするための出力電圧、および駆動電圧を受ける反転ドライバ（１１６）と、
前記出力ノード（１０４）と前記反転ドライバ（１１６）との間に一定のＤＣ電圧を印加する第１のＤＣ電圧の電源と
を備え、
前記駆動電圧は、前記入力電圧が前記第１のＤＣ電圧を超えるまで、前記反転ドライバ（１１６）の前記出力電圧をゼロにするように設定される、
ことを特徴とする、インバータ位相レグ（１００）。
【請求項２】
前記反転ドライバ（１１６）への第２のＤＣ電圧の電源をさらに備え、前記第１のＤＣ電圧の電源と前記第２のＤＣ電圧の電源が互いに独立である、請求項１記載のインバータ位相レグ（１００）。
【請求項３】
前記駆動電圧が、前記第２のＤＣ電圧を下側ＤＣ電圧とし、前記第１のＤＣ電圧を上側ＤＣ電圧とする変調範囲を提供する、請求項２記載のインバータ位相レグ（１００）。
【請求項４】
前記第１のＤＣ電圧が正に設定され、前記第２のＤＣ電圧が負に設定される、請求項２または３に記載のインバータ位相レグ（１００）。
【請求項５】
前記反転ドライバ（１１６）と前記制御信号（１２８）との間に接続され、出力ライン（１２２）を介して前記入力電圧を供給するディジタルアイソレータ（１２０）をさらに備える、請求項１乃至４のいずれか１項記載のインバータ位相レグ（１００）。
【請求項６】
前記ディジタルアイソレータ（１２０）に接続された差動受信機（１２４）および差動送信機（１２６）をさらに備える、請求項５記載のインバータ位相レグ（１００）。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の前記インバータ位相レグ（１００）を含むＡＣ−ＤＣインバータ（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全体として電力変換の分野に関し、特に半導体スイッチを利用するＤＣ−ＡＣインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力インバータは、ＤＣ電圧源が接続されるＤＣバスまたは供給ラインの間にともに接続された半導体スイッチの対を典型的には利用する。スイッチは、選択されたスイッチングシーケンスで交互にオン状態およびオフ状態になり、２つのスイッチ間のノードに接続された負荷にＡＣ電力を供給する。ハイサイド半導体スイッチは、ｎ型デバイスがｐ型デバイスと比較して優れたスイッチング特性および小さなオン抵抗を有するため、ほとんどの場合にｎ型デバイスとなるよう選択されている。その結果、ハイサイドスイッチは、フローティング電圧源およびインバータゲートドライバのコストおよび複雑さの一因になるレベルシフト機能を必要とする。この方式で接続された一対の半導体スイッチを、負荷へ単相ＡＣ電力を供給するためにそれ自体により使用することができる、または２対のスイッチを、単相電力用に従来型のＨブリッジ構成にともに接続することができ、三相電力用に３対のスイッチ、等を接続することができる。スイッチの各対を、単相または多相インバータの位相レグと考えることができる。
【０００３】
デッドタイムが、位相レグの２つのスイッチに与えられるゲート駆動信号にほとんどの場合に加えられ、スイッチの一方が、他方のスイッチがオン状態になる前に完全にオフ状態になることを確実にする。そうでなければ、両方のスイッチが同時にオン状態になる場合には、２つのスイッチがＤＣバスラインの間に直列に接続されるという理由で、スイッチを通る短絡電流がスイッチを焼切るまたは他の回路部品に損傷を与えるはずである。この状態は、時には「シュートスルー」と呼ばれる。しかしながら、デッドタイムの存在は、出力電圧波形にかなりの量の望ましくない非直線性および高調波歪を加えることがある。基本周波数成分の出力波形歪および電圧振幅損失は、基本周波数または搬送周波数のいずれかが大きくなるにつれて悪くなる。
【０００４】
スイッチを通り流れる電流を検知することおよび他方がオン状態になる前に導電しているスイッチがオフ状態になることを確実にすることを含む、デッドタイムを埋め合わせるための様々な方法が知られている。米国特許第４，１２６，８１９号、第５，６４６，８３７号、および第５，８５９，５１９号ならびに米国特許出願公開第２００１／００４８２７８Ａ１号を参照のこと。このような回路は、かなりの追加コストをともなうかなりの追加部品を必要とする、またはスイッチのオン状態とオフ状態との間に遅延を依然として必要とし、対応するデッドタイムをともなう。米国特許第６，９０９，６２０号は、２つのスイッチの間に出力ノードを有し、出力ノードとローサイドスイッチとの間に直列ダイオードまたはコネクタスイッチ、およびダイオードまたはコネクタスイッチとハイサイドスイッチのゲートに直接電気的に接続されたローサイドスイッチとの間に接合点を有する。オン状態にするコマンドをハイサイドスイッチが受信するときに、ローサイドスイッチがまだ導電状態である場合には、電流がローサイドスイッチを通り流れることを停止するまでスイッチがオフ状態に保持されるように、ハイサイドスイッチのゲートはバイアスされるであろう、そして逆に、ローサイドスイッチをオン状態にするときに、ハイサイドスイッチがまだオン状態である場合には、ハイサイドスイッチのゲートは、ハイサイドスイッチを直ちにオフ状態にすることを確実にするようにバイアスされるであろう、これによってハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチが同時にオン状態になる状態を防止する。
【０００５】
さらに、高速スイッチの高速スイッチングが起きるので、ドレイン−ゲート容量は、望まれないオン状態にするリスクを与える電圧スパイクをゲートに生じさせる内部ゲート抵抗へと流れる寄生電流の経路を作り出し、そして起きる可能性があるシュートスルー状態を作り出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／２９０９２７号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の１つの態様は、ＤＣ電圧が間に与えられ得るハイ供給ラインおよびロー供給ラインを備えるインバータ位相レグに関する。インバータレグは、ハイ供給ラインに接続されたハイサイドゲート制御型スイッチおよびロー供給ラインに接続されたローサイドゲート制御型スイッチを含む。スイッチは、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチとの間に出力ノードを有し、ハイ供給ラインとロー供給ラインとの間に接続される。反転ドライバは、ハイサイドゲート制御型スイッチに接続され、制御信号からの入力電圧、ハイサイドゲート制御型スイッチをスイッチングするための出力電圧、および駆動電圧を受ける。第１のＤＣ電圧の電源は、出力ノードと反転ドライバとの間に設けられる。駆動電圧は、入力電圧が第１のＤＣ電圧を超えるまで、反転ドライバの出力電圧をゼロにするように設定され、これによってハイサイドゲート制御型スイッチの制御されていない起動によって引き起こされるシュートスルー状態を防止する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】単相ＤＣ−ＡＣインバータの模式図である。
【図２】三相ＤＣ−ＡＣインバータの模式図である。
【図３】図１および図２のインバータ内のいずれか１つの位相レグ用の分離回路の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
背景技術および下記の説明では、説明の目的で、本明細書において説明する技術の完全な理解を提供するために、数多くの具体的な詳細を記述している。しかしながら、例示的な実施形態をこれらの具体的な詳細を用いずに実行できることは、当業者には明らかであろう。他の事例では、例示的な実施形態の説明を容易にするために、構造および装置を図形式で示す。
【００１０】
例示的な実施形態を、図面を参照して説明する。これらの図面は、本明細書において説明するモジュール、方法、またはコンピュータプログラム製品を実装する具体的な実施形態のある種の詳細を図示している。しかしながら、図面中に存在することがある何らかの限定を課するように、図面を解釈すべきではない。方法およびコンピュータプログラム製品を、これらの動作を実現するための任意の機械可読媒体に用意することができる。実施形態を、存在するコンピュータプロセッサを使用して、またはこの目的もしくは別の目的のために組み込まれた特定用途コンピュータプロセッサによって、または配線型システムによって、実装することができる。
【００１１】
上記のように、本明細書において説明する実施形態は、機械可読媒体上に記憶された機械実行可能な命令またはデータ構造を搬送するまたは有する機械可読媒体を備えたコンピュータプログラム製品を含むことができる。これらの機械可読媒体を、汎用コンピュータまたは特定用途コンピュータまたはプロセッサを有する他の機械によってアクセスすることができる任意の利用可能な媒体とすることができる。例として、このような機械可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または汎用コンピュータもしくは特定用途コンピュータもしくはプロセッサを有する他の機械によってアクセスすることができる機械実行可能な命令もしくはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを搬送するためもしくは記憶するために使用することができるいずれかの他の媒体を含むことができる。情報が、機械へネットワークまたは別の通信接続（有線、無線、または有線もしくは無線の組合せのいずれか）をわたって伝達されるまたは提供されるときには、機械は、機械可読媒体として接続を適切に見ている。したがって、いずれかのこのような接続は、機械可読媒体と適切に呼ばれる。上記の組合せは、機械可読媒体の範囲内にやはり含まれる。機械実行可能な命令は、例えば、汎用コンピュータ、特定用途コンピュータ、または特定用途処理機械にある種の機能または機能のグループを実行させる命令およびデータを含む。
【００１２】
例えば、ネットワーク環境内の機械によって実行されるプログラムモジュールの形式の、プログラムコードなどの機械実行可能な命令を含むプログラム製品によって１つの実施形態では実装することができる方法ステップの一般的な文脈において、実施形態を説明するであろう。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行する技術的効果を有する、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、等を含む。機械実行可能な命令、関連するデータ構造、およびプログラムモジュールは、本明細書において開示する方法のステップを実行するためのプログラムコードの例を表す。このような実行可能な命令または関連するデータ構造の特定のシーケンスは、このようなステップにおいて説明する機能を実装するための対応する行為の例を表す。
【００１３】
プロセッサを有する１つまたは複数の遠隔コンピュータへの論理接続を使用するネットワーク環境において、実施形態を実行することができる。論理接続は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含むことができ、これらを、ここでは例として示し、限定ではない。このようなネットワーキング環境は、事務所規模または企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネットおよびインターネットにおいてはありふれており、多種多様な異なる通信プロトコルを使用することができる。このようなネットワークコンピューティング環境が、パーソナルコンピュータ、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのまたはプログラマブルな家庭用電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、等、を含む多くのタイプのコンピュータシステム構成を典型的には包含するであろうことを、当業者なら認識するであろう。
【００１４】
タスクが、通信ネットワークを介して（いずれか、有線リンク、無線リンクによって、または有線リンクもしくは無線リンクの組合せによって）リンクされているローカル処理デバイスおよび遠隔処理デバイスによって実行される分散型コンピューティング環境において、実施形態をやはり実行することができる。分散型コンピューティング環境において、プログラムモジュールはローカルメモリ記憶デバイスおよび遠隔メモリ記憶デバイスの両方に位置することができる。
【００１５】
例示的な実施形態の全体または一部を実装するための例示的なシステムは、処理ユニット、システムメモリ、および処理ユニットにシステムメモリを含む様々なシステム構成要素を結合するシステムバスを含む、コンピュータの形式の汎用コンピューティングデバイスを含むはずである。システムメモリは、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含むことができる。コンピュータは、磁気ハードディスクから読み出しかつ書き込むための磁気ハードディスク駆動装置、脱着可能な磁気ディスクから読み出すまたは書き込むための磁気ディスク駆動装置、およびＣＤ−ＲＯＭまたは他の光学式媒体などの脱着可能な光ディスクから読み出すまたは書き込むための光ディスク駆動装置をやはり含むことができる。駆動装置およびそれらの関係する機械可読媒体は、機械実行可能な命令、データ構造、プログラムモジュール、およびコンピュータ用の他のデータの不揮発性記憶装置を提供する。
【００１６】
図１は、本発明を実行することができる型の単相ＤＣ−ＡＣインバータ１０の模式図である。ＤＣ−ＡＣインバータ１０は、＋ＶＤＣ源として示したハイサイド供給ライン１２およびグランドまたはリターンとして示したローサイド供給ライン１４を含む。両方の供給ライン１２、１４は、供給ライン１２、１４の間に適切なＤＣ出力電圧を与えるように構成されたＤＣ電源（図示せず）から電力を供給される。ＤＣ−ＡＣインバータ１０は、一対のインバータ位相レグ１００をさらに含み、各インバータ位相レグは、供給ライン１２、１４の間に直列に接続された２つのゲート制御型半導体スイッチを有する。２つのゲート制御型半導体スイッチを、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）もしくはパワーＭＯＳＦＥＴ、またはバイポーラトランジスタ、等とすることができる。１つのインバータ位相レグ１００内の２つのゲート制御型半導体スイッチ間の出力ノード１０４を、ＤＣ−ＡＣインバータ１０のＡＣ出力電圧が与えられる出力ライン１６に接続する。別のインバータ位相レグ１００内の２つのゲート制御型半導体スイッチ間の第２の出力ノード１０４を、ＡＣ出力電圧に関して中性線として働く出力ライン１８に接続する。ゲート駆動ライン１０２は、下記に説明するように本発明にしたがって、ハイサイドゲート制御型半導体スイッチの各々のゲート入力を反転ドライバ（図１には示さず）に接続する。
【００１７】
図２は、本発明を実行することができる型の三相ＤＣ−ＡＣインバータ２０の模式図である。ＤＣ−ＡＣインバータ２０は、＋ＶＤＣ源として示したハイサイド供給ライン２２およびグランドまたはリターンとして示したローサイド供給ライン２４を含む。両方の供給ライン２２、２４は、供給ライン２２、２４の間に適切なＤＣ出力電圧を与えるように構成されたＤＣ電源（図示せず）から電力を供給される。ＤＣ−ＡＣインバータ２０は、４つのインバータ位相レグ１００をさらに含み、各インバータ位相レグは、供給ライン２２、２４の間に直列に接続された２つのゲート制御型半導体スイッチを有する。２つのゲート制御型半導体スイッチを、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）もしくはパワーＭＯＳＦＥＴ、またはバイポーラトランジスタ、等とすることができる。各インバータ位相レグ１００内の２つのゲート制御型半導体スイッチ間の出力ノード１０４を、それぞれ、出力ライン２６、２８、３０、および３２に接続する。３つのライン２６、３０、および３２は、三相ＡＣ出力電圧の３つの電圧位相を与え、１つのライン２８は、中性点を与える。ゲート駆動ライン１０２は、各ハイサイドゲート制御型半導体スイッチのゲート入力に接続する。
【００１８】
ゲート駆動ライン１０２は、制御用デバイス（図１および図２には図示せず）から外への１ビット信号を運ぶ。この信号は、高速ゲート制御型半導体スイッチに達するために、ボードトレース、ケーブル配線、および他の構成部品を横切らなければならず、そのすべてが雑音、過渡電圧、および寄生電流をもたらす。その結果として、スイッチと制御回路との間の電気的分離が望ましい。また、多くのシステムを用いると、デューティサイクルは、０から１００％まで変化することがある。このようなデューティサイクルの広いウィンドウは、従来型のゲート駆動変圧器を分離バリアとして無力なものにする。
【００１９】
図３は、図１および図２のＤＣ−ＡＣインバータ１０、２０において使用される可能性があるので、本発明にしたがったインバータ位相レグ１００の模式図である。位相レグ１００は、ハイサイド供給ライン＋ＶＤＣおよびローサイド供給ラインリターンを含み、これらの間にＤＣ電圧を与えることができる。ゲート１０８を有するハイサイドゲート制御型スイッチ１１０をハイ供給ラインに接続し、ゲート１１２を有するローサイドゲート制御型スイッチ１１４をロー供給ラインに接続する。ゲート制御型スイッチ１１０、１１４間の出力ノード１０４を、図１および図２に示したように出力電圧に接続する。
【００２０】
何らかの分離を、差動送信機１２６および差動受信機１２４によって与えることができ、これらは、コントローラ（図示せず）からのゲート駆動信号１２８を受信する。差動送信機１２６および差動受信機１２４は、ゲート駆動信号１２８を長い距離をわたって送信するときに有利である。ゲート制御型スイッチ１１０、１１４のスイッチング中のシステム全体の容量カップリングが回路または配線へと雑音を結び付けることがあるとはいえ、信号が差分であるという事実は、良いレベルのイミュニティを与え、良い信号完全性が保たれることを可能にする。
【００２１】
ゲート駆動信号１２８の分離度を実効的に維持することができる高速ディジタルアイソレータ１２０によって、さらなる分離を与えることができる。それにも拘らず、アイソレータ１２０から出力ライン１２２への何らかの容量カップリングが、ゲート制御型スイッチ１１０、１１４のスプリアス過渡スイッチングを依然として引き起こすことがある。問題は、ゼロと全入力電圧との間で動作する電源の電位のために、ハイサイドゲート制御型スイッチ１１０において主に生じる。ハイサイドゲート制御型スイッチ１１０がオフ状態になると、その電源は降下する。アイソレータの内部二次抵抗への容量カップリングは、アイソレータの出力電圧を上昇させる。ゼロから上昇するアイソレータ出力ライン１２２のこの傾向は、ゲート１０８における電圧を上昇させるはずであり、これは、ローサイドゲート制御型スイッチ１１４が完全にオフ状態になる前にハイサイドゲート制御型スイッチ１１０をオン状態にすることがあり、特にシステム入力電圧が高くなるにつれて、シュートスルーを生じさせる。
【００２２】
問題は、ゲート駆動信号１２８を変調させるための、アイソレータ１２０とハイサイドゲート制御型スイッチ１１０との間の反転ドライバ１１６によって完全に取り除かれる。好ましくは、反転ドライバ１１６用の駆動電圧は、−５Ｖの１３０のところの下側ＤＣ電圧から＋２０Ｖの１１８のところの上側ＤＣ電圧までの２５Ｖのゲート駆動信号１２８についての変調範囲を提供する。下側および上側ＤＣ電圧１３０、１１８を、２つの独立した安定化電源（図示せず）、または単一の２５Ｖ供給源によって供給することができる。好ましくは、出力ノード１０４は、駆動電圧へのバイアス用ＤＣ電圧１０６を供給し、下側および上側ＤＣ電圧１３０、１１８がそれ自体で適正にバランスすることを確実にする。ゲート制御型スイッチ１１０、１１４の論理レベル信号用に使用されるノード１０４から同じＤＣ供給を使用することは、ゲートドライバが起動する前にハイサイドゲート制御型スイッチ１１０が十分にオフにバイアスされることを確実にする。好ましくは、バイアス用ＤＣ電圧は、典型的には論理レベル信号の電圧である＋５Ｖである。ゲート駆動信号１２８を、アイソレータ出力ライン１２２によって反転ドライバ１１６に供給する。
【００２３】
ハイサイドゲート制御型スイッチ１１０がオフであるときのゲート駆動ライン１０２の間のこの負のバイアス電圧は、ハイサイドゲート制御型スイッチ１１０を不適切にオン状態にするために生じなければならないスプリアス電圧の大きさが増加することによる有害な過渡的に誘起されるオン状態を防止する。この構造は、順に、ハイサイドゲート制御型スイッチ１１０が可能な最大速度でスイッチングすることを可能にする。負バイアスは、正常動作中にハイサイドゲート制御型スイッチ１１０をオフ状態にさせにくくするためにやはり役立つ。
【００２４】
この明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するため、ならびにいかなる当業者でも、任意のデバイスまたはシステムを作成することおよび使用すること、および任意の組み込んだ方法を実行することを含む本発明を実行することをやはり可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く別の例を含むことができる。このような別の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはこのような別の例が特許請求の範囲の文面とは実質的でない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、このような別の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
【符号の説明】
【００２５】
１０  単相ＤＣ−ＡＣインバータ
１２  ハイサイド供給ライン
１４  ローサイド供給ライン
１６  出力ライン
１８  出力ライン
２０  三相ＤＣ−ＡＣインバータ
２２  ハイサイド供給ライン
２４  ローサイド供給ライン
２６  出力ライン
２８  出力ライン
３０  出力ライン
３２  出力ライン
１００  インバータ位相レグ
１０２  ゲート駆動ライン
１０４  出力ノード
１０６  バイアス用ＤＣ電圧
１０８  ゲート
１１０  ハイサイドゲート制御型スイッチ
１１２  ゲート
１１４  ローサイドゲート制御型スイッチ
１１６  反転ドライバ
１１８  上側ＤＣ電圧
１２０  高速ディジタルアイソレータ
１２２  アイソレータ出力ライン
１２４  差動受信機
１２６  差動送信機
１２８  ゲート駆動信号
１３０  下側ＤＣ電圧
【図１】
0006291569.tif 000002
【図２】
0006291569.tif 000003
【図３】
0006291569.tif 000004