(57)【要約】【課題】簡単な回路構成でレベルシフト回路に対する浮遊インダクタンス成分の影響を排除でき、レベルシフト回路の誤動作等を防止できる電力変換装置を提供する。【解決手段】この電力変換装置は、ハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５と、第１および第２の駆動回路１０６，１０７と、第１および第２の駆動回路の入力側部分に共通に設けられるレベルシフト回路１１３と、第１および第２の電源と、レベルシフト回路内で逆サージ現象に起因する電流が流れるのを阻止する阻止ダイオード２１を備える。阻止ダイオードは、高電位側スイッチング半導体素子１０２等がターンオフした時、高電位側スイッチング半導体素子の浮遊インダクタンス成分等から流れ出る電流が、レベルシフト回路内で第１駆動回路側部分から第２駆動回路側部分へ流れるのを阻止する。【選択図】図２
2007104829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された高電位側スイッチング半導体素子と低電位側スイッチング半導体素子から成り、それらの中間接続点に負荷が接続され、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換して前記負荷に供給するハーフブリッジ型パワーデバイス回路と、
前記高電位側スイッチング半導体素子のゲートにオン・オン駆動信号を与える第１駆動回路と、
前記低電位側スイッチング半導体素子のゲートにオン・オフ駆動信号を与える第２駆動回路と、
前記第１駆動回路および前記第２駆動回路の入力側部分に設けられるレベルシフト回路と、
前記第１駆動回路および前記レベルシフト回路の第１駆動回路側部分を動作可能状態にする第１電源と、
前記第２駆動回路および前記レベルシフト回路の第２駆動回路側部分を動作可能状態にする第２電源と、
前記高電位側スイッチング半導体素子または前記低電位側スイッチング半導体素子がターンオフした時、前記高電位側スイッチング半導体素子の浮遊インダクタンス成分または前記低電位側スイッチング半導体素子の浮遊インダクタンス成分から流れ出る電流が、前記レベルシフト回路内で前記第１駆動回路側部分から前記第２駆動回路側部分へ流れるのを阻止する阻止ダイオードと、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置に関し、特に、直流電流を交流電流を変換して大容量のモータに供給し当該モータを駆動する電力変換装置であって、パワーデバイスに寄生する浮遊インダクタンスが原因となってレベルシフト回路内で生じる逆サージ電流を阻止した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大容量のモータを駆動するため直流を交流に変換する電力変換装置が提案されている。この電力変換装置は、スイッチング半導体素子（パワーデバイス）であるバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＩＣ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子等を用いて電力変換回路をパッケージ化して構成し、当該電力変換回路のスイッチング半導体素子を駆動する駆動回路を付設している。当該電力変換装置は一般的にＩＰＭ（Intelligent Power Module）と呼ばれている。
【０００３】
従来の電力変換装置の一例を図３に示す。図３に示した電力変換装置の電気回路図は、特許文献１の図１に示された電気回路図を、細部をブロック図で簡略化し、その要部を示したものである。特許文献１はパワーデバイスの駆動回路を開示している。図３に示した電気回路は、ハーフブリッジ型パワーデバイス回路を含む電力変換装置である。
【０００４】
図３に示した電力変換装置１００では、負荷１０１に対して２つのパワーデバイス１０２，１０３が設けられている。負荷１０１は、モータを表す誘導性負荷である。パワーデバイス１０２，１０３はＩＧＢＴ等のスイッチング半導体素子である。２つのパワーデバイス１０２，１０３は、直流電流を供給する外部の直流電源１０４に対して、その高電位側端子Ｔ１と低電位側端子（接地端子）Ｔ２の間に直列に接続されている。パワーデバイス１０２のコレクタは直流電源１０４の高電位側端子Ｔ１に接続され、パワーデバイス１０３のエミッタは直流電源１０４の低電位側端子Ｔ２に接続されている。パワーデバイス１０２のエミッタとパワーデバイス１０３のコレクタとは中間の接続点Ｎ１で接続されている。この接続点Ｎ１の電位は基準電位となる。
【０００５】
パワーデバイス１０２は、上記基準電位と直流電源１０４の高電位との間でスイッチング動作（オン・オフ動作）を行い、「高電位側パワーデバイス」と呼ばれる。またパワーデバイス１０３は、直流電源１０４の低電位と上記基準電位との間でスイッチング動作（オン・オフ動作）を行い、「低電位側パワーデバイス」と呼ばれる。
【０００６】
２つのパワーデバイス１０２，１０３には、そのコレクタ・エミッタ間に、それぞれ、逆方向に転流ダイオード１０２ａ，１０３ａが接続されている。
【０００７】
上記の２つのパワーデバイス１０２，１０３が、電力変換装置１００において、上記のハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５を構成する。２つのパワーデバイス１０２，１０３の間の接続点Ｎ１を出力端子とし、この出力端子と直流電源１０４の接地端子の間に上記の負荷１０１が接続されている。
【０００８】
上記のハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５を３つ設け、各回路の出力端子（接続点Ｎ１）に個別に負荷を接続することにより、三相交流モータ等の負荷を接続することが可能となる。
【０００９】
上記のパワーデバイス１０２，１０３のそれぞれには個別に駆動回路１０６，１０７が設けられる。駆動回路１０６，１０７では、バッファ回路（Buff）１１１，１１２は、入力側部分に設けられたレベルシフト回路１１３のパルス信号を、ブロック図で簡略表現した中間回路１１４，１１５を経由して入力しかつ増幅し、パワーデバイス１０２，１０３のゲートにオン・オフ駆動信号として供給している。
【００１０】
近年の電力変換装置１００では、当該電力変換装置の動作精度を高め、その小型化を可能にし、長期的な動作信頼性を高めるという目的のため、駆動回路１０６，１０７でレベルシフト回路１１３が使用される傾向にある。さらに、駆動回路１０６には回路を動作可能状態にする固有の電源ＶＣＴおよびその低電位側端子ＧＮＴが設けられ、他方、駆動回路１０７にも回路を動作可能状態にする固有の電源ＶＣＣおよびその低電位側端子ＧＮＤが設けられている。
【特許文献１】特開平９−２０００１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の特許文献１に記載された電力変換装置１００を用いる場合、電力変換装置１００内に寄生する浮遊インダクタンス成分の影響により誤動作を生じるおそれがあった。この浮遊インダクタンス成分は、スイッチング半導体素子や回路パターンなどの様々な要因で発生する。図３では、特に、高電位側パワーデバイス１０２のエミッタ側の浮遊インダクタンス成分ＬｓＨと、低電位側パワーデバイス１０３のエミッタ側の浮遊インダクタンス成分ＬｓＬが示されている。これらの寄生の浮遊インダクタンス成分ＬｓＨ，ＬｓＬは、スイッチング半導体素子で形成されるパワーデバイス１０２，１０３がオン・オフ動作を行うときに、直流電源１０４の低電位側端子Ｔ２である接地電位に対してアンダーシュートを引き起こしていた。
【００１２】
例えば高電位側パワーデバイス１０２がターンオフする時には、浮遊インダクタンス成分ＬｓＨに蓄えられた磁束エネルギが解放される。解放された磁束エネルギは、破線１２１で示すごとく、負荷１０１、浮遊インダクタンス成分ＬｓＬ、逆サージ保護転流ダイオード１２２の順序で循環して流れる。このような循環電流１２１が発生する場合において、低電位側端子ＧＮＴの電位ＶＧＮＴ、低電位側端子ＧＮＤの電位ＶＧＮＤ、電源ＶＣＴの電圧値に関して、ＶＧＮＴ−ＶＧＮＤ＞ＶＣＴの電圧関係が生じると、レベルシフト回路１１３に逆サージ電圧が回り込む。このようにレベルシフト回路１１３に逆サージ電圧が回り込むと、レベルシフト回路１１３において、駆動回路１０７側の回路部分から駆動回路１０６側の回路部分に逆サージ電流１２３が流れ込む。レベルシフト回路１１３に逆サージ電流１２３が流れ込むと、レベルシフト回路１１３に誤動作を生じさせ、電子部品を破壊する場合もあった。
【００１３】
上記の逆サージ電圧がレベルシフト回路１１３に回り込む現象は、低電位側パワーデバイス１０３がターンオフする時にも、浮遊インダクタンス成分ＬｓＬに蓄積された磁気エネルギが解放されることにより、同様な条件にて起き得る。
【００１４】
本発明の目的は、上記の課題を鑑み、簡単な回路構成でレベルシフト回路に対する浮遊インダクタンス成分の影響を排除することができ、レベルシフト回路の誤動作や電子部品の破壊を防止することができる電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る電力変換装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１６】
本発明に係る電力変換装置（請求項１に対応）は、ハーフブリッジ型パワーデバイス回路と、第１および第２の駆動回路と、第１および第２の駆動回路の入力側部分に共通に設けられるレベルシフト回路と、第１および第２の電源と、レベルシフト回路内で逆サージ現象に起因する電流が流れるのを阻止する阻止ダイオードを備える。ハーフブリッジ型パワーデバイス回路は、直列に接続された高電位側スイッチング半導体素子と低電位側スイッチング半導体素子から成り、それらの中間接続点に負荷が接続され、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換して負荷に供給する。第１駆動回路は高電位側スイッチング半導体素子のゲートにオン・オン駆動信号を与え、第２駆動回路は低電位側スイッチング半導体素子のゲートにオン・オフ駆動信号を与える。第１電源は、第１駆動回路およびレベルシフト回路の第１駆動回路側部分を動作可能状態にし、第２電源は、第２駆動回路およびレベルシフト回路の第２駆動回路側部分を動作可能状態にする。さらに上記の阻止ダイオードは、高電位側スイッチング半導体素子または低電位側スイッチング半導体素子がターンオフした時、高電位側スイッチング半導体素子の浮遊インダクタンス成分または低電位側スイッチング半導体素子の浮遊インダクタンス成分から流れ出る電流が、レベルシフト回路内で第１駆動回路側部分から第２駆動回路側部分へ流れるのを阻止する機能を有する。
【００１７】
上記電力変換装置では、レベルシフト回路内に逆サージ電流阻止用のダイオードを設けたため、スイッチング半導体素子に寄生する浮遊インダクタンス成分に起因してレベルシフト回路内で逆サージ電流が流れるのを確実に防止し、不具合発生を防止し得る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高電位側スイッチング半導体素子と低電位側スイッチング半導体素子から成るハーフブリッジ型パワーデバイス回路と、高電位側スイッチング半導体素子用の第１駆動回路と、低電位側スイッチング半導体素子用の第２駆動回路と、これらの第１と第２の駆動回路の入力側部分に共通に設けられるレベルシフト回路とを備える電力変換装置において、高電位側スイッチング半導体素子等がターンオフした時、その浮遊インダクタンス成分から流れ出る電流がレベルシフト回路内で流れるのを阻止する阻止ダイオードを設けたため、簡単な回路構成でレベルシフト回路に対する浮遊インダクタンス成分の影響を排除することができ、レベルシフト回路の誤動作や電子部品の破壊を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る電力変換装置の全体的な基本的回路構成を示す。図１では、ブロック表現によって半導体集積回路（ＩＣ）１０を示している。この半導体集積回路１０はスイッチング半導体素子であるＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ等をオン・オフ駆動するための制御用ＩＣである。この半導体集積回路１０は、モータである誘導性負荷１１に駆動電流を供給するハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２のパワーデバイス１２ａ，１２ｂのオン・オフ動作を制御する。ハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２は、直流電源の直流電圧ＶＤ  によって供給される直流電流を、パワーデバイス１２ａ，１２ｂのオン・オフによるスイッチング動作によって交流電流に変換し、誘導性負荷１１に給電する。パワーデバイス１２ａ，１２ｂは特にＩＧＢＴ等のスイッチング半導体素子が使用される。パワーデバイス１２ａ，１２ｂの各エミッタ・コレクタ間には転流ダイオード１３ａ，１３ｂが逆方向で接続されている。図１中上側に位置する直流電源側のパワーデバイス１２ａは高電位側パワーデバイスであり、下側に位置する接地側のパワーデバイス１２ｂは低電位側パワーデバイスである。
【００２１】
半導体集積回路１０は、その高電位側出力端子ＨＯから抵抗１４を介してパワーデバイス１２ａのゲートに駆動用ゲート電圧を供給し、またその低電位側出力端子ＬＯから抵抗１５を介してパワーデバイス１２ｂのゲートに駆動用ゲート電圧を供給する。
【００２２】
上記において、ハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２と、このハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２内のパワーデバイス１２ａ，１２ｂをオン・オフ駆動する半導体集積回路１０とによって、電力変換装置が構成される。
【００２３】
本発明に係る電力変換装置では、後述するように、駆動回路を含む半導体集積回路１０の中に、当該半導体集積回路１０に内蔵されるレベルシフト回路内に逆サージ電流が流れ込むのを阻止するための逆サージ阻止用のダイオードを追加した点に特徴を有している。当該ダイオードを追加するため、半導体集積回路１０を作製するためのＩＣ設計が変更される。
【００２４】
次に、図２に従って本発明の実施形態に係る電力変換装置の具体的な構成を説明する。図２に示した電力変換装置２０の電気回路の基本的な構成は、図３に示した従来の電力変換装置１００の電気回路の構成と同じである。従って図２において、図３で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図２に示した電気回路は、図１で説明したハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２を含む電力変換装置を示している。
【００２５】
図２に示した電力変換装置２０では、負荷１０１に対して２つのパワーデバイス１０２，１０３が設けられている。負荷１０１は、モータを表す誘導性負荷である。パワーデバイス１０２，１０３はＩＧＢＴ等のスイッチング半導体素子である。２つのパワーデバイス１０２，１０３は、直流電流を供給する外部の直流電源１０４に対して、その高電位側端子Ｔ１と低電位側端子（接地端子）Ｔ２の間に直列に接続されている。パワーデバイス１０２のコレクタは直流電源１０４の高電位側端子Ｔ１に接続されており、パワーデバイス１０３のエミッタは直流電源１０４の低電位側端子Ｔ２に接続されている。パワーデバイス１０２のエミッタとパワーデバイス１０３のコレクタとは中間の接続点Ｎ１で接続されている。この接続点Ｎ１の電位は基準電位となる。
【００２６】
パワーデバイス１０２は、高電位側パワーデバイスであり、上記基準電位と直流電源１０４の高電位との間でスイッチング動作（オン・オフ動作）を行う。またパワーデバイス１０３は、低電位パワーデバイスであり、直流電源１０４の低電位と上記基準電位との間でスイッチング動作（オン・オフ動作）を行う。２つのパワーデバイス１０２，１０３には、そのコレクタ・エミッタ間に、それぞれ、逆方向に転流ダイオード１０２ａ，１０３ａが接続されている。
【００２７】
上記の２つのパワーデバイス１０２，１０３は、ハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５を構成する。このハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５は、図１で説明したハーフブリッジ型パワーデバイス回路１２に対応している。また、パワーデバイス１０２は図１のパワーデバイス１２ａに対応し、パワーデバイス１０３は図１のパワーデバイス１２ｂに対応している。
【００２８】
２つのパワーデバイス１０２，１０３の間の接続点Ｎ１を出力端子とし、この出力端子と直流電源１０４の接地端子の間に上記の負荷１０１が接続されている。上記のハーフブリッジ型パワーデバイス回路１０５を３つ設け、各回路の出力端子（接続点Ｎ１）に個別に負荷を接続することにより、三相交流モータ等の負荷が接続される。
【００２９】
上記のパワーデバイス１０２，１０３のそれぞれには個別に駆動回路１０６，１０７が設けられる。駆動回路１０６，１０７において、バッファ回路（Buff）１１１，１１２は、入力側部分に共通的に設けられたレベルシフト回路１１３のパルス信号を、ブロック図で簡略表現した中間回路１１４，１１５を経由して入力しかつ増幅し、パワーデバイス１０２，１０３のゲートにオン・オフ駆動信号として供給している。駆動回路１０６には当該回路を動作可能状態にする固有の電源ＶＣＴおよびその低電位側端子ＧＮＴが設けられ、他方、駆動回路１０７にも当該回路を動作可能状態にする固有の電源ＶＣＣおよびその低電位側端子ＧＮＤが設けられている。
【００３０】
上記駆動回路１０６，１０７について、ブロック３０の電気回路部分は、前述した半導体集積回路（制御用ＩＣ）として形成される部分である。従って、駆動回路１０６のバッファ回路１１１以外の回路部分、および駆動回路１０７のバッファ回路１１２以外の回路部分は、共通の半導体集積回路３０内に形成されている。従って、上記のレベルシフト回路１１３、中間回路１１４，１１５等は半導体集積回路３０内の回路として形成される。
【００３１】
高電位側パワーデバイス１０２のエミッタ側には寄生する浮遊インダクタンス成分ＬｓＨが接続されており、低電位側パワーデバイス１０３のエミッタ側には寄生する浮遊インダクタンス成分ＬｓＬが接続されている。
【００３２】
また、駆動回路１０７の低電位側端子ＧＮＤから駆動回路１０６の低電位側端子ＧＮＴに向かって逆サージ保護転流ダイオード１２２が順方向にて接続されている。さらに、半導体集積回路３０内のシフトレベル回路１１３において、駆動回路１０７側の回路部分と駆動回路１０６側の回路部分との間を接続する電気配線にダイオード２１が逆方向にて接続されている。このダイオード２１は、レベルシフト回路１１３内において、駆動回路１０７の低電位側端子ＧＮＤから駆動回路１０６の回路部分に対して逆サージ電流が流れるのを阻止するためのダイオードである。
【００３３】
上記の電力変換装置２０では、例えば高電位側パワーデバイス１０２がターンオフすると、浮遊インダクタンス成分ＬｓＨに蓄えられた磁束エネルギが解放され、破線１２１で示すごとく、負荷１０１、浮遊インダクタンス成分ＬｓＬ、逆サージ保護転流ダイオード１２２の順序で流れる循環電流１２１が発生する。この場合に、低電位側端子ＧＮＴの電位ＶＧＮＴ、低電位側端子ＧＮＤの電位ＶＧＮＤ、電源ＶＣＴの電圧値（ＶＣＴ）に関して、ＶＧＮＴ−ＶＧＮＤ＞ＶＣＴの関係が生じると、レベルシフト回路１１３に逆サージ電圧が回り込む。レベルシフト回路１１３に逆サージ電圧が回り込むと、レベルシフト回路１１３において、駆動回路１０７側の回路部分から駆動回路１０６側の回路部分に逆サージ電流１２３が流れ込む。しかしながら、上記電力変換装置２０によれば、逆サージ電流阻止用のダイオード２１を設けたため、レベルシフト回路１１３における駆動回路１０７側の回路部分から駆動回路１０６側の回路部分への逆サージ電流１２３の流れ込みを阻止することができる。
【００３４】
上記のごとく、本実施形態に係る電力変換装置２０によれば、レベルシフト回路１１３にダイオード２１を設けたため、逆サージ電流１２３の流れを阻止でき、逆サージ電流１２３が原因でレベルシフト回路１１３に誤動作を生じたり、電子部品が破壊されるのを確実に防止することができる。
【００３５】
図１で説明した半導体集積回路１０に関して、実際の制御用ＩＣでは、例えば、高電位側パワーデバイス１２ａを駆動するための上アーム出力部を含む上アームドライブ回路、低電位側パワーデバイス１２ｂを駆動するための下アームドライブ回路、さらにレベルシフト回路を内蔵する。またレベルシフト回路では、レベルシフトアップ回路とレベルシフトダウン回路を有している。制御用ＩＣでは、レベルシフトアップ回路とレベルシフトダウン回路のそれぞれに前述の逆サージ電流阻止用のダイオード２１が所要数設けられる。
【００３６】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、材質、および配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、直流電流を交流電流を変換して大容量のモータ等に供給し当該モータを駆動するのに利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る電力変換装置の基本的な回路構成を示す電気回路図である。
【図２】本発明に係る電力変換装置の実施形態を示す電気回路図である。
【図３】従来の電力変換装置を示す電気回路図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０            半導体集積回路
１１            負荷
１２            ハーフブリッジ型パワーデバイス回路
１２ａ，１２ｂ  パワーデバイス
１３ａ，１３ｂ  転流ダイオード
２０            電力変換装置
２１            ダイオード
３０            半導体集積回路
１０１          負荷
１０２，１０３  パワーデバイス
１０６，１０７  駆動回路
１１３          レベルシフト回路
１２３          逆サージ電流
【図１】
2007104829.tif 000003
【図２】
2007104829.tif 000004
【図３】
2007104829.tif 000005