ROHM Solution Simulator
Power Device ユーザーズガイド(インバータ編)

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Power Device ユーザーズガイド (インバータ編)
はじめに
本ユーザーズガイドは、「Power Device Solution circuit」のインバータ回路を存分に活用していただくために、各パラメータの基本的な調整方法やノウハウをまとめたものです。インバータ回路を設計する上でボトルネックとなりそうなテーマごとに、具体的な解決方法を紹介しておりますので、「うまく動かない」 「もっと条件を最適化したい」時などの参考としてご活用ください。

目次■ 1. インバータ回路一覧

・・・・・・・ p.1■ 2. trr の影響

・・・・・・・ p.2■ 3. 損失分析による最適デバイスの選定

・・・・・・・ p.4■ 4. ハーフブリッジとフルブリッジの特徴

・・・・・・・ p.7

1. インバータ回路一覧
Table 1.に「Power Device Solution circuit」に予め用意してあるインバータ回路をまとめます。ここでは、一般的な単相ハーフブリッジ、フルブリッジをはじめ、3相、3レベル、およびIHやモータドライブなど、アプリケーション別にリファレンス回路を用意しておりますので、用途に合わせてご活用ください。

分類管理 No

回路仕様

B-1

IH Half-Bridge Inverter Po=10kW

B-2

IH Full-Bridge Inverter Po=20kW

Half-Bridge Inverter

B-3

Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

Full-Bridge Inverter

B-4

Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

1-Phase 3Wire Inverter

B-5

1-Phase 3-Wire Inverter Vo=100/200V Po=20kW

B-6

3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kWB-7

3-Phase 4-Wire Inverter Vo=115/200V Po=20kW

B-8

Motor Drive 2-Phase-Modulation Po=10kW

B-9Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

B-10Motor Drive Step-Modulation Po=5kW

B-113-level Inverter type-T Vo=200V Io=50A

B-123-level Inverter type-I Vo=200V Io=50A

IH Inverter

3-Phase Inverter

Motor Drive

3-level Inverter

Table 1. Power Device Solution Circuit インバータ回路一覧© 2021 ROHM Co., Ltd.

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2. trrの影響
ここではインバータ回路において重要な特性であるtrrの影響について説明します。

2-1. 回路例
Figure 1.の回路「Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW」を例に説明します。

Figure 1. 回路例 Ｂ-6. 3-Phase 3-Wire Inverter Vo=200V Po=5kW2-2. trr特性の重要性
Figure 2.に、本回路におけるスイッチング時の電流経路を示します。
インバータ回路では、供給する電力を調整するため、PWM,PFMなどの制御でＨigh side と Low sideのデバイスを交互にON/OFFさせる①~⑤の動作が繰り返されます。この④⇒⑤の動作ではHigh sideがOFF⇒ONするタイミングでLow sideの内部ダイオードにリカバリ電流が流れるため、赤線で示した貫通電流が流れます。

Figure 2. スイッチング時の電流経路© 2021 ROHM Co., Ltd.

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このリカバリ電流については、発生した還流側デバイス自身の損失への影響は小さいですが、Figure 3.のようにスイッチング側デバイスでは、VDS 変化の前に通常のスイッチング電流に上乗せされる形でリカバリ電流が流れるため、非常に大きなTurn ON 損失となります。よって、インバータ回路におけるスイッチングデバイスは、trr 特性の良いものを選定することが重要となります。

Figure 3. スイッチング側デバイスターンオン波形

2-3. trr特性差の比較
Figure 4.に、B-6回路における一般的なダイオード(R6047KNZ4)と高速ダイオード(R6050JNZ4)を搭載したスイッチ側デバイスのTurnON波形を示します。前述の通り、trr特性の違いによりTurn ON損失に顕著な差が出ており、高速ダイオードのR6050JNZ4の方が、R6047KNZ4に比べて、Turn ON損失を約1/5に低減することができます。

Figure 4. 一般ダイオード品/高速ダイオード品 シミュレーション波形比較

また、インバータ回路動作全体を通して MOSFET の損失を分析すると、Figure 5.に示すように、trr による損失が大きく影響することがわかります。
このことからもインバータ回路では高速ダイオードを選定することが重要と言えます。

Figure 5. 一般ダイオード品/高速ダイオード品損失分析© 2021 ROHM Co., Ltd.

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3. 損失分析による最適デバイスの選定
ここではデバイスの損失について、スイッチング損失と導通損失に分けて分析することで最適なデバイスを選定する方法を紹介します。

3-1. 回路例
Figure 6.の回路「B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW」を例に説明します。黄色BOX部の条件をそれぞれ変更し、パワーデバイスを変更して最適なデバイスを検討します。

Figure 6. 回路例 B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW

3-2. 損失分析の方法
Figure 7.に、MOSFETのスイッチング時のVDS、ID、損失(Pd)、および損失を時間積分したエネルギー(E)のシミュレーション波形を示します。
ROHM Solution Simulatorでは、波形の演算機能“Waveform Analyzer”を使って損失を積分することで、エネルギー波形を容易に出力することができます。このエネルギー波形を見ると、スイッチング区間(Eon,Eoff)、および導通区間(Econd)の消費エネルギーが一目でわかります。また、カーソルの差分を読むことで、数値として出すこともできます。
DCDCコンバータのように入出力が一定の場合は、1周期のエネルギーにスイッチング周波数を掛けることでスイッチング損失と導通損失をそれぞれ算出することができます。

Figure 7. DCDC コンバータ回路の MOSFET 波形© 2021 ROHM Co., Ltd.

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しかしながら、インバータ回路については Figure 8.に示すように負荷が変動するため、一部のスイッチング波形だけを見ても回路動作全体の損失を算出することはできません。
このように、デバイスの損失が一定でない回路動作については、損失波形を場合分けして、任意の部分だけ抜き出すことで、導通損失とスイッチング損失に切り分けて考えることができます。

Figure 8. インバータ回路の MOSFET 波形

Figure 9.の黄色線は導通損失を抜き出した波形です。
ここで行った場合分けは、導通損失のみを抜き出すために、「VGS が High」 且つ、「電力が導通損失の最大値以下」 となる場合の電力を抽出しています。任意の波形が抽出できたら、1 周期の平均値を出して損失の割合を分析します。Figure 9.の場合、トータル損失 29.5W、導通損失 20.5W なので、スイッチング損失は 9.0W。よって、損失の割合は、導通損失 70%、スイッチング損失 30% ということがわかります。

Figure 9. インバータ回路の MOSFET 波形(導通損失抽出)

上記の例では、スイッチング損失と導通損失のみに分けましたが、場合分けの条件を細かく設定することで、ターンオン損失、ターンオフ損失、リカバリ損失、寄生ダイオード損失等、損失をより細分化することも可能です。

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3-3. 最適なデバイスの検討
3-1 の回路 「B-9. Motor Drive 3-Phase-Modulation Po=10kW」 において、パワーデバイスを変化したときの、各デバイスの損失分析結果を Figure 10.に示します。
R60**JNZ4 の『**』は電流定格を表しており、電流定格が上がるほど導通損失が下がり、逆に電流定格が下がるほどスイッチング損失が下がるという傾向を確認することができます。今回の回路条件で低損失なデバイスを選定する場合、R6030JNZ4 が最適なデバイスといえます。

Figure 10. MOSFET 損失分析結果© 2021 ROHM Co., Ltd.

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4. ハーフブリッジとフルブリッジの特徴
ここではハーフブリッジインバータ回路とフルブリッジインバータ回路、それぞれの特徴について説明します。

4-1. 回路例
Figure 11.の回路 「 B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A 」と、Figure 12.の回路 「 B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A 」を例に説明します。

Figure 11. 回路例 B-3. Half-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A

Figure 12. 回路例 B-4. Full-Bridge Inverter Vo=200V Io=100A© 2021 ROHM Co., Ltd.

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4-2. ハーフブリッジとフルブリッジの特徴
Table 2.に、ハーフブリッジインバータ回路とフルブリッジインバータ回路の特徴を示します。

Table 2. ハーフブリッジとフルブリッジの特徴条件にもよりますが、回路の特徴を考えると、ハーフブリッジは低電圧/大電流用途、フルブリッジは高電圧/大電力用途に適しているといえます。

4-3. ハーフブリッジとフルブリッジの動作比較
Figure 13.に、4-1の回路におけるイニシャル状態(Vin=500V)でのモジュールの損失を比較した結果を示します。

Figure 13. ハーフブリッジ回路,フルブリッジ回路のモジュール損失比較

損失を比較すると、ハーフブリッジはスイッチデバイスに2電源分の電圧がかかるためスイッチング損失が大きく、1モジュール当たりの損失はフルブリッジよりも高くなっています。一方、トータル損失で見ると、それ以上に2モジュール分の導通損失の方が大きいためフルブリッジの方が損失は高くなっています。

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次に、ハーフブリッジのVin=500Vが、1電源しかない場合を想定し、Vin=250V×2に分割するとどうなるか見てみます。
Figure 14.は、Vin=500V×2とVin=250V×2の出力波形を示しています。これを見ると、Vin=250V×2の方は、Voが250Vで頭打ちになっていることがわかります。これは前述しましたハーフブリッジのデメリットである1電源分の電圧までしか出力できないことが原因です。出力電圧の設定
Vo=200Vは実効値であり、ピーク電圧としては282Vとなるので、Vin=250V×2では電圧が不足しています。
Vin=500V×2

Vin=250V×2

Figure 14. ハーフブリッジ出力波形

このようにハーフブリッジとフルブリッジには、それぞれメリット,デメリットがあり、どちらが良いかは一概には言えません。
それぞれの特徴を理解し、用途に応じて適切に使い分けることが重要です。

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