JP2017112746A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
本発明は3レベル形回路のスイッチング素子の損失を低減する、もしくは電力変換装置の小型化を図ることを目的とする。
【解決手段】
直流電源の高電位端子と低電位端子の間にそれぞれ直列接続された第一乃至第4のスイッチング素子を備え、高電位と中間電位と低電位を出力する3レベル電力変換装置であって、中央側に接続される第二及び第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成されることを特徴とする。
【選択図】図1
本発明は3レベル形回路のスイッチング素子の損失を低減する、もしくは電力変換装置の小型化を図ることを目的とする。
【解決手段】
直流電源の高電位端子と低電位端子の間にそれぞれ直列接続された第一乃至第4のスイッチング素子を備え、高電位と中間電位と低電位を出力する3レベル電力変換装置であって、中央側に接続される第二及び第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、交流を直流、または直流を交流に変換する電力変換装置に関し、特に3レベル電力変換装置に関するものである。
現在、高電圧の電力変換システムにはパワー半導体をスイッチング素子に使った電力変換回路が広く使われている。これらの高電圧の電力変換回路には2レベル形回路と3レベル形回路がある。2レベル形回路は回路構成がシンプルで部品点数が少ないことから、装置の小型軽量化が重視される場合に用いられる。一方、3レベル形回路は交流出力波形の歪が少なく低ノイズ・低騒音であることや、低耐圧のスイッチング素子を組み合わせることで回路を構成でき、高耐圧の特殊なスイッチング素子を必要としない等の特徴があり、鉄道車両の駆動装置や鉄鋼の圧延機のドライブシステムなどに用いられている。
近年、省エネの観点から電力変換システムの高効率化が強く求められており、上述の3レベル形回路においても、ワイドバンドギャップ半導体を材料に使った低損失なスイッチング素子の適用が始まっている。
図6に3レベル形回路の一例を示す。図6において、10〜13はMOSFET、14〜17はフリーホイールダイオード、18、19はクランプダイオード、20及び21は直流電源コンデンサ、151〜154はゲート駆動回路である。
一般に3レベル形回路は4直列の両端の素子、すなわちMOSFET10とMOSFET13はスイッチング時発生する損失、いわゆるスイッチング損失が多く、一方内側のMOSFET11とMOSFET12は電流が流れているときに発生する導通損失が多い。なぜならば、MOSFET11とMOSFET12は自身の導通期間だけでなく、MOSFET10とMOSFET13の導通期間にも必ず電流が流れているため、相対的にMOSFET11、MOSFET12の方が通電時間が長く、導通損失の比率が高くなる。
また、ダイオードに流れている電流が他の素子に転流しダイオードがオフ状態に戻る際に発生するいわゆるリカバリ損失も、フリーホイールダイオード14と17、クランプダイオード18、19には生じるがフリーホイールダイオード15と16には発生しない。
以上のように、3レベル回路は素子の接続位置により損失の発生が異なるという特徴があるため前述した低損失なワイドバンドギャップ半導体を回路の全素子に適用しても期待した損失低減効果を得られない。
この問題に対して、特許文献1ではダイオードのリカバリ損失に着目し、リカバリ損失が発生するダイオードにワイドバンドギャップ半導体を使用することでリカバリ損失を低減する手法を提案している。
しかしながら、上述の特許文献1ではダイオードのリカバリ損失は低減できるが、スイッチング素子の損失は低減できない。また、3レベル形の電力変換装置の小型化が十分ではないという課題がある。
本発明は3レベル形回路のスイッチング素子の損失を低減する、もしくは電力変換装置の小型化を図ることを目的とする。
上記課題を解決するために、たとえば特許請求の範囲の構成を使用する。
その一例を挙げるならば、
直流の高電位を与える高電位端子と直流の低電位を与える低電位端子と前記高電位と前記低電位との中間の電位である中間電位を与える中間電位端子とを備えた直流電源と、前記直流電源が与える三つの電位を順次出現させる交流端子と、前記高電位端子と一方の主端子で接続された第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第二のスイッチング素子と、前記第二のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第三のスイッチング素子と、前記第三のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記低圧電位端子と他方の主端子接続された第四のスイッチング素子と、当該第一のスイッチング素子に逆並列接続された第一のショットキーバリアダイオード素子と、前記第四のスイッチング素子に逆並列接続された第四のショットキーバリアダイオード素子と、前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第五のショットキーバリアダイオード素子と、前記第四のスイッチング素子の一方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第六のショットキーバリアダイオード素子と、を備え、前記第二のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子の接続点が交流端子に接続された電力変換装置であって、前記第二及び前記第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成される。
直流の高電位を与える高電位端子と直流の低電位を与える低電位端子と前記高電位と前記低電位との中間の電位である中間電位を与える中間電位端子とを備えた直流電源と、前記直流電源が与える三つの電位を順次出現させる交流端子と、前記高電位端子と一方の主端子で接続された第一のスイッチング素子と、前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第二のスイッチング素子と、前記第二のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第三のスイッチング素子と、前記第三のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記低圧電位端子と他方の主端子接続された第四のスイッチング素子と、当該第一のスイッチング素子に逆並列接続された第一のショットキーバリアダイオード素子と、前記第四のスイッチング素子に逆並列接続された第四のショットキーバリアダイオード素子と、前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第五のショットキーバリアダイオード素子と、前記第四のスイッチング素子の一方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第六のショットキーバリアダイオード素子と、を備え、前記第二のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子の接続点が交流端子に接続された電力変換装置であって、前記第二及び前記第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成される。
または、第五のショットキーバリアダイオード素子と第六のショットキーバリアダイオード素子に代えて、前記中間電位端子と一方の主端子で接続される第五のスイッチング素子と、前記第五のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記交流端子と他方の主端子で接続され、前記第五のスイッチング素子と通流方向が逆となる向きに接続される第六のスイッチング素子を備える。
本発明によれば、3レベル形主回路の中央側の二つのスイッチング素子のボディダイオードをフリーホイールダイオードとして使うことにより、当該中央側のスッチング素子の面積を大きくして、スイッチング素子の損失を低減する、若しくは、電力変換装置の小型化を実現できるという効果がある。
以下、実施例を図面を用いて説明する。
図1は本発明の実施例1の電力変換装置の構成例である。
図1において30及び31は直流電源コンデンサ、1〜4はMOSFETモジュール、101〜104はMOSFET素子、105〜108はMOSFET素子の内蔵ダイオード、111、112はMOSFET素子と逆並列に接続されるフリーホイールダイオード素子、113、114はクランプダイオードモジュール、151〜154はゲート駆動用のゲートドライバである。MOSFET素子101〜104とフリーホイールダイオード素子111、112は導通極性が逆となるように並列に接続されている。
二つの直流電源コンデンサ30及び31は互いに直列に接続されて直流電源を構成している。また、MOSFETモジュール1〜4は互いに直列接続されており、直流電源の高圧側から低圧側へ、MOSFETモジュール1、2、3、4の順で直列接続される。更に、クランプダイオードモジュール113、114は直列接続されており、クランプダイオードモジュール113と114の接続点は、二つの直流電源コンデンサ30と31の中間点に接続される。クランプダイオード113の一端はMOSFETモジュール1と2の間に接続され、MOSFETモジュール1、2の接続点から直流電源の中間点への電流を阻止する向きで接続される。また、クランプダイオード114の一端は、MOSFETモジュール3と4の間に接続され、直流電源の中間点からMOSFETモジュール3、4の接続点への電流を阻止する向きで接続される。
MOSFETモジュール1〜4は、ゲート端子とドレイン端子とソース端子とを備える三端子半導体素子であり、ゲート電圧でドレイン電流を制御するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電圧制御素子である。また、MOSFET素子101〜104は、MOSFETモジュール1〜4の内部に一個あるいは複数個並列に配置されたMOSFETチップである。フリーホイールダイオード111、112は、アノードとカソードとを備える二端子形のショットキーバリアダイオードであり、アノードからカソードに電流が流れる。また、フリーホイールダイオード111、112は、MOSFETモジュール1、4の内部にMOSFET素子101、104と共に配置される。
MOSFETモジュール1〜4は、ゲート端子とドレイン端子とソース端子とを備える三端子半導体素子であり、ゲート電圧でドレイン電流を制御するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の電圧制御素子である。また、MOSFET素子101〜104は、MOSFETモジュール1〜4の内部に一個あるいは複数個並列に配置されたMOSFETチップである。フリーホイールダイオード111、112は、アノードとカソードとを備える二端子形のショットキーバリアダイオードであり、アノードからカソードに電流が流れる。また、フリーホイールダイオード111、112は、MOSFETモジュール1、4の内部にMOSFET素子101、104と共に配置される。
本回路の動作を説明する。本回路はMOSFET素子101、102がオン、103、104がオフしている場合にプラスの電圧(P点電圧)が交流端子に現れ(動作1)、MOSFET素子102、103がオン、101、104がオフの場合には中間点の電圧(C点電圧)が交流端子に現れ(動作2)、MOSFET素子101、102がオフ、MOSFET素子103、104がオンしている場合にはマイナスの電圧(N点電圧)が交流端子に現れる(動作3)構成となっている。
次にダイオードのリカバリ損失について述べる。通電状態のダイオードは外部から印加される電圧の極性が反転し逆方向電圧が印加されると電流が切れて、電圧が印加される。この動作をリカバリ動作と呼ぶ。PN形のダイオードの場合にはリカバリ動作においてダイオードの内部に蓄積された電荷が排出されて一時的に逆方向電流が流れ損失を発生させる。これをリカバリ損失と呼ぶ。このため、本実施例ではリカバリ動作の起こるダイオード、具体的にはMOSFETチップ101、104と逆並列のフリーホイールダイオードとクランプダイオードモジュール113、114には、ダイオード内部に電荷の蓄積のないショットキーバリアダイオードを適用してリカバリ損失を低減している。
一方、MOSFET素子102、103と逆並列に接続されるフリーホイールダイオードにはリカバリ動作が起きないため、ショットキーバリアダイオードを用いる必要は無い。本実施例では、MOSFET素子102、103に内蔵されたPN形ダイオード106、107をフリーホイール用に使うことでショットキーバリアダイオードをMOSFET素子に逆並列に接続することなく3レベル主回路を構成できる。
なお、MOSFETに内蔵されるPN形ダイオードはMOSFET素子101、104にも存在するため、リカバリ動作の発生するMOSFET101,104には本発明で示したように逆並列のショットキーバリアダイオード111、112を接続してリカバリ損失を低減する構成が好ましい。
図1では、電力変換装置の1相分の回路を示しているが、モータ等の3相の負荷へ電力を供給する場合には、図1に示す回路を3相分備えて、3つの交流端子から3相交流を出力する。
図2bに本実施例におけるスイッチングモジュールの構造図の一例であり、MOSFETモジュール内部の素子のチップの配置を示している。
図2aはモジュール基板上にMOSFETチップ及びショットキーバリアダイオードチップを搭載した場合のMOSFETモジュール内部のチップ配置を、図2bはモジュール基板上にショットキーバリアダイオードチップを搭載しない場合のMOSFETモジュール内部のチップ配置を示す。図2a、図2bにおいて1000はMOSFETチップ、1100はショットキーバリアダイオードチップ、1200はモジュールの基板を示している。
前述のように図1に示したMOSFETモジュール2、3にはリカバリ動作が発生しないため、ショットキーバリアダイオードは不要である。そのため、フリーホイールダイオードとしてMOSFET素子内蔵のPNダイオードを使用する。ここで、フリーホイールダイオードとしてMOSFET素子内蔵のPNダイオードを使用した場合には、図2bに示すように、ショットキーバリアダイオードチップを使用しないことにより空いた基板上のスペースにMOSFETチップを配置とすることができるため、図2bに示すMOSFETモジュールでは、同じモジュールのサイズで図2aに示すMOSFETモジュールよりもMOSFETのチップの数を1.5倍に増やすことが可能となる。
チップの数が1.5倍となるとMOSFET素子の導通時の抵抗を1/1.5に低減でき、MOSFETモジュール2、3の導通損失低減に効果がある。
図2bではMOSFET素子のチップの数を1.5倍に増やす場合を例に挙げて説明したが、チップ数は変えずにMOSFET素子のチップの大きさを大きくすることによっても同様の導通損失低減効果を得ることができる。本実施例では、図1に示すMOSFETモジュール1、4では、図2aに示すようにMOSFETチップ及びショットキーバリアダイオードチップを搭載することで、リカバリ損失が発生する部分にショットキーバリアダイオードを搭載してリカバリ損失の低減さえ、かつ、図1に示すMOSFETモジュール2、3では、内蔵ダイオードをフリーホイールダイオードとして利用すして、図2bに示すようにMOSFETチップの面積をMOSFETモジュール1、4よりも広く、もしくはMOSFETチップの数をMOSFETモジュール1、4よりも増やしてMOSFETモジュール2、3の導通損失を低減させることができる。
なお、MOSFETチップ及びショットキーバリアダイオードチップの材料にはシリコンの他、SiCやGaNなどのワイドバンドギャップ半導体を適用することも出来る。MOSFETチップの材料にワイドバンドギャップ半導体を用いた場合には、更に導通抵抗が低減可能で、MOSFET素子101〜104全てで導通抵抗を低減できる。
ショットキーバリアダイオードにワイドバンドギャップ半導体を適用すると600Vを超える高耐圧のショットキーバリアダイオードが製作可能となり、鉄道駆動用や鉄鋼の圧延機制御用、風力発電用などの変換回路への適用が可能となる。
実施例1では、MOSFETモジュール2,3の内蔵ダイオードをフリーホイールダイオードとして利用することにより、MOSFET素子のチップの面積を大きくしてMOSFETモジュール2、3の導通損失を低減させる実施形態を説明したが、本実施例では、MOSFETモジュール2,3の内蔵ダイオードをフリーホイールダイオードとして利用することにより、MOSFETモジュール内のショットキーバリアダイオード210をクランプダイオード113,114として使用することにより、電力変換装置の小型化を達成しようとする実施形態を説明する。
本実施形態では実施例1と異なる構成のみを説明し、同一の符号が付された構成は実施例1と同じ構成であるものとする。
本実施形態では実施例1と異なる構成のみを説明し、同一の符号が付された構成は実施例1と同じ構成であるものとする。
図3a及び図3bに実施例2におけるMOSFETモジュールの回路図の一例を、図4に図3に示すMOSFETモジュールを用いた回路図の一例を示す。
図3a及び図3bにおいて、200はMOSFET素子、210はショットキーバリアダイオード素子、300はMOSFETモジュールのパッケージである。また、図4においては図1〜3と同じ要素については同一の符号を付してある。図4における401、402はMOSFETモジュールを示している。
図3aに示すMOSFETモジュール300では、MOSFET素子のドレイン端子、ショットキーバリアダイオード素子のカソード端子、MOSFET素子のソースとショットキーバリアダイオード素子のアノードが接続された端子の3端子を有している。一方、図3bに示すMOSFETモジュール300の特徴は、図3bに示すように逆並列のショットキーバリアダイオード210のアノード端子をMOSFET素子のソースから独立して有している点にある。この構成によれば、MOSFET素子とショットキーバリアダイオード素子を電力変換回路上の異なる電位の点に配置することが可能となる。
図3bに示すMOSFETモジュールを3レベル主回路に適用した回路構成の例を図4に示す。図4に示す回路構成では、図1におけるMOSFETモジュール2、3に代えて、図3bに示すMOSFETモジュールを適用することにより、中央側のMOSFET素子102、内蔵ダイオード106、ショットキーバリアダイオード113を共通のMOSFETモジュール401で構成することができる。また、同様にMOSFET素子103、内蔵ダイオード107、ショットキーバリアダイオード114を共通のMOSFETモジュール402で構成することができる。
MOSFETモジュール401、402内のショットキーバリアダイオード210をクランプダイオード113,114として使用することにより、従来は別途必要であったクランプダイオードモジュールを削除することができるため、電力変換装置の部品点数を低減できる。 本実施例により、3レベル主回路の構成が簡素化でき小型軽量化に効果がある。
MOSFETモジュール401、402内のショットキーバリアダイオード210をクランプダイオード113,114として使用することにより、従来は別途必要であったクランプダイオードモジュールを削除することができるため、電力変換装置の部品点数を低減できる。 本実施例により、3レベル主回路の構成が簡素化でき小型軽量化に効果がある。
実施例1では、二つのクランプダイオード113、114を用いた3レベル形回路に本発明を適用した例を説明したが、本発明は図5に示すようなT形3レベル回路にも適用することも可能である。本実施例では、図5に示すようなT形3レベル回路に本発明を適用した実施形態を説明する。なお、本実施形態では実施例1と異なる構成のみを説明し、同一の符号が付された構成は実施例1と同じ構成であるものとする。
図5に示す回路では、図1の二つのクランプダイオード113、114に代えて、MOSFETモジュール5,6を利用する。MOSFETモジュール5,6は、MOSFET素子の通流方向が互いに逆方向となるように接続されている。また、各MOSFETモジュール5,6は、ゲート駆動回路155,156により駆動される。
本実施例においても実施例1と同様に、図5に示すMOSFETモジュール2、3は、内蔵ダイオードをフリーホイールダイオードとして利用するため、上述したように図2bに示すようにMOSFETチップを基板全面に搭載し、図1に示すMOSFETモジュール1、4には、図2aに示すようにMOSFETチップ及びショットキーバリアダイオードチップを搭載することができる。このようなチップ配置構成により、MOSFETモジュール2、3の導通損失を低減させつつ、リカバリ損失が発生する部分にショットキーバリアダイオードを搭載してリカバリ損失の低減さえることができる。
上述した各実施形態では、3レベル形回路を例に説明したが、本発明の用途は当然これに限定されるものではなく、5レベルや7レベル回路などのマルチレベル回路に適用することができ、3レベルに適用した場合と同様の効果を得られる。
また、近年普及が拡大しているT形3レベル回路にも適用することが可能である。
1〜6: MOSFETモジュール
20、21: 直流電源コンデンサ
10〜13: MOSFET
101〜106、200:MOSFET素子
14〜17: フリーホイールダイオード
18、19: クランプダイオード
30、31: 直流電源コンデンサ、
105〜110 内蔵ダイオード
151〜156 ゲート駆動回路
111〜114、210: ショットキーバリアダイオード
1000 MOSFETチップ
1100 ショットキーバリアダイオードチップ
1200 モジュール基板
300モジュールパッケージ
20、21: 直流電源コンデンサ
10〜13: MOSFET
101〜106、200:MOSFET素子
14〜17: フリーホイールダイオード
18、19: クランプダイオード
30、31: 直流電源コンデンサ、
105〜110 内蔵ダイオード
151〜156 ゲート駆動回路
111〜114、210: ショットキーバリアダイオード
1000 MOSFETチップ
1100 ショットキーバリアダイオードチップ
1200 モジュール基板
300モジュールパッケージ
Claims (6)
- 直流の高電位を与える高電位端子と直流の低電位を与える低電位端子と前記高電位と前記低電位との中間の電位である中間電位を与える中間電位端子とを備えた直流電源と、
前記直流電源が与える三つの電位を順次出現させる交流端子と、
前記高電位端子と一方の主端子で接続された第一のスイッチング素子と、
前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第二のスイッチング素子と、
前記第二のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第三のスイッチング素子と、
前記第三のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記低圧電位端子と他方の主端子接続された第四のスイッチング素子と、
当該第一のスイッチング素子に逆並列接続された第一のショットキーバリアダイオード素子と、
前記第四のスイッチング素子に逆並列接続された第四のショットキーバリアダイオード素子と、
前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第五のショットキーバリアダイオード素子と、
前記第四のスイッチング素子の一方の主端子と前記中間電位端子との間に接続された第六のショットキーバリアダイオード素子と、を備え、前記第二のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子の接続点が交流端子に接続された電力変換装置であって、
前記第二及び前記第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成されることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記交流端子と、前記第一乃至第四のスイッチング素子と、前記第一のショットキーバリアダイオード素子、前記第四乃至第六のショットキーバリアダイオード素子を備えた一相分の回路を並列に三相分備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1または請求項2に記載の電力変換装置において、
前記第二及び前記第三のスイッチング素子の面積が、前記第一及び前記第四のスイッチング素子の面積よりも大きいことを特長とする電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記第二のスイッチング素子と前記第五のショットキーバリアダイオード素子、前記第三のスイッチング素子と前記第六のショットキーバリアダイオード素子、がそれぞれ同一のパッケージに搭載されていることを特徴する電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記第二及び前記第三のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されることを特徴とする電力変換装置。 - 直流の高電位を与える高電位端子と直流の低電位を与える低電位端子と前記高電位と前記低電位との中間の電位である中間電位を与える中間電位端子とを備えた直流電源と、
前記直流電源が与える三つの電位を順次出現させる交流端子と、
前記高電位端子と一方の主端子で接続された第一のスイッチング素子と、
前記第一のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第二のスイッチング素子と、
前記第二のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続された第三のスイッチング素子と、
前記第三のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記低圧電位端子と他方の主端子接続された第四のスイッチング素子と、
当該第一のスイッチング素子に逆並列接続された第一のショットキーバリアダイオード素子と、
前記第四のスイッチング素子に逆並列接続された第四のショットキーバリアダイオード素子と、
前記中間電位端子と一方の主端子で接続される第五のスイッチング素子と、
前記第五のスイッチング素子の他方の主端子と一方の主端子で接続され、前記交流端子と他方の主端子で接続され、前記第五のスイッチング素子と通流方向が逆となる向きに接続される第六のスイッチング素子と、を備え、前記第二のスイッチング素子と前記第三のスイッチング素子の接続点が交流端子に接続された電力変換装置であって、
前記第二及び前記第三のスイッチング素子は、電流遮断時の還流が流れる内蔵ダイオードを有するMOSFETで構成されることを特徴とする電力変換装置。
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2015
- 2015-12-17 JP JP2015245780A patent/JP2017112746A/ja active Pending
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