JP2025080308A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子の共振による制御部の故障を防止することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】並列接続されたスイッチ素子１２ａ，１２ｂと、スイッチ素子１２ａ，１２ｂをオン状態にする第１の制御信号が出力される出力端子１０ｃｃ及びスイッチ素子１２ａ，１２ｂをオフ状態にする第２の制御信号が出力される出力端子１０ｅｅを備える制御部１０と、出力端子１０ｃｃとゲート端子１２ａｇとの間の経路上に設けられたインピーダンス変換部１２３ａと、出力端子１０ｃｃとゲート端子１２ｂｇとの間の経路上に設けられたインピーダンス変換部１２３ｂと、出力端子１０ｃｃからインピーダンス変換部１２３ａまでの経路又は出力端子１０ｃｃからインピーダンス変換部１２３ｂまでの経路の何れか一方と、第２の制御信号の電位を規定するゲートオフ電位Ｖｅｅとの間に接続された保護機能部５０と、を備える。
【選択図】図３

Description

本開示は、パワーエレクトロニクス分野におけるインバータ又はコンバータ等の電力変換装置に関する。

電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）といったスイッチ素子を備える。電動パワートレインに用いられる電力変換装置は、電力容量を増大させるために、１アームに対してスイッチ素子が複数個並列に接続される。並列に接続されたスイッチ素子は同時にスイッチングされる。

但し、スイッチ素子間の特性差、又は電力変換装置の主回路若しくは制御回路のインダクタンスのばらつきに起因して、スイッチ素子間でスイッチングのタイミングにずれが生じることがある。このようなタイミングのずれがあると、タイミングのずれに起因する電流のアンバランスが発生する。例えば、最も早くスイッチングしたスイッチ素子に電流が集中することで、損失が増大してスイッチ素子が破壊する虞がある。

また、電力変換装置において、スイッチ素子間でスイッチングのタイミングにずれが生じると、このずれに起因してドレイン－ソース間電圧に電位差が生じる。スイッチ素子間の電位差があると、スイッチ素子とその寄生容量との間のインダクタンス、制御ライン（例えば、スイッチ素子であるトランジスタのゲートライン又はソースライン）のインダクタンス成分に起因する共振現象が生じる。このような共振現象が生ずると、制御部（例えば、スイッチ素子をオン又はオフするためのスイッチング制御信号を出力するゲート駆動回路）に過大な電圧が印加されて破壊される虞がある。特に、この不具合は、スイッチ素子を高速にスイッチングした場合に顕著に表れる。

上述した不具合を解消するため、スイッチ素子間の共振現象の発端となるスイッチ素子間のスイッチングのタイミングのずれを抑制する電力変換装置が提案されている。例えば、特許文献１の電力変換装置は、並列接続された複数の半導体モジュールと、これら半導体モジュールを駆動するゲート駆動回路と、各半導体モジュールに設けられ、半導体モジュールとゲート駆動回路又は他の半導体モジュールとの間を接続するゲート配線とを備える。この電力変換装置では、ゲート閾値電圧が低い半導体モジュールであるほど、上記のゲート配線のインピーダンスを低くすることで、オフ動作において、各半導体モジュールに供給されるゲート電流値が同じ値となるようにしている。

特開２０２０－１５６３０４号公報

しかしながら、電力変換装置において、スイッチ素子間でスイッチングのタイミングが揃っていても、各スイッチ素子の主回路のインピーダンスにばらつきがあると、各スイッチ素子の内部ダイオードによるリカバリ電流が発生するタイミングが異なってしまう。このため、例えば、スイッチ素子であるトランジスタのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓに電圧差が生じる。このドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓの電圧差に起因してスイッチ素子間に生じた共振現象によって、スイッチ素子を駆動するための制御部が故障する虞が考えられる。

本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、スイッチ素子の共振による制御部の故障を防止することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の一態様による電力変換装置は、第１の制御端子を有する第１のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子に並列に接続され、第２の制御端子を有する第２のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオン状態にする第１の制御信号が出力される第１の出力端子と、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオフ状態にする第２の制御信号が出力される第２の出力端子と、を有する制御部と、前記第１の出力端子又は前記第２の出力端子と前記第１の制御端子との間の経路上に設けられた第１のインピーダンス変換部と、前記第１の出力端子又は前記第２の出力端子と前記第２の制御端子との間の経路上に設けられた第２のインピーダンス変換部と、前記第１の出力端子から前記第１のインピーダンス変換部までの経路又は前記第１の出力端子から前記第２のインピーダンス変換部までの経路の何れか一方と、前記第２の制御信号の電位を規定する電位規定部との間に接続された保護機能部と、を備える。

本開示によれば、共振現象が発生した際に保護機能部が動作することで、制御部にかかる共振電圧を抑制できる。これにより、本開示に係る電力変換装置は、スイッチ素子間の共振現象による制御部の故障を防止することができる。

本開示の実施の形態１による電力変換装置の概略構成を示す回路部である。 本開示の実施の形態１による電力変換装置が備えるスイッチ素子群の構成を示す回路図である。 図２に示すスイッチ素子群のより詳細な構成を示す回路図である。 図２に示すスイッチ素子群における電圧及び電流の経時変化を示す波形図である。 図３示す制御部及びスイッチ素子群の等価回路である。 実施の形態１において、スイッチ素子群に設けられるスイッチ素子及び制御部の出力端子にかかる電圧の経時変化を示す波形図である。 本開示の実施の形態２による電力変換装置の構成の一部を示す回路部である。 実施の形態２において、スイッチ素子群に設けられるスイッチ素子にかかる電圧並びにダイオード及び保護機能部に流れる電流の経時変化を示す波形図である。 本開示の実施の形態２による電力変換装置の変形例に係る構成の一部を示す図である。 本開示の実施の形態３による電力変換装置の構成の一部を示す回路部である。 本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第１変形例を示す回路図である。 本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第２変形例を示す回路図である。 本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第３変形例を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態による電力変換装置について詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は、本開示の実施の形態１による電力変換装置の概略構成を示す回路部である。図１に示す電力変換装置１はインバータ回路である。電力変換装置１の入力段には、直流電源２が接続されており、電力変換装置１の出力段には、負荷であるモータ３が接続されている。直流電源２は、バッテリである直流蓄電池であり、直流電圧を出力する。電力変換装置１が電気自動車又はハイブリッド自動車に適用されるインバータ回路である場合は、直流電源２として、例えば１００Ｖ以上の電圧を出力するニッケル水素電池又はリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。

電力変換装置１は、図１に示す通り、制御部１０、平滑コンデンサ１１、６つのスイッチ素子群１２～１７、電圧センサ回路２０、及び電流センサ回路２１ａ～２１ｃを備える三相インバータ回路である。電力変換装置１は、直流電源２から出力される直流電圧を三相交流に変換して三相の出力端子Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに出力する。三相交流は、出力端子Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗからモータ３に供給される。モータ３は、例えば、発電機或いは電動機が備えるモータである。

平滑コンデンサ１１は、電力変換装置１の入力段において、直流電源２に対して並列接続されるように設けられており、電力変換装置１によって変換される三相交流から電圧リプル及びノイズを除去する。スイッチ素子群１２～１７はそれぞれ、制御線３２ａ～３２ｆを介して入力される制御部１０の制御信号に基づいてスイッチング動作を行う。

スイッチ素子群１２，１３は直列接続されており、スイッチ素子群１４，１５は直列接続されており、スイッチ素子群１６，１７は直列接続されている。直列接続されたスイッチ素子群１２，１３からなる回路、直列接続されたスイッチ素子群１４，１５からなる回路、直列接続されたスイッチ素子群１６，１７からなる回路は、平滑コンデンサ１１に対して並列接続されている。スイッチ素子群１２，１３の接続点Ｐ１、スイッチ素子群１４，１５の接続点Ｐ２、及びスイッチ素子群１６，１７の接続点Ｐ３はそれぞれ、出力端子Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに接続されている。尚、スイッチ素子群１２，１４，１６は上アーム側に配置され、スイッチ素子群１３，１５，１７は下アーム側に配置されている。

詳細は後述するが、スイッチ素子群１２～１７はそれぞれ、複数のスイッチ素子を備える。スイッチ素子群１２～１７が備える複数のスイッチ素子は、半導体スイッチ素子であり、例えば、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。尚、スイッチ素子は、ＩＧＢＴとダイオードとによって構成されたものを用いてもよい。以下では、スイッチ素子群１２～１７が備えるスイッチ素子が、ＭＯＳＦＥＴであるものとする。

ここで、スイッチ素子群１２～１７のスイッチングとは、スイッチ素子群１２～１７が備える複数のスイッチ素子の制御端子に制御電圧を印加し、その複数のスイッチ素子の端子対間を導通にするオン状態と非導通にするオフ状態とを切り替える動作である。例えば、スイッチ素子群１２が備える複数のＭＯＳＦＥＴのゲート端子（制御端子）に制御電圧を印加し、その複数のＭＯＳＦＥＴのソース端子とドレイン端子との間（端子対間）を導通にするオン状態と非導通にするオフ状態とを切り替える動作である。

図２は、本開示の実施の形態１による電力変換装置が備えるスイッチ素子群の構成を示す回路図である。尚、図２では、図１に示す６つのスイッチ素子群１２～１７のうちのスイッチ素子群１２，１３のみを図示している。尚、他のスイッチ素子群１４～１７もスイッチ素子群１２，１３と同様の構成である。

図２に示す通り、スイッチ素子群１２は、並列接続されたスイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとを備える。スイッチ素子１２ａ，１２ｂは、端子対であるドレイン端子とソース端子とを有する。スイッチ素子１２ａ，１２ｂのドレイン端子は、配線の寄生インダクタンスＬ１２ａ，Ｌ１２ｂを介して互いに接続され、スイッチ素子１２ａ，１２ｂのソース端子は互いに接続されている。尚、ソース端子間にも配線の寄生インダクタンスは存在するが、本実施の形態では説明を簡単にするために省略する。

また、スイッチ素子群１３は、並列接続されたスイッチ素子１３ａとスイッチ素子１３ｂとを備える。スイッチ素子１３ａ，１３ｂは、スイッチ素子１２ａ，１２ｂと同様に、端子対であるドレイン端子とソース端子とを有する。スイッチ素子１３ａ，１３ｂのドレイン端子は互いに接続され、スイッチ素子１３ａ，１３ｂのソース端子は、配線の寄生インダクタンスＬ１３ａ，Ｌ１３ｂを介して互いに接続されている。尚、ドレイン端子間にも配線の寄生インダクタンスは存在するが、本実施の形態では説明を簡単にするために省略する。

スイッチ素子群１２に設けられるスイッチ素子１２ａ，１２ｂが上アーム側のスイッチ素子であり、スイッチ素子群１３に設けられるスイッチ素子１３ａ，１３ｂが下アーム側のスイッチ素子である。図２に示す通り、スイッチ素子１２ａ，１２ｂ及びスイッチ素子１３ａ，１３ｂのドレイン－ソース間、ドレイン－ゲート間、及びゲート－ソース間には、寄生容量が存在する。

図３は、図２に示すスイッチ素子群のより詳細な構成を示す回路図である。尚、図３においては、図２中のスイッチ素子群１３を省略し、スイッチ素子群１２のみを図示している。また、図３においては、スイッチ素子１２ａのドレイン端子１２ａｄ、ソース端子１２ａｓ、及びゲート端子１２ａｇ、並びに、スイッチ素子１２ｂのドレイン端子１２ｂｄ、ソース端子１２ｂｓ、ゲート端子１２ｂｇを明示している。

加えて、図３においては、スイッチ素子１２ａにおけるドレイン－ソース間の寄生容量Ｃｄｓ１、ドレイン－ゲート間の寄生容量Ｃｄｇ１、及びゲート－ソース間寄生容量Ｃｇｓ１を明示している。同様に、スイッチ素子１２ｂにおけるドレイン－ソース間の寄生容量Ｃｄｓ２、ドレイン－ゲート間の寄生容量Ｃｄｇ２、及びゲート－ソース間寄生容量Ｃｇｓ２も明示している。

図３に示す通り、スイッチ素子群１２は、並列接続されたスイッチ素子１２ａ，１２ｂに加えて、抵抗素子１２１ａ，１２１ｂ、抵抗素子１２２ａ，１２２ｂ、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂ、及び保護機能部５０を備える。尚、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂはダイオードとして説明する。抵抗素子１２１ａは、インピーダンス変換部１２３ａと直列接続されており、抵抗素子１２１ｂは、インピーダンス変換部１２３ｂと直列接続されている。抵抗素子１２１ａ及びインピーダンス変換部１２３ａは、第１回路を構成し、抵抗素子１２１ｂ及びインピーダンス変換部１２３ｂは、第２回路を構成する。

直列接続された抵抗素子１２１ａとインピーダンス変換部１２３ａとからなる回路は、制御部１０の出力端子１０ｃｃとスイッチ素子１２ａのゲート端子１２ａｇとの間に接続されている。また、直列接続された抵抗素子１２１ｂとインピーダンス変換部１２３ｂとからなる回路は、制御部１０の出力端子１０ｃｃとスイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇとの間に接続されている。尚、インピーダンス変換部１２３ａは、アノード側が抵抗素子１２１ａに接続され、カソード側がゲート端子１２ａｇに接続されている。また、インピーダンス変換部１２３ｂは、アノード側が抵抗素子１２１ｂに接続され、カソード側がゲート端子１２ｂｇに接続されている。抵抗素子１２２ａは、制御部１０の出力端子１０ｅｅとスイッチ素子１２ａのゲート端子１２ａｇとの間に接続されている。また、抵抗素子１２２ｂは、制御部１０の出力端子１０ｅｅとスイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇとの間に接続されている。

また、図３に示す通り、保護機能部５０は、制御部１０の出力端子１０ｃｃと、電位規定部としてのゲートオフ電位Ｖｅｅに接続されている。この保護機能部５０は、スイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとの間に生じた電位差によって共振現象が生じた場合に、制御部１０の出力端子１０ｃｃにかかる電圧を抑制して、制御部１０の故障を防止するために設けられる。尚、保護機能部５０は、例えばダイオードであって、アノード側がゲートオフ電位Ｖｅｅに接続され、カソード側が出力端子１０ｃｃに接続されている。

制御部１０は、出力端子１０ｃｃ，１０ｅｅに加えて、スイッチ素子１０１，１０２を備える。スイッチ素子１０１は、出力端子１０ｃｃとゲートオン電位Ｖｃｃとに接続されており、スイッチ素子１０２は、出力端子１０ｅｅとゲートオフ電位Ｖｅｅとに接続されている。スイッチ素子１０１がオン状態、スイッチ素子１０２がオフ状態になると、出力端子１０ｃｃからゲートオン電位Ｖｃｃが出力される。これに対し、スイッチ素子１０１がオフ状態、スイッチ素子１０２がオン状態になると、出力端子１０ｅｅからゲートオフ電位Ｖｅｅが出力される。尚、ゲートオン電位Ｖｃｃ及びゲートオフ電位Ｖｅｅは、基準電位端子１０ｓの電位を基準とした電位である。

尚、図３に示す抵抗素子１２１ａ，１２１ｂ、抵抗素子１２２ａ，１２２ｂ、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂ、及び保護機能部５０は、スイッチ素子群１２についてのものである。図３に示す抵抗素子１２１ａ，１２１ｂ、抵抗素子１２２ａ，１２２ｂ、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂ、及び保護機能部５０と同様のものがスイッチ素子群１３～１７の各々にも設けられる。

図４は、図２に示すスイッチ素子群における電圧及び電流の経時変化を示す波形図である。図４を用いて、図２に示すスイッチ素子群の特性について説明する。尚、配線の寄生インダクタンスＬ１２ａ，Ｌ１２ｂは大きさが異なっており、同様に、配線の寄生インダクタンスＬ１３ａ，Ｌ１３ｂは大きさが異なっているとする。

まず、上アーム側のスイッチ素子１２ａ，１２ｂ及び下アーム側のスイッチ素子１３ａ，１３ｂが全てオフ状態である場合を考える（時刻ｔ０）。この状態の場合には、モータ３側からスイッチ素子１２ａ，１２ｂに電流Ｉ１２ａ，Ｉ１２ｂが流れ込む。この電流Ｉ１２ａ，Ｉ１２ｂはそれぞれ、スイッチ素子１２ａ，１２ｂの内部ダイオードを介してソース端子側からドレイン端子側に流れる。このため、スイッチ素子１２ａ，１２ｂの内部ダイオードは導通状態であり、スイッチ素子１２ａ，１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１，Ｖｄｓ２は０Ｖである。尚、スイッチ素子１３ａ，１３ｂはオフ状態であるため、ドレイン電流Ｉ１３ａ，Ｉ１３ｂは０Ａである。

次に、上アーム側のスイッチ素子１２ａ，１２ｂ及び下アーム側のスイッチ素子１３ａ，１３ｂが全てオフ状態から、下アーム側のスイッチ素子１３ａ，１３ｂがオン状態になった場合を考える。この状態の場合には、図３に示す通り、ドレイン電流Ｉ１３ａ，Ｉ１３ｂが増加する。しかしながら、スイッチ素子１３ａ，１３ｂがオン状態になるタイミングが同じでも、配線の寄生インダクタンスの違いによって電流が偏る。例えば、時刻ｔ１において、スイッチ素子１３ａのドレイン端子に流入するドレイン電流Ｉ１３ａは、スイッチ素子１３ｂのドレイン端子に流入するドレイン電流Ｉ１３ｂよりも大きくなる。

一方、時刻ｔ１にて、スイッチ素子１２ａの内部ダイオードに流れる電流Ｉ１２ａは、スイッチ素子１２ｂの内部ダイオードに流れる電流Ｉ１２ｂよりも小さくなる。このため、スイッチ素子１２ａの内部ダイオードに流れる電流が先に０Ａとなり、内部ダイオードに逆回復（リカバリ）が発生する。

その後、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間の寄生容量が充電されて、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が上昇する。これに対し、スイッチ素子１２ｂの内部ダイオードは導通状態であるため、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２は、ほぼ０Ｖである。例えば、時刻ｔ２では、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が０Ｖではなく、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２がほぼ０Ｖになるため、スイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとの間に電位差が生じる。

このように、図２に示すスイッチ素子群では、配線の寄生インダクタンスの違いがあると、スイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとの間に電位差が生じるという特性がある。このような特性を有していると、スイッチ素子１２ａ，１２ｂの間に生ずる共振現象によって、スイッチ素子１２ａ，１２ｂを駆動するための制御部１０が故障する虞が考えられる。このような故障を防止するため、図３に示す保護機能部５０が設けられている。

図５は、図３に示す制御部及びスイッチ素子群の等価回路である。図５を用いて、図３に示す制御部及びスイッチ素子群の動作について説明する。いま、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２よりも先に立ち上がったとする。つまり、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が０Ｖよりも大きな電圧になり、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２が０Ｖの状態であるとする。

インピーダンス変換部１２３ｂの両端に印加される電圧をＶ１ａ、抵抗素子１２１ｂの両端に印加される電圧をＶ１ｂ、抵抗素子１２１ａの両端に印加される電圧をＶ１ｃ、インピーダンス変換部１２３ａの両端に印加される電圧Ｖ１ｄとする。これら電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃ，Ｖ１ｄと、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１との関係は、Ｖｄｓ１×α＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄとなる。つまり、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１の一部は、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂ及び抵抗素子１２１ａ，１２１ｂに印加される。尚、αは分圧係数である。

制御部１０の出力端子１０ｃｃとスイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇとの間に印加される電圧をＶ１とする。この電圧Ｖ１と、インピーダンス変換部１２３ｂの両端に印加される電圧Ｖ１ａ、抵抗素子１２１ｂの両端に印加される電圧Ｖ１ｂとの関係は、Ｖ１＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂとなる。また、スイッチ素子群１２がオフ状態の場合には、制御部１０のスイッチ素子１０１もオフ状態であり、スイッチ素子１０１の端子対は高インピーダンスになる。このため、スイッチ素子１０１の両端に印加される電圧Ｖ２と、制御部１０の出力端子１０ｃｃとスイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇとの間に印加される電圧をＶ１との関係は、Ｖ１＝Ｖ２－Ｖｃｃとなる。ここで、スイッチ素子１０１の両端に印加される電圧Ｖ２がゲートオン電位Ｖｃｃよりも十分大きいとすると、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とはほぼ等しくなる。

ここで、インピーダンス変換部１２３ａは順方向の電圧のため、オン状態となり数Ω以下の低インピーダンス状態となる。これに対し、インピーダンス変換部１２３ｂには逆方向の電圧が印加されてオフ状態になるため、インピーダンス変換部１２３ｂの両端子間のインピーダンスは数ｋΩ以上の状態になる。つまり、インピーダンス変換部１２３ｂのインピーダンスは、インピーダンス変換部１２３ａ及び抵抗素子１２１ａ，１２１ｂよりも十分高くなる。

よって、インピーダンス変換部１２３ｂ、抵抗素子１２１ｂ、抵抗素子１２１ａ、及びインピーダンス変換部１２３ａにそれぞれ印加される電圧Ｖ１ａ，Ｖ１ｂ，Ｖ１ｃ，Ｖ１ｄの関係は、Ｖ１ａ≫Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄとなる。前述の通り、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１の一部は、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂ及び抵抗素子１２１ａ，１２１ｂに印加されるが、前述した関係によって、Ｖｄｓ１×α≒Ｖ１ａ≒Ｖ１≒Ｖ２となり、基準電位端子１０ｓは、出力端子１０ｃｃよりも高い電位となる。

このとき、保護機能部５０には、ゲートオフ電位Ｖｅｅを介して順方向電圧が印加されるため、保護機能部５０がオン状態になり、出力端子１０ｃｃの電位はＶｅｅとなる。これにより、スイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとの間の電位差によって共振現象が生じた場合に、制御部１０の出力端子１０ｃｃにかかる電圧が抑制され、制御部１０の故障を防止することができる。

図６は、実施の形態１において、スイッチ素子群に設けられるスイッチ素子及び制御部の出力端子にかかる電圧の経時変化を示す波形図である。尚、図６において、「実施の形態」は、保護機能部５０が設けられている場合の波形であり、「比較例」は、保護機能部５０が設けられていない場合の波形である。ここでは、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２よりも先に立ち上がったとする。つまり、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が０Ｖよりも大きな電圧になり、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２が０Ｖであるとする。

図６に示す通り、「比較例」では、時刻ｔ１０において、制御部１０の出力端子１０ｃｃに過大な電圧が印加される。これに対し、「実施の形態」では、時刻ｔ１０において、制御部１０の出力端子１０ｃｃにかかる電圧が抑制される。このように、本実施の形態では、スイッチ素子１２ａとスイッチ素子１２ｂとの間の電位差によって共振現象が生じても、保護機能部５０によって制御部１０の出力端子１０ｃｃにかかる電圧が抑制されている。その結果として、制御部１０の故障が防止される。

〔実施の形態２〕
図７は、本開示の実施の形態２による電力変換装置の構成の一部を示す回路部である。尚、実施の形態２による電力変換装置の全体構成は図１に示すものと同様である。図７は、図３に相当する図である。図７に示す通り、実施の形態２による電力変換装置は、実施の形態１による電力変換装置とは、制御部１０の出力端子１０ｃｃとゲートオフ電位Ｖｅｅとの間にダイオード１０３が設けられている点が異なる。ダイオード１０３は、アノード側がゲートオフ電位Ｖｅｅに接続され、カソード側が出力端子１０ｃｃに接続されている。このダイオード１０３は、例えば、制御部１０がＩＣ（Integrated Circuit）である場合に、内部回路を保護するために設けられる。

図８は、実施の形態２において、スイッチ素子群に設けられるスイッチ素子にかかる電圧並びにダイオード及び保護機能部に流れる電流の経時変化を示す波形図である。尚、図８において、「実施の形態」は、保護機能部５０が設けられている場合の波形であり、「比較例」は、保護機能部５０が設けられていない場合の波形である。尚、実施の形態１と同様に、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２よりも先に立ち上がったとする。つまり、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が０Ｖよりも大きな電圧になり、スイッチ素子１２ｂのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ２が０Ｖであるとする。

図８に示す通り、「比較例」では、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が立ち上がると、制御部１０の出力端子１０ｃｃに電圧が印加される。このとき、ダイオード１０３は順方向の電圧が印加されてオン状態になるため、ダイオード１０３に流れる電流Ｉ１０３が過大になり、制御部１０が故障する虞がある。これに対し、「実施の形態」では、スイッチ素子１２ａのドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ１が立ち上がると、ダイオード１０３及び保護機能部５０には順方向の電圧が印加されてオン状態になる。このとき、保護機能部５０に電流Ｉ５０が流れ、ダイオード１０３に流れる電流Ｉ１０３が低減されるため、制御部１０の故障を防止することができる。

ここで、保護機能部５０の順方向電圧Ｖｆは、制御部１０が備えるダイオード１０３の順方向電圧Ｖｆよりも小さいことが望ましい。例えば、保護機能部５０のダイオードをショットキーバリアダイオードとすることで、保護機能部５０の順方向電圧Ｖｆを、制御部１０が備えるダイオード１０３の順方向電圧Ｖｆよりも小さくすることができる。保護機能部５０の順方向電圧Ｖｆを、制御部１０が備えるダイオード１０３の順方向電圧Ｖｆよりも小さくすることで、保護機能部５０に流れる電流Ｉ５０がより多くなり、ダイオード１０３に流れる電流Ｉ１０３が更に低減される。これにより、より効果的に制御部１０の故障を防止することができる。

図９は、本開示の実施の形態２による電力変換装置の変形例に係る構成の一部を示す図である。図９に示す通り、本変形例は、保護機能部５０を、スイッチ素子としたものである。保護機能部５０のスイッチ素子は、スイッチ素子１２ａ，１２ｂがオフ状態のときに、オン状態になるよう制御部１０によって制御される。一般的に、スイッチ素子はダイオードよりも、オン状態のときの導通抵抗が小さい。例えば、保護機能部５０のスイッチ素子をＭＯＳＦＥＴとすることで、導通抵抗が小さい保護機能部５０に更に多くの電流が流れ、ダイオード１０３に流れる電流が更に低減される。これにより、より効果的に制御部１０の故障を防止することができる。

〔実施の形態３〕
図１０は、本開示の実施の形態３による電力変換装置の構成の一部を示す回路部である。尚、実施の形態３による電力変換装置の全体構成は図１に示すものと同様である。図１０は、図３，７に相当する図である。図１０に示す通り、実施の形態３による電力変換装置は、実施の形態２による電力変換装置とは、スイッチ素子１２４ａ，１２４ｂが設けられている点が異なる。

スイッチ素子１２４ａは、スイッチ素子１２ａのゲート端子１２ａｇとゲートオフ電位Ｖｅｅとの間に設けられており、スイッチ素子１２４ｂは、スイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇとゲートオフ電位Ｖｅｅとの間に設けられている。これらスイッチ素子１２ａ，１２ｂは、スイッチ素子１２ａ，１２ｂがオフ状態のときに、オン状態になるよう制御部１０によって制御される。

スイッチ素子１２４ａ，１２４ｂはゲートオフ電位Ｖｅｅに接続されている。このため、スイッチ素子１２４ａ又はスイッチ素子１２４ｂがオン状態になると、共振現象によって生じた共振電流はスイッチ素子１２ａのゲート端子１２ａｇ又はスイッチ素子１２ｂのゲート端子１２ｂｇを介してゲートオフ電位Ｖｅｅに向かって流れる。この共振電流は、保護機能部５０に流れるため、ダイオード１０３に流れる電流が低減される。よって、共振電流による制御部１０の故障を防止することができる。

尚、スイッチ素子１２ａ，１２ｂ間の電位差による共振現象は、その電位差が大きいほど顕著に発生する。例えば、スイッチングタイミング、リカバリのタイミングのずれを抑えることができても、スイッチング速度（ｄＶ／ｄｔ）が速いと、僅かなタイミングのずれが生じても、スイッチ素子１２ａ，１２ｂ間の電位差が発生してしまう。このため、実施の形態１～実施の形態３による電力変換装置１は、高速にスイッチングする、即ち、電位差が発生しやすいスイッチ素子を備えた電力変換装置に適用することにより、格段な効果を発揮する。例えば、スイッチ素子１２ａ，１２ｂがワイドバンドギャップ半導体（例えば、ＳｉＣ素子）であるほど共振が発生しやすい。よって、電力変換装置１が備えるスイッチ素子群１２～１７は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて生成された素子を備えることで、制御部１０の故障を防止することができる。

〔実施の形態の変形例〕
図１１は、本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第１変形例を示す回路図である。尚、図１１は、図３に相当する図である。図１１に示す通り、電力変換器の第１変形例は、インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂをそれぞれ、抵抗素子１２２ａ，１２２ｂに直列に接続したものである。具体的に、インピーダンス変換部１２３ａは、アノード側がゲート端子１２ａｇに接続され、カソード側が抵抗素子１２１１に接続されている。また、インピーダンス変換部１２３ｂは、アノード側がゲート端子１２ｂｇに接続され、カソード側が抵抗素子１２２ｂに接続されている。抵抗素子１２２ａ及びインピーダンス変換部１２３ａは、第１回路を構成し、抵抗素子１２２ｂ及びインピーダンス変換部１２３ｂは、第２回路を構成する。インピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂが抵抗素子１２２ａ，１２２ｂに直列に接続されていても、実施の形態１と同様の効果を奏する。尚、図７，９，１０に示す回路も、同様の構成とすることができる。

図１２は、本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第２変形例を示す回路図である。尚、図１２は、図３に相当する図である。図１２に示す通り、電力変換器の第２変形例は、電位規定部としてのゲートオフ電位Ｖｅｅを０Ｖとし、基準電位端子１０ｓの電位と同電位としたものである。つまり、本変形例では、基準電位端子１０ｓが電位規定部とされている。このような構成としても、実施の形態１と同様の効果を奏する。尚、図７，９，１０に示す回路も、同様の構成とすることができる。

図１３は、本開示の実施の形態１～３による電力変換器の第３変形例を示す回路図である。尚、図１３は、図３に相当する図である。図１３に示す通り、電力変換器の第３変形例は、抵抗素子１２１ａとインピーダンス変換部１２３ａとの接続点と、ゲートオフ電位Ｖｅｅとの間に保護機能部５０を設けたものである。具体的に、保護機能部５０のダイオードは、アノード側がゲートオフ電位Ｖｅｅに接続され、カソード側が抵抗素子１２１ａとインピーダンス変換部１２３ａとの接続点に接続されている。

尚、図１３では、保護機能部５０におけるダイオードのカソード側が、抵抗素子１２１ａとインピーダンス変換部１２３ａとの接続点に接続されている例を示しているが、これに限られるわけではない、保護機能部５０におけるダイオードのカソード側は、出力端子１０ｃｃからインピーダンス変換部１２３ａまでの経路と、出力端子１０ｃｃからインピーダンス変換部１２３ｂまでの経路との何れか一方と接続されていればよい。

以上、本開示の実施の形態による電力変換装置について説明したが、本開示は上記実施の形態に制限されることなく本開示の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、実施の形態１～３による電力変換装置１は、インバータ回路に限定されるものではなく、コンバータ回路であってもよい。

また、実施の形態１～３による電力変換装置１は、スイッチ素子群１２～１７において２つのスイッチ素子を並列に接続した構成に限定されるものではなく、３つ以上のスイッチ素子を並列に接続した構成であってもよい。また、実施の形態１～３に係る電力変換装置１が備えるインピーダンス変換部１２３ａ，１２３ｂは、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチ素子、或いはインダクタであってもよい。また、実施の形態１～３では、スイッチ素子群１２に着目して説明したが、他のスイッチ素子群１３～１７についても同様の構成であってもよい。

尚、上述した実施の形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、上述した実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形若しくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

１…電力変換装置、１０…制御部、１０ｃｃ，１０ｅｅ…出力端子、１２～１７…スイッチ素子群、１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ…スイッチ素子、１２ａｇ，１２ｂｇ…ゲート端子、５０…保護機能部、１０３…ダイオード、１２３ａ，１２３ｂ…インピーダンス変換部、１２４ａ，１２４ｂ…スイッチ素子、Ｖｃｃ…ゲートオン電位、Ｖｅｅ…ゲートオフ電位。

Claims (6)

1. 第１の制御端子を有する第１のスイッチ素子と、
   前記第１のスイッチ素子に並列に接続され、第２の制御端子を有する第２のスイッチ素子と、
   前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオン状態にする第１の制御信号が出力される第１の出力端子と、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオフ状態にする第２の制御信号が出力される第２の出力端子と、を有する制御部と、
   前記第１の出力端子又は前記第２の出力端子と前記第１の制御端子との間の経路上に設けられた第１のインピーダンス変換部と、
   前記第１の出力端子又は前記第２の出力端子と前記第２の制御端子との間の経路上に設けられた第２のインピーダンス変換部と、
   前記第１の出力端子から前記第１のインピーダンス変換部までの経路又は前記第１の出力端子から前記第２のインピーダンス変換部までの経路の何れか一方と、前記第２の制御信号の電位を規定する電位規定部との間に接続された保護機能部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記電位規定部と前記第１の出力端子との間に接続された第１のダイオードを備える、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記保護機能部は、順方向電圧の大きさが、前記第１のダイオードの順方向電圧の大きさよりも小さなダイオードである、請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記保護機能部は、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子がオフ状態のときにオン状態にされるスイッチ素子である、請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記電位規定部と前記第１の制御端子との間に設けられた第３のスイッチ素子と、
   前記電位規定部と前記第２の制御端子との間に設けられた第４のスイッチ素子と、
   を更に備え、
   前記第３のスイッチ素子及び前記第４のスイッチ素子は、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子がオフ状態のときにオン状態にされる、
   請求項２記載の電力変換装置。
6. 前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子は、ワイドバンドギャップ半導体を用いて生成された素子である、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電力変換装置。

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