JP4814908B2

JP4814908B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4814908B2
Application number: JP2008144667A
Authority: JP
Inventors: 陽介藤井; 優福
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP2009296688A

Description

この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。

従来、スイッチング素子を含む電力変換装置において、上記スイッチング素子のスイッチング時におけるコレクタ電流の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧相当量等の物理量の少なくとも１つを検出する回路を設け、検出した物理量の値に応じてスイッチング素子のゲート・エミッタ間電圧を制御したり、上記スイッチング素子のゲート回路の電源電圧またはゲート抵抗を調整して低ノイズ化を図る技術がある。（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−１５０７６４号公報

特許文献１に示されたものは、スイッチング素子のスイッチング時におけるコレクタ電流の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧の時間微分相当量、コレクタ・エミッタ間電圧相当量等の物理量の少なくとも１つを検出する回路を設け、検出した物理量の値に応じてスイッチング素子のゲート・エミッタ間電圧を制御したり、スイッチング素子のゲート回路の電源電圧またはゲート抵抗を調整するという構成になっているが、物理量の検出回路が必要となるため、装置が大型化し、高コスト化するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、スイッチング時における物理量の検出を必要としない小型で安価な電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、直流電源を交流電源に変換して交流負荷を駆動する電力変換装置において、電力変換制御を行なうマイコンを有する制御基板と冷却器との間に並置された複数のパワーモジュールを備え、上記各パワーモジュールは、ケースと、該ケースに収容された電力変換を行なう複数のスイッチング素子と、上記ケースから導出された上記スイッチング素子の端子と、上記ケースに貼り付けまたは刻印された上記スイッチング素子の固体特性情報を示すラベルまたはマークとを有し、上記制御基板のマイコンには、上記ラベルまたはマークから読み取られた上記スイッチング素子の固体特性情報が記憶されているものである。

この発明に係る電力変換装置は上記のように構成され、スイッチング素子の個体特性に応じてスイッチング素子駆動回路を調整することができるため、スイッチング損失及び放射ノイズを低減することができる。また、パワーモジュールの完成品テストで実施される特性テストにおいて得られた情報をマイコンに書き込むようにしているため、従来のようにスイッチング素子の物理量を測定する回路を必要とせず、小型で安価な電力変換装置を構成することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１によるパワーモジュールの外観構成を示す正面図、図２は、パワーモジュールの回路構成を示す図で、図１と同一部分は同一符号で示している。

パワーモジュールの回路は、図２に示すように、スイッチング素子としての第１のIGBT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）４ａと第１のフライホイールダイオード５ａとの並列接続体に対して、同じくスイッチング素子としての第２のIGBT４ｂと第２のフライホイールダイオード５ｂとの並列接続体を直列接続して構成されている。

Ｐは第１のIGBT４ａの外部直流端子、Ｎは第２のIGBT４ｂの外部直流端子、ACは第１のIGBT４ａと第２のIGBT４ｂとの接続点から取り出される交流端子、G1は第１のIGBT４ａのゲート端子、G2は第２のIGBT４ｂのゲート端子、E1は第１のIGBT４ａのエミッタ端子、E2は第２のIGBT４ｂのエミッタ端子である。

このように構成されたパワーモジュールを例えば３個並列接続し、各パワーモジュールのＰ端子とＮ端子との間に直流を印加すると共に、各IGBTのG1−E1間及びG2−E2間に与えられる電圧によって各スイッチング素子をオン・オフ制御することにより、３個のパワーモジュールの各AC端子から３相交流を取り出すように構成して直流を交流に変換するインバータ等の電力変換装置として使用されるものである。インバータの具体例については後述する。

また、図１における１は上述したパワーモジュールの回路を収容するケース、２はパワーモジュールを構成するスイッチング素子（IGBT）の個体特性情報をバーコードや２次元コード、数値などで表示したラベルで、ケース１上に貼付またはレーザーマークされている。個体特性情報としては、パワーモジュールのオンしきい値電圧Vthや、ターンオン時のスイッチング損失E_ON、ターンオフ時のスイッチング損失E_OFF、ゲート−エミッタ容量C_GEなどが、例えば図３に示されるような形で表示されている。

図４は、図１に示すパワーモジュールを３個使用して３相PWMインバータを構成した例
を示す電力変換装置の構成図である。各パワーモジュールは冷却器６上に並設され、それぞれの直流端子Ｐ、Ｎをバスバー７を介して外部直流端子８に接続すると共に、各パワーモジュールの交流端子ACを、それぞれバスバー９ａ、９ｂ、９ｃを介して外部交流端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続している。10ａ、10ｂ、10ｃはバスバー９ａ、９ｂ、９ｃ上にそれぞれ設けられた３相電流測定用の電流センサーである。

図５は、図４の装置上に装着された制御基板１１を示す正面図である。制御基板１１上には各スイッチング素子を駆動するためのIC１２や電力変換制御を行うためのマイコン１３が搭載されている。制御基板１１は各パワーモジュールに貼付されたラベル２の個体特性情報を読み取った後に装着され、読み取った個体特性情報はマイコン１３に記憶させている。

ラベル２に表示された個体特性は、パワーモジュール単体の完成時に実施されるパワーモジュール単体ごとの完成品テストで実施される特性テストにおいて得られた情報とされている。

電力変換装置の製造においては、電力変換装置が完成した時点で初めて良品判定テストを実施したのでは、スイッチング素子が不良であった場合に基板やケースなどを全て分解してパワーモジュールを組み替えなければならず、サルベージ工数が増えるため、まずパワーモジュール単体で良品判定テストを実施するのが一般的である。

通常、パワーモジュール単体での良品判定テストは、オンしきい値電圧Vthや、ターン
オン時のスイッチング損失E_ON、ターンオフ時のスイッチング損失E_OFFなどを測定する。
そのデータを図３に示すような形でラベル２に表示し、その内容をマイコン１３に記憶させることで従来例に比してスイッチング素子の物理量を測定する回路の分だけ小型化、低
コスト化した電力変換装置とすることができる。

ここで、スイッチング素子のターンオン時におけるオンしきい値電圧Vthとスイッチン
グ素子のゲートへの充電電流、スイッチング損失、放射ノイズの関係について説明する。図６は、スイッチング素子のターンオン時における充電電流の経路を示す図で、図７は、スイッチング素子のターンオン時の動作説明用の図である。

図７におけるミラー電圧は、ほぼオンしきい値電圧Vthと等しくなるため、スイッチン
グ素子のゲートへの充電電流は以下の式で求めることができる。

ターンオン時におけるオンしきい値電圧Vthと充電電流、スイッチング損失、放射ノイ
ズとの関係は次のようになる。
Vth大→充電電流小、スイッチング損失大、放射ノイズ小
Vth小→充電電流大、スイッチング損失小、放射ノイズ大

オンしきい値電圧Vthが大きい場合は、（１）式におけるゲート電源の正側バイアス電
圧VG＋を大きくする、あるいはゲートオン抵抗Rgonをレーザートリミングなどにより抵抗値を小さくすることにより、放射ノイズの許容範囲まで充電電流を大きくすることができ、スイッチング損失を低減することができる。

他方、オンしきい値電圧Vthが小さい場合は、（１）式におけるゲート電源の正側バイ
アス電圧VG＋を小さくする、あるいはゲートオン抵抗Rgonをレーザートリミングなどにより抵抗値を大きくすることにより、ターンオン時のスイッチング損失の許容範囲まで充電電流を小さくすることができ、放射ノイズを低減することができる。

次に、スイッチング素子のターンオフ時におけるオンしきい値電圧Vthとスイッチング
素子のゲートからの放電電流、スイッチング損失、放射ノイズの関係について説明する。図８は、スイッチング素子のターンオフ時における放電電流の経路を示す図で、図９は、スイッチング素子のターンオフ時の動作説明用の図である。

図９におけるミラー電圧は、ほぼオンしきい値電圧Vthと等しくなるため、スイッチン
グ素子のゲートからの放電電流は以下の式で求めることができる。

ターンオフ時におけるオンしきい値電圧Vthと放電電流、スイッチング損失、放射ノイ
ズとの関係は次のようになる。
Vth大→放電電流大、スイッチング損失小、放射ノイズ大
Vth小→放電電流小、スイッチング損失大、放射ノイズ小

オンしきい値電圧Vthが大きい場合は、（２）式におけるゲート電源の負側バイアス電
圧VG−を小さくする、あるいはゲートオフ抵抗Rgoffをレーザートリミングなどにより抵
抗値を大きくすることにより、ターンオフ時のスイッチング損失の許容範囲まで放電電流を小さくすることができ、放射ノイズを低減することができる。

他方、オンしきい値電圧Vthが小さい場合は、（２）式におけるゲート電源の負側バイ
アス電圧VG−を大きくする、あるいはゲートオフ抵抗Rgoffをレーザートリミングなどに
より抵抗値を小さくすることにより、放射ノイズの許容範囲まで放電電流を大きくすることができ、ターンオフ時のスイッチング損失を低減することができる。

次に、ゲート電源電圧を調整する方法の具体例について説明する。図１０は、実施の形態１におけるゲート電源正側電圧を調整する回路図である。IGBTのラベルから個体特性情報を記憶したマイコン１３は、個体特性情報に応じたディジタル信号をＤ／Ａコンバータ１４に出力する。Ｄ／Ａコンバータ１４からの出力値をマイコン１３に記憶された個体特性情報によって調整することにより、ゲート電源正側電圧１５を調整することが可能となる。１６は絶縁型トランスである。

この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの外観構成を示す正面図である。パワーモジュールの回路構成を示す図である。実施の形態１におけるスイッチング素子の個体特性情報を表示したラベルの一例を示す図である。図１に示すパワーモジュールを使用して３相PWMインバータを構成した例を示す電力変換装置の構成図である。図４の装置上に装着された制御基板を示す正面図である。スイッチング素子のターンオン時における充電電流の経路を示す図である。スイッチング素子のターンオン時の動作説明用の図である。スイッチング素子のターンオフ時における放電電流の経路を示す図である。スイッチング素子のターンオフ時の動作説明用の図である。実施の形態１におけるゲート電源正側電圧を調整する回路図である。

符号の説明

１ケース、２ラベル、４ａ、４ｂ第１、第２のIGBT、５ａ、５ｂ第１、第２のフライホイールダイオード、６冷却器、７バスバー、８外部直流端子
、
９ａ、９ｂ、９ｃバスバー、 10a、10b、10c 電流センサー、１１制御基板、
１２スイッチング素子駆動IC、１３マイコン、１４Ｄ／Ａコンバータ、
１５ゲート電源正側電圧、１６絶縁型トランス。

Claims

直流電源を交流電源に変換して交流負荷を駆動する電力変換装置において、電力変換制御を行なうマイコンを有する制御基板と冷却器との間に並置された複数のパワーモジュールを備え、上記各パワーモジュールは、ケースと、該ケースに収容された電力変換を行なう複数のスイッチング素子と、上記ケースから導出された上記スイッチング素子の端子と、上記ケースに貼り付けまたは刻印された上記スイッチング素子の固体特性情報を示すラベルまたはマークとを有し、上記制御基板のマイコンには、上記ラベルまたはマークから読み取られた上記スイッチング素子の固体特性情報が記憶されていることを特徴とする電力変換装置。
上記スイッチング素子の個体特性情報にもとづいて上記スイッチング素子の駆動回路を調整し、上記スイッチング素子のスイッチング損失あるいは放射ノイズを低減することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記個体特性情報は、上記スイッチング素子のオンしきい値電圧、スイッチング損失及びゲート−エミッタ容量の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
上記駆動回路の調整は、上記スイッチング素子に印加するゲート電源電圧または上記スイッチング素子のゲート回路に接続されたゲート抵抗を調整することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。