JP5212303B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子によって構成されたスイッチング素子を有する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device having a switching element constituted by a unipolar element using a wide band gap semiconductor.
電力変換装置のスイッチング素子の材料として現在はシリコンが広く使われている。しかしながら、シリコンを材料としたスイッチング素子の特性は理論限界に近づきつつある。シリコンの理論限界を超える材料にはSiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体があり開発が進められている。このワイドバンドギャップ半導体を用いたパワーデバイスには、超低損失、高速・高温動作という特徴がある。そして、これらのワイドバンドギャップ半導体のうちパワーデバイスとして最も注目されているのがSiCデバイスであり、電力変換装置のスイッチング素子としてSiC-MOSFETが有力視されている。 Currently, silicon is widely used as a material for switching elements of power converters. However, the characteristics of switching elements made of silicon are approaching the theoretical limit. Wide bandgap semiconductors such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), and diamond are being developed as materials exceeding the theoretical limit of silicon. The power device using this wide band gap semiconductor has the characteristics of ultra-low loss, high speed and high temperature operation. Of these wide bandgap semiconductors, SiC devices are the focus of attention as power devices, and SiC-MOSFETs are considered promising as switching elements in power converters.
誘導負荷を駆動するインバータなどでは、スイッチング素子に対して並列にダイオードが接続されている。このようなダイオードは還流ダイオードと呼ばれており、逆方向電流を流す働きをする。そして、スイッチング素子としてSiC-MOSFETを用いたインバータでは、SiC-MOSFETに並列にSiCショットキーバリアダイオード(以下、SiC-SBDという。)が接続され、このSiC-SBDを還流ダイオードとして使用する構成が検討されている。 In an inverter or the like that drives an inductive load, a diode is connected in parallel to the switching element. Such a diode is called a freewheeling diode and functions to flow a reverse current. In an inverter using a SiC-MOSFET as a switching element, a SiC Schottky barrier diode (hereinafter referred to as SiC-SBD) is connected in parallel with the SiC-MOSFET, and this SiC-SBD is used as a free-wheeling diode. It is being considered.
ところで、上記のような構成にすることで還流ダイオードでの損失を低減することはできるが、SiC-SBDが必要になるため装置の大型化、コストアップを招くという問題があった。 By the way, although it is possible to reduce the loss in the free-wheeling diode by adopting the configuration as described above, there is a problem that the size of the device is increased and the cost is increased because SiC-SBD is required.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化・コストアップを招くことなく、スイッチング素子の導通損失を低減することにある。 This invention is made | formed in view of this point, The objective is to reduce the conduction | electrical_connection loss of a switching element, without causing enlargement and a cost increase.
第1の発明は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子によって構成され、寄生ダイオード(131)が内蔵されたスイッチング素子(130)を有するスイッチング回路(110,111,120,710)と、上記スイッチング素子(130)をオフして、寄生ダイオード(131)に逆方向電流が流れてから所定のタイミングで該スイッチング素子(130)をオンにして同期整流を行う制御部(140,540,640)とを備え、空気調和機に使用され、上記空気調和機の暖房中間負荷条件における上記スイッチング素子(130)の電流実効値(I rms )とオン抵抗(R on )との関係が、0.9を電圧値とした場合、I rms <0.9/R on になるように構成されているものである。 The first invention includes a switching circuit (110, 111, 120, 710) having a switching element (130) including a parasitic diode (131), which is configured by a unipolar element using a wide band gap semiconductor, and the switching element (130) is turned off. to, and a control unit that performs synchronous rectification from reverse current flows through the parasitic diode (131) and said switching element (130) is turned on at a predetermined timing (140,540,640) is used in an air conditioner, When the relationship between the effective current value (I rms ) and the on-resistance (R on ) of the switching element (130) under the heating intermediate load condition of the air conditioner is 0.9 and the voltage value is I rms <0.9 / R It is configured to be on .
上記第1の発明では、例えば、スイッチング素子(130)に逆方向電流が流れる際には該スイッチング素子(130)はオフ状態になっており、逆方向電流が流れてから所定時間(例えば、図3に示すデッドタイム期間)の経過後にスイッチング素子(130)をオンにする。そうすると、逆方向電流がスイッチング素子(130)を流れる。このように、同期整流を行うことにより、還流ダイオードを別途設けなくても逆方向電流がスイッチング素子(130)を流れる。 In the first invention, for example, when a reverse current flows through the switching element (130), the switching element (130) is in an off state, and a predetermined time (for example, FIG. After the elapse of the dead time period (3), the switching element (130) is turned on. Then, a reverse current flows through the switching element (130). Thus, by performing synchronous rectification, a reverse current flows through the switching element (130) without separately providing a freewheeling diode.
さらに、上記第1の発明では、スイッチング素子(130)に寄生ダイオード(131)が内蔵されており、逆方向電流は寄生ダイオード(131)に流れる。逆方向電流が寄生ダイオード(131)を流れてから所定時間(例えば、図3に示すデッドタイム期間)の経過後にスイッチング素子(130)をオンにする。そうすると、寄生ダイオード(131)を流れていた逆方向電流はオン状態のスイッチング素子(130)に流れる。このように、本発明では、逆方向電流が寄生ダイオード(131)を殆ど流れることなくスイッチング素子(130)を流れる。 Further, in the first invention, the switching element (130) includes the parasitic diode (131), and the reverse current flows through the parasitic diode (131). The switching element (130) is turned on after elapse of a predetermined time (for example, the dead time period shown in FIG. 3) after the reverse current flows through the parasitic diode (131). Then, the reverse current flowing through the parasitic diode (131) flows to the switching element (130) in the on state. Thus, in the present invention, the reverse current flows through the switching element (130) with almost no flow of the parasitic diode (131).
さらに、上記第1の発明では、空気調和機に設けられる冷媒回路の圧縮機を駆動するためのモータの電力変換装置として用いられる。 Furthermore, in the said 1st invention, it uses as a power converter device of the motor for driving the compressor of the refrigerant circuit provided in an air conditioner.
さらに、上記第1の発明では、スイッチング素子(130)を選定して同期整流を行えば、暖房中間負荷条件において、還流ダイオードを別途設けなくても、同等以上の効率で運転することができる。 Furthermore, in the first invention, if the switching element (130) is selected and synchronous rectification is performed, it is possible to operate at an efficiency equal to or higher than that without separately providing a freewheeling diode under heating intermediate load conditions.
第2の発明は、上記第1の発明において、上記ワイドバンドギャップ半導体として、SiC、GaN、ダイヤモンドの何れかが用いられるものである。 According to a second invention, in the first invention, any one of SiC, GaN, and diamond is used as the wide band gap semiconductor.
上記第2の発明では、ワイドバンドギャップ半導体がSiC、GaN、ダイヤモンドの何れかで構成されている。 In the second invention, the wide band gap semiconductor is composed of any one of SiC, GaN, and diamond.
第3の発明は、上記第1の発明において、上記ユニポーラ素子が、MOSFET、JFETまたはHFETである。 In a third aspect based on the first aspect, the unipolar element is a MOSFET, JFET or HFET.
上記第3の発明では、ユニポーラ素子がMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の場合、スイッチング素子(130)に寄生ダイオード(131)が内蔵されている。この場合、同期整流を行うことにより、逆方向電流が寄生ダイオード(131)を殆ど流れることなくスイッチング素子(130)を流れる。ユニポーラ素子がJFET(Junction FET)またはHFET(Heterostructure FET)の場合、スイッチング素子(130)に寄生ダイオード(131)は形成されないが、スイッチング素子(130)がオフ状態でも逆方向電流が該スイッチング素子(130)を流れ得る。この場合、同期整流を行うことにより、逆方向電流がオフ状態のスイッチング素子(130)を殆ど流れることなくオン状態のスイッチング素子(130)を流れる。 In the third invention, when the unipolar element is a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), the switching element (130) includes the parasitic diode (131). In this case, by performing synchronous rectification, the reverse current flows through the switching element (130) with almost no flow through the parasitic diode (131). When the unipolar element is a JFET (Junction FET) or HFET (Heterostructure FET), the parasitic diode (131) is not formed in the switching element (130), but the reverse current is applied to the switching element (130) even when the switching element (130) is off. 130) can flow. In this case, by performing synchronous rectification, the reverse current flows through the switching element (130) in the on state with almost no flow through the switching element (130) in the off state.
第4の発明は、上記第1乃至第3の何れか1の発明において、上記スイッチング回路(110,111,120,710)として、コンバータ回路(110)、昇圧チョッパ回路(111)、インバータ回路(120)、マトリックスコンバータの双方向スイッチ回路(710)の少なくとも1つを備えているものである。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the switching circuit (110, 111, 120, 710) includes a converter circuit (110), a boost chopper circuit (111), an inverter circuit (120), and a matrix converter. At least one of the bidirectional switch circuits (710) is provided.
上記第4の発明では、コンバータ回路(110)やインバータ回路(120)などに用いられるスイッチング素子(130)がスイッチング制御されて同期整流が行われる。 In the fourth aspect of the invention, the switching element (130) used in the converter circuit (110), the inverter circuit (120) and the like is subjected to switching control to perform synchronous rectification.
以上説明したように、本発明では、スイッチング素子(130)を逆方向電流が流れる所定のタイミングでスイッチング素子(130)をオン状態にする同期整流を行うようにした。さらに具体的に言うと、本発明では、逆方向電流がスイッチング素子(130)を流れるタイミングではスイッチング素子(130)をオフ状態にし、スイッチング素子(130)を逆方向電流が流れてから所定時間が経過した後(所定のタイミングで)スイッチング素子(130)をオン状態にする同期整流を行う。このような同期整流により、逆方向電流をスイッチング素子(130)の内部を流すことができる。つまり、SiC-SBDなどの還流ダイオードを別途設けなくても、スイッチング素子(130)に逆方向電流を流すことが可能となる。したがって、還流ダイオードが不要になるため、小型化およびコストダウンを図ることが可能となる。また、逆方向電流が還流ダイオードを流れる場合に比べて、導通損失を低減することができる。 As described above, in the present invention, synchronous rectification is performed to turn on the switching element (130) at a predetermined timing when the reverse current flows through the switching element (130). More specifically, in the present invention, at the timing when the reverse current flows through the switching element (130), the switching element (130) is turned off, and a predetermined time has passed after the reverse current flows through the switching element (130). After a lapse (at a predetermined timing), synchronous rectification is performed to turn on the switching element (130). Such synchronous rectification allows a reverse current to flow through the switching element (130). That is, a reverse current can be passed through the switching element (130) without separately providing a free-wheeling diode such as SiC-SBD. Therefore, since the free-wheeling diode becomes unnecessary, it is possible to reduce the size and the cost. Further, the conduction loss can be reduced as compared with the case where the reverse current flows through the return diode.
さらに、本発明では、還流ダイオードを別途設ける必要がないため、小型化およびコストダウンを図ることができる。また、逆方向電流を寄生ダイオード(131)には殆ど流さずスイッチング素子(130)に流すようにしたので、逆方向電流が寄生ダイオード(131)のみを流れる場合に比べて、導通損失を低減することができる。 Furthermore, in the present invention , since it is not necessary to separately provide a freewheeling diode, it is possible to reduce the size and cost. Also, since the reverse current hardly flows through the parasitic diode (131) and flows through the switching element (130), the conduction loss is reduced as compared with the case where the reverse current flows only through the parasitic diode (131). be able to.
さらに、本発明によれば、空気調和機の暖房中間負荷条件における上記スイッチング素子(130)の電流実効値(Irms)とオン抵抗(Ron)との関係が、0.9を電圧値とした場合、Irms<0.9/Ron になるようにスイッチング素子を選定して同期整流を行えば、暖房中間負荷条件において、還流ダイオードを別途設けなくとも、同等以上の効率を達成でき、コストダウンと高効率化を両立させることが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, when the relationship between the effective current value (I rms ) and the on-resistance (R on ) of the switching element (130) in the heating intermediate load condition of the air conditioner is 0.9 as a voltage value If the switching element is selected so that I rms <0.9 / R on and synchronous rectification is performed, the efficiency equal to or higher than that can be achieved without separately providing a freewheeling diode under heating intermediate load conditions. It is possible to achieve both efficiency.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、図面においては同一の部分または相当する部分には同じ参照符号を付けてその説明は繰り返さない。また、以下の実施形態および変形例は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated. Further, the following embodiments and modifications are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
《実施形態1》
本発明の実施形態1について説明する。図1に示すように、本実施形態の電力変換装置(100)は、コンバータ回路(110)とインバータ回路(120)と制御部(140)とを備えている。
A first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the power converter (100) of this embodiment is provided with the converter circuit (110), the inverter circuit (120), and the control part (140).
上記コンバータ回路(110)は、単相の交流電源(10)に接続され、該交流電源(10)を整流する。インバータ回路(120)は、コンバータ回路(110)によって整流された直流を三相交流に変換してモータ(20)に供給する。このモータ(20)は、空気調和機の冷媒回路に設けられる圧縮機を駆動するものである。なお、本実施形態では、交流電源(10)を単相交流としているが、三相交流としてもよい。 The converter circuit (110) is connected to a single-phase AC power supply (10) and rectifies the AC power supply (10). The inverter circuit (120) converts the direct current rectified by the converter circuit (110) into a three-phase alternating current and supplies it to the motor (20). This motor (20) drives the compressor provided in the refrigerant circuit of an air conditioner. In the present embodiment, the AC power supply (10) is a single-phase AC, but may be a three-phase AC.
上記インバータ回路(120)は、6個のスイッチング素子(130)によって同期整流を行うものであり、本発明のスイッチング回路を構成している。スイッチング素子(130)は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子(ここでは、SiC-MOSFET)によって構成されている。このSiC-MOSFET(130)は寄生ダイオード(131)が内蔵されている。つまり、この寄生ダイオード(131)は外付けされるダイオードではなくSiC-MOSFET(130)の内部に形成されるものである。本実施形態のインバータ回路(120)では、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)が還流ダイオードとして使用される。 The inverter circuit (120) performs synchronous rectification by six switching elements (130), and constitutes the switching circuit of the present invention. The switching element (130) is configured by a unipolar element (here, SiC-MOSFET) using a wide band gap semiconductor. This SiC-MOSFET (130) includes a parasitic diode (131). That is, the parasitic diode (131) is formed inside the SiC-MOSFET (130), not an externally attached diode. In the inverter circuit (120) of the present embodiment, the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as the freewheeling diode.
上記制御部(140)は、インバータ回路(120)の各スイッチング素子(130)をスイッチング制御して同期整流を行うように構成されている。 The control unit (140) is configured to perform synchronous rectification by switching control of each switching element (130) of the inverter circuit (120).
上記制御部(140)は図3に示すようにスイッチング制御して同期整流を行う。先ず、制御部(140)には出力電圧指令が送信される。出力電圧指令は、空気調和機の負荷に対するモータ(20)の必要出力電圧の信号であり、空気調和機の制御部から発信される。制御部(140)は、インバータ回路(120)の出力電圧が受信した必要出力電圧となるように、インバータ回路(120)の各スイッチング素子(130)をスイッチングする。具体的に、制御部(140)は、上アームのSiC-MOSFET(130)と下アームのSiC-MOSFET(130)のそれぞれを所定のタイミングでオン・オフさせる。つまり、制御部(140)は上アームのSiC-MOSFET(130)と下アームのSiC-MOSFET(130)とを交互にオンさせる。ここで、下アームのSiC-MOSFET(130)は、上アームのSiC-MOSFET(130)がオンしている期間(期間A)のあと直ぐにはオンされず所定のデッドタイム期間を置いてオンされる。同様に、上アームのSiC-MOSFET(130)は、下アームのSiC-MOSFET(130)がオンしている期間(期間B)のあと直ぐにはオンされず所定のデッドタイム期間を置いてオンされる。このデッドタイム期間は、いわゆるショートするのを回避するため、インバータ回路(120)の全てのSiC-MOSFET(130)をオフ状態にする期間である。 The controller (140) performs synchronous rectification by switching control as shown in FIG. First, an output voltage command is transmitted to the control unit (140). The output voltage command is a signal of a required output voltage of the motor (20) with respect to the load of the air conditioner, and is transmitted from the control unit of the air conditioner. The controller (140) switches each switching element (130) of the inverter circuit (120) so that the output voltage of the inverter circuit (120) becomes the received required output voltage. Specifically, the control unit (140) turns each of the upper arm SiC-MOSFET (130) and the lower arm SiC-MOSFET (130) on and off at a predetermined timing. That is, the control unit (140) turns on the SiC-MOSFET (130) of the upper arm and the SiC-MOSFET (130) of the lower arm alternately. Here, the SiC-MOSFET (130) of the lower arm is not turned on immediately after the period (period A) during which the SiC-MOSFET (130) of the upper arm is turned on, but is turned on after a predetermined dead time period. The Similarly, the SiC-MOSFET (130) of the upper arm is not turned on immediately after the period (period B) during which the SiC-MOSFET (130) of the lower arm is turned on, but is turned on after a predetermined dead time period. The This dead time period is a period in which all the SiC-MOSFETs (130) of the inverter circuit (120) are turned off in order to avoid a so-called short circuit.
上述した制御部(140)のスイッチング制御により、インバータ回路(120)で同期整流が行われる。例えば、電流i(図2を参照。)が正(>0)の場合では、下アームのSiC-MOSFET(130)は図4に示すように同期整流される。先ず、上アームのSiC-MOSFET(130)がオン状態で、該SiC-MOSFET(130)を順方向電流が流れる(図4(a)の状態。)。次に、上アームのSiC-MOSFET(130)がオフにされ、下アームのSiC-MOSFET(130)は、逆方向電流が流れるタイミングでオフ状態になっており、逆方向電流が該下アームのSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を流れる(図4(b)の状態。)。即ち、デッドタイム期間は、逆方向電流が寄生ダイオード(131)を流れる。そして、デッドタイム期間が経過すると、下アームのSiC-MOSFET(130)がオンにされて逆方向電流が寄生ダイオード(131)ではなく該SiC-MOSFET(130)の内部を流れる(図4(c)の状態。)。この下アームのSiC-MOSFET(130)の同期整流により、出力電圧v0(i>0)(v0は図2を参照。)は図3に示すとおりとなる。一方、電流i(図2を参照。)が負(<0)の場合では、上アームのSiC-MOSFET(130)が上記と同様に(図4に示すように)同期整流される。この上アームのSiC-MOSFET(130)の同期整流により、出力電圧v0(i<0)(v0は図2を参照。)は図3に示すとおりとなる。これから分かるように、何れの同期整流においても、逆方向電流が寄生ダイオード(131)を流れるデッドタイム期間では寄生ダイオード(131)の導通損失により電圧降下が生じる。しかしながら、デッドタイム期間の経過後はSiC-MOSFET(130)をオンにして逆方向電流が該SiC-MOSFET(130)の内部を流れるようにしているので、電圧降下を回避することができる。即ち、インバータ回路(120)では、同期整流を行うことによって、逆方向電流が寄生ダイオード(131)に殆ど流れることなく導通損失の極めて低いSiC-MOSFET(130)の内部に流れる。これにより、インバータ回路(120)における導通損失を低減することが可能となる。また、還流ダイオードを別途設ける必要がないため、電力変換装置(100)の小型化およびコストダウンを図ることが可能となる。このように、本実施形態の同期整流は、SiC-MOSFET(130)の内部にある寄生ダイオード(131)に逆方向電流が流れる所定のタイミングで該SiC-MOSFET(130)をオンにするものである。さらに具体的に言えば、本実施形態の同期整流は、SiC-MOSFET(130)の内部にある寄生ダイオード(131)に逆方向電流が流れるタイミングで該SiC-MOSFET(130)をオフにし、該オフしてから所定のタイミングで(所定のデッドタイム期間の経過後に)該SiC-MOSFET(130)をオンにして寄生ダイオード(131)を除く該SiC-MOSFET(130)の内部に逆方向電流を流すものである。
Synchronous rectification is performed in the inverter circuit (120) by the switching control of the control unit (140) described above. For example, when the current i (see FIG. 2) is positive (> 0), the lower-arm SiC-MOSFET (130) is synchronously rectified as shown in FIG. First, the SiC-MOSFET (130) of the upper arm is turned on, and a forward current flows through the SiC-MOSFET (130) (state shown in FIG. 4A). Next, the SiC-MOSFET (130) of the upper arm is turned off, and the SiC-MOSFET (130) of the lower arm is turned off at the timing when the reverse current flows, and the reverse current is applied to the lower arm. It flows through the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) (the state shown in FIG. 4B). That is, reverse current flows through the
また、本実施形態のスイッチング素子(130)では、ユニポーラ素子としてJFETまたはHFETで構成するようにしても同様の同期整流が可能である。この場合、スイッチング素子(130)において寄生ダイオード(131)が省略される。ここでは、代表してJFET(130)の場合の同期整流について説明する。この場合、先ず、上アームのJFET(130)がオン状態で、順方向電流が流れる。次に、上アームのJFET(130)がオフにされ、下アームのJFET(130)は逆方向電流が流れるタイミングでオフ状態になっており、逆方向電流は該下アームのJFET(130)の内部を流れる。即ち、デッドタイム期間は、逆方向電流がオフ状態のJFET(130)を流れる。そして、デッドタイム期間が経過すると、下アームのJFET(130)がオンにされて逆方向電流がそのままオン状態の該JFET(130)の内部を流れる。ここで、JFET(130)のオフ状態はオン状態よりも導通損失が高い。そのため、逆方向電流がオフ状態のJFET(130)を流れるデッドタイム期間は、上記SiC-MOSFET(130)の場合と同様に電圧降下が生じる。しかしながら、デッドタイム期間の経過後はJFET(130)をオンにして逆方向電流がオン状態のJFET(130)を流れるようにしているので、電圧降下を回避することができる。即ち、この場合は、同期整流を行うことによって、逆方向電流がオフ状態のJFET(130)に殆ど流れることなく導通損失の極めて低いオン状態のJFET(130)に流れる。これにより、インバータ回路(120)における導通損失を低減することが可能となる。なお、JFET(130)の場合は、ワイドバンドギャップ半導体としてSiCが用いられ、HFET(130)の場合は、ワイドバンドギャップ半導体としてGaN(窒化ガリウム)やGaAs(ガリリウム砒素)などが用いられる。 Further, in the switching element (130) of the present embodiment, the same synchronous rectification is possible even if the switching element (130) is constituted by a JFET or HFET as a unipolar element. In this case, the parasitic diode (131) is omitted from the switching element (130). Here, as a representative, synchronous rectification in the case of JFET (130) will be described. In this case, first, the forward current flows when the JFET (130) of the upper arm is on. Next, the JFET (130) of the upper arm is turned off, and the JFET (130) of the lower arm is turned off at the timing when the reverse current flows, and the reverse current is applied to the JFET (130) of the lower arm. Flows inside. That is, during the dead time period, the reverse current flows through the JFET (130) in the off state. When the dead time period elapses, the lower arm JFET (130) is turned on, and the reverse current flows through the JFET (130) in the on state as it is. Here, the conduction state loss is higher in the off state of the JFET (130) than in the on state. Therefore, during the dead time period in which the reverse current flows through the off-state JFET (130), a voltage drop occurs as in the case of the SiC-MOSFET (130). However, after the dead time period has elapsed, the JFET (130) is turned on so that the reverse current flows through the on-state JFET (130), so that a voltage drop can be avoided. That is, in this case, by performing synchronous rectification, the reverse current hardly flows in the off-state JFET (130), but flows in the on-state JFET (130) with extremely low conduction loss. Thereby, it is possible to reduce conduction loss in the inverter circuit (120). In the case of JFET (130), SiC is used as the wide band gap semiconductor, and in the case of HFET (130), GaN (gallium nitride), GaAs (gallium arsenide), or the like is used as the wide band gap semiconductor.
ここで、寄生ダイオードを還流ダイオードとして使用し同期整流を行う従来技術として、Si-MOSFETの寄生ダイオードを還流ダイオードとして使用する技術がある。しかしながら、Si-MOSFETの寄生ダイオードの立ち上がり電圧(オン電圧)が低いため(約0.7V)、同期整流をしても、すぐに寄生ダイオードが導通する。したがって同期整流の効果は小さい。これに対して、本実施形態のようにSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を還流ダイオードとして使用した場合には、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)の立ち上がり電圧(オン電圧)が高いため(約3V)、同期整流をすると、電流が大きくならなければ寄生ダイオード(131)が導通しない。ゆえに、本実施形態のようにSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を還流ダイオードとして使用すれば、Si-MOSFETの寄生ダイオードを還流ダイオードとして使用する場合よりも、同期整流の効果は大きくなる。 Here, as a conventional technique for performing synchronous rectification using a parasitic diode as a free-wheeling diode, there is a technique using a parasitic diode of a Si-MOSFET as a free-wheeling diode. However, since the rise voltage (ON voltage) of the parasitic diode of the Si-MOSFET is low (about 0.7V), the parasitic diode immediately conducts even after synchronous rectification. Therefore, the effect of synchronous rectification is small. On the other hand, when the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as a free-wheeling diode as in the present embodiment, the rising voltage (ON of the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is Since the voltage is high (about 3V), the parasitic diode (131) will not conduct unless the current increases when performing synchronous rectification. Therefore, if the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as a free-wheeling diode as in this embodiment, the effect of synchronous rectification is greater than when the parasitic diode of the Si-MOSFET is used as a free-wheeling diode. Become.
また、Si-MOSFETの寄生ダイオードを還流ダイオードとして使用し同期整流を行う場合、寄生ダイオードによりリカバリ電流が流れることが問題となっている。そのため、スイッチング速度を遅くしてリカバリ電流を減らす、回路構成を工夫して寄生ダイオードに電流を流さない、回路を付加してリカバリ電流による損失を減らすなどの工夫がされている(特許文献1,2)。
Further, when synchronous rectification is performed using a Si-MOSFET parasitic diode as a freewheeling diode, a recovery current flows through the parasitic diode. Therefore, the switching speed is reduced to reduce the recovery current, the circuit configuration is devised to prevent the current from flowing through the parasitic diode, and the circuit is added to reduce the loss due to the recovery current (
[背景技術]でも説明したとおり、SiC-MOSFETをスイッチング素子として使用する場合は、図5に示すように、SiC-MOSFET(130)に並列にSiC-SBD(132)を接続して還流ダイオードとして使用する構成が検討されている。この構成によれば、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)の立ち上がり電圧(約3V)とSiC-SBD(132)の立ち上がり電圧(約1V)とが大きく違うため、リカバリ電流の少ないSiC-SBD(132)にのみ逆方向電流を流すことができ、寄生ダイオード(131)に逆方向電流が流れないようにできる。SiC-SBDは、リカバリ電流とスイッチング損失を大幅に低減できることが知られており、このようにSiC-MOSFETによれば、Si-MOSFETの場合と比べて、リカバリ電流抑制を簡単に実現できる。なお、Si-MOSFETでは、並列に接続して還流ダイオードとして使用できるダイオードの立ち上がり電圧は、SiC-MOSFETの寄生ダイオードと同等であり、寄生ダイオードに逆方向電流が流れないようにすることはできない。 As explained in [Background Art], when using a SiC-MOSFET as a switching element, a SiC-SBD (132) is connected in parallel to the SiC-MOSFET (130) as shown in FIG. The configuration to use is being considered. In this configuration, the SiC-MOSFET (130) has a low recovery current because the parasitic diode (131) rise voltage (approximately 3V) and the SiC-SBD (132) rise voltage (approximately 1V) are significantly different. -A reverse current can only flow through the SBD (132) and no reverse current can flow through the parasitic diode (131). It is known that SiC-SBD can significantly reduce recovery current and switching loss. Thus, with SiC-MOSFET, recovery current suppression can be realized more easily than with Si-MOSFET. In Si-MOSFET, the rising voltage of a diode that can be connected in parallel and used as a freewheeling diode is equivalent to the parasitic diode of SiC-MOSFET, and it is impossible to prevent reverse current from flowing through the parasitic diode.
一方、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)と同じ構造のSiC pnダイオードのリカバリ電流は小さく、Si pnダイオードよりもスイッチング損失が桁違いに小さくなるため、本実施形態ではリカバリ電流,スイッチング損失を大幅に低減できる。 On the other hand, the recovery current of the SiC pn diode having the same structure as the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is small, and the switching loss is orders of magnitude smaller than that of the Si pn diode. Loss can be greatly reduced.
図5に示した構成ではSiC-SBD(132)が必要となりコストアップとなる問題があるが、本実施形態のようにSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を還流ダイオードとして使い同期整流を行うようにすれば、SiC-SBD(132)を設ける必要がなくSiC-MOSFET(130)のみで構成でき、コストを抑えられる。また、同期整流をすることで、SiC-MOSFET(130)側が通電し、寄生ダイオード(131)単体よりも導通損を抑えることができる。特に軽負荷では、SiC-SBD(132)を使うよりも損失を抑えることができる。この点については後述する。 The configuration shown in FIG. 5 requires a SiC-SBD (132), which increases the cost. However, as in this embodiment, the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as a freewheeling diode for synchronous rectification. If this is performed, it is not necessary to provide the SiC-SBD (132), and only the SiC-MOSFET (130) can be used, thereby reducing the cost. Further, by performing synchronous rectification, the SiC-MOSFET (130) side is energized, and the conduction loss can be suppressed as compared with the parasitic diode (131) alone. Especially at light loads, loss can be reduced compared to using SiC-SBD (132). This point will be described later.
なお、図1ではインバータ回路(120)内の6個のスイッチング素子(130)すべてに対して寄生ダイオード(131)を還流ダイオードとして使い同期整流を行う構成を適用しているが、一部のスイッチング素子(130)にのみ適用することも可能である。 In FIG. 1, a configuration is employed in which synchronous rectification is applied to all six switching elements (130) in the inverter circuit (120) using the parasitic diode (131) as a freewheeling diode. It is also possible to apply only to the element (130).
<スイッチング素子選定条件>
本実施形態のインバータ回路(120)では同期整流によりSiC-MOSFET(130)が通電し、従来の構成(SiC-MOSFET(130)に並列にSiC-SBD(132)を接続して還流ダイオードとして使用する構成、図5参照)ではSiC-SBD(132)が通電する。ここで、SiC-MOSFET(130)、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)、SiC-SBD(132)の電圧‐電流特性の概略を図6に示す。SiC-MOSFET(130)は定抵抗特性を示す。SiC-SBD(132)の立ち上がり電圧(オン電圧)は約1V、SiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)の立ち上がり電圧(オン電圧)は約3Vである。なお、立ち上がり電圧は物性値により決まっており任意に設定できない。
<Switching element selection conditions>
In the inverter circuit (120) of this embodiment, the SiC-MOSFET (130) is energized by synchronous rectification, and the conventional configuration (SiC-SBD (132) is connected in parallel to the SiC-MOSFET (130) to be used as a free-wheeling diode) In the configuration (see FIG. 5), the SiC-SBD (132) is energized. Here, FIG. 6 shows an outline of the voltage-current characteristics of the SiC-MOSFET (130), the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130), and the SiC-SBD (132). SiC-MOSFET (130) exhibits constant resistance characteristics. The rising voltage (ON voltage) of the SiC-SBD (132) is about 1V, and the rising voltage (ON voltage) of the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is about 3V. The rising voltage is determined by the physical property value and cannot be set arbitrarily.
本実施形態の構成と従来構成(図5)の特性を比較して考えると、端子電圧がSiC-SBD(132)の立ち上がり電圧以下では、本実施形態のほうが効率がよい。しかしながら、さらに電流が流れると、従来構成のほうが効率がよくなる。そのため、定格条件,重負荷といった、大きな電流を流す運転状態ではSiC-SBD(132)を使用した従来構成のほうが効率がよくなる。一方、軽負荷では、SiC-SBD(132)の効果は低く、SiC-MOSFET(130)のみの本実施形態の構成のほうが効率がよい。 Comparing the characteristics of the configuration of this embodiment and the conventional configuration (FIG. 5), the present embodiment is more efficient when the terminal voltage is equal to or lower than the rising voltage of the SiC-SBD (132). However, if more current flows, the conventional configuration becomes more efficient. For this reason, the conventional configuration using SiC-SBD (132) is more efficient in operating conditions where a large current flows, such as rated conditions and heavy loads. On the other hand, at a light load, the effect of the SiC-SBD (132) is low, and the configuration of the present embodiment having only the SiC-MOSFET (130) is more efficient.
ここで、電流としてi=(√2)Irmssinθを流した時の、本実施形態と従来構成(図5)の損失はそれぞれ以下の(式1)〜(式3)で表される。
・本実施形態
(式1)Ron×Irms 2
・従来構成
(式2)Vf×(2√2/π)Irms …ただし、Vf=const.
(式3)αIrms 2+β(2(√2)/π)Irms …ただし、Vf(i)=αi+β
Irmsは電流実効値,RonはSiC-MOSFET(130)のオン抵抗値、VfはSiC-SBD(132)の端子電圧である。(式2)はVfを一定値で近似したものであり、(式3)はVfを一次近似したものである。
Here, when i = (√2) I rms sin θ is passed as the current, the losses of this embodiment and the conventional configuration (FIG. 5) are expressed by the following (Equation 1) to (Equation 3), respectively.
-This embodiment (Formula 1) R on × I rms 2
・ Conventional configuration (Formula 2) Vf x (2√2 / π) Irms… However, Vf = const.
(Equation 3) αI rms 2 + β (2 (√2) / π) I rms ... where Vf (i) = αi + β
I rms is the effective current value, R on is the on-resistance value of the SiC-MOSFET (130), and Vf is the terminal voltage of the SiC-SBD (132). (Equation 2) approximates Vf with a constant value, and (Equation 3) approximates Vf with a first order.
図6や上式から分かるように、定格負荷や重負荷では本実施形態の損失が大きくなるが、軽負荷では本実施形態の方が損失は小さくなる。定格負荷での効率が重要視される一般的な負荷とは異なり、空調用途では軽負荷での運転時間が長い。そのため、実省エネのためには軽負荷での運転効率が要求される。日本国内において実省エネに最も影響するのが、暖房定格能力に対して1/2の能力を出す条件である、暖房中間負荷と呼ばれる運転条件である。 As can be seen from FIG. 6 and the above equation, the loss of the present embodiment increases at the rated load and the heavy load, but the loss of the present embodiment decreases at the light load. Unlike general loads where efficiency at the rated load is important, operating time at light loads is long in air conditioning applications. For this reason, in order to save energy, the driving efficiency at light load is required. In Japan, the most significant effect on actual energy saving is an operating condition called a heating intermediate load, which is a condition that produces half of the rated heating capacity.
暖房中間負荷での電流実効値をIrms1とした時、以下の(式4)と(式5)に示す条件が成り立つようにSiC-MOSFET(130)を選定する。
(式4)Irms1<(2(√2)/π)Vf/Ron …ただし、Vf=const.
(式5)Irms1<(2(√2)/π)β/(Ron−α) …ただし、Vf(i)=αi+β
このようにスイッチング素子を選定して同期整流を行えば、暖房中間負荷において、SiC-SBD(132)を使用しなくとも、同等以上の効率を達成でき、コストダウンと高効率化を両立させることが可能となる。
Select the SiC-MOSFET (130) so that the conditions shown in (Equation 4) and (Equation 5) below are satisfied when the current effective value at the heating intermediate load is I rms1 .
(Equation 4) I rms1 <(2 (√2) / π) Vf / R on ... However, Vf = const.
(Formula 5) I rms1 <(2 (√2) / π) β / (R on −α) where Vf (i) = αi + β
By selecting the switching element and performing synchronous rectification in this way, it is possible to achieve the same or higher efficiency in the heating intermediate load without using SiC-SBD (132), and to achieve both cost reduction and high efficiency. Is possible.
さらに、SiC-SBD(132)の立ち上がり電圧は約1Vである点を考慮し、Vfを1Vとすると、上記(式4)は以下の(式6)のように簡略化できる。
(式6)Irms1<0.9/Ron
これによりスイッチング素子選定がさらに容易になる。
Further, considering that the rising voltage of the SiC-SBD (132) is about 1V, when Vf is 1V, the above (formula 4) can be simplified as the following (formula 6).
(Formula 6) I rms1 <0.9 / R on
This further facilitates switching element selection.
また、空気調和機では、軽負荷時または過負荷時に、負荷力率を変化させて運転したり、トルク(インバータ回路(120)の出力電流)が一定で圧縮機の回転数(インバータ回路(120)の出力電圧)を変動させたりする運転モードが存在する。空気調和機において、流れる電流を変化させることなく、負荷力率を変化させた場合および加減速時のスイッチング素子の温度変化を図7から図9に示す。図7および図8は、スイッチング素子に対して逆並列にダイオードが接続された構成における各素子の温度変化を、図9は、スイッチング素子(130)のみによってインバータ回路(120)を構成した場合の各素子(130)の温度変化を、それぞれ示す。また、上記図7は、主にSiによってスイッチング素子を構成した場合、上記図8は、主にSiCによってスイッチング素子を構成して上記図7の場合よりもチップを小型化した場合の温度変化をそれぞれ示す。 Also, the air conditioner can be operated by changing the load power factor during light load or overload, or the torque (output current of the inverter circuit (120)) is constant and the rotation speed of the compressor (inverter circuit (120 ) Output voltage)). In the air conditioner, FIGS. 7 to 9 show changes in the temperature of the switching element when the load power factor is changed without changing the flowing current and during acceleration / deceleration. 7 and 8 show the temperature change of each element in the configuration in which the diode is connected in antiparallel with the switching element, and FIG. 9 shows the case where the inverter circuit (120) is configured by only the switching element (130). The temperature change of each element (130) is shown, respectively. 7 shows the change in temperature when the switching element is mainly composed of Si, and FIG. 8 shows the temperature change when the switching element is mainly composed of SiC and the chip is made smaller than in the case of FIG. Each is shown.
上記図7および図8に示すように、負荷力率を変化させた場合や加減速時では、スイッチング素子に流れる電流が変化するため、該スイッチング素子の温度が運転条件によって変化する。これに対し、逆導通可能なスイッチング素子(130)のみによってインバータ回路(120)を構成した上記図9では、該インバータ回路(120)内に流れる電流が変わらなければ、運転条件に関係なく、該スイッチング素子(130)の温度変化が一定となる。したがって、空気調和機の運転条件が変化しても、流れる電流が一定であれば、スイッチング素子(130)に流れる電流を一定にすることができ、該スイッチング素子(130)の温度を一定にすることができる。その結果、高温動作時の信頼性向上を図ることができる。 As shown in FIGS. 7 and 8 above, when the load power factor is changed or during acceleration / deceleration, the current flowing through the switching element changes, so the temperature of the switching element changes depending on the operating conditions. On the other hand, in FIG. 9 in which the inverter circuit (120) is configured only by the switching element (130) capable of reverse conduction, the current flowing in the inverter circuit (120) does not change, regardless of the operating conditions. The temperature change of the switching element (130) becomes constant. Therefore, even if the operating condition of the air conditioner changes, if the flowing current is constant, the current flowing in the switching element (130) can be constant, and the temperature of the switching element (130) is constant. be able to. As a result, it is possible to improve the reliability during high temperature operation.
《実施形態2》
本発明の実施形態2について説明する。図10に示すように、本実施形態の電力変換装置(500)では、力率改善回路として使用される昇圧チョッパ回路(111)のダイオードとしてSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を使用している。そして、本実施形態では、制御部(540)によって昇圧チョッパ回路(111)が上記実施形態1と同様に同期整流される。この同期整流により、特に軽負荷で効率が改善する。またSiCデバイスを使用しているので、Siデバイスに比べてリカバリ電流が著しく小さくなり、スイッチング損失を低減できる。なお、本実施形態では、昇圧チョッパ回路(111)が本発明のスイッチング回路を構成している。
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A second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 10, in the power converter (500) of this embodiment, the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as the diode of the boost chopper circuit (111) used as the power factor correction circuit. doing. In this embodiment, the boost chopper circuit (111) is synchronously rectified in the same manner as in the first embodiment by the control unit (540). This synchronous rectification improves efficiency, especially at light loads. Moreover, since the SiC device is used, the recovery current is remarkably smaller than that of the Si device, and the switching loss can be reduced. In the present embodiment, the boost chopper circuit (111) constitutes the switching circuit of the present invention.
《実施形態3》
本発明の実施形態3について説明する。図11に示すように、本実施形態の電力変換装置(600)では、コンバータ回路(110)の整流ダイオードとしてSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)を使用し、制御部(640)によって同期整流が行われる。なお、図11では、交流電源(10)を単相交流としているが、三相交流としてもよい。また、コンバータ回路(110)の整流ダイオードの一部のみをSiC-MOSFET(130)の寄生ダイオード(131)とし、残りを通常のダイオードとしてもよい。
<< Embodiment 3 >>
Embodiment 3 of the present invention will be described. As shown in FIG. 11, in the power converter (600) of this embodiment, the parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130) is used as the rectifier diode of the converter circuit (110), and is controlled by the control unit (640). Synchronous rectification is performed. In FIG. 11, the AC power source (10) is a single-phase AC, but may be a three-phase AC. Further, only a part of the rectifier diode of the converter circuit (110) may be a parasitic diode (131) of the SiC-MOSFET (130), and the rest may be a normal diode.
《実施形態4》
本発明の実施形態4について説明する。図12(a)に示すように、本実施形態の電力変換装置(700)は、三相交流電源(30)の電線と三相交流モータ(20)の固定子電線とで組み合わせ可能な9つの接点それぞれにスイッチング素子を使用した双方向スイッチ回路(710)を設けたマトリックスコンバータであり、入力した交流電圧を一旦直流電圧に変換することなく直接交流電圧に変換して出力する。マトリックスコンバータは通流素子数が少ないため、原理的に小型,高効率化が可能となる。マトリックスコンバータに使用する双方向スイッチ回路(710)は双方向に導通させる必要があるため、本実施形態では図7(b)に示すように2個のSiC-MOSFET(130)を逆向きに直列接続し双方向スイッチ回路(710)を構成している。上記双方向スイッチ回路(710)は本発明のスイッチング回路を構成している。
<< Embodiment 4 >>
Embodiment 4 of the present invention will be described. As shown to Fig.12 (a), the power converter device (700) of this embodiment is nine which can be combined with the electric wire of a three-phase alternating current power supply (30), and the stator electric wire of a three-phase alternating current motor (20). It is a matrix converter provided with a bidirectional switch circuit (710) using a switching element at each contact, and directly converts the input AC voltage into an AC voltage and outputs it without converting it into a DC voltage. Since the matrix converter has a small number of current-carrying elements, it can in principle be made compact and highly efficient. Since the bidirectional switch circuit (710) used in the matrix converter needs to be conducted in both directions, in this embodiment, two SiC-MOSFETs (130) are connected in series in the reverse direction as shown in FIG. 7B. Connected to form a bidirectional switch circuit (710). The bidirectional switch circuit (710) constitutes a switching circuit of the present invention.
なお、上記各実施形態ではワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子の一例としてSiC-MOSFETを示したが、GaNやダイヤモンドなど他のワイドバンドギャップ半導体を用いたユニポーラ素子でも同様に考えることができる。 In each of the above embodiments, an SiC-MOSFET is shown as an example of a unipolar element using a wide band gap semiconductor, but the same can be applied to a unipolar element using another wide band gap semiconductor such as GaN or diamond.
また、上記実施形態2〜4においても、ユニポーラ素子としてMOSFETの代わりにJFETやHFETを用いるようにしてよいことは勿論である。 In the second to fourth embodiments, as a matter of course, a JFET or HFET may be used as the unipolar element instead of the MOSFET.
以上説明したように、本発明による電力変換装置は、定格負荷での効率よりも軽負荷での効率が重要となる空気調和機等に適用すれば有用である。 As described above, the power conversion device according to the present invention is useful when applied to an air conditioner or the like in which efficiency at a light load is more important than efficiency at a rated load.
100 電力変換装置
110 コンバータ回路(スイッチング回路)
111 昇圧チョッパ回路(スイッチング回路)
120 インバータ回路(スイッチング回路)
130 SiC-MOSFET,SiC-JFET(スイッチング素子)
131 寄生ダイオード
140,540,640 制御部
500,600,700 電力変換装置
710 双方向スイッチ回路(スイッチング回路)
100 power converter
110 Converter circuit (switching circuit)
111 Boost chopper circuit (switching circuit)
120 Inverter circuit (switching circuit)
130 SiC-MOSFET, SiC-JFET (switching element)
131 Parasitic diode
140,540,640 Control unit
500,600,700 Power converter
710 Bidirectional switch circuit (switching circuit)
Claims (4)
上記スイッチング素子(130)をオフして、寄生ダイオード(131)に逆方向電流が流れてから所定のタイミングで該スイッチング素子(130)をオンにして同期整流を行う制御部(140,540,640)とを備え、
空気調和機に使用され、
上記空気調和機の暖房中間負荷条件における上記スイッチング素子(130)の電流実効値(I rms )とオン抵抗(R on )との関係が、0.9を電圧値とした場合、I rms <0.9/R on になるように構成されている
ことを特徴とする電力変換装置。 A switching circuit (110, 111, 120, 710) having a switching element (130) configured by a unipolar element using a wide band gap semiconductor and including a parasitic diode (131) ;
Off the switching element (130), and a control unit that performs synchronous rectification from reverse current flows through the parasitic diode (131) and said switching element (130) is turned on at a predetermined timing (140,540,640) ,
Used in air conditioners,
When the relationship between the effective current value (I rms ) and the on-resistance (R on ) of the switching element (130) under the heating intermediate load condition of the air conditioner is 0.9 and the voltage value is I rms <0.9 / R A power conversion device configured to be on .
上記ワイドバンドギャップ半導体として、SiC、GaN、ダイヤモンドの何れかが用いられる
ことを特徴とする電力変換装置。 Oite to claim 1,
One of SiC, GaN, and diamond is used as said wide band gap semiconductor, The power converter device characterized by the above-mentioned.
上記ユニポーラ素子は、MOSFET、JFETまたはHFETである
ことを特徴とする電力変換装置。 In claim 1,
The power converter is characterized in that the unipolar element is a MOSFET, JFET or HFET.
上記スイッチング回路(110,111,120,710)として、コンバータ回路(110)、昇圧チョッパ回路(111)、インバータ回路(120)、マトリックスコンバータの双方向スイッチ回路(710)の少なくとも1つを備えている
ことを特徴とする電力変換装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The switching circuit (110, 111, 120, 710) includes at least one of a converter circuit (110), a step-up chopper circuit (111), an inverter circuit (120), and a bidirectional switch circuit (710) of a matrix converter. Power conversion device.
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