JP6977876B2 - パワーデバイス駆動装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーデバイス駆動装置及びその製造方法に関する。
パワーデバイスに対して高機能化・高精度化・高密度化が要求されている。パワーデバイスと制御基板が一体となったＩＰＭにおいても、パワーデバイスの高密度化に伴い、制御基板の更なる高密度化が必要となっている。制御基板の高密度化の手段として、ディスクリート部品をＡＳＩＣ又はマイコンに取り込む集約化が挙げられる。専用の電源用ＩＣをマイコンに取り込んで集約化してデジタル電源化することで電源装置の集約化・高機能化を図る手段がある（例えば、特許文献１参照）。
日本特開２００９−１９５０９５号公報
従来の絶縁型のデジタル電源装置では、２次側出力電圧をフィードバックするためにフォトカプラ又はトランス補助巻線を用いていた。このような周辺回路が必要となるため、コストが増加するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はコストの増加を防ぐことができるパワーデバイス駆動装置及びその製造方法を得るものである。
本発明に係るパワーデバイス駆動装置は、制御信号を生成する制御部と、前記制御信号に応じてスイッチングして電源電圧から１次側入力電圧を生成するスイッチング素子と、前記１次側入力電圧を２次側出力電圧に変換するトランスと、前記２次側出力電圧に応じてパワーデバイスを駆動する駆動回路とを備え、前記制御部は、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号の設定値の対応関係をまとめたテーブルを有し、前記テーブルを参照して前記電源電圧に対応する設定値を持った前記制御信号を生成し、前記テーブルは、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧とパワーデバイスのキャリア周波数と制御信号の設定値の対応関係をまとめたものであり、前記制御部は、前記テーブルを参照して前記電源電圧と前記パワーデバイスのキャリア周波数に対応する設定値を持った前記制御信号を生成することを特徴とする。
本発明では、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号の設定値の対応関係をまとめたテーブルを参照して、電源電圧に対応する設定値を持った制御信号を生成し、この制御信号に応じて電源電圧からトランスの１次側入力電圧を生成する。これにより、トランスの２次側出力電圧をフィードバックする周辺回路が不要となるため、コストの増加を防ぐことができる。
実施の形態１に係るパワーデバイス駆動装置を示す回路図である。 実施の形態１に係るテーブルを示す図である。 実施の形態１に係る制御部の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２に係るパワーデバイス駆動装置を示す回路図である。 実施の形態２に係るテーブルを示す図である。
実施の形態に係るパワーデバイス駆動装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るパワーデバイス駆動装置を示す回路図である。電源端子と接地端子の間にトランス１の１次側コイルとスイッチング素子２が直列に接続されている。コンデンサ３がトランス１の１次側コイルに並列に接続されている。
制御部４は、電源電圧を入力して制御信号を生成する。制御部４が出力した制御信号はスイッチング素子２のゲートに入力される。スイッチング素子２は制御信号に応じてスイッチングして電源電圧からトランス１の１次側入力電圧を生成する。トランス１は１次側入力電圧を２次側出力電圧に変換する。
コンデンサ５がトランス１の２次側コイルに並列に接続されている。トランス１の２次側出力電圧はダイオード６を介して駆動回路７に入力される。駆動回路７は２次側出力電圧に応じてパワーデバイス８を駆動する。パワーデバイス８はＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳトランジスタ等である。２次側出力短絡等の異常時に駆動回路７からエラー信号が出力される。このエラー信号は、フォトカプラ等の絶縁素子９を介して１次側の制御部４に入力される。
制御部４は、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号の設定値の対応関係をまとめたテーブルを有する。制御信号はパルス幅変調（Pulse Width Modulation）信号である。制御信号の設定値はパルス幅変調信号のデューティ比である。図２は、実施の形態１に係るテーブルを示す図である。制御部４は、図２のテーブルを参照して電源電圧に対応するデューティ比を持った制御信号を生成する。これにより、所望の２次側出力電圧を得ることができる。なお、制御部４は、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ、又はシステムＬＳＩ等の処理回路により実現される。また、複数の処理回路が連携して上記の機能を実行してもよい。
図３は、実施の形態１に係る制御部の動作を示すフローチャートである。まず、制御部４は電源電圧を入力する（ステップＳ１）。次に、制御部４はテーブルを参照し（ステップＳ２）、電源電圧に対応する制御信号のデューティ比を決定し（ステップＳ３）、そのデューティ比を持つ制御信号を出力する（ステップＳ４）。次に、制御部４は、制御信号のデューティ比の決定毎に、２次側から１次側に伝達されているエラー信号を入力する（ステップＳ５）。制御部４は、エラー信号の有無を判定し（ステップＳ６）、エラー信号が伝達された異常時に制御信号の出力を停止してパワーデバイス駆動装置を保護する（ステップＳ７）。
以上説明したように、本実施の形態では、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号の設定値の対応関係をまとめたテーブルを参照して、電源電圧に対応する設定値を持った制御信号を生成し、この制御信号に応じて電源電圧からトランス１の１次側入力電圧を生成する。これにより、トランス１の２次側出力電圧をフィードバックする周辺回路が不要となるため、コストの増加を防ぐことができる。また、フィードバック処理時間が発生しない分、応答性も改善される。
パワーデバイス駆動装置において、２次側出力電圧の大きな変動要因は電源電圧とパワーデバイス８の駆動負荷である。とりわけ車載用駆動電源となると電源電圧の変動幅は８〜１６Ｖ程度であり、電源電圧の急激な変動はない。従って、本実施の形態のようなテーブルによる制御でも、電源電圧の変動にも対応できる。また、パワーデバイス駆動時の出力電圧低下分を考慮し予め高めに出力電圧を設定することで、パワーデバイス駆動負荷に対する変動にも対応できる。
実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係るパワーデバイス駆動装置を示す回路図である。実施の形態１では制御部４に電源電圧のみ入力していたが、本実施の形態ではパワーデバイス８の駆動負荷情報であるキャリア周波数も入力する。図５は、実施の形態２に係るテーブルを示す図である。テーブルは、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧とパワーデバイスのキャリア周波数と制御信号のデューティ比をまとめたものである。制御部４は、図５のテーブルを参照して電源電圧とパワーデバイスのキャリア周波数に対応するディーティ比を持った制御信号を生成する。これにより出力負荷変動にも対応できる。その他の構成及び効果は実施の形態１と同様である。
実施の形態１，２のテーブルは実験結果に基づいて設定される。ただし、パワーデバイス装置製造時の検査工程において、制御部４に入力する電源電圧を変化させながら２次側出力電圧をモニタして２次側出力電圧が所望の電圧となるようにテーブルを設定してもよい。これにより、構成部材の特性変動をキャンセルすることができ、より精度の高い電源装置を実現できる。
なお、パワーデバイス８は、珪素によって形成されたものに限らず、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成されたものでもよい。ワイドバンドギャップ半導体は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドである。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたパワーデバイス８は、耐電圧性や許容電流密度が高いため、小型化できる。この小型化されたパワーデバイス８を用いることで、このパワーデバイス８を組み込んだ半導体モジュールも小型化できる。また、パワーデバイス８の耐熱性が高いため、ヒートシンクの放熱フィンを小型化でき、水冷部を空冷化できるので、半導体モジュールを更に小型化できる。また、パワーデバイス８の電力損失が低く高効率であるため、半導体モジュールを高効率化できる。
１ トランス、２ スイッチング素子、４ 制御部、７ 駆動回路、８ パワーデバイス

Claims (4)

  1. 制御信号を生成する制御部と、
    前記制御信号に応じてスイッチングして電源電圧から１次側入力電圧を生成するスイッチング素子と、
    前記１次側入力電圧を２次側出力電圧に変換するトランスと、
    前記２次側出力電圧に応じてパワーデバイスを駆動する駆動回路とを備え、
    前記制御部は、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号の設定値の対応関係をまとめたテーブルを有し、前記テーブルを参照して前記電源電圧に対応する設定値を持った前記制御信号を生成し、
    前記テーブルは、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧とパワーデバイスのキャリア周波数と制御信号の設定値の対応関係をまとめたものであり、
    前記制御部は、前記テーブルを参照して前記電源電圧と前記パワーデバイスのキャリア周波数に対応する設定値を持った前記制御信号を生成することを特徴とするパワーデバイス駆動装置。
  2. 前記制御部は前記２次側出力電圧をフィードバックすることなく前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のパワーデバイス駆動装置。
  3. 前記制御信号はパルス幅変調信号であり、
    前記テーブルは、所望の２次側出力電圧が得られるような電源電圧と制御信号のデューティ比の対応関係をまとめたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーデバイス駆動装置。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のパワーデバイス駆動装置を製造する方法であって、
    前記制御部に入力する前記電源電圧を変化させながら前記２次側出力電圧をモニタして前記２次側出力電圧が所望の電圧となるように前記テーブルを設定することを特徴とするパワーデバイス駆動装置の製造方法。
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