JP2016144326A - Resonance type dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流入力電力をインバータにより交流電力に変換し、この交流電力を、トランスを介して整流部により直流電力に変換して出力することにより、入力側と出力側とを絶縁しつつ直流−直流変換を行う絶縁型DC−DCコンバータであって、電気的共振現象を利用して損失の低減を図った共振型DC−DCコンバータに関するものである。 In the present invention, DC input power is converted into AC power by an inverter, and this AC power is converted to DC power by a rectifier through a transformer and output, thereby insulating the input side from the output side. The present invention relates to an insulating DC-DC converter that performs direct current conversion, and relates to a resonant DC-DC converter that uses an electrical resonance phenomenon to reduce loss.
周知のように、電力変換装置には、直流電圧の大きさを変換するDC−DCコンバータ、交流電圧の大きさ及び周波数を変換するAC−ACコンバータ、直流電圧を交流電圧に変換するDC−ACコンバータ(いわゆるインバータ)等がある。 As is well known, a power converter includes a DC-DC converter that converts the magnitude of a DC voltage, an AC-AC converter that converts the magnitude and frequency of an AC voltage, and a DC-AC that converts a DC voltage into an AC voltage. There are converters (so-called inverters).
前記DC−DCコンバータの一例として、図3に示す回路が公知となっている。
図3において、10は直流電源E及び入力端子1a,1bからなる入力部、21は平滑用のコンデンサC1及び半導体スイッチング素子Q1〜Q4からなる高周波インバータ、30はトランスTr1からなる絶縁部、41はダイオードD1〜D4及び平滑用のコンデンサC3からなる整流部、50は出力端子2a,2bからなる出力部であり、これらの出力端子2a,2b間に負荷Rが接続されている。
As an example of the DC-DC converter, a circuit shown in FIG. 3 is known.
3, the 10 DC power source E and the input terminal 1a, an input unit consisting of 1b, the high-frequency inverter 21 is composed of a capacitor C 1 and the
このDC−DCコンバータでは、直流電源Eから入力される直流電力をインバータ21により高周波の交流電力に変換したうえで、絶縁部30のトランスTr1によってその一次側から二次側に伝達し、更に、整流部41により直流電力に変換して負荷Rに出力する。これにより、入力側と出力側とを絶縁しつつ直流−直流変換を行う絶縁型DC−DCコンバータとして機能させることができる。
周知のように、トランスTr1では、その一次側に入力された交流電力の電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して二次側に伝達し、電気エネルギーとして出力することにより、一次側と二次側とを電気的に絶縁しつつ交流電力を伝達している。
In this DC-DC converter, direct current power input from the direct current power source E is converted into high frequency alternating current power by the inverter 21 and then transmitted from the primary side to the secondary side by the transformer Tr 1 of the insulating
As is well known, in the transformer Tr 1 , the primary side and the secondary side are obtained by converting the electric energy of the AC power input to the primary side thereof into magnetic energy, transmitting it to the secondary side, and outputting it as electric energy. AC power is transmitted while being electrically insulated from each other.
図3の整流部41における整流素子としては、基本的に、整流作用を持つ半導体デバイスであるダイオードD1〜D4が用いられている。
ここで、ダイオードに順方向に電流が流れると、その電流とダイオードの両端電圧との積に比例したジュール熱が発生し、電力が消費される。この消費電力を時間的に積分したものが損失であり、ダイオードまたは整流素子の通流損失、導通損失等と称されている。
As the rectifying elements in the rectifying
Here, when a current flows through the diode in the forward direction, Joule heat proportional to the product of the current and the voltage across the diode is generated, and power is consumed. A loss is obtained by integrating the power consumption with respect to time, and is referred to as a conduction loss or conduction loss of a diode or a rectifying element.
ところで、ダイオードの順方向電圧には電圧オフセットがある。この電圧オフセットは、半導体スイッチング素子であるMOSFET等には見られないもので、ダイオードの種類にもよるが、概ね0.5〜1.5[V]程度の値であり、温度依存性を有することが多い。ダイオードの順方向電流は、ダイオードの両端電圧がオフセット電圧以上の値になった状態で立ち上がり、以後は、オフセット電圧と、微分抵抗と電流との積に応じた電圧との和を電圧降下として流れる。このため、ダイオードでは、微分抵抗が同等であるMOSFET等に比べて、同じ順方向電流を流す際の電圧降下が大きくなり、結果として通流損失が大きくなる。 Incidentally, there is a voltage offset in the forward voltage of the diode. This voltage offset is not found in MOSFETs or the like which are semiconductor switching elements, and is approximately 0.5 to 1.5 [V], depending on the type of diode, and has temperature dependence. There are many cases. The forward current of the diode rises when the voltage across the diode is equal to or greater than the offset voltage, and thereafter flows as the voltage drop of the sum of the offset voltage and the voltage corresponding to the product of the differential resistance and current. . For this reason, in the diode, compared to a MOSFET or the like having the same differential resistance, a voltage drop when the same forward current flows is increased, and as a result, a conduction loss is increased.
そこで、特許文献1に記載されているように、整流部を構成するダイオードに代わる素子としてMOSFETを用い、もともとのダイオードへの通流期間に前記MOSFETをオンさせてそのチャネルに電流を流す、「同期整流」と呼ばれる方式が提案されている。このとき、MOSFETには、本来の順方向通流時とは逆向きに電流が流れるため、「逆導通」ということがある。
図4は、同期整流方式が適用される上記特許文献1記載のDC−DCコンバータの回路構成図である。図4において、SWa〜SWdはMOSFET、Lはインダクタ、C4,C5はコンデンサを示し、その他の部品には図3と同一の参照符号を付してある。
Therefore, as described in
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of the DC-DC converter described in
次に、図5は、絶縁型DC−DCコンバータの整流部に関して、図3における整流部41のダイオードD1〜D4に代えて、図4と同様にMOSFETにより同期整流方式の整流部42を構成した例を示している。図5では、MOSFET本体を符号SW1〜SW4により表し、MOSFETが有する寄生ダイオードを符号BD1〜BD4によって表してあるが、以下では、場合によりMOSFETの全体についても符号SW1〜SW4を使用することとする。
なお、図5におけるMOSFET SW1〜SW4は、何れもシリコン(Si)系の半導体を用いて構成されたSi−MOSFETである。
Next, FIG. 5 relates to the rectifying unit of the insulated DC-DC converter, and instead of the diodes D 1 to D 4 of the rectifying
Note that the MOSFETs SW 1 to SW 4 in FIG. 5 are all Si-MOSFETs configured using silicon (Si) -based semiconductors.
図5に示した回路では、上下アームのMOSFETが同時にオンしないように、例えばMOSFET SW2,SW3がオフしてから所定のデッドタイムを置いてSW1,SW4をそれぞれオンさせ、SW2,SW3をオンさせるタイミングよりもデッドタイムだけ早めにSW1,SW4をそれぞれオフさせている。上記のデッドタイムは、MOSFET SW2,SW3とSW1,SW4とが同時にオンすることがないような尤度を持たせた最小限の時間に設定されており、MOSFET SW1,SW4の逆導通の時間に比べると非常に短いものである。
In the circuit shown in FIG. 5, as MOSFET of the upper and lower arms do not simultaneously turned on, for example,
図5の寄生ダイオードBD1,BD4は、MOSFET SW1,SW4本来の通流方向に対して逆並列に備わっており、寄生ダイオードBD1,BD4の通流方向は、図3における整流部41のダイオードD1,D4の通流方向と等しい。これらの寄生ダイオードは内蔵ダイオード、ボディーダイオードとも呼ばれており、寄生ダイオードには、前述したデッドタイムに電流が流れる。
このように、MOSFETには逆導通特性があり、しかも寄生ダイオードを有効活用できるため、同期整流に適した素子ということができる。
The parasitic diodes BD 1 and BD 4 in FIG. 5 are provided in anti-parallel to the original flow direction of the MOSFETs SW 1 and SW 4 , and the flow direction of the parasitic diodes BD 1 and BD 4 is rectified in FIG. It is equal to the flow direction of the diodes D 1 and D 4 of the
As described above, the MOSFET has reverse conduction characteristics and can effectively use the parasitic diode, so that it can be said to be an element suitable for synchronous rectification.
なお、後掲の非特許文献1に記載されているように、絶縁型DC−DCコンバータにおいても、整流部として、ダイオードの代わりにMOSFETによる同期整流を行うことによって通流損失を低減できることが知られており、実用化された事例もある。
In addition, as described in Non-Patent
ところで、近年、パワー半導体素子の分野において、炭化ケイ素(SiC)系半導体や窒化ガリウム(GaN)系半導体といったワイドバンドギャップ半導体を用いた素子の研究開発が活発になされており、既に実用化も始まっている。ワイドバンドギャップ半導体が、従来のシリコン(Si)系半導体と比べて優れている点として、高耐圧の素子を低オン抵抗で作製可能なこと、高温動作が可能なことが知られており、これらは、ワイドバンドギャップ半導体の禁制帯幅(バンドギャップ)が大きいこと、及び、絶縁破壊電界が大きいことから生じる利点である。 By the way, in recent years, in the field of power semiconductor devices, research and development of devices using wide band gap semiconductors such as silicon carbide (SiC) semiconductors and gallium nitride (GaN) semiconductors have been actively carried out, and commercialization has already started. ing. Wide bandgap semiconductors are known to be superior to conventional silicon (Si) semiconductors in that high breakdown voltage devices can be fabricated with low on-resistance and high temperature operation is possible. This is an advantage resulting from a large forbidden bandwidth (band gap) of a wide band gap semiconductor and a large dielectric breakdown electric field.
この種のワイドバンドギャップ半導体を用いれば、前述のごとく、高耐圧の素子を低オン抵抗にて作製することができ、導通損失の低減が可能になる。また、SiC系のMOSFETはSi系のMOSFETに比べてスイッチング速度が高いことが知られており、スイッチング損失も小さい。このため、スイッチング素子の動作周波数が高い条件でも使用可能であると共に、高周波化に伴って周辺回路のコンデンサやインダクタ等の受動部品を小型化することができるため、パワー密度、すなわち機器の体積当たりの電力容量を高めることが可能になる。 If this type of wide band gap semiconductor is used, a high breakdown voltage element can be manufactured with low on-resistance as described above, and conduction loss can be reduced. SiC-based MOSFETs are known to have a higher switching speed than Si-based MOSFETs, and switching loss is also small. For this reason, it can be used even under conditions where the operating frequency of the switching element is high, and passive components such as capacitors and inductors in peripheral circuits can be miniaturized as the frequency increases. It becomes possible to increase the power capacity.
また、SiC系の半導体を用いた、ダイオードの一種であるショットキーバリアダイオード(SBD)も実用化されている。従来のSi系の半導体の場合、高耐圧の分野ではSBDは物性的な理由から作ることができず、もっぱらP−N接合を用いたダイオードが提供されているが、P−N接合によるダイオードはスイッチング損失の一種である逆回復損失が大きいという問題がある。 A Schottky barrier diode (SBD), which is a kind of diode using a SiC-based semiconductor, has also been put into practical use. In the case of conventional Si-based semiconductors, SBDs cannot be made for physical reasons in the field of high breakdown voltage, and diodes using PN junctions are provided exclusively. There is a problem that reverse recovery loss, which is a kind of switching loss, is large.
これに対し、SiC系のSBDは、理論的に逆回復現象が発生しないため低損失なダイオードとして知られている。このため、スイッチング素子とダイオード(環流ダイオード)とを逆並列に接続したペアを用いることが必要な汎用インバータ等の分野において、電力変換効率を向上するには、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアによる“オールSiC”デバイスを用いることが理想的と考えられており、最近、市販も開始されている(“オールSiC”は、“All−SiC”と表記されたり、“フルSiC”と呼称されたりすることもある)。 On the other hand, SiC-based SBDs are known as low-loss diodes because theoretically no reverse recovery phenomenon occurs. For this reason, in the field of general-purpose inverters and the like that require the use of a pair in which switching elements and diodes (freewheeling diodes) are connected in antiparallel, in order to improve power conversion efficiency, SiC-MOSFET and SiC-SBD are used. It is considered ideal to use an “all-SiC” device with pairs connected in antiparallel, and recently commercially available (“all-SiC” is expressed as “All-SiC” or “ Sometimes referred to as “full SiC”).
しかしながら、SiC−MOSFETはようやく実用化の途に就いた段階であり、一方、SiC−SBDは、SiC−MOSFETに比べると実現上の技術的な難易度が低いため、SiC−MOSFETに先駆けて普及しつつある。このため、汎用インバータ等の分野では、Si系のスイッチング素子であるIGBTとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアによる“ハイブリッド”デバイスが考案され、このハイブリッドデバイスは、SiC−MOSFET及びSiC−SBDによるオールSiCデバイスに先行して実用化されている。 However, SiC-MOSFETs are finally in the stage of practical use, while SiC-SBD is less technically difficult to realize than SiC-MOSFETs, so it is popular before SiC-MOSFETs. I am doing. For this reason, in the field of general-purpose inverters and the like, a “hybrid” device is devised by a pair in which IGBTs and SiC-SBDs, which are Si-based switching elements, are connected in antiparallel, and this hybrid device includes SiC-MOSFET and SiC- It has been put to practical use in advance of all SiC devices based on SBD.
そこで、絶縁型DC−DCコンバータにおいても、整流部のダイオードとして従来のSi系のダイオードに代えてSiC−SBDを適用することが注目されており、これにより、逆回復損失が発生しなくなって低損失化を図ることができる。また、同期整流方式を採用する場合には、図6に示す整流部43のように、MOSFET SW1〜SW4としてSiC−MOSFETを使用することにより、通流損失及びスイッチング損失の低減、電力変換効率の向上が期待されている。 Therefore, in the insulation type DC-DC converter, it has been attracting attention that SiC-SBD is applied as the diode of the rectifying unit instead of the conventional Si-based diode. Loss can be achieved. Further, when the synchronous rectification method is adopted, the use of SiC-MOSFETs as the MOSFETs SW 1 to SW 4 as in the rectification unit 43 shown in FIG. 6 reduces the conduction loss and the switching loss, and the power conversion. Improvement in efficiency is expected.
最近では、オールSiCデバイスとして、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアを1パッケージに同梱した素子や、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアを2組直列に接続してなる回路要素を1パッケージに同梱したハーフブリッジモジュール(2in1モジュールともいう)等が製品化されている。 Recently, as an all-SiC device, an element in which a pair in which SiC-MOSFET and SiC-SBD are connected in antiparallel is bundled in one package, or a pair in which SiC-MOSFET and SiC-SBD are connected in antiparallel is two. Half-bridge modules (also called 2-in-1 modules) in which circuit elements connected in series are bundled in one package have been commercialized.
例えば、図7は、整流部44をオールSiCハーフブリッジモジュール44X,44Yにより構成した例であり、これらのモジュール44X,44Yは、寄生ダイオードBD1〜BD4を備えたMOSFET(SiC−MOSFET) SW1〜SW4と、SiC−SBDであるショットキーバリアダイオードSBD1〜SBD4とによって構成されている。なお、以下では、ショットキーバリアダイオードを“SBダイオード”ともいうこととする。
この種のハーフブリッジモジュールは、1パッケージのモジュールによってインバータや整流部の一相分の上下アームを構成できるため、汎用性が高い。更には、取り扱いやすく、簡素化・小型化にも有利と考えられるので、オールSiCハーフブリッジモジュールは、今後、SiCデバイスの普及期において、入手性が高くコストの面でも有利な製品カテゴリーになっていくと考えられる。
For example, FIG. 7, the rectifying section 44 ol SiC half bridge module 44X, an example in which a 44Y, these
This type of half-bridge module is highly versatile because the upper and lower arms for one phase of the inverter and the rectifying unit can be configured by a single package module. Furthermore, since it is easy to handle and is considered advantageous for simplification and miniaturization, all-SiC half-bridge modules will become a product category that is highly available and advantageous in terms of cost in the popularization period of SiC devices. It is thought to go.
ところで、絶縁型DC−DCコンバータに設けられるインバータは、スイッチング素子のスイッチング作用によって直流電力を交流電力に変換しており、スイッチング素子が、スイッチング、すなわちターンオフまたはターンオンする際には、通常、電圧・電流がいずれもゼロではない期間が存在し、その期間には電圧と電流との積に比例した電力が消費される。この消費電力を時間的に積分したものが損失であり、スイッチング損失と称されている。 By the way, the inverter provided in the insulation type DC-DC converter converts DC power into AC power by the switching action of the switching element. When the switching element is switched, that is, turned off or turned on, the There is a period in which neither current is zero, and power proportional to the product of voltage and current is consumed during that period. This power consumption integrated over time is a loss, which is called a switching loss.
絶縁型DC−DCコンバータの一種として、図8に示すように、スイッチング素子Q1〜Q4からなるフルブリッジ回路の出力側とトランスTr1の一次側との間に共振素子を挿入して高周波共振インバータ20を構成し、電気的な共振現象を利用してスイッチングを行うことにより、スイッチング損失を抑制させた共振型DC−DCコンバータが知られている。
図8では、共振素子としてコンデンサC2を用いた例を示しているが、共振素子は、少なくともコンデンサを含み、更にインダクタを含む場合もある。
As a type of insulated DC-DC converter, as shown in FIG. 8, a resonant element is inserted between the output side of the full bridge circuit composed of switching elements Q 1 to Q 4 and the primary side of the transformer Tr 1 to generate a high frequency. 2. Description of the Related Art A resonant DC-DC converter in which a switching loss is suppressed by configuring a resonant inverter 20 and performing switching using an electrical resonance phenomenon is known.
In Figure 8, there is shown an example using a capacitor C 2 as a resonant element, the resonant element comprises at least a capacitor, it may further comprise an inductor.
この種の共振型DC−DCコンバータは、トランス及び共振素子であるインダクタのインダクタンスと、共振素子であるコンデンサのキャパシタンスとを調整することにより、インバータのスイッチング素子をターンオンしたときから振動電流(共振電流)が発生するようにしてある。このため、半周期の振動電流が流れ終わったタイミングでスイッチング素子をターンオフすると、理想的には、ターンオン時及びターンオフ時には電流が流れていない条件でスイッチングが行われることになり、理論上、スイッチング損失がなくなる。この動作を、ソフトスイッチングという。
なお、図9は、共振型DC−DCコンバータにおけるソフトスイッチングの概念を、スイッチング素子、例えば図8におけるスイッチング素子Q1の電圧・電流波形及びDC−DCコンバータの出力電圧・電流波形として示したものであり、スイッチング素子Q1の電流がゼロの期間にスイッチングすることにより、ソフトスイッチングが可能になる。
This type of resonance type DC-DC converter adjusts the inductance of an inductor, which is a transformer and a resonance element, and the capacitance of a capacitor, which is a resonance element, so that an oscillating current (resonance current) is generated after the switching element of the inverter is turned on. ) Is generated. For this reason, if the switching element is turned off at the timing when the half-cycle oscillating current ends, ideally, switching is performed under the condition that no current flows at the time of turn-on and turn-off. Disappears. This operation is called soft switching.
Incidentally, FIG. 9, which the concept of soft switching at the resonant DC-DC converter, indicated switching element, as an output voltage and current waveforms of the voltage and current waveforms and DC-DC converter of a switching element Q 1 in FIG. 8, for example , and the by the current of the switching element Q 1 is switched to a period of zero, allowing soft switching.
上述した共振型DC−DCコンバータにおいても、前述した(非共振型の)絶縁型DC−DCコンバータと同様に、整流部として、Si系のダイオードに代えてSiC−SBD等のSBダイオードを適用する例や、図10に示すように、寄生ダイオードを備えたSi−MOSFETにより同期整流を行う例、図11に示すように、寄生ダイオードを備えたSiC−MOSFETにより同期整流を行う例、更には、図12に示すように、オールSiCデバイス、とりわけオールSiCハーフブリッジモジュール44X,44Yを用いた例などが考えられる。
Also in the above-described resonant DC-DC converter, an SB diode such as SiC-SBD is applied as the rectifying unit in place of the Si-based diode, similarly to the above-described (non-resonant) isolated DC-DC converter. An example, an example of performing synchronous rectification by a Si-MOSFET provided with a parasitic diode as shown in FIG. 10, an example of performing synchronous rectification by an SiC-MOSFET provided with a parasitic diode as shown in FIG. As shown in FIG. 12, an example using an all SiC device, in particular, an all SiC
図10に示した共振型DC−DCコンバータの整流部42に同期整流方式を適用した場合、デッドタイムには、整流部42の寄生ダイオードに電流が流れる。デッドタイムは、前述したように最小限の時間に設定され、従来のSi系のパワー半導体素子を主体とする電力変換装置を対象とした動作周波数においては、整流部42のMOSFETの逆導通期間に比べて非常に短い。このため、MOSFETの寄生ダイオードの特性が問題になることは特段なかったと考えられる。 When the synchronous rectification method is applied to the rectifying unit 42 of the resonant DC-DC converter shown in FIG. 10, a current flows through the parasitic diode of the rectifying unit 42 during the dead time. As described above, the dead time is set to the minimum time, and at the operating frequency intended for the power converter mainly composed of a conventional Si-based power semiconductor element, the dead time is in the reverse conduction period of the MOSFET of the rectifier 42. It is very short compared. For this reason, it is considered that the characteristics of the parasitic diode of the MOSFET were not particularly problematic.
しかしながら、図11のように、SiC等のワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETを用いた整流部43により同期整流を行う場合、動作周波数の高周波化によってスイッチング周期が短縮される反面、デッドタイムの長さは余り変えることはできない。
このため、整流部43のMOSFETの逆導通期間に比べてデッドタイムの比率が大きくなり、また、単位時間当たりでもデッドタイムの占める期間が動作周波数に比例して増加することになる。すなわち、MOSFETの寄生ダイオードに電流が流れる期間が長くなる。
一般に、MOSFETの寄生ダイオードは、電流−電圧特性が劣っており、寄生素子ではない整流部品として設計・製作されるダイオードに比べると電圧降下が大きいため、整流部43にワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETを使用する場合には、整流部43における通流損失を低減させるという同期整流の効果が十分に発揮されなくなる恐れがある。
However, as shown in FIG. 11, when synchronous rectification is performed by the rectification unit 43 using a MOSFET made of a wide band gap semiconductor such as SiC, the switching period is shortened by increasing the operating frequency, but the dead time is long. Can't change much.
For this reason, the ratio of the dead time becomes larger than the reverse conduction period of the MOSFET of the rectifying unit 43, and the period occupied by the dead time per unit time increases in proportion to the operating frequency. That is, the period during which current flows through the parasitic diode of the MOSFET becomes longer.
In general, a parasitic diode of a MOSFET is inferior in current-voltage characteristics and has a larger voltage drop than a diode designed and manufactured as a rectifying component that is not a parasitic element. When using, there is a possibility that the effect of the synchronous rectification of reducing the conduction loss in the rectification unit 43 is not sufficiently exhibited.
これに対して、図12に示すように、整流部44にオールSiCハーフブリッジモジュール44X,44Y等のオールSiCデバイスを用いる場合には、MOSFETの寄生ダイオードに比べて電流−電圧特性に優れるSiC−SBDとしてのSBダイオードSBD1〜SBD4がSiC−MOSFETに並列に接続されているため、デッドタイムに通流するダイオードがSiC−MOSFETの寄生ダイオードのみである場合に比べると、通流損失は低減される。しかしながら、SiC−SBDのオフセット電圧はSiC−MOSFETの寄生ダイオードに比べると小さいものの、比較的大きいことから、通流損失を低減させる観点からは未だ改良の余地が残されている。
On the other hand, as shown in FIG. 12, when an all SiC device such as the all SiC
そこで、本発明の解決課題は、同期整流方式が適用される整流部の通流損失を低減させて低損失化、高効率化を可能にした共振型DC−DCコンバータを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a resonant DC-DC converter that can reduce the loss of current flowing through a rectifying unit to which a synchronous rectification method is applied, thereby reducing the loss and increasing the efficiency.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、直流入力電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータから出力される交流電力を絶縁して伝達するトランスと、前記トランスから出力される交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する整流部と、を備えた絶縁型DC−DCコンバータであって、
前記インバータの出力側に設けられた共振素子による電気的共振現象を利用して前記トランスの一次側に共振電流を流すようにした共振型DC−DCコンバータにおいて、
前記整流部は、
ワイドバンドギャップ半導体からなるFETと、前記FETに逆並列に接続されたシリコン系半導体からなるダイオードと、を有する整流素子を複数備え、
前記整流素子は、前記ダイオードの順方向に電流を通流させるべき期間に前記FETをオンさせることにより、前記整流素子を流れる電流を前記FETのチャネルと前記ダイオードとに分流させるものである。
In order to solve the above problems, the invention according to
In a resonance type DC-DC converter in which a resonance current is caused to flow to the primary side of the transformer using an electrical resonance phenomenon by a resonance element provided on the output side of the inverter,
The rectifying unit is
A plurality of rectifying elements each including a FET made of a wide band gap semiconductor and a diode made of a silicon-based semiconductor connected in antiparallel to the FET,
The rectifier element turns on the FET during a period in which a current should flow in the forward direction of the diode, thereby diverting the current flowing through the rectifier element to the channel of the FET and the diode.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した共振型DC−DCコンバータにおいて、前記整流部は、入力側が前記トランスの二次側に接続され、かつ、出力側が前記負荷に接続されたブリッジ回路の各辺に前記整流素子をそれぞれ接続して構成されるものである。 According to a second aspect of the present invention, in the resonant DC-DC converter according to the first aspect, the rectifying unit includes a bridge whose input side is connected to the secondary side of the transformer and whose output side is connected to the load. The rectifier element is connected to each side of the circuit.
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した共振型DC−DCコンバータにおいて、前記FETが、ワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETであることを特徴とする。
The invention according to claim 3 is the resonant DC-DC converter according to
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した共振型DC−DCコンバータにおいて、前記シリコン系半導体からなるダイオードに並列に、ショットキーバリアダイオードを接続したことを特徴とする。
The invention according to
請求項5に係る発明は、請求項4に記載した共振型DC−DCコンバータにおいて、前記ショットキーバリアダイオードがワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the resonant DC-DC converter according to
請求項6に係る発明は、請求項5に記載した共振型DC−DCコンバータにおいて、前記FETを前記ショットキーバリアダイオードと同じ種類のワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETにより形成し、前記MOSFETと前記ショットキーバリアダイオードとを逆並列に接続したペアをパッケージとして構成したことを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the resonant DC-DC converter according to claim 5, wherein the FET is formed of a MOSFET made of a wide band gap semiconductor of the same type as the Schottky barrier diode, and the MOSFET and the shot A pair of key barrier diodes connected in antiparallel is configured as a package.
本発明によれば、整流部における通流損失を低減させて同期整流効果を高め、低損失・高効率、更には小型でパワー密度の高い共振型DC−DCコンバータを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the current loss in the rectification unit to enhance the synchronous rectification effect, and to realize a low-loss, high-efficiency, small-sized, resonant DC-DC converter with high power density.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、各実施形態を示す図面では、同一または対応する回路要素に同一の符号を付してある。
また、本発明の構成は各実施形態によって何ら限定されるものではなく、特に、各実施形態に係る回路では、入力側に直流電源、出力側に抵抗等の負荷が接続されている例を示しているが、直流電源の構成や負荷の種類は特に限定されるものではない。更に、入力側や出力側に別の電力変換回路が接続されて、全体として一体の共振型DC−DCコンバータとして製品の形態を成すような場合や、製品の一部をなす場合も本発明に包含される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings showing the embodiments, the same or corresponding circuit elements are denoted by the same reference numerals.
Further, the configuration of the present invention is not limited in any way by each embodiment, and in particular, in the circuit according to each embodiment, an example in which a load such as a DC power source is connected to the input side and a resistor is connected to the output side is shown. However, the configuration of the DC power supply and the type of load are not particularly limited. Furthermore, the present invention also includes a case where another power conversion circuit is connected to the input side or the output side to form a product as an integrated resonance type DC-DC converter as a whole or a part of the product. Is included.
また、各実施形態の入出力は基本的に直流であるものの、交流的な脈動・変動成分や電圧レベルの変動を伴う可能性を排除するものではない。
更に、各実施形態の主要な回路部分(入出力端子間の回路部分)は代表的な構成を簡略的に示しており、保護回路等、他の回路要素が存在する場合や代替的な部品を使用する場合を排除するものではない。
Moreover, although the input / output of each embodiment is basically a direct current, it does not exclude the possibility of ac pulsation / fluctuation components and voltage level fluctuations.
Furthermore, the main circuit portion (circuit portion between the input and output terminals) of each embodiment shows a typical configuration in a simplified manner, and other circuit elements such as a protection circuit or alternative parts are present. It does not exclude the case of using.
まず、図1に従って本発明の第1実施形態を説明する。
図1は、第1実施形態に係る共振型DC−DCコンバータの回路構成図であり、整流部40A以外は、前述した図8と同様に構成されている。
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the resonant DC-DC converter according to the first embodiment, and is configured in the same manner as in FIG. 8 except for the rectifying unit 40A.
すなわち、図1に示すように、本実施形態に係る共振型DC−DCコンバータは、入力部10、高周波共振インバータ20、絶縁部30、整流部40A、及び出力部50からなり、絶縁部30としてのトランスTr1を介して、その一次側に高周波共振インバータ20が、二次側に整流部40Aがそれぞれ接続されている。
なお、入力部10では、直流電源Eの正負極が入力端子1a,1bにそれぞれ接続されている。
That is, as shown in FIG. 1, the resonant DC-DC converter according to the present embodiment includes an
In the
高周波共振インバータ20は、入力端子1a,1bの間に接続された平滑用のコンデンサC1を介して、MOSFETからなる半導体スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4が単相フルブリッジインバータを構成するように接続されている。これらのスイッチング素子Q1,Q2同士の接続点及びスイッチング素子Q3,Q4同士の接続点は、共振素子としてのコンデンサC2を介してトランスTr1の一次側に接続されている。
The high-frequency resonant inverter 20 is a single-phase full-bridge inverter in which semiconductor switching elements Q 1 , Q 2 , Q 3 , and Q 4 made of MOSFETs are connected via a smoothing capacitor C 1 connected between
整流部40Aには、MOSFET SW1,SW2,SW3,SW4が単相フルブリッジコンバータを構成するように接続されている。
本実施形態及び後述の第2実施形態では、MOSFET SW1,SW2,SW3,SW4としてSiC−MOSFETを用いた場合につき説明するが、ワイドバンドギャップ半導体はSiC系に限らず、また、FETの種類もMOSFETに何ら限定されない。但し、各実施形態では同期整流を行う趣旨から、整流部のスイッチング素子は逆導通可能なFETを用いる必要があり、この点で、一般的にMOSFETの使用が想定される。ちなみに、MOSFET以外の素子としては、HEMT(高電子移動度トランジスタ)や、HEMTとノーマリーオフスイッチング素子とを組合わせてノーマリーオフ化を図ったカスコード回路等を使用することが考えられる。
MOSFETs SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 are connected to the rectifier 40A so as to constitute a single-phase full-bridge converter.
In the present embodiment and the second embodiment to be described later, a case where a SiC-MOSFET is used as the MOSFETs SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 will be described, but the wide band gap semiconductor is not limited to the SiC system, The type of FET is not limited to MOSFET. However, in each embodiment, for the purpose of performing synchronous rectification, the switching element of the rectification unit needs to use an FET capable of reverse conduction, and in this respect, the use of a MOSFET is generally assumed. Incidentally, as elements other than MOSFET, it is conceivable to use HEMT (High Electron Mobility Transistor), or a cascode circuit that achieves normally-off by combining HEMT and normally-off switching element.
図1のMOSFET SW1,SW2,SW3,SW4は、素子本来の通流方向(順方向)に対して逆並列となる寄生ダイオードBD1,BD2,BD3,BD4をそれぞれ備えている。
更に、MOSFET SW1,SW2,SW3,SW4には、同じく素子本来の通流方向に対して逆並列となるダイオード(逆並列ダイオード)D1,D2,D3,D4がそれぞれ接続されている。これらのダイオードD1,D2,D3,D4は、Si系のダイオードである。
また、整流部40Aの出力側には平滑用のコンデンサC3が接続されており、出力部50の出力端子2a,2bを介して負荷Rが接続されている。
The MOSFETs SW 1 , SW 2 , SW 3 , and SW 4 in FIG. 1 include parasitic diodes BD 1 , BD 2 , BD 3 , and BD 4 that are antiparallel to the original flow direction (forward direction) of the element, respectively. ing.
Further, the MOSFETs SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 have diodes (anti-parallel diodes) D 1 , D 2 , D 3 , D 4 that are also anti-parallel to the original flow direction of the elements, respectively. It is connected. These diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 are Si-based diodes.
Further, the output side of the rectifier 40A is connected to the capacitor C 3 for smoothing the
上記構成の共振型DC−DCコンバータは、高周波共振インバータ20のスイッチング動作及び電気的共振動作により直流電力を交流電力に変換したうえで、トランスTr1の一次側から二次側に磁気エネルギーとして伝達し、更に整流部40Aにより直流電力に変換して出力することで、入力側と出力側とを絶縁しつつ直流−直流変換を行う。
ここで、図8と同様に、高周波共振インバータ20の出力部には共振素子としてのコンデンサC2が挿入されており、電気的な共振現象を利用してソフトスイッチングを行い、スイッチング損失を抑制させるように設計されている。前述したように、共振素子には、コンデンサC2に加えてインダクタを更に含む場合もある。
Resonant DC-DC converter having the above configuration, the switching operation and electrical resonant operation of high-frequency resonant inverter 20 upon which converts DC power to AC power, transmitted as magnetic energy to the secondary side from the primary side of the transformer Tr 1 Further, by converting to DC power by the rectifier 40A and outputting it, DC-DC conversion is performed while insulating the input side and the output side.
Here, similarly to FIG. 8, a capacitor C 2 as a resonance element is inserted in the output portion of the high frequency resonance inverter 20, and soft switching is performed using an electrical resonance phenomenon to suppress switching loss. Designed to be As described above, the resonant element, it may further comprise an inductor in addition to the capacitor C 2.
本実施形態では、トランスTr1のインダクタンスとコンデンサC2のキャパシタンスとにより、インバータ20のスイッチング素子をターンオンしたときから振動電流が発生するように調整されている。そして、半周期の振動電流が流れ終わったタイミングでスイッチング素子をターンオフすることで、理想的にはターンオン時及びターンオフ時には電流が流れていない条件でスイッチングが行われることになり、理論上、スイッチング損失がなくなる。 In the present embodiment, by the capacitance of the inductance and the capacitor C 2 of the transformer Tr 1, it is adjusted so that the vibration current is generated from the time of turning on the switching elements of the inverter 20. Then, by turning off the switching element at the timing when the half-cycle oscillating current finishes flowing, ideally switching is performed under the condition that no current flows at the time of turn-on and turn-off. Disappears.
また、図8におけるダイオードD1,D4への通流期間に相当する期間中に、図1の整流部40AのMOSFET SW1,SW4をオンさせ、図8におけるダイオードD2,D3への通流期間に相当する期間中にMOSFET SW2,SW3をオンさせることにより、各MOSFETのチャネルに逆導通による電流を流して同期整流を行う。 Further, during the period corresponding to the flow period to the diodes D 1 and D 4 in FIG. 8, the MOSFETs SW 1 and SW 4 of the rectifying unit 40A in FIG. 1 are turned on, and the diodes D 2 and D 3 in FIG. By turning on the MOSFETs SW 2 and SW 3 during a period corresponding to the current passing period, synchronous rectification is performed by causing a current due to reverse conduction to flow through the channel of each MOSFET.
以下、この同期整流における各期間や条件に応じた整流部40Aの動作及び通流損失について、同期整流非適用時や従来技術による同期整流適用時との比較を交えて考察する。
以下の説明では、代表的に、MOSFET SW1,SW4及び寄生ダイオードBD1,BD4、並びにダイオードD1,D4の動作に関して説明するが、MOSFET SW2,SW3及び寄生ダイオードBD2,BD3、並びにダイオードD2,D3に関しても、動作は同様である。
Hereinafter, the operation and the conduction loss of the rectifying unit 40A according to each period and condition in the synchronous rectification will be considered together with comparison with the case where the synchronous rectification is not applied and the case where the synchronous rectification is applied according to the related art.
In the following description, the operations of the MOSFETs SW 1 and SW 4 and the parasitic diodes BD 1 and BD 4 , and the diodes D 1 and D 4 will be described, but the MOSFETs SW 2 and SW 3 and the parasitic diodes BD 2 , The operation is the same for BD 3 and diodes D 2 and D 3 .
整流部40AのMOSFET SW1,SW4がオンして逆導通している期間であって、MOSFET SW1,SW4のドレインソース間電圧の絶対値がダイオードD1,D4のオンする電圧以下である期間では、MOSFET SW1,SW4による逆導通経路が電流経路の大部分となる。この期間における整流部40Aの損失は、従来技術(図11,図12)による同期整流の場合と同等であるが、図8の同期整流非適用時のごとく順方向電圧に電圧オフセットがあるダイオードD1,D4のみに通流させる場合に比べ、本実施形態では電圧オフセット分の電圧降下がない分、整流部40Aの通流損失は大幅に低減される。
A period of
そして、整流部40AのMOSFET SW1,SW4のドレイン−ソース間電圧の絶対値が、ダイオードD1,D4がオンする電圧を超える期間では、MOSFET SW1,SW4の逆導通に加えてダイオードD1,D4にも電流が分流するため、整流部40Aの抵抗値が大幅に低下する。
なお、本実施形態及び従来技術(図11,図12)の同期整流動作においてもMOSFET SW1,SW4の寄生ダイオードBD1,BD4への分流が生じ得るが、これらの寄生ダイオードBD1,BD4は電流−電圧特性が劣っており、寄生素子ではない製品として設計・製作されるダイオードD1,D4に比べると、オフセット電圧や抵抗分が大きいため、整流部40Aの抵抗値低減への寄与は小さい。従って、本実施形態の上記期間における整流部40Aの損失は、従来技術である同期整流非適用時(図8)はもとより、同期整流適用時(図11)に比べても大幅に低減されることになる。
In addition, in a period in which the absolute value of the drain-source voltage of the MOSFETs SW 1 and SW 4 of the rectifying unit 40A exceeds the voltage at which the diodes D 1 and D 4 are turned on, in addition to the reverse conduction of the MOSFETs SW 1 and SW 4 Since current is also shunted to the diodes D 1 and D 4 , the resistance value of the rectifying unit 40A is greatly reduced.
In the synchronous rectification operation of the present embodiment and the prior art (FIGS. 11 and 12), shunting of the MOSFETs SW 1 and SW 4 to the parasitic diodes BD 1 and BD 4 may occur, but these parasitic diodes BD 1 , The BD 4 has inferior current-voltage characteristics, and has a larger offset voltage and resistance than the diodes D 1 and D 4 designed and manufactured as products that are not parasitic elements, so that the resistance value of the rectifying unit 40A is reduced. The contribution of is small. Therefore, the loss of the rectifying unit 40A in the above-described period of the present embodiment is greatly reduced not only when the conventional synchronous rectification is not applied (FIG. 8) but also when the synchronous rectification is applied (FIG. 11). become.
また、従来技術(図12)の同期整流動作では、SiC−SBDであるSBダイオードSBD1,SBD4への分流が生じ得るものであり、これらのSBダイオードSBD1,SBD4はMOSFET SW1,SW4の寄生ダイオードBD1,BD4に比べると電流−電圧特性に優れているが、本実施形態におけるSi系ダイオードD1,D4に比べるとオフセット電圧が大きいため、整流部の抵抗値低減への寄与が小さい。よって、本実施形態の上記期間における整流部40Aの損失は、従来技術(図12)による同期整流適用時に比べても低減される。 Further, in the synchronous rectification operation of the prior art (FIG. 12), shunting to the SB diodes SBD 1 and SBD 4 which are SiC-SBDs can occur, and these SB diodes SBD 1 and SBD 4 are MOSFET SW 1 , The current-voltage characteristics are superior to the parasitic diodes BD 1 and BD 4 of SW 4 , but the offset voltage is larger than that of the Si-based diodes D 1 and D 4 in this embodiment, so that the resistance value of the rectifier is reduced. The contribution to is small. Therefore, the loss of the rectification unit 40A in the above period of the present embodiment is reduced even when the synchronous rectification according to the conventional technique (FIG. 12) is applied.
上記のように、本実施形態によれば、負荷電流が定格電流に対して軽負荷である運転条件においても、あるいは重負荷である運転条件においても、整流部40Aの導通損失を低減することができ、この利点は、スイッチング周波数に依存せずに享受することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to reduce the conduction loss of the rectifying unit 40A even in an operating condition in which the load current is light with respect to the rated current or in an operating condition in which the load current is heavy. This advantage can be enjoyed independently of the switching frequency.
次に、整流部40AのMOSFET SW1,SW4をオフさせて逆導通させないデッドタイムの動作について説明する。
従来技術(図11)の同期整流適用時におけるデッドタイムでは、もっぱら整流部43のMOSFET SW1,SW4の寄生ダイオードBD1,BD4に通流する。一方、図10のようにSi系のMOSFETを主体とした電力変換装置の動作周波数では、整流部42のMOSFET SW1,SW4の逆導通期間に比べてデッドタイムが非常に小さいため、寄生ダイオードBD1,BD4の特性が顕在的な問題になることは特段なかった。
Next, an operation of dead time in which the MOSFETs SW 1 and SW 4 of the rectifying unit 40A are turned off and not reversely conducted will be described.
In the dead time when the synchronous rectification of the conventional technique (FIG. 11) is applied, the current flows exclusively through the parasitic diodes BD 1 and BD 4 of the MOSFETs SW 1 and SW 4 of the rectification unit 43. On the other hand, at the operating frequency of the power converter mainly composed of Si-based MOSFETs as shown in FIG. 10, the dead time is very small compared to the reverse conduction period of the MOSFETs SW 1 and SW 4 of the rectifying unit 42. The characteristics of BD 1 and BD 4 were not particularly problematic.
しかし、本実施形態のように、ワイドバンドギャップ半導体素子からなるMOSFETを用いてDC−DCコンバータを高周波化する場合、整流部40AのMOSFETの逆導通期間に対してデッドタイムの期間の比率が大きくなり、単位時間当たりでもデッドタイムが占める割合が動作周波数に比例して増加する。すなわち、通常のダイオードよりも電圧降下が大きいMOSFETの寄生ダイオードへの通流期間が長くなり、同期整流時に整流部における通流損失を低減させる効果が十分に得られなくなる。 However, when the frequency of the DC-DC converter is increased using a MOSFET made of a wide band gap semiconductor element as in this embodiment, the ratio of the dead time period to the reverse conduction period of the MOSFET of the rectifier 40A is large. Thus, the ratio of the dead time per unit time increases in proportion to the operating frequency. In other words, the period during which a MOSFET having a larger voltage drop than a normal diode is passed through a parasitic diode becomes longer, and the effect of reducing the conduction loss in the rectifying unit during synchronous rectification cannot be sufficiently obtained.
また、従来技術(図12)の同期整流適用時におけるデッドタイムでは、SiC−SBDであるSBダイオードSBD1,SBD4への通流が発生する。しかしながら、これらのSBダイオードSBD1,SBD4は、MOSFET SW1,SW4の寄生ダイオードBD1,BD4に比べると電流−電圧特性が優れるが、Si系ダイオードに比べるとオフセット電圧が大きく、従って電圧降下が大きく、通流損失も大きい。 Further, in the dead time when the synchronous rectification of the conventional technique (FIG. 12) is applied, current flows to the SB diodes SBD 1 and SBD 4 which are SiC-SBDs. However, these SB diodes SBD 1 and SBD 4 have excellent current-voltage characteristics compared to the parasitic diodes BD 1 and BD 4 of the MOSFETs SW 1 and SW 4 , but have a larger offset voltage than the Si-based diodes. Large voltage drop and large conduction loss.
これに対して、本実施形態では、デッドタイムにおける電流経路の大部分を、電流−電圧特性に優れ、とりわけオフセット電圧が小さく、従って電圧降下の小さいSi系のダイオードD1,D4が担うため、高周波化に伴ってデッドタイムの占める割合が高くなったとしても、整流部における通流損失の増大を抑制することができる。 On the other hand, in the present embodiment, the majority of the current path in the dead time is excellent in the current-voltage characteristics, and in particular, the Si-type diodes D 1 and D 4 with a small offset voltage and therefore a small voltage drop are used. Even if the proportion of dead time increases as the frequency increases, an increase in the flow loss in the rectification unit can be suppressed.
ところで、この種の分野で一般的にダイオードによる整流が行われる場合、Si系のダイオードでは、順方向通流しているオン状態から逆方向の高電圧によるオフ状態に遷移する際に起こる逆回復現象により、大きな損失が発生する。これに対し、SiC−SBDは理論的に逆回復現象が発生しないため、低損失なダイオードとして知られている。
また、SiC−MOSFETがようやく実用化の途に就いた段階である一方で、SiC−SBDは、SiC−MOSFETに比べると実現における技術的な難易度が低いため、SiC−MOSFETに先駆けて普及してきた経緯がある。このため、従来ではSi系のダイオードが使われてきた箇所の、SiC−SBDへの置換が一般化してきている。
By the way, when rectification by a diode is generally performed in this type of field, a reverse recovery phenomenon that occurs when a Si-based diode transitions from an on-state that is flowing forward to an off-state due to a high voltage in the reverse direction. As a result, a large loss occurs. On the other hand, SiC-SBD is known as a low-loss diode because a reverse recovery phenomenon does not theoretically occur.
Also, while SiC-MOSFETs are finally in the process of practical use, SiC-SBD is less technically difficult to implement than SiC-MOSFETs, so it has become popular prior to SiC-MOSFETs. There is a background. For this reason, the replacement of a portion where a Si-based diode has conventionally been used with SiC-SBD has become common.
前述したように、汎用インバータ等の分野では、電力変換効率を向上するために、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアによる“オールSiC”デバイスを用いることが理想的と考えられており、最近、市販も始まっている。一方、SiC−SBDとSiC−MOSFETとの開発・実用化時期の違いから、Si系のIGBTとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアによる“ハイブリッド”デバイスが、SiC−MOSFETとSiC−SBDによるオールSiCデバイスに先行して実用化されてきた。 As described above, in the field of general-purpose inverters, in order to improve power conversion efficiency, it is ideal to use an “all-SiC” device with a pair of SiC-MOSFET and SiC-SBD connected in antiparallel. Recently, it has been on the market. On the other hand, due to the difference in the development and commercialization time of SiC-SBD and SiC-MOSFET, a “hybrid” device consisting of a pair of Si-based IGBT and SiC-SBD connected in anti-parallel is SiC-MOSFET and SiC-SBD. Has been put into practical use in advance of the all SiC device.
絶縁型DC−DCコンバータにおいても、整流部のダイオードとして従来のSi系のダイオードに代えてSiC−SBDを用いることが考えられ、その場合、逆回復損失の発生がなくなって一般的には低損失になると考えられる。
しかし、本実施形態のような共振型のDC−DCコンバータでは、前述のごとくソフトスイッチングが行われ、いわゆるゼロ電流スイッチングやゼロ電圧スイッチングが行われることから、整流部40Aにおいて同期整流が行われる場合には、ダイオードD1,D4の順方向電流の通流の停止と高電圧によるオフ状態への遷移とが時間的に分離される結果、理論的に、ダイオードD1,D4がSi系のダイオードであるにも関わらず逆回復現象は起こらない。
従って、逆回復損失の発生を憂慮することなく、SiC−SBDよりもオフセット電圧が低く、電圧降下の小さいSi系のダイオードを用いることができ、SiC−SBDを用いる場合に比べて整流部40Aにおける損失を低減することが可能となる。
In an isolated DC-DC converter, it is conceivable to use SiC-SBD as a rectifier diode in place of a conventional Si-based diode. In this case, reverse recovery loss does not occur and low loss is generally achieved. It is thought that it becomes.
However, in the resonance type DC-DC converter as in the present embodiment, soft switching is performed as described above, and so-called zero current switching or zero voltage switching is performed, so that synchronous rectification is performed in the rectification unit 40A. the diode D 1, a result of stopping the flow of forward current of D 4 and a transition to the oFF state by the high voltage is temporally separated, theoretically, the diode D 1, D 4 is a Si-based The reverse recovery phenomenon does not occur in spite of the diode.
Therefore, without worrying about the occurrence of reverse recovery loss, it is possible to use a Si-based diode having an offset voltage lower than that of SiC-SBD and having a small voltage drop, and in the rectifying unit 40A compared to the case of using SiC-SBD. Loss can be reduced.
以上のように、本実施形態によれば、整流部40Aの通流損失を低減・抑制できるため、共振型DC−DCコンバータの低損失・高効率化、及び、これらに伴って冷却体の小型化も可能になり、ひいては、動作周波数の高周波化を通して受動素子の小型化にも寄与する。また、特に重負荷条件において、整流部40Aに流す電流をSiC−MOSFETの逆導通動作とSi系のダイオードへの通流とによって分流することから、従来の同期整流適用時(図11,図12)のSiC−MOSFETや同期整流非適用時(図8)のダイオードに比べて、素子の負担を軽くして信頼性の向上を図ることができ、定格を抑えた素子の採用による低コスト化を図ることもできる。 As described above, according to the present embodiment, since the conduction loss of the rectifying unit 40A can be reduced and suppressed, the loss and efficiency of the resonant DC-DC converter are reduced, and the cooling body is reduced in size accordingly. This also contributes to the miniaturization of passive elements through the increase of the operating frequency. Further, particularly under heavy load conditions, the current flowing through the rectifying unit 40A is divided by the reverse conduction operation of the SiC-MOSFET and the flow through the Si-based diode, so that the conventional synchronous rectification is applied (FIGS. 11 and 12). ) SiC-MOSFET and the diode when synchronous rectification is not applied (FIG. 8), the burden of the element can be reduced and the reliability can be improved, and the cost can be reduced by adopting the element with reduced rating. You can also plan.
総じて、本実施形態によれば、特にSiC系等のワイドバンドギャップ半導体素子を適用して高周波化する場合に、低損失・高効率化やこれに付随する利点を得ることができる。
すなわち、共振型DC−DCコンバータを高周波化する場合に、整流部における通流損失を低減させるという同期整流の効果が大きく、低損失・高効率化、更には小型でパワー密度の高い共振型DC−DCコンバータを実現することができる。なお、本実施形態では、インバータ等に従来のSi系の素子を使用したり、相対的に低い動作周波数を適用したりする場合にも、効率改善の効果を得ることができる。
In general, according to the present embodiment, particularly when applying a wide band gap semiconductor element such as a SiC system to increase the frequency, it is possible to obtain low loss, high efficiency, and advantages associated therewith.
That is, when the resonance type DC-DC converter is increased in frequency, the effect of the synchronous rectification that reduces the conduction loss in the rectification unit is large, and the low loss and high efficiency are achieved. -A DC converter can be realized. In the present embodiment, even when a conventional Si-based element is used for an inverter or the like or a relatively low operating frequency is applied, an effect of improving the efficiency can be obtained.
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図2は、第2実施形態に係る共振型DC−DCコンバータの回路構成図である。この実施形態において、整流部40Bは、SiC系のMOSFET SW1,SW2及びSiC系のSBダイオードSBD1,SBD2を内蔵したオールSiCハーフブリッジモジュール40Xと、SiC系のMOSFET SW3,SW4及びSiC系のSBダイオードSBD3,SBD4を内蔵したオールSiCハーフブリッジモジュール40Yと、MOSFET SW1,SW2,SW3,SW4にそれぞれ逆並列に接続されたSi系のダイオードD1,D2,D3,D4と、から構成されている。
すなわち、この第2実施形態は、第1実施形態におけるSi系のダイオードD1,D2,D3,D4に、SBダイオードSBD1,SBD2,SBD3,SBD4をそれぞれ並列に接続したものに相当する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a resonant DC-DC converter according to the second embodiment. In this embodiment, the rectifier 40B includes an SiC half-bridge module 40X including SiC MOSFETs SW 1 and SW 2 and SiC SB diodes SBD 1 and SBD 2 , and SiC MOSFETs SW 3 and SW 4. And all-SiC half-
That is, in the second embodiment, the SB diodes SBD 1 , SBD 2 , SBD 3 , and SBD 4 are connected in parallel to the Si diodes D 1 , D 2 , D 3 , and D 4 in the first embodiment, respectively. It corresponds to a thing.
最近では、前述したオールSiCデバイスとして、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアを1パッケージに同梱した素子や、本実施形態で用いている、SiC−MOSFETとSiC−SBDとを逆並列に接続したペアを2組直列に接続した回路要素を1パッケージに同梱してなるハーフブリッジモジュール(2in1モジュールともいう)等が製品化されている。特に、ハーフブリッジモジュールは、1パッケージのモジュールによって一相分の上下アームを実現できるため、汎用性が高いと共に、取り扱いやすく、簡素化・小型化にも有利と考えられる。このため、オールSiCハーフブリッジモジュールは、今後、SiCデバイスの普及期において、入手性が高くコストの面でも有利な製品カテゴリーになっていくと考えられる。 Recently, as the all-SiC device described above, a device in which a pair of SiC-MOSFET and SiC-SBD connected in antiparallel is bundled in one package, or the SiC-MOSFET and SiC-SBD used in this embodiment. A half-bridge module (also referred to as a 2-in-1 module) in which circuit elements in which two pairs connected in reverse parallel are connected in series in one package has been commercialized. In particular, since the half-bridge module can realize the upper and lower arms for one phase with one package module, it has high versatility, is easy to handle, and is advantageous for simplification and miniaturization. For this reason, it is considered that the all-SiC half-bridge module will become a product category that is highly available and advantageous in terms of cost in the popularization period of SiC devices.
この第2実施形態についても、基本的な構成や動作は第1実施形態に準ずる。なお、第2実施形態に関する特徴的な点として、整流部40Bの同期整流におけるデッドタイムにおいて、SiC系のSBダイオードSBD1,SBD4への通流も生じ得るが、SBダイオードSBD1,SBD4よりもオフセット電圧の低いSi系ダイオードD1,D4への通流が優先的に行われるので、Si系ダイオードがない場合に比べて、整流部40Bの電圧降下及び通流損失が低減される。また、電圧がSBダイオードSBD1,SBD4のオフセット電圧以上になった場合は、SiC系のSBダイオードSBD1,SBD4とSi系のダイオードD1,D4とによって分流されるため、全体として抵抗値が低減する。 The basic configuration and operation of the second embodiment are the same as those of the first embodiment. As a characteristic point related to the second embodiment, in the dead time in the synchronous rectification of the rectification unit 40B, flow to the SiC-based SB diodes SBD 1 and SBD 4 may also occur, but the SB diodes SBD 1 and SBD 4 Since the flow to the Si-based diodes D 1 and D 4 having a lower offset voltage is preferentially performed, the voltage drop and the conduction loss of the rectifying unit 40B are reduced as compared with the case where there is no Si-based diode. . When the voltage exceeds the offset voltage of the SB diodes SBD 1 and SBD 4 , the voltage is divided by the SiC-based SB diodes SBD 1 and SBD 4 and the Si-based diodes D 1 and D 4. Resistance value is reduced.
なお、前述した第1実施形態のように、整流部40Aの構成として、SiC−MOSFETにSi系ダイオードのみを逆並列接続し、SiC系のSBダイオードを含まないようにすれば、回路の簡素化・小型化・低コスト化が図れる場合がある一方、この第2実施形態のように、より大規模の量産によって汎用性・入手性が高いと想定されるハーフブリッジモジュール40X,40Yを用いることで、低コスト化ひいては簡素化・小型化を期待することができる場合もある。従って、これらの事情に鑑み、第1実施形態または第2実施形態を適宜選択して適用することが望ましい。
As in the first embodiment described above, if the rectifying unit 40A is configured such that only the Si-based diode is connected in reverse parallel to the SiC-MOSFET and does not include the SiC-based SB diode, the circuit is simplified. -While downsizing and cost reduction may be achieved, by using half-
本発明は、いわゆる絶縁型DC−DCコンバータであって電気的な共振現象の利用により損失を低減した共振型DC−DCコンバータとして、例えば、サーバー電源、鉄道車両や電気自動車の電源システム、太陽光発電システム等を構成する各種の電力変換装置に利用することができる。 The present invention is a so-called isolated DC-DC converter, which is a resonant DC-DC converter that reduces loss by using an electrical resonance phenomenon, such as a server power supply, a railway vehicle or electric vehicle power supply system, solar power The present invention can be used for various power conversion devices constituting a power generation system and the like.
1a,1b:入力端子
2a,2b:出力端子
10:入力部
20:高周波共振インバータ
21:高周波インバータ
30:絶縁部
40A,40B,41〜44:整流部
40X,40Y,44X,44Y:オールSiCハーフブリッジモジュール
50:出力部
Q1〜Q4:半導体スイッチング素子
Tr1:トランス
SW1〜SW4:MOSFET
D1〜D4:ダイオード
BD1〜BD4:寄生ダイオード
SBD1〜SBD4:ショットキーバリアダイオード
C1,C2,C3:コンデンサ
E:直流電源
R:負荷
1a, 1b:
D 1 to D 4 : Diodes BD 1 to BD 4 : Parasitic diodes SBD 1 to SBD 4 : Schottky barrier diodes C 1 , C 2 , C 3 : Capacitor E: DC power supply R: Load
Claims (6)
前記インバータの出力側に設けられた共振素子による電気的共振現象を利用して前記トランスの一次側に共振電流を流すようにした共振型DC−DCコンバータにおいて、
前記整流部は、
ワイドバンドギャップ半導体からなるFETと、前記FETに逆並列に接続されたシリコン系半導体からなるダイオードと、を有する整流素子を複数備え、
前記整流素子は、前記ダイオードの順方向に電流を通流させるべき期間に前記FETをオンさせることにより、前記整流素子を流れる電流を前記FETのチャネルと前記ダイオードとに分流させることを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 An inverter that converts DC input power into AC power, a transformer that insulates and transmits AC power output from the inverter, and a rectifier that converts AC power output from the transformer into DC power and supplies the load to a load An isolated DC-DC converter comprising:
In a resonance type DC-DC converter in which a resonance current is caused to flow to the primary side of the transformer using an electrical resonance phenomenon by a resonance element provided on the output side of the inverter,
The rectifying unit is
A plurality of rectifying elements each including a FET made of a wide band gap semiconductor and a diode made of a silicon-based semiconductor connected in antiparallel to the FET,
The rectifying element is configured to divert current flowing through the rectifying element to the channel of the FET and the diode by turning on the FET during a period in which current should flow in the forward direction of the diode. Resonant type DC-DC converter.
前記整流部は、
入力側が前記トランスの二次側に接続され、かつ、出力側が前記負荷に接続されたブリッジ回路の各辺に前記整流素子をそれぞれ接続して構成されることを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 The resonant DC-DC converter according to claim 1,
The rectifying unit is
A resonant DC-DC converter comprising an input side connected to a secondary side of the transformer and an output side connected to each side of a bridge circuit connected to the load. .
前記FETが、ワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETであることを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 The resonant DC-DC converter according to claim 1 or 2,
A resonant DC-DC converter, wherein the FET is a MOSFET made of a wide band gap semiconductor.
前記シリコン系半導体からなるダイオードに並列に、ショットキーバリアダイオードを接続したことを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 The resonant DC-DC converter according to any one of claims 1 to 3,
A resonant DC-DC converter, wherein a Schottky barrier diode is connected in parallel to the diode made of a silicon-based semiconductor.
前記ショットキーバリアダイオードがワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 The resonant DC-DC converter according to claim 4,
A resonant DC-DC converter, wherein the Schottky barrier diode is made of a wide band gap semiconductor.
前記FETを前記ショットキーバリアダイオードと同じ種類のワイドバンドギャップ半導体からなるMOSFETにより形成し、前記MOSFETと前記ショットキーバリアダイオードとを逆並列に接続したペアをパッケージとして構成したことを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。 The resonance type DC-DC converter according to claim 5,
The FET is formed of a MOSFET made of the same type of wide band gap semiconductor as the Schottky barrier diode, and a pair in which the MOSFET and the Schottky barrier diode are connected in antiparallel is formed as a package. Type DC-DC converter.
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