ゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法
【課題】ゲート駆動回路の設計を、短ＴＡＴ化する設計支援装置を提供する。
【解決手段】半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメーを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【解決手段】半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメーを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関し、例えば電力変換器に搭載される半導体素子のゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやコンバータなどの電力変換器は、家電機器、情報・映像機器、ＯＡ・ＦＡ機器から、鉄道、自動車などの輸送機器に至るまで、幅広く用いられている。この電力変換器が、入力電力の周波数、相数、電圧、電流を変換して所望の出力電力を生成することで、モータなどの負荷を制御可能となる。
【０００３】
電力変換は、電力変換器に搭載される半導体素子をスイッチングすることで行う。この半導体素子のスイッチングを制御する回路を、ゲート駆動回路とよぶ。このゲート駆動回路が半導体素子をスイッチングする際に、スイッチング電圧・電流が急激に変化するため、電磁放射ノイズが発生する。この電磁放射ノイズは、電力変換器、負荷、入力電源を含めた電力変換システム全体に伝搬し、電子機器に干渉することで、電子機器の動作不良を引き起こすおそれがある。このため、信頼性確保の観点から他の機器の動作不良を引き起さない値まで電磁放射ノイズを抑制しなければならない。電磁放射ノイズを抑制するには、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げる必要がある。
【０００４】
他方、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げると、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が長くなるため、スイッチング損失が増大する。スイッチング損失とは、スイッチング電流・電圧の積の時間積分によって定義される電力消費である。このスイッチング損失は、電力変換器のエネルギー変換効率を低下させるため、省エネルギー化の観点からできるだけ低減することが望ましい。また、スイッチング損失として消費された電力は、熱となって半導体素子の温度を上昇させるため、信頼性確保の観点からもスイッチング損失を低減する必要がある。さらに、半導体素子は、温度が高くなりすぎると熱暴走が起こるため、一般に電力変換器には冷却装置が取り付けられている。スイッチング損失が増大すれば、それだけ強力な冷却装置が必要となる。よって、電力変換器の小型化、高コスト化の観点からもスイッチング損失を低減する必要がある。
【０００５】
このように、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減は、一般にトレードオフの関係にある。一般に、ゲート駆動回路の設計では、このバランスを考慮しながら、回路素子の最適化を行う。
【０００６】
特許文献１〜３では、このようなトレードオフを考慮し、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減を両立させるようなゲート駆動回路を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５３６９９号公報
【特許文献２】特開２００９―７１９５６号公報
【特許文献３】特開２００６−２３０１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜３に開示のゲート駆動回路を設計するには、回路素子のパラメータを選択し、このゲート駆動回路が半導体素子をスイッチングさせることで発生する電磁放射ノイズについて電磁界解析を行い、所望の結果が得られなければ再び回路素子のパラメータを変更して電磁界解析を行う、という設計工程を経る必要がある。すなわち、所望の結果が得られるまで、回路素子のパラメータを変更するたびに電磁界解析を繰り返さなければならない。電磁界解析は複雑なシミュレーションであり、非常に多くの時間がかかるため、電磁界解析の繰り返しは設計全体のＴＡＴ（Turn Around Time）を長引かせ、設計コストの増大を招く。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ゲート駆動回路の設計を、短ＴＡＴ化する設計支援装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、ある回路素子のパラメータからスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておく。その後は回路素子のパラメータを更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、更新したゲート抵抗に対応する電磁放射ノイズを推定する。言い換えると、設計工程において時間のかかる電磁界解析を計算時間の少ない回路解析で代用することで、電磁界解析を一回に抑えている。
【００１１】
すなわち、本発明のゲート駆動回路の設計支援装置は、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【００１２】
また、本発明のゲート駆動回路の設計支援方法は、回路解析部が、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析工程と、電磁界解析部が、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析工程と、第１の判定部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定工程と、第１の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良工程と、ノイズ推定部が、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定工程と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ゲート駆動回路の設計を、短ＴＡＴ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態における電力変換システムの概略構成を表す図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体素子を制御するゲート駆動回路である。
【図３】電磁放射ノイズとスイッチング損失とのトレードオフ関係を表す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援装置の構成図である。
【図５】本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計フローを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関するものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００１６】
＜電力変換システムにおける電磁放射ノイズとスイッチング損失＞
はじめに、本発明の背景となる電磁放射ノイズおよびスイッチング損失が発生する仕組み、およびこれらの関係について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態における電力変換システムの概略構成を表す図である。電力変換システムは、入力電力を与える電源１０１、入力電力を変換して所望の出力電力を生成する電力変換器１０２、電力変換器１０２によって制御される負荷１０３、を備える。電力変換器１０２は、負荷１０３に電流を流す複数の半導体素子１０４、半導体素子１０４をＯＮまたはＯＦＦさせるゲート駆動回路１０５、を備える。ゲート駆動回路１０５は、半導体素子１０４のゲート電圧を変化させて、半導体素子１０４をスイッチングする。半導体素子１０４としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ゲートターンオフサイリスタなどが多く用いられている。
【００１８】
スイッチング電圧・電流の急激な変化によって、電磁放射ノイズが発生する。この電磁放射ノイズを減らすために、ゲート駆動回路１０５で半導体素子１０４のスイッチングを制御し、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げる必要がある。しかし、スイッチング電圧・電流の時間変化率が下がると、スイッチングにかかる時間が長くなるため、スイッチング損失は大きくなる。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態における半導体素子を制御するゲート駆動回路である。ゲート駆動回路は、ゲート電圧を与える電源２０１および２０２、ゲート電圧を切り替えるスイッチング素子２０３および２０４、スイッチング電圧の時間変化率を下げるゲート抵抗２０５、およびモータ等の負荷に電流を流す半導体素子１０４を備える。半導体素子１０４のスイッチングに伴い、スイッチング電圧が変動する。この電圧変動は、電力変換器１０２、負荷１０３の寄生容量、ケーブル等を経路として、筺体や配線にノイズ電流を発生させる。ゲート抵抗２０５の値を大きくするほど、スイッチング電圧の時間変化率が下がり、電磁放射ノイズが小さくなる。
【００２０】
図３は、ゲート抵抗値と、任意の周波数帯における電磁放射ノイズ、およびスイッチング損失との関係を表す図である。ゲート抵抗値を大きくするほど、スイッチング電圧の時間変化率が下がり、電磁放射ノイズが小さくなるメリットはあるが、スイッチング損失が増加するデメリットがある。逆に、ゲート抵抗値を小さくすれば、スイッチング電圧の時間変化率が上がり、スイッチング損失が小さくなるメリットはあるが、電磁放射ノイズが増加するデメリットがある。
【００２１】
＜電磁放射ノイズの推定原理＞
次に、本発明の回路設計を短ＴＡＴ化するために用いる、電磁放射ノイズの推定原理について説明する。
【００２２】
一般に、ノイズ源（Ｓ）、伝播経路（Ｐ）、およびアンテナ（Ａ）が、電磁放射ノイズ（Ｅ）を変化させる因子であることが知られている。これを本発明のゲート駆動回路に置き換えると、ＰおよびＡは、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等によって定まり、本発明のゲート駆動回路以外の要因で決定されるため、ここでは理想状態にあるか、または変更できないものとする。一方、Ｓは、ノイズ電流を誘起する原因となる、半導体素子のスイッチングによって急激に変化するスイッチング電圧に該当し、ゲート駆動回路によって制御可能である。
【００２３】
以下では、電磁放射ノイズＥを抑制するにあたり、ＰおよびＡは不変であるため、Ｓのスイッチング電圧をゲート抵抗によって調整することを前提とし、電磁放射ノイズを推定する原理について説明する。
【００２４】
スイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ（Ｖ）、Ｖが誘起するノイズ電流の周波数スペクトルをＩ（Ａ）、ノイズ電流の経路におけるインピーダンスをＺ（Ω）とすると、次の関係が成立する。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここで、ノイズ電流の経路におけるＺは、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等のゲート駆動回路以外の要因で決定される定数である。従って、ＶとＩは、線形の関係であることがわかる。
【００２７】
次に、ノイズ電流が流れるアンテナＡを微小ダイポールの集合として近似すれば、本発明の電力変換システムから発生する電磁放射ノイズは、各微小ダイポールから発生する電磁波ノイズを重ね合わせたものに等しい。このことから、微小ダイポールｄｌに周波数スペクトルＩ（Ａ）のノイズ電流が流れたときに発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ（Ｖ／ｍ）とすると、マクスウェル方程式から、次の関係が導かれる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
ここで、η0は空間の特性インピーダンス、cは光速、ｆはノイズ電流の周波数、ｒは微小空間から観測点までの距離、θは微小ダイポールと観測点とのなす角である。これらは全て定数である。従って、ＥとＩとは、線形の関係であることがわかる。
【００３０】
（１）式および（２）式から、電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥとスイッチング電圧の周波数スペクトルＶとは、線形の関係であることがわかる。従って、あるゲート抵抗値のときのスイッチング電圧の周波数スペクトルＶ、Ｖにより発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ、ゲート抵抗値を更新したときのスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ’、Ｖ’により発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ’とすると、（１）式および（２）式は、次のように書き換えることができる。
【００３１】
【数３】
【００３２】
すなわち、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧の周波数スペクトルＶを回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥを求めておけば、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値からスイッチング電圧の周波数スペクトルＶ’を回路解析で計算するだけで、電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥ’を（３）式から推定できることがわかる。すなわち、ゲート抵抗値を更新するたびに電磁界解析を繰り返す必要がなくなり、ゲート抵抗値を決定するまでの設計時間を著しく減少させることができる。
【００３３】
なお、ノイズ電流の経路におけるインピーダンスＺは、ノイズ電流の経路によって定まる定数であるため、ゲート抵抗値を変更しても、（３）式は成立する。つまり、Ｚは、ゲート抵抗の変更に対して不変である。これは、支配的なノイズ電流は、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等に分布し、ゲート駆動回路に分布するノイズ電流は無視できることによる。
【００３４】
＜ゲート駆動回路の設計支援装置＞
図４は、本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援装置の構成図である。
【００３５】
設計支援装置は、中央処理装置４００、記憶装置４０１、入出力装置４０２を備える。中央処理装置４００は、等価回路を作成するための回路パラメータ等の情報を受け付ける情報受付部４０３、等価回路を用いて回路解析を実行する回路解析部４０４、回路解析部が計算したスイッチング電圧波形をノイズ源として電磁界解析を実行する電磁界解析部４０５、（３）式から電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部４０６、電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否かを判定する第１の判定部４０７、第１の判定部の結果を受けてノイズを抑制するように回路パラメータを調整する第１の回路改良部４０８、電磁波放射ノイズが目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定部４０９、第２の判定部の結果を受けてノイズを最大化するように回路パラメータを調整する第２の回路改良部４１０、最適化したゲート駆動回路を表示するための表示部４１１、を備える。
【００３６】
なお、情報受付部４０３〜表示部４１１は、モジュール化しても良いし、ゲート駆動回路設計手法のアルゴリズムを記述したプログラムを記憶装置４０１に格納し、それに基づいて中央処理装置４００が動作することによって実現しても良い。
【００３７】
＜ゲート駆動回路設計手法＞
図４の構成により、記憶装置に記憶されたゲート駆動回路設計手法のアルゴリズムを記述したプログラムを中央処理装置４００上で実行することで、ゲート駆動回路の設計が行われる。以下、電磁放射ノイズの推定原理を用いて、電磁放射ノイズを目標値以下で最大化することで、スイッチング損失を最小限に抑えるような、ゲート駆動回路の設計手法を説明する。ここでは、ゲート抵抗値の場合を例として説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計フローを表す図である。
本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計では、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておき、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、電磁放射ノイズを推定することを特徴とする。言い換えると、設計工程において時間のかかる電磁界解析を計算時間の少ない回路解析で代用することで、電磁界解析を一回に抑えている。
【００３９】
工程５００では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した半導体素子の外形情報、個数、電気的特性、等価回路等の半導体素子情報を受け付ける。
【００４０】
工程５０１では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した半導体素子を搭載する電力変換器の構造・形状情報、等価回路等の電力変換器情報を受け付ける。
【００４１】
工程５０２では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力したゲート駆動回路のひな型回路方式、回路定数などの設計初期パラメータ等のゲート駆動回路情報を受け付ける。ゲート駆動回路情報には、ゲート抵抗値も含まれる。
【００４２】
工程５０３では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した負荷の構造・形状情報、等価回路等の負荷情報を受け付ける。
【００４３】
工程５０４では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した周波数帯域別の電磁放射ノイズの目標値を受け付ける。この値は、ＥＮ規格・国際規格によって定められた規制値などからユーザが決定する値であり、一般に、電磁放射ノイズが目標値以下であれば、ノイズによる電磁機器の誤動作は発生しない。
【００４４】
工程５０５では、回路解析部４０４が、工程５０１〜５０４の入力情報に基づき、装置全体の等価回路を作成し、回路解析により半導体素子のスイッチング電圧波形の計算を行う。この回路解析には、ＯｒＣＡＤ（Ｒ）などの回路解析シミュレータを用いる。
【００４５】
工程５０６では、電磁界解析部４０５が、工程５０５で計算したスイッチング電圧波形をノイズ源として電磁界解析を行い、電磁放射ノイズを求める。この電磁界解析には、ＨＦＳＳ（Ｒ）やＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐｓ（Ｒ）などの電磁界解析シミュレータを用いるが、電磁界解析の計算時間・精度に問題がある場合は、少なくとも一組の電磁放射ノイズと、スイッチング電圧波形の実測値を入力して、電磁放射ノイズを求めてもよい。
【００４６】
工程５０７では、回路解析部４０４が、工程５０５と同様に、ゲート駆動回路の回路方式と回路定数に対応する半導体素子のスイッチング電圧波形を計算する。
【００４７】
工程５０８では、ノイズ推定部４０６が、（３）式を用いて、電磁放射ノイズの推定値Ｅ’を計算する。ここで、工程５０５で計算したスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ、工程５０６で求めた放射ノイズスペクトルをＥ、工程５０７で計算したスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ’、Ｖ’をノイズ源としたときの電磁放射ノイズスペクトルをＥ’とおく。
【００４８】
工程５０９では、第１の判定部４０７が、電磁放射ノイズが目標値以下であるか否か判定する。電磁放射ノイズが目標値以下であれば工程５１０に進み、目標値以下でなければ工程５１１に進む。判定は、現在のゲート抵抗値で発生する電磁放射ノイズと、電磁放射ノイズの目標値とを比較することで行う。比較は、次式を用いて、目標差分値Ｅｍｉｎが負であるか否かにより行う。Ｅｍｉｎが非負であれば目標以下であり、負であれば目標値以下ではない。
【００４９】
【数４】
【００５０】
ここで、fは周波数、ＥＬＩＭＩＴ（ｆ）は周波数ｆにおける、電磁放射ノイズ目標値の周波数スペクトル、Ｅ（ｆ）は周波数ｆにおける、ゲート駆動回路に対応する電磁放射ノイズの周波数スペクトルである。この工程により、電磁放射ノイズを目標値以下に抑えることができる。
【００５１】
工程５１０では、第２の判定部４０９が、現在のゲート抵抗値で発生する電磁放射ノイズが、目標値に近似されるか否かを判定する。目標値に近似されると判定された場合は、現在のゲート抵抗値が最適であるとして、フローを終了する。目標値に近似されると判定されなかった場合は、工程５１２に進む。判定は、（４）式のＥｍｉｎが、例えば、目標値の−５％以内に収まっているか否かで行う。工程５０９で電磁放射ノイズを目標値以下に抑えた上で、この工程で電磁放射ノイズを目標値の限界まで最大化することで、スイッチング損失を最小限に抑えることができる。よって、スイッチング損失の計算を設計工程から省略することができる。
【００５２】
工程５１１では、第１の回路改良部４０８が、工程５０９で電磁放射ノイズが目標値以下であると判定されなかった場合は、ゲート抵抗値を増加させるようにゲート抵抗値を改良する。ゲート抵抗値を増加させることで、スイッチング電圧の時間変化率を緩やかにし、電磁放射ノイズの発生を抑制する。ただし、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が長くなるので、スイッチング損失は増加する。現在のゲート抵抗値をＲ、ユーザが指定する任意の正数をα、工程５０９で計算した目標差分値をＥｍｉｎとすると、改良後のゲート抵抗値Ｒ’は、次式により計算できる。
【００５３】
【数５】
【００５４】
工程５１２では、第２の回路改良部４１０が、工程５１０で電磁放射ノイズが目標値に近似されると判定されなかった場合は、ゲート抵抗値を減少させるようにゲート抵抗値を改良する。ゲート抵抗値を減少させることで、スイッチング電圧の時間変化率を急峻にし、スイッチング損失を減少させる。ただし、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が短くなるので、電磁放射ノイズは増加する。改良後のゲート抵抗値は、工程５１１と同様に、（５）式を用いて計算する。
【００５５】
工程５１１および５１２で、ゲート抵抗値を更新した場合は、スイッチング電圧の時間変化率が変わるため、再度半導体素子のスイッチング電圧を求めなければならない。したがって、工程５０７へ戻る。このように、電磁放射ノイズが目標値以下かつ目標値に近似できるまで、工程５０７〜５１２を繰り返す必要があるが、繰り返される計算はすべて回路解析である。
【００５６】
なお、ここでは、図２のゲート抵抗値を決定するまでのフローについて説明した。しかし、他の回路方式をとるゲート駆動回路においても、電磁放射ノイズのノイズ源である、スイッチング電圧時間変化率を変動させる因子となりうる回路素子であれば同様に最適パラメータを決定することができる。例えば、コイル、コンデンサ、フィルタなどでもよい。
【００５７】
＜まとめ＞
本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援方法およびその装置は、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておき、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、更新したゲート抵抗値に対応する電磁放射ノイズを推定する。
【００５８】
これにより、ゲート抵抗値を更新するたびに電磁界解析を繰り返す必要がなくなり、ゲート抵抗値を決定するまでの設計時間を著しく減少させることができる。
【００５９】
この場合において、電磁界解析の時間・精度に問題がある場合は、少なくとも一組のスイッチング電圧および電磁放射ノイズの実測値に基づき、電磁放射ノイズを推定すれば、さらに電磁界解析の時間分だけ設計時間の時間を削減できる。
【００６０】
また、電磁界解析により求めた電磁放射ノイズまたは（３）式により推定した電磁放射ノイズを、目標値と比較し、目標値以下でない場合はゲート抵抗値を増加する。これにより、電磁放射ノイズを目標値以下に抑制することができる。この場合において、電磁界解析により求めた電磁放射ノイズまたは（３）式により推定した電磁放射ノイズを、目標値に近似できるか否か判定し、近似できない場合はゲート抵抗値を減少させてもよい。以上により、電磁放射ノイズを目標値以下で最大化できるので、スイッチング損失を最小限に抑えることができる。つまり、電磁放射ノイズの最適化を行うことで、同時にスイッチング損失も最適化されるので、スイッチング損失の計算を設計工程から省略することができ、さらに設計時間を減少させることができる。すなわち、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減を両立するゲート駆動回路の設計を短ＴＡＴ化することができる。
【符号の説明】
【００６１】
４００ 中央処理装置
４０１ 記憶装置
４０２ 入出力装置
４０３ 情報受付部
４０４ 回路解析部
４０５ 電磁界解析部
４０６ ノイズ推定部
４０７ 第１の判定部
４０８ 第１の回路改良部
４０９ 第２の判定部
４１０ 第２の回路改良部
４１１ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関し、例えば電力変換器に搭載される半導体素子のゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータやコンバータなどの電力変換器は、家電機器、情報・映像機器、ＯＡ・ＦＡ機器から、鉄道、自動車などの輸送機器に至るまで、幅広く用いられている。この電力変換器が、入力電力の周波数、相数、電圧、電流を変換して所望の出力電力を生成することで、モータなどの負荷を制御可能となる。
【０００３】
電力変換は、電力変換器に搭載される半導体素子をスイッチングすることで行う。この半導体素子のスイッチングを制御する回路を、ゲート駆動回路とよぶ。このゲート駆動回路が半導体素子をスイッチングする際に、スイッチング電圧・電流が急激に変化するため、電磁放射ノイズが発生する。この電磁放射ノイズは、電力変換器、負荷、入力電源を含めた電力変換システム全体に伝搬し、電子機器に干渉することで、電子機器の動作不良を引き起こすおそれがある。このため、信頼性確保の観点から他の機器の動作不良を引き起さない値まで電磁放射ノイズを抑制しなければならない。電磁放射ノイズを抑制するには、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げる必要がある。
【０００４】
他方、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げると、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が長くなるため、スイッチング損失が増大する。スイッチング損失とは、スイッチング電流・電圧の積の時間積分によって定義される電力消費である。このスイッチング損失は、電力変換器のエネルギー変換効率を低下させるため、省エネルギー化の観点からできるだけ低減することが望ましい。また、スイッチング損失として消費された電力は、熱となって半導体素子の温度を上昇させるため、信頼性確保の観点からもスイッチング損失を低減する必要がある。さらに、半導体素子は、温度が高くなりすぎると熱暴走が起こるため、一般に電力変換器には冷却装置が取り付けられている。スイッチング損失が増大すれば、それだけ強力な冷却装置が必要となる。よって、電力変換器の小型化、高コスト化の観点からもスイッチング損失を低減する必要がある。
【０００５】
このように、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減は、一般にトレードオフの関係にある。一般に、ゲート駆動回路の設計では、このバランスを考慮しながら、回路素子の最適化を行う。
【０００６】
特許文献１〜３では、このようなトレードオフを考慮し、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減を両立させるようなゲート駆動回路を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５３６９９号公報
【特許文献２】特開２００９―７１９５６号公報
【特許文献３】特開２００６−２３０１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１〜３に開示のゲート駆動回路を設計するには、回路素子のパラメータを選択し、このゲート駆動回路が半導体素子をスイッチングさせることで発生する電磁放射ノイズについて電磁界解析を行い、所望の結果が得られなければ再び回路素子のパラメータを変更して電磁界解析を行う、という設計工程を経る必要がある。すなわち、所望の結果が得られるまで、回路素子のパラメータを変更するたびに電磁界解析を繰り返さなければならない。電磁界解析は複雑なシミュレーションであり、非常に多くの時間がかかるため、電磁界解析の繰り返しは設計全体のＴＡＴ（Turn Around Time）を長引かせ、設計コストの増大を招く。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ゲート駆動回路の設計を、短ＴＡＴ化する設計支援装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、ある回路素子のパラメータからスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておく。その後は回路素子のパラメータを更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、更新したゲート抵抗に対応する電磁放射ノイズを推定する。言い換えると、設計工程において時間のかかる電磁界解析を計算時間の少ない回路解析で代用することで、電磁界解析を一回に抑えている。
【００１１】
すなわち、本発明のゲート駆動回路の設計支援装置は、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【００１２】
また、本発明のゲート駆動回路の設計支援方法は、回路解析部が、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析工程と、電磁界解析部が、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析工程と、第１の判定部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定工程と、第１の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良工程と、ノイズ推定部が、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定工程と、を備え、中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ゲート駆動回路の設計を、短ＴＡＴ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態における電力変換システムの概略構成を表す図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体素子を制御するゲート駆動回路である。
【図３】電磁放射ノイズとスイッチング損失とのトレードオフ関係を表す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援装置の構成図である。
【図５】本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計フローを表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ゲート駆動回路の設計支援装置および設計支援方法に関するものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００１６】
＜電力変換システムにおける電磁放射ノイズとスイッチング損失＞
はじめに、本発明の背景となる電磁放射ノイズおよびスイッチング損失が発生する仕組み、およびこれらの関係について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態における電力変換システムの概略構成を表す図である。電力変換システムは、入力電力を与える電源１０１、入力電力を変換して所望の出力電力を生成する電力変換器１０２、電力変換器１０２によって制御される負荷１０３、を備える。電力変換器１０２は、負荷１０３に電流を流す複数の半導体素子１０４、半導体素子１０４をＯＮまたはＯＦＦさせるゲート駆動回路１０５、を備える。ゲート駆動回路１０５は、半導体素子１０４のゲート電圧を変化させて、半導体素子１０４をスイッチングする。半導体素子１０４としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ゲートターンオフサイリスタなどが多く用いられている。
【００１８】
スイッチング電圧・電流の急激な変化によって、電磁放射ノイズが発生する。この電磁放射ノイズを減らすために、ゲート駆動回路１０５で半導体素子１０４のスイッチングを制御し、スイッチング電圧・電流の時間変化率を下げる必要がある。しかし、スイッチング電圧・電流の時間変化率が下がると、スイッチングにかかる時間が長くなるため、スイッチング損失は大きくなる。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態における半導体素子を制御するゲート駆動回路である。ゲート駆動回路は、ゲート電圧を与える電源２０１および２０２、ゲート電圧を切り替えるスイッチング素子２０３および２０４、スイッチング電圧の時間変化率を下げるゲート抵抗２０５、およびモータ等の負荷に電流を流す半導体素子１０４を備える。半導体素子１０４のスイッチングに伴い、スイッチング電圧が変動する。この電圧変動は、電力変換器１０２、負荷１０３の寄生容量、ケーブル等を経路として、筺体や配線にノイズ電流を発生させる。ゲート抵抗２０５の値を大きくするほど、スイッチング電圧の時間変化率が下がり、電磁放射ノイズが小さくなる。
【００２０】
図３は、ゲート抵抗値と、任意の周波数帯における電磁放射ノイズ、およびスイッチング損失との関係を表す図である。ゲート抵抗値を大きくするほど、スイッチング電圧の時間変化率が下がり、電磁放射ノイズが小さくなるメリットはあるが、スイッチング損失が増加するデメリットがある。逆に、ゲート抵抗値を小さくすれば、スイッチング電圧の時間変化率が上がり、スイッチング損失が小さくなるメリットはあるが、電磁放射ノイズが増加するデメリットがある。
【００２１】
＜電磁放射ノイズの推定原理＞
次に、本発明の回路設計を短ＴＡＴ化するために用いる、電磁放射ノイズの推定原理について説明する。
【００２２】
一般に、ノイズ源（Ｓ）、伝播経路（Ｐ）、およびアンテナ（Ａ）が、電磁放射ノイズ（Ｅ）を変化させる因子であることが知られている。これを本発明のゲート駆動回路に置き換えると、ＰおよびＡは、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等によって定まり、本発明のゲート駆動回路以外の要因で決定されるため、ここでは理想状態にあるか、または変更できないものとする。一方、Ｓは、ノイズ電流を誘起する原因となる、半導体素子のスイッチングによって急激に変化するスイッチング電圧に該当し、ゲート駆動回路によって制御可能である。
【００２３】
以下では、電磁放射ノイズＥを抑制するにあたり、ＰおよびＡは不変であるため、Ｓのスイッチング電圧をゲート抵抗によって調整することを前提とし、電磁放射ノイズを推定する原理について説明する。
【００２４】
スイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ（Ｖ）、Ｖが誘起するノイズ電流の周波数スペクトルをＩ（Ａ）、ノイズ電流の経路におけるインピーダンスをＺ（Ω）とすると、次の関係が成立する。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここで、ノイズ電流の経路におけるＺは、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等のゲート駆動回路以外の要因で決定される定数である。従って、ＶとＩは、線形の関係であることがわかる。
【００２７】
次に、ノイズ電流が流れるアンテナＡを微小ダイポールの集合として近似すれば、本発明の電力変換システムから発生する電磁放射ノイズは、各微小ダイポールから発生する電磁波ノイズを重ね合わせたものに等しい。このことから、微小ダイポールｄｌに周波数スペクトルＩ（Ａ）のノイズ電流が流れたときに発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ（Ｖ／ｍ）とすると、マクスウェル方程式から、次の関係が導かれる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
ここで、η0は空間の特性インピーダンス、cは光速、ｆはノイズ電流の周波数、ｒは微小空間から観測点までの距離、θは微小ダイポールと観測点とのなす角である。これらは全て定数である。従って、ＥとＩとは、線形の関係であることがわかる。
【００３０】
（１）式および（２）式から、電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥとスイッチング電圧の周波数スペクトルＶとは、線形の関係であることがわかる。従って、あるゲート抵抗値のときのスイッチング電圧の周波数スペクトルＶ、Ｖにより発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ、ゲート抵抗値を更新したときのスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ’、Ｖ’により発生する電磁放射ノイズの周波数スペクトルをＥ’とすると、（１）式および（２）式は、次のように書き換えることができる。
【００３１】
【数３】
【００３２】
すなわち、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧の周波数スペクトルＶを回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥを求めておけば、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値からスイッチング電圧の周波数スペクトルＶ’を回路解析で計算するだけで、電磁放射ノイズの周波数スペクトルＥ’を（３）式から推定できることがわかる。すなわち、ゲート抵抗値を更新するたびに電磁界解析を繰り返す必要がなくなり、ゲート抵抗値を決定するまでの設計時間を著しく減少させることができる。
【００３３】
なお、ノイズ電流の経路におけるインピーダンスＺは、ノイズ電流の経路によって定まる定数であるため、ゲート抵抗値を変更しても、（３）式は成立する。つまり、Ｚは、ゲート抵抗の変更に対して不変である。これは、支配的なノイズ電流は、電力変換器の筐体、負荷、および電力変換器と負荷を結ぶケーブル等に分布し、ゲート駆動回路に分布するノイズ電流は無視できることによる。
【００３４】
＜ゲート駆動回路の設計支援装置＞
図４は、本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援装置の構成図である。
【００３５】
設計支援装置は、中央処理装置４００、記憶装置４０１、入出力装置４０２を備える。中央処理装置４００は、等価回路を作成するための回路パラメータ等の情報を受け付ける情報受付部４０３、等価回路を用いて回路解析を実行する回路解析部４０４、回路解析部が計算したスイッチング電圧波形をノイズ源として電磁界解析を実行する電磁界解析部４０５、（３）式から電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部４０６、電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否かを判定する第１の判定部４０７、第１の判定部の結果を受けてノイズを抑制するように回路パラメータを調整する第１の回路改良部４０８、電磁波放射ノイズが目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定部４０９、第２の判定部の結果を受けてノイズを最大化するように回路パラメータを調整する第２の回路改良部４１０、最適化したゲート駆動回路を表示するための表示部４１１、を備える。
【００３６】
なお、情報受付部４０３〜表示部４１１は、モジュール化しても良いし、ゲート駆動回路設計手法のアルゴリズムを記述したプログラムを記憶装置４０１に格納し、それに基づいて中央処理装置４００が動作することによって実現しても良い。
【００３７】
＜ゲート駆動回路設計手法＞
図４の構成により、記憶装置に記憶されたゲート駆動回路設計手法のアルゴリズムを記述したプログラムを中央処理装置４００上で実行することで、ゲート駆動回路の設計が行われる。以下、電磁放射ノイズの推定原理を用いて、電磁放射ノイズを目標値以下で最大化することで、スイッチング損失を最小限に抑えるような、ゲート駆動回路の設計手法を説明する。ここでは、ゲート抵抗値の場合を例として説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計フローを表す図である。
本発明の実施形態におけるゲート抵抗値の設計では、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておき、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、電磁放射ノイズを推定することを特徴とする。言い換えると、設計工程において時間のかかる電磁界解析を計算時間の少ない回路解析で代用することで、電磁界解析を一回に抑えている。
【００３９】
工程５００では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した半導体素子の外形情報、個数、電気的特性、等価回路等の半導体素子情報を受け付ける。
【００４０】
工程５０１では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した半導体素子を搭載する電力変換器の構造・形状情報、等価回路等の電力変換器情報を受け付ける。
【００４１】
工程５０２では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力したゲート駆動回路のひな型回路方式、回路定数などの設計初期パラメータ等のゲート駆動回路情報を受け付ける。ゲート駆動回路情報には、ゲート抵抗値も含まれる。
【００４２】
工程５０３では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した負荷の構造・形状情報、等価回路等の負荷情報を受け付ける。
【００４３】
工程５０４では、情報受付部４０３が、ユーザが入出力装置４０２から入力した周波数帯域別の電磁放射ノイズの目標値を受け付ける。この値は、ＥＮ規格・国際規格によって定められた規制値などからユーザが決定する値であり、一般に、電磁放射ノイズが目標値以下であれば、ノイズによる電磁機器の誤動作は発生しない。
【００４４】
工程５０５では、回路解析部４０４が、工程５０１〜５０４の入力情報に基づき、装置全体の等価回路を作成し、回路解析により半導体素子のスイッチング電圧波形の計算を行う。この回路解析には、ＯｒＣＡＤ（Ｒ）などの回路解析シミュレータを用いる。
【００４５】
工程５０６では、電磁界解析部４０５が、工程５０５で計算したスイッチング電圧波形をノイズ源として電磁界解析を行い、電磁放射ノイズを求める。この電磁界解析には、ＨＦＳＳ（Ｒ）やＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐｓ（Ｒ）などの電磁界解析シミュレータを用いるが、電磁界解析の計算時間・精度に問題がある場合は、少なくとも一組の電磁放射ノイズと、スイッチング電圧波形の実測値を入力して、電磁放射ノイズを求めてもよい。
【００４６】
工程５０７では、回路解析部４０４が、工程５０５と同様に、ゲート駆動回路の回路方式と回路定数に対応する半導体素子のスイッチング電圧波形を計算する。
【００４７】
工程５０８では、ノイズ推定部４０６が、（３）式を用いて、電磁放射ノイズの推定値Ｅ’を計算する。ここで、工程５０５で計算したスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ、工程５０６で求めた放射ノイズスペクトルをＥ、工程５０７で計算したスイッチング電圧の周波数スペクトルをＶ’、Ｖ’をノイズ源としたときの電磁放射ノイズスペクトルをＥ’とおく。
【００４８】
工程５０９では、第１の判定部４０７が、電磁放射ノイズが目標値以下であるか否か判定する。電磁放射ノイズが目標値以下であれば工程５１０に進み、目標値以下でなければ工程５１１に進む。判定は、現在のゲート抵抗値で発生する電磁放射ノイズと、電磁放射ノイズの目標値とを比較することで行う。比較は、次式を用いて、目標差分値Ｅｍｉｎが負であるか否かにより行う。Ｅｍｉｎが非負であれば目標以下であり、負であれば目標値以下ではない。
【００４９】
【数４】
【００５０】
ここで、fは周波数、ＥＬＩＭＩＴ（ｆ）は周波数ｆにおける、電磁放射ノイズ目標値の周波数スペクトル、Ｅ（ｆ）は周波数ｆにおける、ゲート駆動回路に対応する電磁放射ノイズの周波数スペクトルである。この工程により、電磁放射ノイズを目標値以下に抑えることができる。
【００５１】
工程５１０では、第２の判定部４０９が、現在のゲート抵抗値で発生する電磁放射ノイズが、目標値に近似されるか否かを判定する。目標値に近似されると判定された場合は、現在のゲート抵抗値が最適であるとして、フローを終了する。目標値に近似されると判定されなかった場合は、工程５１２に進む。判定は、（４）式のＥｍｉｎが、例えば、目標値の−５％以内に収まっているか否かで行う。工程５０９で電磁放射ノイズを目標値以下に抑えた上で、この工程で電磁放射ノイズを目標値の限界まで最大化することで、スイッチング損失を最小限に抑えることができる。よって、スイッチング損失の計算を設計工程から省略することができる。
【００５２】
工程５１１では、第１の回路改良部４０８が、工程５０９で電磁放射ノイズが目標値以下であると判定されなかった場合は、ゲート抵抗値を増加させるようにゲート抵抗値を改良する。ゲート抵抗値を増加させることで、スイッチング電圧の時間変化率を緩やかにし、電磁放射ノイズの発生を抑制する。ただし、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が長くなるので、スイッチング損失は増加する。現在のゲート抵抗値をＲ、ユーザが指定する任意の正数をα、工程５０９で計算した目標差分値をＥｍｉｎとすると、改良後のゲート抵抗値Ｒ’は、次式により計算できる。
【００５３】
【数５】
【００５４】
工程５１２では、第２の回路改良部４１０が、工程５１０で電磁放射ノイズが目標値に近似されると判定されなかった場合は、ゲート抵抗値を減少させるようにゲート抵抗値を改良する。ゲート抵抗値を減少させることで、スイッチング電圧の時間変化率を急峻にし、スイッチング損失を減少させる。ただし、半導体素子のＯＮ、ＯＦＦが切り替わる期間が短くなるので、電磁放射ノイズは増加する。改良後のゲート抵抗値は、工程５１１と同様に、（５）式を用いて計算する。
【００５５】
工程５１１および５１２で、ゲート抵抗値を更新した場合は、スイッチング電圧の時間変化率が変わるため、再度半導体素子のスイッチング電圧を求めなければならない。したがって、工程５０７へ戻る。このように、電磁放射ノイズが目標値以下かつ目標値に近似できるまで、工程５０７〜５１２を繰り返す必要があるが、繰り返される計算はすべて回路解析である。
【００５６】
なお、ここでは、図２のゲート抵抗値を決定するまでのフローについて説明した。しかし、他の回路方式をとるゲート駆動回路においても、電磁放射ノイズのノイズ源である、スイッチング電圧時間変化率を変動させる因子となりうる回路素子であれば同様に最適パラメータを決定することができる。例えば、コイル、コンデンサ、フィルタなどでもよい。
【００５７】
＜まとめ＞
本発明の実施形態におけるゲート駆動回路の設計支援方法およびその装置は、あるゲート抵抗値からスイッチング電圧を回路解析で計算した後、一度だけ電磁界解析を行うことで電磁放射ノイズを求めておき、その後はゲート抵抗値を更新するたびに、更新したゲート抵抗値に対応するスイッチング電圧を回路解析で計算するだけで、更新したゲート抵抗値に対応する電磁放射ノイズを推定する。
【００５８】
これにより、ゲート抵抗値を更新するたびに電磁界解析を繰り返す必要がなくなり、ゲート抵抗値を決定するまでの設計時間を著しく減少させることができる。
【００５９】
この場合において、電磁界解析の時間・精度に問題がある場合は、少なくとも一組のスイッチング電圧および電磁放射ノイズの実測値に基づき、電磁放射ノイズを推定すれば、さらに電磁界解析の時間分だけ設計時間の時間を削減できる。
【００６０】
また、電磁界解析により求めた電磁放射ノイズまたは（３）式により推定した電磁放射ノイズを、目標値と比較し、目標値以下でない場合はゲート抵抗値を増加する。これにより、電磁放射ノイズを目標値以下に抑制することができる。この場合において、電磁界解析により求めた電磁放射ノイズまたは（３）式により推定した電磁放射ノイズを、目標値に近似できるか否か判定し、近似できない場合はゲート抵抗値を減少させてもよい。以上により、電磁放射ノイズを目標値以下で最大化できるので、スイッチング損失を最小限に抑えることができる。つまり、電磁放射ノイズの最適化を行うことで、同時にスイッチング損失も最適化されるので、スイッチング損失の計算を設計工程から省略することができ、さらに設計時間を減少させることができる。すなわち、電磁放射ノイズの抑制とスイッチング損失の低減を両立するゲート駆動回路の設計を短ＴＡＴ化することができる。
【符号の説明】
【００６１】
４００ 中央処理装置
４０１ 記憶装置
４０２ 入出力装置
４０３ 情報受付部
４０４ 回路解析部
４０５ 電磁界解析部
４０６ ノイズ推定部
４０７ 第１の判定部
４０８ 第１の回路改良部
４０９ 第２の判定部
４１０ 第２の回路改良部
４１１ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、
前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、
前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、
を備え、
中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化することを特徴とする設計支援装置。
【請求項２】
さらに、
前記電磁放射ノイズが前記目標値に収まっている場合に、前記電磁放射ノイズが前記目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に近似できない場合に、前記電磁放射ノイズを増加するように前記回路素子のパラメータを改良し、前記電磁放射ノイズを前記目標値に近づける第２の回路改良部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項３】
前記電磁界解析部は、少なくとも一組の電磁放射ノイズおよびスイッチング電圧の実測値を有し、
前記ノイズ推定部は、前記実測値に基づいて電磁放射ノイズを推定することを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項４】
前記回路素子は、抵抗、コイル、およびコンデンサのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項５】
回路解析部が、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析工程と、
電磁界解析部が、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析工程と、
第１の判定部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定工程と、
第１の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良工程と、
ノイズ推定部が、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定工程と、
を含み、
中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化することを特徴とする設計支援方法。
【請求項６】
さらに、
第２の判定部が、前記電磁放射ノイズが前記目標値に収まっている場合に、前記電磁放射ノイズが前記目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定工程と、
第２の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に近似できない場合に、前記電磁放射ノイズを増加するように前記回路素子のパラメータを改良し、前記電磁放射ノイズを前記目標値に近づける第２の回路改良工程と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の設計支援方法。
【請求項７】
前記ノイズ推定工程において、少なくとも一組の電磁放射ノイズおよびスイッチング電圧の実測値に基づいて電磁放射ノイズを推定することを特徴とする請求項５記載の設計支援方法。
【請求項１】
半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析部と、
前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良部と、
前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定部と、
を備え、
中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化することを特徴とする設計支援装置。
【請求項２】
さらに、
前記電磁放射ノイズが前記目標値に収まっている場合に、前記電磁放射ノイズが前記目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定部と、
前記電磁放射ノイズが目標値に近似できない場合に、前記電磁放射ノイズを増加するように前記回路素子のパラメータを改良し、前記電磁放射ノイズを前記目標値に近づける第２の回路改良部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項３】
前記電磁界解析部は、少なくとも一組の電磁放射ノイズおよびスイッチング電圧の実測値を有し、
前記ノイズ推定部は、前記実測値に基づいて電磁放射ノイズを推定することを特徴とする請求項１記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項４】
前記回路素子は、抵抗、コイル、およびコンデンサのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２記載のゲート駆動回路の設計支援装置。
【請求項５】
回路解析部が、半導体素子のスイッチングを制御するゲート駆動回路に含まれる回路素子のパラメータを用いて前記半導体素子のスイッチング電圧を計算する回路解析工程と、
電磁界解析部が、前記スイッチング電圧によって前記ゲート駆動回路を搭載するシステムに発生する電磁放射ノイズを計算する電磁界解析工程と、
第１の判定部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっているか否か判定する第１の判定工程と、
第１の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に収まっていない場合に、前記電磁放射ノイズを抑制するように前記回路素子のパラメータを改良する第１の回路改良工程と、
ノイズ推定部が、前記改良したパラメータを用いて前記回路解析部が計算したスイッチング電圧に基づいて電磁放射ノイズを推定するノイズ推定工程と、
を含み、
中央処理装置が、前記回路素子のパラメータを最適化することを特徴とする設計支援方法。
【請求項６】
さらに、
第２の判定部が、前記電磁放射ノイズが前記目標値に収まっている場合に、前記電磁放射ノイズが前記目標値に近似できるか否かを判定する第２の判定工程と、
第２の回路改良部が、前記電磁放射ノイズが目標値に近似できない場合に、前記電磁放射ノイズを増加するように前記回路素子のパラメータを改良し、前記電磁放射ノイズを前記目標値に近づける第２の回路改良工程と、
を備えることを特徴とする請求項５記載の設計支援方法。
【請求項７】
前記ノイズ推定工程において、少なくとも一組の電磁放射ノイズおよびスイッチング電圧の実測値に基づいて電磁放射ノイズを推定することを特徴とする請求項５記載の設計支援方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２５３４３４（Ｐ２０１１−２５３４３４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２８０３０（Ｐ２０１０−１２８０３０）
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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