JP2001128442A - ゲート駆動回路とその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、ゲート駆動回路の消費電力を大
幅に減少させる。 【解決手段】 本発明は、ＭＯＳゲート型スイッチン
グ素子１の制御電極に与える制御信号を光信号の形で与
えるとともに、この光信号を少なくともーつの光点弧サ
イリスタ１６，１７によって電気信号に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力用スイッチン
グ素子の駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、高電圧・大電流のＭＯＳ(Metal O
xcide Semiconductor)ゲート型の電力用スイッチング素
子が実用化されてきた。ＭＯＳゲート型スイッチング素
子は、従来より使われているＧＴＯのようなサイリスタ
系のスイッチング素子に比べて、スイッチング速度が速
く、安全動作領域が広く、制御性が高く、ゲー卜駆動回
路が小型化できるなどの多くの利点がある。

【０００３】ＭＯＳゲート型スイッチング素子を電力向
けなどに応用する場合、素子の耐電圧が不足するため
に、一般的には素子を多数個直列接続することが多く行
われている。こうした応用の場合、ゲート駆動回路に対
する電源供給が問題となる。

【０００４】従来のＧＴＯサイリスタなどと同じく、Ｍ
ＯＳゲート型スイッチング素子の場合も、ゲート駆動回
路はおのおのの駆動回路が駆動するスイッチング素子の
カソード電極と同じ電位におかなければならない。多数
個の素子を直列に接続するために、それら素子を駆動す
るゲート駆動回路はおのおの別々の電位に置かれること
になる。すなわち、ケート駆動回路の電源もまた、おの
おのの駆動回路ごとに電気的に絶緑して供給する必要が
ある。

【０００５】こうした用途のために、従来より使用され
ているＭＯＳゲート型スイッチング素子のゲート駆動回
路の例を図８に示す。図８は、電力変換回路を構成する
複数のスイッチング素子の中の一個のスイッチング素子
と、それに付随するスナバ回路およびゲート駆動回路を
示している。

【０００６】図８において、スイッチング素子１が主ス
イッチング素子であり、スナバダイオード２、スナバコ
ンデンサ３およびスナバ抵抗１０によって、スイッチン
グ素子１がターンオフする際のサージ電圧を抑制するス
ナバ回路を構成している。スイッチング素子１の制御
は、以下のように行われる。光ファイバ４より入る光制
御信号は光ダイオード５によって電気信号に変換され、
トランジスタ６によって増幅されたのちにトランジスタ
７およびトランジスタ８によってゲー卜駆動信号とな
り、ゲート抵抗９を経由してスイッチング素子１のゲー
ト端子を駆動する。ゲート駆動回路の電源はゲート電源
ユニット１１より供給される。ゲート電源ユニット１１
の内部では、装置の低電位部に置かれた高周波交流電源
15より供給される交流電力を絶縁変圧器12を経由して整
流器13と平滑コンデンサ１４によって直流電源となして
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図８に示した従来の方
式では、装置の主回路電圧が非常に大きい電力向けなど
の用途では、ゲート電力供給が困難になるという問題が
ある。主回路電圧が大きいときには、絶縁変圧器１２に
よって絶縁しなければならない電圧もまた大きくなり、
たとえば数十ｋＶという非常に大きな絶縁耐力を要求さ
れることになる。このような大きな絶縁耐力を実現する
ためには、変圧器の外形が大型化し、ゲート駆動ユニッ
トの占有する体積のほとんどすべてを絶縁変圧器が占め
るようになってしまう。

【０００８】こうした問題に対応するために、たとえ
ば、日本国特許第２６７０４０６号「ゲート電力供給回
路」にあるように、スイッチング素子に印加される主回
路電圧をゲート駆動回路の電力源として利用する技術が
ある。こうした技術を応用することで絶縁変圧器は削減
することができるが、一方、少なからぬゲート駆動電力
を供給するために、ゲート電源ユニットはかなりの体積
を占有せざるを得ない。また、主回路よりゲート電源を
供給するゲート電源ユニットは、主回路のスイッチング
素子のスイッチング動作を利用するというその特質上、
電力供給効率が悪く、かなり大きな損失を発生すること
になる。本発明はこうした問題点を解決するための、新
規なゲート駆動回路を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係るゲート駆動回路において
は、ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御電極に制御
信号を与え、その制御信号に基づいて上記ＭＯＳゲート
型スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路におい
て、上記制御信号を光信号の形で与えるとともに、上記
光信号を少なくともーつの光点弧サイリスタによって電
気信号に変換することを特徴とする。

【００１０】従って、請求項１に係るゲート駆動回路
は、制御信号を駆動回路の外部より光信号の形で与える
とともに、当該光信号を少なくともーつの光点弧サイリ
スタによって電気信号に変換する。光点弧サイリスタ
は、制御信号を光信号で与えられるので、低電位側に置
かれた制御回路との電気的絶縁が容易に取れることでは
従来の光ダイオードなどを用いた方式と同じであるが、
さらに加えて、光ダイオードに比較して大きな電流のス
イッチングが可能なために、トランジスタなどによって
電流を増幅することなく、直接スイッチング素子のゲー
ト回路を駆動することができ、これによってゲート駆動
回路の消費電力を大幅に減少せしめることができる。

【００１１】又、本発明の請求項２に係るゲート駆動回
路は、光点弧サイリスタとして、光トライアックを用い
ることを特徴とする。従って、請求項２に係るゲート駆
動回路においては、請求項１に加えて、光点弧サイリス
タとして、双方向に電流を通電させられる光トライアッ
クを用いるものであり、これによってゲート駆動回路の
回路を簡素化せしめるものである。

【００１２】又、本発明の請求項３に係るゲート駆動回
路は、光点弧サイリスタをターンオン側およびターンオ
フ側の少なくとも２つ備えることを特徴とする。従っ
て、請求項３に係るゲート駆動回路においては、請求項
１に加えて、光点弧サイリスタをターンオン側およびタ
ーンオフ側の少なくとも２つ備えることによって、より
高速度のスイッチングを可能ならしめるものである。

【００１３】更に、本発明の請求項４に係るゲート駆動
回路は、光点弧サイリスタの陽極あるいは陰極とＭＯＳ
ゲート型スイッチング素子の制御電極との間に抵抗を設
けたことを特徴とする。

【００１４】従って、請求項４に係るゲート駆動回路に
おいては、請求項１に加えて、光点弧サイリスタの陽極
あるいは陰極とＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御
電極との間に抵抗を設けることによって、ＭＯＳゲート
型スイッチング素子の過渡特性を所望の特性に調整する
手段を提供するものである。

【００１５】又、本発明の請求項５に係るゲート駆動回
路は、光点弧サイリスタの陽極あるいは陰極とＭＯＳゲ
ート型スイッチング素子の制御電極との間にインダクタ
ンスを設けたことを特徴とする。

【００１６】従って、請求項５に係るゲート駆動回路に
おいては、請求項１に加えて、光点弧サイリスタの陽極
あるいは陰極とＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御
電極との間にインダクタンスを設けることによって、請
求項４と同様の調整手段を提供するものである。

【００１７】又、本発明の請求項６に係るゲート駆動回
路は、ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御電極と陰
極との間にコンデンサを設けたことを特徴とする。従っ
て、請求項６に係るゲート駆動回路においては、請求項
１に加えて、ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御電
極と陰極との間にコンデンサを具備することで、さらに
高い調整の自由度を提供するものである。

【００１８】又、本発明の請求項７に係るゲート駆動回
路は、光点弧サイリスタを消弧する転流回路を設けたこ
とを特徴とする。従って、請求項７に係るゲート駆動回
路においては、請求項１に加えて、光点弧サイリスタを
消弧させるための転流回路を設けたことによって、確実
に該光点弧サイリスタをターンオフさせる手段を提供す
るものである。

【００１９】更に、本発明の請求項８に係るゲート駆動
回路は、転流回路が補助の光点弧サイリスタを含むこと
を特徴とする。従って、請求項８に係るゲート駆動回路
においては、請求項７に加えて、転流回路が補助の光点
弧サイリスタを設けたことによって、外部よりの光信号
によって確実に該光点弧サイリスタをターンオフさせる
手段を提供するものである。

【００２０】又、本発明の請求項９に係るゲート駆動方
法は、ターンオン側及びターンオフ側の少なくとも２つ
の光点弧サイリスタを有し、ＭＯＳゲート型スイッチン
グ素子の制御電極に制御信号を与え、その制御信号に基
づいて上記ＭＯＳゲート型スイッチング素子を駆動する
ゲート駆動方法において、上記ターンオン側光点弧サイ
リスタに入力する光制御信号と上記ターンオフ側光点弧
サイリスタに入力する光制御信号との時間間隔を、ある
一定の値以上とするように制御することを特徴とする。

【００２１】従って、請求項９に係るゲート駆動方法に
おいては、ターンオン側光点弧サイリスタに入力する光
制御信号とターンオフ側光点弧サイリスタに入力する光
制御信号との時間間隔を、ある一定の値以上とすること
で、ターンオン側とターンオフ側の光点弧サイリスタが
同時にターンオンしないように制御するものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００２３】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態を示す回路図である。図１において、光
ファイバ４を経由して入力されるターンオン光信号は光
点弧サイリスタ１６を点弧し、これによってスイッチン
グ素子１のゲート電圧はゲート電源ユニット１１の供給
する正側電圧まで引き上げられ、スイッチング素子１が
オンする。一般に、サイリスタは流している電流が０に
ならない限りは自分でターンオフしないという性質を持
っている。本実施の形態の場合、スイッチング素子１は
ＭＯＳゲート型素子であるから、いったんゲート容量が
充電されてしまえばゲート電流は流れないので、ゲート
容量の充電完了とともに光点弧サイリスタ１６はターン
オフする。

【００２４】ターンオフについては、光ファイバ４を経
由して入力されるターンオフ光信号は光点弧サイリスタ
１７を点弧し、これによってスイッチング素子１のゲー
卜電圧はゲート電源ユニット１１の供給する負側電圧ま
で引き下げられ、スイッチング素子１がオフする。オフ
側についても、オン側と同様に、スイッチング素子１の
ゲート容量が充電されるとともに、光点弧サイリスタ１
７はオフする。

【００２５】図１においては、光点弧サイリスタ１４は
通常の単方向性サイリスタを用いているが、ここに双方
向性のサイリスタであるトライアックを用いることもま
た可能であり、製造上のコストなどを鑑み自由に選択す
ることができる。

【００２６】（第２の実施の形態）第１の実施の形態で
は、ゲート駆動回路の電源供給を高周波交流電源によっ
ているが、これを主回路より供給するようにしたのが、
図２に示す、本発明の第２の実施の形態である。

【００２７】図２において、ゲート電力の供給源は、ス
イッチング素子１に並列に接続された分圧抵抗１８およ
び分圧抵抗１８に対して直列に挿入された定電圧ダイオ
ード２０、平滑コンデンサ１９および逆流防止ダイオー
ド２２である。以下、図２に示したゲート電力供給回路
の動作を説明する。

【００２８】多数のスイッチング素子を直列に接続する
場合には、スイッチング素子がオフ状態にあるときの直
流分担電圧のばらつきを均等にするために、分圧抵抗を
スイッチング素子に対して並列に接続することは、従来
より必須である。この分圧抵抗には素子がオフ状態の間
は、一定の電流が流れる。この電流を定電圧ダイオード
２０に流すことで、その両端に接続された平滑コンデン
サ１９に一定の電圧のエネルギーを蓄積することが可能
になるものである。逆流防止ダイオード２２はスイッチ
ング素子１がオンしている期間に平滑コンデンサ１９に
蓄積したエネルギーが流出することを防ぐものである。
平滑コンデンサ１９に蓄積されたエネルギーは、ＤＣ−
ＤＣコンバータに入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータの出
力から負側の電源を取り出すことで、正負両側の電源が
選られることになる。

【００２９】本実施の形態によれば、ゲート駆動回路に
消費電流の大きい光ダイオードや増幅回路を必要としな
いため、ゲート駆動電源を主回路から供給するようにす
る場合も、比較的簡素なゲート電力供給回路を用いるこ
とが可能である。

【００３０】むろん、本発明のゲート駆動回路と組み合
わせるゲート電力供給回路としては図２に示したような
構成のもののみならず、たとえば日本国特許２６７０４
０６号「ゲート電力供給回路」にあるような構成のもの
を用いることができることはいうまでもない。

【００３１】（第３の実施の形態）本発明の第１および
第２の実施の形態では、光点弧サイリスタとスイッチン
グ素子１のゲートとの間には抵抗が設けられていた。こ
れに対して、より損失が少ないインダクタンスを用いる
のが、図３に示す本発明の第３の実施の形態である。

【００３２】図３において、ゲートインダクタンス２３
およびゲートコンデンサ２４とがゲート抵抗の代わりと
なる。スイッチング素子１のスイッチング速度を調整す
るには、通常ならばゲート抵抗を加減することで行うこ
とになるが、本実施の形態の場合、ゲートインダクタン
ス２３およびゲートコンデンサ２４の値を調整すること
で行うことになる。また、図３においては、ゲートコン
デンサ２４を設けているが、スイッチング素子１のゲー
ト・エミッタ間にも容量成分が存在するので、素子の定
数によってはこのコンデンサは省略することも可能であ
る。

【００３３】（第４の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態に見られるように、光点弧サイリスタはターンオ
ン側とターンオフ側の２系統を設けるのが、制御の難易
度などの点でもっとも一般的と考えられるが、この場
合、ターンオン側の光点弧サイリスタとターンオフ側の
光点弧サイリスタが同時に点弧するとゲート電源を短絡
する形になってしまい、光点弧サイリスタの破損などの
問題が発生しうる。

【００３４】これに対処するのが、図４に示す本発明の
第４の実施の形態である。図４において、スイッチング
素子１に供給するべきゲート信号に対して、ターンオン
光信号およびターンオフ光信号をそれぞれ図４に示すよ
うに生成する。その際、ゲート信号の立ち上がりに同期
した最小オンゲート信号を生成する。最小オンゲート信
号の幅は、光点弧サイリスタの消弧に必要とされる時間
より決定されるある一定の値としておく。この最小オン
ゲート信号とオンゲート信号の論理和よりターンオンお
よびターンオフ光信号を生成するようにしておけば、図
４（ｂ）に示すように。ゲート信号の幅が必要とされる
最小オン時間Tonminを下回った場合にでも、不具合を起
こさないように２つの光信号の間の時間間隔を一定の値
に保つことができる。なお、こうした制御方法を実現す
るための具体的な回路などの構成は、一般のＧＴＯサイ
リスタなどの最小オン時間制御とまったく同様に行うこ
とができる。

【００３５】（第５の実施の形態）これまでの本発明の
実施の形態では、光点弧サイリスタのターンオフはスイ
ッチング素子のゲート電流が０になることによって行わ
れていた。それに対して、ゲート駆動回路の中に補助転
流回路を設けることで、積極的にサイリスタをターンオ
フさせることもできる。図５に示す本発明の第５の実施
の形態がそれである。

【００３６】図５において、補助光点弧サイリスタ２
５，２６および転流リアクトル２７、転流コンデンサ２
８によって構成される転流回路が光点弧サイリスタ１
６，１７のターンオフ動作を行わせる。この場合、光点
弧サイリスタ１６，１７および補助光点弧サイリスタ２
５，２６の点弧動作は同期して行い、たとえばスイッチ
ング素子１をターンオフさせる場合には、まず補助光点
弧サイリスタ２５を点弧させ、光点弧サイリスタ１６に
逆電流を流して確実にターンオフさせた後に、光点弧サ
イリスタ１７を点弧させることでスイッチング素子１の
ゲート電圧を負側ゲート電源電圧と等しくさせる。尚、
還流ダイオード２９，３０は転流回路によってサイリス
タに流す逆電流の過剰分を還流させるためのものであ
る。

【００３７】（第６の実施の形態）これまでの本発明の
実施の形態では、該スイッチング素子のゲート回路には
抵抗またはインダクタンスを挿入することでスイッチン
グ素子のスイッチング速度を加減するようになってい
た。

【００３８】これに対して、図６に示す本発明の第６の
実施の形態では、ゲート回路の抵抗分およびインダクタ
ンス分を極力低減せしめることで、スイッチング速度を
早めるとともに遮断耐量の向上を図るものである。

【００３９】図６において、第１の実施の形態とは異な
りゲート抵抗９がない。ゲート駆動回路の抵抗分および
インダクタンス分を極力小さくすることで、スイッチン
グ素子１のターンオフ、ターンオン時間を短くするとと
もに、スイッチング過渡期における素子内部での不安定
現象を抑圧し、スイッチング素子１の遮断耐量を上げる
ことが可能になるものである。

【００４０】（第７の実施の形態）第６の実施の形態で
は、ゲート回路のインダクタンス分を極力低減しなけれ
ばならない。ゲート抵抗が小さいために、インダクタン
ス分の影響が大きくなり、スイッチング過渡時の振動に
よってＭＯＳゲート酸イヒ膜の損傷が起こることを防止す
るためである。これを考慮したのが、図７に示す本発明
の第７の実施の形態である。

【００４１】図７では回路的には図６と同じであるが、
ゲート駆動回路の実装方法を工夫している。図７では、
ゲート駆動回路は多層基板上に実装され、なおかつ、ス
イッチング素子もまた同じ多層基板上に実装されてい
る。このような構成にすることで、ゲート回路のインダ
クタンスを極限まで低減することが可能になり、スイッ
チング素子の高速化と安定なスイッチング動作を提供す
ることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、制
御部よりの光信号を光点弧サイリスタで電気信号に変換
させることによって、ゲート駆動回路の消費電力を大幅
に減少せしめることができ、これによってゲート電力供
給回路の小型化とゲート電力供給回路における損失の減
少が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例を示す回路図である。

【図２】 本発明の第２の実施例を示す回路図である。

【図３】 本発明の第３の実施例を示す回路図である。

【図４】 本発明の第４の実施例を示すタイミングチャ
ートである。

【図５】 本発明の第５の実施例を示す回路図である。

【図６】 本発明の第６の実施例を示す回路図である。

【図７】 本発明の第７の実施例を示す構成図である。

【図８】 従来技術を示す回路図である。

【符号の説明】

１…スイッチング素子、２…スナバダイオード、３…ス
ナバコンデンサ、４…光ファイバ、５…光ダイオード、
６，７，８…トランジスタ、９…ゲート抵抗、１０…ス
ナバ抵抗、１１…ゲート電源ユニット、１２…絶縁変圧
器、１３…整流器、１４…平滑コンデンサ、１５…高周
波交流電源、１６，１７…光点弧サイリスタ、１８…分
圧抵抗、１９…平滑コンデンサ、２０…定電圧ダイオー
ド、２１…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２２…逆流防止ダイ
オード、２３…ゲートインダクタンス、２４…ゲートコ
ンデンサ、２５，２６…補助光点弧サイリスタ、２７…
転流リアクトル、２８…転流コンデンサ、２９，３０…
還流ダイオード、３１…ゲート駆動回路、３２…多層基
板

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制
   御電極に制御信号を与え、その制御信号に基づいて前記
   ＭＯＳゲート型スイッチング素子を駆動するゲート駆動
   回路において、前記制御信号を光信号の形で与えるとと
   もに、前記光信号を少なくともーつの光点弧サイリスタ
   によって電気信号に変換することを特徴とするゲー卜駆
   動回路。
2. 【請求項２】 前記光点弧サイリスタとして、光トラ
   イアックを用いることを特徴とする請求項１記載のゲー
   ト駆動回路。
3. 【請求項３】 前記光点弧サイリスタをターンオン側
   およびターンオフ側の少なくとも２つ備えることを特徴
   とする請求項１記載のゲート駆動回路。
4. 【請求項４】 前記光点弧サイリスタの陽極あるいは
   陰極と前記ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御電極
   との間に抵抗を設けたことを特徴とする請求項１記載の
   ゲート駆動回路。
5. 【請求項５】 前記光点弧サイリスタの陽極あるいは
   陰極と前記ＭＯＳゲート型スイッチング素子の制御電極
   との間にインダクタンスを設けたことを特徴とする請求
   項１記載のゲート駆動回路。
6. 【請求項６】 前記ＭＯＳゲート型スイッチング素子
   の制御電極と陰極との間にコンデンサを設けたことを特
   徴とする請求項５記載のゲート駆動回路。
7. 【請求項７】 前記光点弧サイリスタを消弧する転流
   回路を具備したことを特徴とする請求項１記載のゲート
   駆動回路。
8. 【請求項８】 前記転流回路が補助の光点弧サイリス
   タを含むことを特徴とする請求項７記載のゲート駆動回
   路。
9. 【請求項９】 ターンオン側及びターンオフ側の少な
   くとも２つの光点弧サイリスタを有し、ＭＯＳゲート型
   スイッチング素子の制御電極に制御信号を与え、その制
   御信号に基づいて前記ＭＯＳゲート型スイッチング素子
   を駆動するゲート駆動方法において、前記ターンオン側
   光点弧サイリスタに入力する光制御信号と前記ターンオ
   フ側光点弧サイリスタに入力する光制御信号との時間間
   隔を、ある一定の値以上とするように制御することを特
   徴とするゲー卜駆動方法。