JP2002199700A - 半導体電力変換装置 - Google Patents
半導体電力変換装置Info
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- JP2002199700A JP2002199700A JP2000391818A JP2000391818A JP2002199700A JP 2002199700 A JP2002199700 A JP 2002199700A JP 2000391818 A JP2000391818 A JP 2000391818A JP 2000391818 A JP2000391818 A JP 2000391818A JP 2002199700 A JP2002199700 A JP 2002199700A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＩＧＢＴのドライブにはゲート抵抗を設けて
サージ電圧とスイッチング損失をトレードオフの関係で
軽減するため、装置の運転状態によってはこれらの抑制
が不十分なものとなる。 【解決手段】 制御装置ＣＯＮは、インバータの負荷電
流の大小に応じてスイッチＳＷを開閉し、ＩＧＢＴのゲ
ート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替えで素子のサ
ージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制の一方の度合
いを高める。また、ゲート抵抗切り替えは、負荷電流の
大小、素子のスイッチング周波数の大小、素子の温度の
高低のいずれか１つを基にした切り替え、またはそれら
の組み合わせを基にした切り替えを含む。
サージ電圧とスイッチング損失をトレードオフの関係で
軽減するため、装置の運転状態によってはこれらの抑制
が不十分なものとなる。 【解決手段】 制御装置ＣＯＮは、インバータの負荷電
流の大小に応じてスイッチＳＷを開閉し、ＩＧＢＴのゲ
ート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替えで素子のサ
ージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制の一方の度合
いを高める。また、ゲート抵抗切り替えは、負荷電流の
大小、素子のスイッチング周波数の大小、素子の温度の
高低のいずれか１つを基にした切り替え、またはそれら
の組み合わせを基にした切り替えを含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主回路を自己消弧
形半導体素子で構成した半導体電力変換装置に係り、特
に半導体素子のドライブ回路に関する。
形半導体素子で構成した半導体電力変換装置に係り、特
に半導体素子のドライブ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータやコンバータなどの半導体電
力変換装置は、主回路のスイッチ素子としてＩＧＢＴ，
ＧＴＯ、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ等の自己消
弧形半導体素子を利用することで、主回路電圧や電流に
制約されない任意タイミングでのオン・オフ制御を可能
にする。
力変換装置は、主回路のスイッチ素子としてＩＧＢＴ，
ＧＴＯ、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ等の自己消
弧形半導体素子を利用することで、主回路電圧や電流に
制約されない任意タイミングでのオン・オフ制御を可能
にする。
【０００３】図３にＩＧＢＴのドライブ回路と各部波形
を示す。ＩＧＢＴのゲート電圧ＶGEは、ゲートドライバ
ＧＣからのゲートパルスがゲート抵抗ＲGを通して印加
される。ＤＬは直流電源ＤＣからＩＧＢＴのコレクタま
での接続配線等がもつ配線インダクタンス、Ｌは電動機
等の負荷がもつ巻線インダクタンスである。
を示す。ＩＧＢＴのゲート電圧ＶGEは、ゲートドライバ
ＧＣからのゲートパルスがゲート抵抗ＲGを通して印加
される。ＤＬは直流電源ＤＣからＩＧＢＴのコレクタま
での接続配線等がもつ配線インダクタンス、Ｌは電動機
等の負荷がもつ巻線インダクタンスである。
【０００４】このドライブ回路構成において、ゲート電
圧ＶGEをＩＧＢＴのエミッタとゲート間に印加すること
でコレクタとエミッタ間をオン・オフ制御する。また、
ゲート抵抗ＲGを挿入することで、ＩＧＢＴのゲート・
エミッタ間の浮遊容量分とゲート抵抗ＲGの抵抗値で調
整する時定数により、コレクタ・エミッタ間の急激な電
圧および電流の変化を抑制し、配線インダクタンスＤＬ
とオフ時の電流変化により起きる過電圧（サージ電圧）
を抑制し、ＩＧＢＴの過電圧故障を防止している。
圧ＶGEをＩＧＢＴのエミッタとゲート間に印加すること
でコレクタとエミッタ間をオン・オフ制御する。また、
ゲート抵抗ＲGを挿入することで、ＩＧＢＴのゲート・
エミッタ間の浮遊容量分とゲート抵抗ＲGの抵抗値で調
整する時定数により、コレクタ・エミッタ間の急激な電
圧および電流の変化を抑制し、配線インダクタンスＤＬ
とオフ時の電流変化により起きる過電圧（サージ電圧）
を抑制し、ＩＧＢＴの過電圧故障を防止している。
【０００５】同図の（ｂ）は、ＩＧＢＴの各部波形を示
し、ＩＧＢＴをオンからオフに制御するときに、ゲート
抵抗が小さいと、発生するサージ電圧が大きくなり、Ｉ
ＧＢＴの過電圧故障の恐れがある。
し、ＩＧＢＴをオンからオフに制御するときに、ゲート
抵抗が小さいと、発生するサージ電圧が大きくなり、Ｉ
ＧＢＴの過電圧故障の恐れがある。
【０００６】そこで、ゲート抵抗を大きくすることでサ
ージ電圧が抑制され、コレクタ・エミッタ間の電圧ＶCE
の変化率ｄｖ／ｄｔが小さくなってノイズ発生量が小さ
くなる。その反面、電圧と電流の変化が緩やかになるた
め、電圧と電流がコレクタとエミッタ間に同時に存在す
る期間が長くなり、ＩＧＢＴのスイッチング損失が増大
してその発熱量が大きくなる。
ージ電圧が抑制され、コレクタ・エミッタ間の電圧ＶCE
の変化率ｄｖ／ｄｔが小さくなってノイズ発生量が小さ
くなる。その反面、電圧と電流の変化が緩やかになるた
め、電圧と電流がコレクタとエミッタ間に同時に存在す
る期間が長くなり、ＩＧＢＴのスイッチング損失が増大
してその発熱量が大きくなる。
【０００７】これら事情から、ゲート抵抗はサージ電圧
とスイッチング損失の両方を考慮して適当な大きさの抵
抗値に設計される。
とスイッチング損失の両方を考慮して適当な大きさの抵
抗値に設計される。
【０００８】さらには、高圧側半導体素子と低圧側半導
体素子を直列接続にした主回路構成のインバータ等で
は、高圧側と低圧側のオン・オフのゲート信号の時間の
バラツキを補償するため、ゲート抵抗を可変式ゲート抵
抗とするものもある（例えば、特開平９−１３９６６０
号公報）。
体素子を直列接続にした主回路構成のインバータ等で
は、高圧側と低圧側のオン・オフのゲート信号の時間の
バラツキを補償するため、ゲート抵抗を可変式ゲート抵
抗とするものもある（例えば、特開平９−１３９６６０
号公報）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体素子のド
ライブ回路は、抵抗値を固定したゲート抵抗を設け、素
子のサージ電圧とスイッチング損失をトレードオフの関
係で抑制している。また、可変式ゲート抵抗により、ゲ
ート信号のバラツキを補償している。
ライブ回路は、抵抗値を固定したゲート抵抗を設け、素
子のサージ電圧とスイッチング損失をトレードオフの関
係で抑制している。また、可変式ゲート抵抗により、ゲ
ート信号のバラツキを補償している。
【００１０】これらの場合、半導体電力変換装置の運転
中には半導体素子のゲート抵抗は固定またはほぼ固定さ
れるものであり、サージ電圧とスイッチング損失の両方
の抑制が十分になされず、装置の運転状態によってはノ
イズによって周辺回路の誤動作を起こす恐れがあるし、
素子の過熱で装置の保護機能でその停止になる恐れがあ
る。
中には半導体素子のゲート抵抗は固定またはほぼ固定さ
れるものであり、サージ電圧とスイッチング損失の両方
の抑制が十分になされず、装置の運転状態によってはノ
イズによって周辺回路の誤動作を起こす恐れがあるし、
素子の過熱で装置の保護機能でその停止になる恐れがあ
る。
【００１１】本発明の目的は、ノイズによる誤動作防止
と素子の過熱防止を確実にする半導体電力変換装置を提
供することにある。
と素子の過熱防止を確実にする半導体電力変換装置を提
供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】半導体素子のサージ電圧
の発生とスイッチング損失の発生は、半導体電力変換装
置の運転状態によって異なる。
の発生とスイッチング損失の発生は、半導体電力変換装
置の運転状態によって異なる。
【００１３】例えば、インバータでモータを駆動する半
導体電力変換装置において、モータが定格電流の半分で
運転されるときには、同じゲート抵抗であってもスイッ
チング損失が軽減され、半導体素子としては熱的に余裕
が生じる。逆に、モータが高速度で運転されるときに
は、インバータの直流側電圧に近い高電圧をモータに印
加するため、半導体素子の制御電圧ＶCEが小さくなり、
耐サージ電圧に余裕が生じる。
導体電力変換装置において、モータが定格電流の半分で
運転されるときには、同じゲート抵抗であってもスイッ
チング損失が軽減され、半導体素子としては熱的に余裕
が生じる。逆に、モータが高速度で運転されるときに
は、インバータの直流側電圧に近い高電圧をモータに印
加するため、半導体素子の制御電圧ＶCEが小さくなり、
耐サージ電圧に余裕が生じる。
【００１４】本発明は、以上の関係に着目し、装置の運
転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させるこ
とで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチング
損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕があ
るときはサージ電圧抑制を十分にできるようにしたもの
で、以下の構成を特徴とする。
転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させるこ
とで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチング
損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕があ
るときはサージ電圧抑制を十分にできるようにしたもの
で、以下の構成を特徴とする。
【００１５】主回路を自己消弧形半導体素子で構成し、
該素子のドライブ回路はゲート抵抗を介して素子にゲー
ト電圧を印加し、ゲート抵抗の抵抗値の大小で素子のサ
ージ電圧とスイッチング損失にトレードオフの関係をも
たせた半導体電力変換装置において、装置の運転状態に
応じて前記ゲート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替
えで素子のサージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制
の一方の度合いを高めるゲート抵抗切り替え手段を備え
たことを特徴とする。
該素子のドライブ回路はゲート抵抗を介して素子にゲー
ト電圧を印加し、ゲート抵抗の抵抗値の大小で素子のサ
ージ電圧とスイッチング損失にトレードオフの関係をも
たせた半導体電力変換装置において、装置の運転状態に
応じて前記ゲート抵抗の抵抗値を切り替え、この切り替
えで素子のサージ電圧の抑制とスイッチング損失の抑制
の一方の度合いを高めるゲート抵抗切り替え手段を備え
たことを特徴とする。
【００１６】また、前記ゲート抵抗切り替え手段は、負
荷電流の大小、素子のスイッチング周波数の大小、素子
の温度の高低のいずれか１つを基にした切り替え、また
はそれらの組み合わせを基にした切り替えを行うことを
特徴とする。
荷電流の大小、素子のスイッチング周波数の大小、素子
の温度の高低のいずれか１つを基にした切り替え、また
はそれらの組み合わせを基にした切り替えを行うことを
特徴とする。
【００１７】また、前記ゲート抵抗切り替え手段は、ゲ
ート抵抗値を２段階以上に切り替える構成にしたことを
特徴とする。
ート抵抗値を２段階以上に切り替える構成にしたことを
特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
ＩＧＢＴのドライブ回路図である。同図は、主回路の半
導体スイッチ素子をＩＧＢＴとし、モータ（誘導電動
機）ＩＭを可変速駆動する３相インバータの場合を示
す。
ＩＧＢＴのドライブ回路図である。同図は、主回路の半
導体スイッチ素子をＩＧＢＴとし、モータ（誘導電動
機）ＩＭを可変速駆動する３相インバータの場合を示
す。
【００１９】ブリッジ接続される各ＩＧＢＴのドライブ
回路は、Ｕ相とＸ相に代表して示すように、ゲートドラ
イバＧＣからのゲートパルス電圧をリレー接点またはア
ナログスイッチで構成されるスイッチＳＷとゲート抵抗
ＲG1の並列回路およびゲート抵抗ＲG2を介してＩＧＢＴ
のゲートに印加する構成にされる。
回路は、Ｕ相とＸ相に代表して示すように、ゲートドラ
イバＧＣからのゲートパルス電圧をリレー接点またはア
ナログスイッチで構成されるスイッチＳＷとゲート抵抗
ＲG1の並列回路およびゲート抵抗ＲG2を介してＩＧＢＴ
のゲートに印加する構成にされる。
【００２０】この構成によって、スイッチＳＷのオン状
態とオフ状態とでは、ＩＧＢＴのゲート抵抗の切り替え
が可能になる。つまり、ＩＧＢＴに印加されるゲート電
圧の変化率を変えることができる。
態とオフ状態とでは、ＩＧＢＴのゲート抵抗の切り替え
が可能になる。つまり、ＩＧＢＴに印加されるゲート電
圧の変化率を変えることができる。
【００２１】制御装置ＣＯＮは、モータＩＭの速度指令
に応じた周波数と電圧に従ったゲート信号を発生し、こ
れをゲートドライバで増幅して各相別のゲートパルス電
圧を発生することで、主回路に周波数と電圧を制御した
交流出力を発生させ、モータを駆動する。制御装置ＣＯ
Ｎによるモータの制御は、すべり一定制御、ＰＷＭ制
御、ベクトル制御などの制御方式にされ、さらにフィー
ドバック制御とフィードフォワード制御の違い等に応じ
た制御回路に構成される。
に応じた周波数と電圧に従ったゲート信号を発生し、こ
れをゲートドライバで増幅して各相別のゲートパルス電
圧を発生することで、主回路に周波数と電圧を制御した
交流出力を発生させ、モータを駆動する。制御装置ＣＯ
Ｎによるモータの制御は、すべり一定制御、ＰＷＭ制
御、ベクトル制御などの制御方式にされ、さらにフィー
ドバック制御とフィードフォワード制御の違い等に応じ
た制御回路に構成される。
【００２２】ここで、制御装置ＣＯＮは、インバータの
運転状態に応じてスイッチＳＷをオンまたはオフ状態に
する。インバータの運転状態は、インバータからモータ
ＩＭに供給する電流を基に、その検出電流があるレベル
以上にあるか否かの判定で行う。なお、運転状態の他の
判定方式としては、速度指令等から得るモータの速度が
ある速度以上にあるか否かの判定、さらにはＩＧＢＴの
温度がある温度以上にあるか否かの判定などによること
ができるし、こられの判定方式を組み合わせることもで
きる。
運転状態に応じてスイッチＳＷをオンまたはオフ状態に
する。インバータの運転状態は、インバータからモータ
ＩＭに供給する電流を基に、その検出電流があるレベル
以上にあるか否かの判定で行う。なお、運転状態の他の
判定方式としては、速度指令等から得るモータの速度が
ある速度以上にあるか否かの判定、さらにはＩＧＢＴの
温度がある温度以上にあるか否かの判定などによること
ができるし、こられの判定方式を組み合わせることもで
きる。
【００２３】図２は、モータ電流からインバータの運転
状態を判定する回路図を示す。電流演算回路１は、イン
バータからモータＩＭに供給する３相電流のうち、Ｒ，
Ｔ相電流を偏差入力としてその差分からＳ相電流を求め
る。整流回路２は、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の検出電流を全波整流
して比例する電圧信号に変換する。反転回路３は検出電
圧信号を反転し、この電圧信号はコンパレータ４でモー
タ電流の判定基準になる設定電圧との大小を比較する。
リレー回路５は、コンパレータ４の比較結果をホトトラ
イアック（またはホトカプラ）で絶縁して制御リレーを
駆動し、このリレー接点を図１のスイッチＳＷとする。
状態を判定する回路図を示す。電流演算回路１は、イン
バータからモータＩＭに供給する３相電流のうち、Ｒ，
Ｔ相電流を偏差入力としてその差分からＳ相電流を求め
る。整流回路２は、Ｒ，Ｓ，Ｔ相の検出電流を全波整流
して比例する電圧信号に変換する。反転回路３は検出電
圧信号を反転し、この電圧信号はコンパレータ４でモー
タ電流の判定基準になる設定電圧との大小を比較する。
リレー回路５は、コンパレータ４の比較結果をホトトラ
イアック（またはホトカプラ）で絶縁して制御リレーを
駆動し、このリレー接点を図１のスイッチＳＷとする。
【００２４】このような制御回路とドライブ回路を設け
ることにより、モータ電流の大小によってＩＧＢＴのゲ
ート抵抗値を切り替えることができる。この切り替え方
向は、モータ電流が小さいときにスイッチＳＷを開放し
てＩＧＢＴのゲート抵抗値を大きくし、ＩＧＢＴに発生
するサージ電圧を抑制する度合いを高め、ＩＧＢＴの過
電圧による故障を確実に防止することができる。逆に、
モータ電流が大きいときにスイッチＳＷを閉じてＩＧＢ
Ｔのゲート抵抗値を小さくし、ＩＧＢＴのスイッチング
損失を軽減する度合い高め、ＩＧＢＴの熱による故障を
確実に防止することができる。
ることにより、モータ電流の大小によってＩＧＢＴのゲ
ート抵抗値を切り替えることができる。この切り替え方
向は、モータ電流が小さいときにスイッチＳＷを開放し
てＩＧＢＴのゲート抵抗値を大きくし、ＩＧＢＴに発生
するサージ電圧を抑制する度合いを高め、ＩＧＢＴの過
電圧による故障を確実に防止することができる。逆に、
モータ電流が大きいときにスイッチＳＷを閉じてＩＧＢ
Ｔのゲート抵抗値を小さくし、ＩＧＢＴのスイッチング
損失を軽減する度合い高め、ＩＧＢＴの熱による故障を
確実に防止することができる。
【００２５】なお、モータ速度を基にしたゲート抵抗の
切り替えは、印加電圧を高くしかつＩＧＢＴのスイッチ
ング周波数を高くしたモータ速度が速いときには、スイ
ッチＳＷを閉じてＩＧＢＴのゲート抵抗値を小さくし、
ＩＧＢＴのスイッチング損失を軽減し、ＩＧＢＴの熱に
よる故障を確実に防止することができる。逆に、モータ
速度が遅いときにはスイッチＳＷの開放でＩＧＢＴのサ
ージ電圧を抑制することができる。
切り替えは、印加電圧を高くしかつＩＧＢＴのスイッチ
ング周波数を高くしたモータ速度が速いときには、スイ
ッチＳＷを閉じてＩＧＢＴのゲート抵抗値を小さくし、
ＩＧＢＴのスイッチング損失を軽減し、ＩＧＢＴの熱に
よる故障を確実に防止することができる。逆に、モータ
速度が遅いときにはスイッチＳＷの開放でＩＧＢＴのサ
ージ電圧を抑制することができる。
【００２６】また、ＩＧＢＴの温度の高低によるスイッ
チの切り替えは、そのときの温度で許容されるスイッチ
ング損失を基にしてＩＧＢＴが過熱しないようゲート抵
抗を切り替える。
チの切り替えは、そのときの温度で許容されるスイッチ
ング損失を基にしてＩＧＢＴが過熱しないようゲート抵
抗を切り替える。
【００２７】なお、実施形態では、ＩＧＢＴのゲート抵
抗を大小の２段階に切り替える場合を示すが、３段階以
上に切り替える構成とすることができる。この場合は、
スイッチング損失とサージ電圧のトレードオフの関係を
より細かくした制御が可能となり、モータ電流と速度と
温度の組み合わせを基にした制御ができる。
抗を大小の２段階に切り替える場合を示すが、３段階以
上に切り替える構成とすることができる。この場合は、
スイッチング損失とサージ電圧のトレードオフの関係を
より細かくした制御が可能となり、モータ電流と速度と
温度の組み合わせを基にした制御ができる。
【００２８】また、実施形態では、ＩＧＢＴを使用した
インバータに適用した場合を示すが、電力チョッパなど
の他の半導体電力変換装置に適用して同等の作用効果を
得ることができるし、半導体素子としてはパワーＦＥＴ
など他の自己消弧形半導体素子を使用した装置に適用で
きる。
インバータに適用した場合を示すが、電力チョッパなど
の他の半導体電力変換装置に適用して同等の作用効果を
得ることができるし、半導体素子としてはパワーＦＥＴ
など他の自己消弧形半導体素子を使用した装置に適用で
きる。
【００２９】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、装置の
運転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させる
ことで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチン
グ損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕が
あるときはサージ電圧抑制を十分にするようにしたた
め、ノイズによる誤動作防止と素子の過熱防止が確実に
なる。
運転状態に応じて半導体素子のゲート抵抗を変化させる
ことで、サージ電圧抑制に余裕があるときはスイッチン
グ損失抑制を十分にし、スイッチング損失抑制に余裕が
あるときはサージ電圧抑制を十分にするようにしたた
め、ノイズによる誤動作防止と素子の過熱防止が確実に
なる。
【図１】本発明の実施形態を示すドライブ回路図。
【図２】実施形態における運転状態の判定回路例。
【図３】ＩＧＢＴのドライブ回路と各部波形図。
１…電流演算回路 ２…整流回路 ３…反転回路 ４…コンパレータ ５…リレー回路 ＲG，ＲG1，ＲG2…ゲート抵抗 ＳＷ…スイッチ ＧＣ…ゲートドライバ ＣＯＮ…制御装置
Claims (3)
- 【請求項１】 主回路を自己消弧形半導体素子で構成
し、該素子のドライブ回路はゲート抵抗を介して素子に
ゲート電圧を印加し、ゲート抵抗の抵抗値の大小で素子
のサージ電圧とスイッチング損失にトレードオフの関係
をもたせた半導体電力変換装置において、 装置の運転状態に応じて前記ゲート抵抗の抵抗値を切り
替え、この切り替えで素子のサージ電圧の抑制とスイッ
チング損失の抑制の一方の度合いを高めるゲート抵抗切
り替え手段を備えたことを特徴とする半導体電力変換装
置。 - 【請求項２】 前記ゲート抵抗切り替え手段は、負荷電
流の大小、素子のスイッチング周波数の大小、素子の温
度の高低のいずれか１つを基にした切り替え、またはそ
れらの組み合わせを基にした切り替えを行うことを特徴
とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。 - 【請求項３】 前記ゲート抵抗切り替え手段は、ゲート
抵抗値を２段階以上に切り替える構成にしたことを特徴
とする請求項１または２に記載の半導体電力変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000391818A JP2002199700A (ja) | 2000-12-25 | 2000-12-25 | 半導体電力変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000391818A JP2002199700A (ja) | 2000-12-25 | 2000-12-25 | 半導体電力変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002199700A true JP2002199700A (ja) | 2002-07-12 |
Family
ID=18857905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000391818A Pending JP2002199700A (ja) | 2000-12-25 | 2000-12-25 | 半導体電力変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002199700A (ja) |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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