JP2003299343A - 直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置 - Google Patents
直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置Info
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Abstract
同時にオン・オフさせる際の各素子のスイッチングタイ
ミングを一致させると共に、この一致させるための回路
構成を小型,簡単化する。 【解決手段】複数の直列接続された電圧駆動型半導体素
子の各段のゲート線またはエミッタ線と、次段の素子の
ゲート線またはエミッタ線とを磁気結合させるととも
に、それぞれの素子のゲート駆動回路に、前記磁気結合
に基づいて発生する電圧と前記ゲート駆動回路への入力
信号とにより前記オン・オフさせるそれぞれのゲート信
号のタイミングのばらつきを最小限に調整する。
Description
された電圧駆動型半導体素子を同時にオン・オフさせる
場合におけるスイッチングタイミングの制御装置に関す
る。
を備えた電力変換装置において、各スイッチング素子を
同時にオン・オフさせるために数多くの課題と解決策と
が知られている。特に電圧駆動型の半導体スイッチング
素子を直列接続した場合における問題点を、図7に示す
ように半導体スイッチング素子が2個直列接続されてい
る回路を例にとって説明する。
型半導体素子で、各段のコレクタ−エミッタ間電圧はそ
れぞれVCE1、VCE2で示され、ゲート電圧はそれ
ぞれVGE1、VGE2で示されている。
ッチングした時、ゲート駆動回路や該駆動回路への入力
信号や前記素子の遅延時間が同じであり、スイッチング
タイミングが同じであれば、2つの素子の分担電圧は等
しくなる。しかし、実際にはこれらの遅延時間のばらつ
きがあり、また温度によっても遅延時間が変化するた
め、前記素子のスイッチングタイミングは異なる。
Q1の方が素子Q2よりも速くオフした場合には素子Q
1に高い電圧が印加され、また、図8(b)に示すよう
に素子Q1の方が素子Q2よりも速くオンした場合には
素子Q2に高い電圧が印加されることになって、スイッ
チングタイミング差が大きい場合には素子が過電圧とな
り破壊する恐れがある。
手段として、素子と並列にスナバ回路を接続する方法が
ある。このスナバ回路を適用した回路例を図9に示す。
この回路は2レベルインバータの1相分であり、素子と
してIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を
直列接続している。Q1〜Q4はIGBTであり、それ
ぞれに並列に接続されている抵抗R、コンデンサC、ダ
イオードDからなる回路がスナバ回路である。また、G
DU1〜GDU4はゲート駆動回路、電源電圧はEdで
ある。この回路において、上アーム、すなわちQ1,Q
2がターンオフ動作をする際に、Q1がQ2より早いタ
イミングでオフした時、スナバ回路が無い場合の動作波
形を図10(a)、スナバ回路が有る場合の動作波形を
図10(b)に示す。この波形のように、Q1が先にタ
ーンオフ動作を開始し、この開始時点よりΔtの期間で
はQ2がまだオン状態にあることから、Q1の素子電圧
VCE(Q1)のみが上昇し、電圧アンバランスが生じ
る。しかし、スナバ回路を接続すると、接続していない
ときと比較して、素子電圧の上昇率dv/dtを低減す
ることができる。このdv/dtは、スナバ回路のCの
容量に依存しており、これを増加させるほど電圧アンバ
ランス低減効果を増加させることができる。
列にスナバ回路を接続し、素子電圧のdv/dtを低減
させることでスイッチングタイミング差による素子電圧
のアンバランスを低減することが可能となるが、回路の
大型化、損失増加という問題が生ずる。
路構成で、直列接続された素子のスイッチングタイミン
グのばらつきを抑制することにある。
に、この発明によれば、直列に接続された素子のゲート
線を磁気結合させて、素子が入力信号に基づいてオンま
たはオフする際に各ゲート線に流れる電流値が異なれ
ば、その差分に応じてゲート線のインピーダンスを瞬時
に変化させることで、各ゲート電流を一致させて素子の
スイッチングタイミングのばらつきを抑制させると共
に、この検出したばらつきに基づいて前記入力信号のタ
イミングを調整するようにしている。
直列接続された複数個の電圧駆動型半導体素子と、これ
らの電圧駆動型半導体素子をオン・オフするために当該
電圧駆動型半導体素子のゲート端子にゲート信号を供給
するゲート駆動回路とからなる半導体スイッチ回路にお
いて、ゲート駆動回路と電圧駆動型半導体素子のゲート
端子を接続するゲート線を互いに磁気結合させると共
に、この磁気結合に基づいて発生する電圧と前記ゲート
駆動回路への入力信号とにより前記ゲート信号のタイミ
ングのばらつきを検出することを特徴とする。
路において、ゲート駆動回路と電圧駆動型半導体素子の
ゲート端子を接続するゲート線を互いに磁気結合させる
と共に、この磁気結合に基づいて発生する電圧を光信号
に変換し、該光信号と前記ゲート駆動回路への入力信号
とにより前記ゲート信号のタイミングのばらつきを検出
することを特徴とする。
発明において、前記ゲート信号のタイミングのばらつき
が検出されたときに、このばらつきに応じて前記入力信
号のタイミングを調整し、この調整された信号を新たな
入力信号とすることを特徴とする。
IGBTを複数個直列接続して構成された回路を例に説
明する。
導体スイッチ回路を用いた回路構成図であり、この回路
は図9と同様に2レベルインバータの1相分である。
示した回路構成に対してスナバ回路が省略され、また、
ゲート駆動回路GDU1〜GDU4に代えてGDU1a
〜GDU4aを備え、さらに、磁気回路MC1、MC2
が追加されている。
1a〜GDU4aそれぞれの詳細回路構成例であり、図
示の如く、従来のGDU1〜GDU4それぞれに対し
て、後述のタイミング検出回路とタイミング調整回路が
追加されている。
アームのゲート線は磁気回路MC1により磁気結合して
おり、同様に、下アームのゲート線は磁気回路MC2に
より磁気結合している点である。磁気結合させるときに
は、例として図3のようにそれぞれそれぞれのゲート線
を同じ磁性体に巻き付ける。これにより、例えばゲート
電流Ig1が流れると磁気回路にΦ1の磁束が発生し、
これがGDU2aのゲート線を横切る。同様に、Ig2
が流れるとΦ2の磁束が発生し、これがGDU1aのゲ
ート線を横切る。これによって各ゲート線が磁気結合さ
れる。このとき、前記磁性体への巻数N1、N2を同じ
として、Ig1=Ig2のときに|Φ1|=|Φ2|と
なるようにし、Ig1とIg2が逆極性の時に、Φ1と
Φ2が逆極性となるようにする。このときの回路動作
を、ターンオフを例にとって、以下に説明する。
グが同時の場合、それぞれのゲート(G)−エミッタ
(E)間電圧波形VGE(Q1)、VGE(Q2)はほ
ぼ等しくなる。IGBTのG−E間は図4のように等価
的にコンデンサCiesと見做すことができるため、I
g1、Ig2には同波形で過渡的にCiesの放電電流
が流れる。この時、磁気回路のIg1とIg2は極性が
逆となり、Φ1とΦ2は同レベルで逆極性となるため磁
気回路に発生する磁束Φ1とΦ2が互いに打ち消しあ
い、「0」となる。そのため、磁気結合はせず、Ig1
とIg2はそれぞれのCiesから放電電流として流れ
る。
がアンバランスとなった時、例えばQ1が先にターンオ
フした時、すなわち、Ig1がIg2よりも先に流れ出
した時、Φ1≠Φ2となるため、磁気回路には|Φ1−
Φ2|の磁束が発生し、磁気結合する。この時、それぞ
れのゲート線にはインダクタンス分L1とL2が発生
し、これらは|Φ1−Φ2|に比例する特性がある。す
なわち、Ig1とIg2のアンバランス分が大きい程、
L1とL2も大きくなる。また、L1,L2が増加する
程、ゲート線のインピーダンスが増加するため、Ig1
とIg2が流れにくくなる。この動作により、図5のよ
うにIg1とIg2のアンバランス分に応じて自動的に
ゲート線のインピーダンスが変化し、Ig1は減少する
方向、Ig2と増加する方向に作用して、Ig1とIg
2が一致するように動作する。
Q2のターンオフタイミングのばらつきを遅れなく抑制
することが可能となる。これはターンオンタイミングの
ばらつき抑制に対しても同様に有効に動作する。
て、GDU1a〜GDU4aそれぞれに備えるタイミン
グ検出回路とタイミング調整回路の動作について、図6
に示すQ1とQ2のターンオフ時の動作波形を参照しつ
つ、以下に説明する。
せる入力信号とQ2をターンオフさせる入力信号との間
に常時Tdなる時間差があるときには、磁気回路MC1
の巻線それぞれの両端に互いに逆極性で同レベルの電圧
が発生する。このときの電圧として、GDU1a側の端
子T−G間の電圧Vm(Q1)は負極性となり、また、
GDU2a側の端子T−G間の電圧Vm(Q2)は正極
性となる。
ング調整回路を有しない通常のオン・オフ駆動回路の場
合には、Vm(Q1),Vm(Q2)は図6に示す破線
の波形となり、同様に、Q1のゲート−エミッタ間電圧
Vg(Q1),Q2のゲート−エミッタ間電圧Vg(Q
2)も図6に示す破線の波形となり、従って、Q1とQ
2のターオフタイミングのばらつきを、先述の如く抑制
しているが、このときには磁気回路MC1を形成するコ
アは前記Tdなる期間、図示の如く繰り返して励磁さ
れ、その結果、通常のオン・オフ駆動回路のみの場合に
は前記コアが磁気的な飽和を起こさないようにするため
に、より大型のものを選定する必要がある。
路とタイミング調整回路は磁気回路MC1を形成するコ
アをより小型化するために設けられ、例えばGDU2a
側のタイミング検出回路では、図6に示すようにQ2の
入力信号がオン指令を継続しているにも関わらずVm
(Q2)に正極性の電圧が発生したことを図示の僅かな
時間遅れσで検知し、時間幅Taなるオフ指令をタイミ
ング調整回路へ出力するが、この時間幅Taは前記時間
差Tdの最大値より若干大きい値に設定する。
信したGDU2a側のタイミング調整回路ではQ2の入
力信号のオン指令を、ほぼ前記Tdの期間短縮した新た
な入力信号を生成し、この新たな入力信号をインターフ
ェース回路へ出力することにより、Vm(Q1),Vm
(Q2),Vg(Q1),Vg(Q2)は図6に示す実
線の波形となり、このときには磁気回路MC1を形成す
るコアは、図示の如く前記σ(σ<<Td)なる期間の
繰返し励磁となり、その結果、前記コアをより小型化で
き、Q1とQ2のターオフタイミングのばらつきを抑制
することができる。なお、図6の動作波形図では図示し
ていないが、Q1とQ2のターンオフ時におけるタイミ
ング検出回路の上述の論理動作として、Q1,Q2それ
ぞれの入力信号がオフ指令からオン指令に変化したとき
の誤検出を防止するために、このオン指令になったとき
から僅かな期間、前記論理動作をマスクする必要があ
る。
GDU1a〜GDU4aそれぞれに備えるタイミング検
出回路とタイミング調整回路とにより、磁気回路MC
1,MC2それぞれを形成するコアをより小型にしつ
つ、ターンオフタイミングのばらつきを遅れなく抑制す
ることが可能となる。これはQ1〜Q4のターンオン時
に対しても、GDU1a〜GDU4aそれぞれに備える
タイミング検出回路とタイミング調整回路に上述と同様
の機能を別個に持たせることにより、磁気回路MC1,
MC2それぞれを形成するコアをより小型にしつつ、タ
ーンオンタイミングのばらつきを遅れなく抑制すること
が可能となる。
半導体スイッチ回路を用いた回路構成図であり、この回
路は図9と同様に2レベルインバータの1相分である。
に示した回路構成に対してスナバ回路が省略され、ま
た、図1の実施例回路と同様に磁気回路MC1、MC2
が追加され、さらに、磁気回路MC1,MC2のそれぞ
れの巻線に発生する電圧を光信号に変換する電気−光変
換器E/OがQ1〜Q4そそれぞれに対して1組ずつ追
加され、これらの電気−光変換器E/Oからの光信号は
光ケーブルを介して制御回路へ伝達されている。
(GDU1〜GDU4)及び制御回路の1素子分の詳細
回路構成例であり、図示の如く、従来のGDU1〜GD
U4それぞれに対して、光−電気変換器O/Eと後述の
タイミング検出回路とタイミング調整回路が追加されて
いる。
上アームのゲート線は磁気回路MC1により磁気結合し
ており、同様に、下アームのゲート線は磁気回路MC2
により磁気結合している点であり、この磁気回路MC
1,MC2の動作は、上述の図1の回路構成における磁
気回路MC1,MC2と同様なので、ここではその説明
を省略する。
て、MC1,MC2のそれぞれの巻線からの電気−光変
換器および光−電気変換器とタイミング検出回路とタイ
ミング調整回路の動作について、図13に示すQ1とQ
2のターンオフ時の動作波形を参照しつつ、以下に説明
する。
させる入力信号とQ2をターンオフさせる入力信号との
間に常時Tdなる時間差があるときには、磁気回路MC
1の巻線それぞれの両端に互いに逆極性で同レベルの電
圧が発生する。このときの電圧として、GDU1側の巻
線間の電圧Vm(Q1)は負極性となり、また、GDU
2側の巻線間の電圧Vm(Q2)は正極性となる。
よび光−電気変換器とタイミング検出回路とタイミング
調整回路を介しない通常のオン・オフ駆動回路の場合に
は、Vm(Q1),Vm(Q2)は図13に示す破線の
波形となり、同様に、Q1のゲート−エミッタ間電圧V
g(Q1),Q2のゲート−エミッタ間電圧Vg(Q
2)も図13に示す破線の波形となり、従って、Q1と
Q2のターオフタイミングのばらつきを、先述の如く抑
制しているが、このときには磁気回路MC1を形成する
コアは前記Tdなる期間、図示の如く繰り返して励磁さ
れ、その結果、通常のオン・オフ駆動回路のみの場合に
は前記コアが磁気的な飽和を起こさないようにするため
に、より大型のものを選定する必要がある。
光変換器および光−電気変換器とタイミング検出回路と
タイミング調整回路は磁気回路MC1を形成するコアを
より小型化するために設けられ、例えばGDU2側のタ
イミング検出回路では、図13に示すようにQ2の入力
信号がオン指令を継続しているにも関わらずVm(Q
2)に正極性の電圧が発生したことを電気−光変換器と
光ケーブルと光−電気変換器とを介して図示の僅かな時
間遅れσで検知し、時間幅Taなるオフ指令をタイミン
グ調整回路へ出力するが、この時間幅Taは前記時間差
Tdの最大値より若干大きい値に設定する。
信したGDU2側のタイミング調整回路ではQ2の入力
信号のオン指令を、ほぼ前記Tdの期間短縮した新たな
入力信号を生成し、この新たな入力信号をインターフェ
ース回路へ出力することにより、Vm(Q1),Vm
(Q2),Vg(Q1),Vg(Q2)は図13に示す
実線の波形となり、このときには磁気回路MC1を形成
するコアは、図示の如く前記σ(σ<<Td)なる期間
の繰返し励磁となり、その結果、前記コアをより小型化
でき、Q1とQ2のターオフタイミングのばらつきを抑
制することができる。なお、図13の動作波形図では図
示していないが、Q1とQ2のターンオフ時におけるタ
イミング検出回路の上述の論理動作として、Q1,Q2
それぞれの入力信号がオフ指令からオン指令に変化した
ときの誤検出を防止するために、このオン指令になった
ときから僅かな期間、前記論理動作をマスクする必要が
ある。
磁気回路MC1,MC2それぞれの巻線に付加される電
気−光変換器と光ケーブルと光−電気変換器とタイミン
グ検出回路とタイミング調整回路とにより、磁気回路M
C1,MC2それぞれを形成するコアをより小型にしつ
つ、ターンオフタイミングのばらつきを遅れなく抑制す
ることが可能となり、さらに、光信号を採用することに
より電気的ノイズによる誤動作も回避できる。これはQ
1〜Q4のターンオン時に対しても、磁気回路MC1,
MC2それぞれを形成するコアをより小型にしつつ、タ
ーンオンタイミングのばらつきを遅れなく抑制すること
が可能となる。
半導体スイッチ回路を用いた回路構成図であり、この回
路はIGBTをn個直列接続したときの構成を示してい
る。図から明らかなように、Q1とQ2のゲート線を磁
気結合してゲート電流を一致させ、これらの電流を基準
としてQ3のゲート電流を一致させるためにQ2とQ3
の磁気結合する、というようにゲート線を従属的に磁気
結合することで、瞬時に全てのIGBTのスイッチング
タイミングのアンバランスを抑制することが可能であ
り、さらに、磁気回路それぞれの巻線と前記タイミング
検出回路との間の信号伝達および制御回路とそれぞれの
ゲート駆動回路との間の信号伝達には光ケーブルを採用
したことにより、低圧側(制御回路側)と高圧側(GD
U,IGBT側)とが電気的に絶縁されると共に、電気
的ノイズに対する誤動作を抑制することが可能である。
子を多数直列接続するとき、各アーム毎にゲート線を磁
気結合させ、ゲート電流のアンバランス量に応じてゲー
ト線のインピーダンスを瞬時に変化させることにより、
遅れ時間無くスイッチングタイミングのばらつきを抑制
し、また、スイッチングタイミングのアンバランスの低
減策として、タイミング検出回路とタイミング調整回路
を設けることで、より小型,低損失の回路構成で、前記
素子それぞれの過電圧印加に伴う素子破壊を防止するこ
とができる。
a〜GDU4a,GDU1b〜GDUnb…ゲート駆動
回路、MC1,MC2…磁気回路、E/O…電気−光変
換器、O/E…光−電気変換器。
Claims (3)
- 【請求項1】 直列接続された複数個の電圧駆動型半導
体素子と、これらの電圧駆動型半導体素子をオン・オフ
するために当該電圧駆動型半導体素子のゲート端子にゲ
ート信号を供給するゲート駆動回路とからなる半導体ス
イッチ回路において、ゲート駆動回路と電圧駆動型半導
体素子のゲート端子を接続するゲート線を互いに磁気結
合させると共に、この磁気結合に基づいて発生する電圧
と前記ゲート駆動回路への入力信号とにより前記ゲート
信号のタイミングのばらつきを検出することを特徴とす
る直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置。 - 【請求項2】 直列接続された複数個の電圧駆動型半導
体素子と、これらの電圧駆動型半導体素子をオン・オフ
するために当該電圧駆動型半導体素子のゲート端子にゲ
ート信号を供給するゲート駆動回路とからなる半導体ス
イッチ回路において、ゲート駆動回路と電圧駆動型半導
体素子のゲート端子を接続するゲート線を互いに磁気結
合させると共に、この磁気結合に基づいて発生する電圧
を光信号に変換し、該光信号と前記ゲート駆動回路への
入力信号とにより前記ゲート信号のタイミングのばらつ
きを検出することを特徴とする直列接続された電圧駆動
型半導体素子の制御装置。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の直列接続
された電圧駆動型半導体素子の制御装置において、 前記ゲート信号のタイミングのばらつきが検出されたと
きに、このばらつきに応じて前記入力信号のタイミング
を調整し、この調整された信号を新たな入力信号とする
ことを特徴とする直列接続された電圧駆動型半導体素子
の制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002194568A JP4026054B2 (ja) | 2002-01-31 | 2002-07-03 | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002023669 | 2002-01-31 | ||
JP2002-23669 | 2002-01-31 | ||
JP2002194568A JP4026054B2 (ja) | 2002-01-31 | 2002-07-03 | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003299343A true JP2003299343A (ja) | 2003-10-17 |
JP4026054B2 JP4026054B2 (ja) | 2007-12-26 |
Family
ID=29404785
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002194568A Expired - Lifetime JP4026054B2 (ja) | 2002-01-31 | 2002-07-03 | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の制御装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP4026054B2 (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006042512A (ja) * | 2004-07-28 | 2006-02-09 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の電圧ばらつき抑制方式 |
JP2006109640A (ja) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の故障検出回路 |
JP2007028705A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動装置 |
JP2008043003A (ja) * | 2006-08-03 | 2008-02-21 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置 |
-
2002
- 2002-07-03 JP JP2002194568A patent/JP4026054B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006042512A (ja) * | 2004-07-28 | 2006-02-09 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の電圧ばらつき抑制方式 |
JP4639687B2 (ja) * | 2004-07-28 | 2011-02-23 | 富士電機ホールディングス株式会社 | 電圧駆動型半導体素子の電圧ばらつき抑制方式 |
JP2006109640A (ja) * | 2004-10-07 | 2006-04-20 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子の故障検出回路 |
JP2007028705A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動装置 |
JP4715346B2 (ja) * | 2005-07-12 | 2011-07-06 | 富士電機株式会社 | 直列接続された電圧駆動型半導体素子の駆動装置 |
JP2008043003A (ja) * | 2006-08-03 | 2008-02-21 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 電圧駆動型半導体素子のゲート駆動装置 |
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Date | Code | Title | Description |
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