JP2004023834A - 半導体スイッチング素子のゲート駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器を構成する半導体スイッチング素子等を過電圧破壊から保護しつゝ、そのゲート駆動のために安定した電力供給ができるようにする。
【解決手段】半導体スイッチング素子としての、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）Ｑ１の両端の電圧をコンデンサＣ１，Ｃ２等で分圧し、ゲート駆動電力を供給するコンデンサＣ２に蓄えられた電荷から、ＤＣ／ＤＣコンバータＥ１によりＩＧＢＴＱ１のゲート駆動に必要な電流，電圧に変換することにより、ゲート駆動回路Ｆ１を介してＩＧＢＴＱ１のゲート駆動ができるようにする。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータ等の電力変換装置を構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路、特にその改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来例として、例えば平成１１年電気学会全国大会論文集，上田　外発表，１００９「ＩＧＢＴ変換器用ゲート電源の主回路給電方式」が知られている（従来方式とも言う）。図６はその論文にて発表された従来方式を示す構成図である。
ＩＧＢＴを直列接続して使用する場合、ＩＧＢＴの漏れ電流のばらつきによる素子電圧の分担不平衡を抑制するため、ＩＧＢＴと並列に分圧抵抗Ｒｄを取り付け、ＩＧＢＴがオフしている期間の漏れ電流の均一化を図る必要がある。そこで、ＩＧＢＴがオフしている期間に分圧抵抗Ｒｄに流れる電流をコンデンサＣｄに蓄え、平均化している。そして、コンデンサＣｄに蓄えられたエネルギーを、電圧調節器（ＡＶＲ）によりゲート駆動に必要な電流，電圧に変換している。分圧抵抗Ｒｄの電流は通常数十ｍＡ程度であるが、ＩＧＢＴのゲート駆動に必要な電力は数Ｗ程度であるので、この分圧抵抗Ｒｄを介する電力供給でゲート駆動が可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来方式では、インバータの場合、パルスオフ時に直流中間電圧／（ＩＧＢＴ直列数×２（上下アーム））の電圧が個々のＩＧＢＴに印加されるが、この状態でもゲート駆動回路は、ＩＧＢＴのゲートを駆動するのに必要な電力を供給可能な分圧抵抗値にしなければならない。そのため、インバータ運転時（ＩＧＢＴがスイッチングしているとき）には、ゲート駆動に必要な電力以上の電力が分圧抵抗を介してコンデンサに供給されるため、コンデンサ電圧が上昇しコンデンサやゲート駆動回路が過電圧破壊すると言うおそれが生じる。
したがって、この発明の課題は、スイッチング素子両端の電圧が高いときにはコンデンサやゲート駆動回路が過電圧破壊しないようにし、スイッチング素子両端の電圧が低いときには必要な電力を安定に供給可能とすることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、主回路から非絶縁で回路電力の供給が可能な半導体スイッチング素子のゲート駆動回路において、
前記半導体スイッチング素子の両端の電圧を複数のコンデンサで分圧することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記複数のコンデンサの各コンデンサ電圧を検出する検出回路と、コンデンサの電荷を放電する放電回路とを設け、前記検出回路による検出電圧が所定値以上のときは対応するコンデンサを放電させ、コンデンサまたはゲート駆動回路の過電圧破壊を防止することができ（請求項２の発明）、または、前記複数のコンデンサの各々にツェナーダイオードを並列に接続し、コンデンサの両端の電圧がツェナー電圧を越えたときは対応するコンデンサの電荷を放電し、コンデンサまたはゲート駆動回路の過電圧破壊を防止することができる（請求項３の発明）。
【０００５】
上記請求項２の発明においては、ゲート駆動電力を供給する電力供給用コンデンサの電圧が所定値以下になったことを検出する電圧低下検出回路を設け、前記電力供給用コンデンサの電圧が所定値以下になったときは、前記放電回路によりゲート駆動電力を供給していない方のコンデンサの電圧を低下させることにより、前記電力供給している方のコンデンサの電圧を上昇させることができる（請求項４の発明）。この請求項４の発明においては、前記電力を供給していない方のコンデンサを少なくとも２個直列に接続し、前記電力供給している方のコンデンサの電圧が所定値以下になったときは、前記放電回路によりゲート駆動電力を供給していない少なくとも１つのコンデンサの電圧を低下させることができ（請求項５の発明）、請求項４または５の発明においては、前記ゲート駆動電力を供給していない方のコンデンサの容量を、前記電力供給している方のコンデンサの容量よりも小さくすることができる（請求項６の発明）。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
図示のように、ＩＧＢＴＱ１と並列に、複数のコンデンサを直列に（ここでは、Ｃ１，Ｃ２の２つ）接続した点が特徴である。なお、Ｌ１はリアクトルで、ＩＧＢＴＱ１が電流を遮断したときに主電流が分圧コンデンサＣ１，Ｃ２に転流しないようにするために、また、Ｄ１はダイオードで、ＩＧＢＴＱ１がオンしたときに分圧コンデンサＣ１，Ｃ２に蓄えられた電荷が放電しないようにするために、それぞれ設けられる。
【０００７】
上記のような構成では、ＩＧＢＴＱ１のオフ期間にリアクトルＬ１，ダイオードＤ１を介して分圧コンデンサＣ１，Ｃ２が充電され、分圧コンデンサの容量比で分圧される。ＩＧＢＴＱ１のエミッタ側の分圧コンデンサＣ２にはＤＣ／ＤＣコンバータＥ１が接続されているので、分圧コンデンサＣ２に蓄えられた電荷はＩＧＢＴＱ１のゲート駆動に必要な電流，電圧に変換され、ゲート駆動回路Ｆ１に供給されてＩＧＢＴＱ１がゲート駆動される。
【０００８】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
図１の構成では、分圧コンデンサＣ１，Ｃ２の漏れ電流の違いにより、電圧分担の不平衡が生じる。また、分圧コンデンサＣ２はゲート駆動電力を供給するため、分圧コンデンサＣ２の電圧が下がり、相対的に分圧コンデンサＣ１の電圧が上昇する。そのため、図１に示すものに対し、過電圧検出器Ａ１，Ａ２と放電抵抗Ｒ１，Ｒ２および放電スイッチＳＷ１，ＳＷ２からなる放電回路とを設けて、以下のようにする。
【０００９】
つまり、分圧コンデンサＣ１の電圧が所定の電圧以上に上昇した場合、このことを過電圧検出器Ａ１で検出し、放電スイッチＳＷ１をオンして放電抵抗Ｒ１を投入することにより、分圧コンデンサＣ１の電圧を低下させる。同様に、分圧コンデンサＣ２の電圧が所定の電圧以上に上昇した場合は、これを過電圧検出器Ａ２で検出し、放電スイッチＳＷ２をオンして放電抵抗Ｒ２を投入することにより、分圧コンデンサＣ２の電圧を低下させる。
【００１０】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
これは図２に示すものに対し、ゲート駆動電力を供給している分圧コンデンサＣ２の不足電圧を検出する検出器Ｂ１と、この不足電圧（または電圧低下）検出器Ｂ１の検出結果を分圧コンデンサＣ１の放電抵抗Ｒ１の投入回路（放電スイッチＳＷ１）に伝達する絶縁アンプＧ１と、過電圧検出器Ａ１の出力と絶縁アンプＧ１の出力との論理和をとるオアゲートＯＲとを付加して構成される。
【００１１】
これにより、不足電圧検出器Ｂ１で分圧コンデンサＣ２の電圧低下を検出したときは、絶縁アンプＧ１を介して不足電圧検出結果を伝達し、その信号で放電スイッチＳＷ１をオンして放電抵抗Ｒ１を投入することにより、分圧コンデンサＣ１の電圧を低下させる。その結果、分圧コンデンサＣ１の電圧が低下し、相対的に分圧コンデンサＣ２の電圧が上昇する。その後、分圧コンデンサＣ２の電圧が所定の電圧に上昇したら、放電スイッチＳＷ１をオフして放電抵抗Ｒ１を切り離す。その他の動作は、図２と同様である。
【００１２】
図４はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
これは図３に示すものに対し、ゲート駆動電力を供給していない分圧コンデンサＣ３と、この分圧コンデンサＣ３の放電スイッチＳＷ３，放電抵抗Ｒ３，過電圧検出器Ａ３，絶縁アンプＧ３およびオアゲートＯＲを付加して構成される。
いま、分圧コンデンサＣ３の電圧が所定の電圧以上に上昇したことが過電圧検出器Ａ３で検出されると、放電スイッチＳＷ３がオンとなって放電抵抗Ｒ３が投入され、これにより分圧コンデンサＣ３の電圧が低下する。その後、分圧コンデンサＣ３の電圧が所定の電圧に低下したら、放電スイッチＳＷ３をオフとし放電抵抗Ｒ３を切り離す。
【００１３】
不足電圧検出器Ｂ１が分圧コンデンサＣ２の電圧低下を検出すると、絶縁アンプＧ１だけでなく絶縁アンプＧ３にも伝達されるので、絶縁アンプＧ１，Ｇ３を介して放電スイッチＳＷ１，ＳＷ３がオンし、分圧コンデンサＣ１，Ｃ３の電荷を放電抵抗Ｒ１，Ｒ３を介して放電させ、分圧コンデンサＣ１，Ｃ３の電圧を低下させる。その結果、相対的に分圧コンデンサＣ２の電圧が上昇する。その後、分圧コンデンサＣ２の電圧が所定の電圧に低下したら、放電スイッチＳＷ１，ＳＷ３をオフとし放電抵抗Ｒ１，Ｒ３を切り離す。このとき、絶縁アンプＧ１，Ｇ３はそれぞれ分圧コンデンサ１個分の耐圧があれば良い。その他の動作は、図３と同様である。なお、図４はゲート駆動電力を供給していない分圧コンデンサが２個の場合であるが、３個以上直列の場合も同様である。
【００１４】
図４でゲート駆動電力を供給していない分圧コンデンサＣ１，Ｃ３は、ＩＧＢＴＱ１の両端の電圧を分圧するだけであるので、大きい容量は必要ない。そのため、ゲート駆動電力を供給していない分圧コンデンサＣ１，Ｃ３の容量は、ゲート駆動電力を供給している分圧コンデンサＣ２よりも小さくすることが可能である。その場合、分圧コンデンサＣ１，Ｃ３の電圧が上昇した場合は、各過電圧検出器Ａ１，Ａ３で過電圧かどうかを検出し、過電圧ならば放電抵抗Ｒ１，Ｒ３を投入することにより、電圧を低下させることができる。
また、ゲート駆動電力を供給している分圧コンデンサＣ２の電圧が所定値より低下した場合は、放電抵抗Ｒ１，Ｒ３の少なくとも１つを投入することにより、分圧コンデンサＣ２の電圧を上昇させることができる。
【００１５】
図５は過電圧防止のための別の例を示す構成図で、図２の変形例である。
ここでは、図２の過電圧検出器Ａ１，Ａ２および放電スイッチＳＷ１，ＳＷ２に代えて、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２を放電抵抗Ｒ１，Ｒ２と直列に接続し、分圧コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧がツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２のクランプ電圧以上になったらコンデンサＣ１，Ｃ２の電荷を放電することで、図２と同様の機能，効果を持たせるようにしている。
【００１６】
【発明の効果】
この発明によれば、主回路から非絶縁で、半導体スイッチング素子のゲート駆動回路の回路電力を供給するに当たり、半導体スイッチング素子の両端電圧をコンデンサで分圧するだけで、ゲート駆動電力が供給可能となる。また、コンデンサ電圧を監視することで、半導体スイッチング素子の両端電圧が上昇しても、コンデンサやゲート駆動回路が過電圧破壊しないようにすること、または、半導体スイッチング素子の両端電圧が低下しても、ゲート駆動に必要な電力を安定して供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図５】図２の変形例を示す構成図である。
【図６】従来方式を示す構成図である。
【符号の説明】
Ｑ１…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…分圧コンデンサ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…放電抵抗、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…放電スイッチ、Ａ１，Ａ２，Ａ３…過電圧検出器、Ｂ１…不足電圧検出器、Ｅ１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、Ｆ１…ゲート駆動回路、Ｇ１，Ｇ３…絶縁アンプ、Ｄ１…ダイオード、Ｌ１…リアクトル、ＺＤ１，ＺＤ２…ツェナーダイオード、ＯＲ…オアゲート、Ｒｄ…分圧抵抗、Ｃｄ…コンデンサ。

Claims (6)

1. 主回路から非絶縁で回路電力の供給が可能な半導体スイッチング素子のゲート駆動回路において、
   前記半導体スイッチング素子の両端の電圧を複数のコンデンサで分圧することを特徴とする半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
2. 前記複数のコンデンサの各コンデンサ電圧を検出する検出回路と、コンデンサの電荷を放電する放電回路とを設け、前記検出回路による検出電圧が所定値以上のときは対応するコンデンサを放電させ、コンデンサまたはゲート駆動回路の過電圧破壊を防止することを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
3. 前記複数のコンデンサの各々にツェナーダイオードを並列に接続し、コンデンサの両端の電圧がツェナー電圧を越えたときは対応するコンデンサの電荷を放電し、コンデンサまたはゲート駆動回路の過電圧破壊を防止することを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
4. ゲート駆動電力を供給する電力供給用コンデンサの電圧が所定値以下になったことを検出する電圧低下検出回路を設け、前記電力供給用コンデンサの電圧が所定値以下になったときは、前記放電回路によりゲート駆動電力を供給していない方のコンデンサの電圧を低下させることにより、前記電力供給している方のコンデンサの電圧を上昇させることを特徴とする請求項２に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
5. 前記電力を供給していない方のコンデンサを少なくとも２個直列に接続し、前記電力供給している方のコンデンサの電圧が所定値以下になったときは、前記放電回路によりゲート駆動電力を供給していない少なくとも１つのコンデンサの電圧を低下させることを特徴とする請求項４に記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。
6. 前記ゲート駆動電力を供給していない方のコンデンサの容量を、前記電力供給している方のコンデンサの容量よりも小さくすることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の半導体スイッチング素子のゲート駆動回路。

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