JP2005065404A

JP2005065404A - ゲートドライブ回路

Info

Publication number: JP2005065404A
Application number: JP2003291897A
Authority: JP
Inventors: Toru Kai; 徹甲斐; Kenji Mitsuda; 健司三津田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】
電力変換装置が高圧大容量化になってもアーム短絡を防ぎ、信頼性を確保できるゲートドライブ回路を提供する。
【解決手段】
直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子３、４からなるアームを、直流電源の正極と負極の間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、半導体スイッチング素子３、４を絶縁された制御回路の信号によりオン・オフ駆動するゲートドライブ回路１、２と、半導体スイッチング素子３、４のコレクタ・エミッタ間電圧を監視し、半導体スイッチング素子３、４のオン状態を検知するオン状態検知手段と、半導体スイッチング素子３、または４の一方がオンしているときは、対を成す相手側の半導体スイッチング素子のオン信号を阻止するブロック信号を出力する阻止手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のスイッチング素子を有する電力変換装置のゲートドライブ回路に関する。

図３は従来のＰＷＭインバータを示す構成図である。
電力変換装置は種々の方式が公知であるが、その主回路スイッチング部は、図３のように、直流電源の正極（図中Ｐ）および負極（図中Ｎ）間に直列に接続されたスイッチング素子で構成された複数のアームからなるＰＷＭインバータが一般的である。
図４は従来のゲートドライブ回路を示す構成図であり、１つのアームの部分を示している。
図４において、１、２はゲートドライブ回路、３、４はスイッチング素子、１０Ａ、１０Ｂはホトカプラ、１２Ａ、１２Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂはトランジスタ、２１Ａ〜２６Ａ、２１Ｂ〜２６Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂは抵抗、４０Ａ、４０Ｂ、４１Ａ、４１Ｂはコンデンサである。
直流電源の正極（Ｐ）、負極（Ｎ）間に直列接続されたスイッチング素子３、４は、それぞれのゲートドライブ回路１、２により駆動される。このゲートドライブ回路１、２は、図示しない制御回路からのオン・オフ信号をホトカプラ１０Ａ、１０Ｂにより電気的に絶縁し、さらにトランジスタと抵抗により波形整形して、スイッチング素子３，４を駆動する。スイッチング素子３、４は、アームの正極側のスイッチング素子３がオン時には負極側のスイッチング素子４がオフ、逆に負極側のスイッチング素子４がオン時には正極側のスイッチング素子３がオフとなるように制御され、両スイッチング素子が同時にオンとなることがないように相補的に駆動される。
このような、スイッチング素子３、４及びゲートドライブ回路１、２は、ドライブ信号の立ち上がり・立ち下り速度の確保および、ノイズによる誤動作抑制のため可能な限り近接して配置することが望ましい。一方、高速で信号処理を行うＣＰＵ、ゲートアレイなどが実装されている制御回路（不図示）は、温度上昇が少なくノイズ環境から離れた場所に配置することが望ましい。
従って、高圧インバータあるいは大容量インバータでは、ゲートドライブ回路１、２はスイッチング素子３、４の近くに配置され、また、制御回路（不図示）は主回路から隔離された場所に配置される。その結果、制御回路で生成されたスイッチング素子のオン・オフ信号は長いケーブルによりゲートドライブ回路１、２に供給されることになる。
しかし、上述の高圧インバータあるいは大容量インバータのように、制御回路とゲートドライブ回路１、２の配線距離が長くなると、ツイストケーブルあるいはシールドケーブルなどノイズ対策を施したケーブルを用いても、予測できないような大きなノイズに対しては完全に抑制することができず、スイッチング素子３、４のオン・オフ信号に影響を与え、直列接続された２個のスイッチング素子３、４に同時にオン信号が入力されるような誤動作を引き起こす可能性があった。この場合、アームのスイッチング素子３、４は同時にオン状態になりアーム短絡が発生し、過電流によりスイッチング素子が破壊する恐れがあった。
この対策としてアーム短絡保護回路を備えたゲートドライブ回路が考えられてきた。

図５は従来技術のアーム短絡保護回路を備えたゲートドライブ回路例を示す構成図である（特許文献１を参照）。
図５において、３０１、３０２はゲートドライブ回路、３１０はインターロック回路、３２０、３２１はホトカプラ、３１３Ａ〜３１５Ａ、３１３Ｂ〜３１５Ｂはトランジスタ、３１１Ａ、３１１Ｂはダイオード、３１６Ａ、３１６Ｂ、３１７Ａ、３１７Ｂは抵抗、３１８Ａ、３１８Ｂ、３１９Ａ、３１９Ｂはコンデンサである。
アームを構成する２つのスイッチング素子のゲートドライブ回路３０１と、ゲートドライブ回路３０２の間には、一方のゲートドライブ回路がオン信号の間、他方のゲートドライブ回路の動作を停止させるインターロック回路３１０が接続される。このインターロック回路３１０は、２個のホトカプラ３２０、３２１から構成されており、ホトカプラ３２０の入力側は、ゲートドライブ回路３０１のトランジスタ３１３Ａのコレクタ側に接続され、ホトカプラ３２０の出力側は、ゲートドライブ回路３０２のトランジスタ３１３Ｂのベースにダイオード３１１Ｂを介して接続される。一方、ホトカプラ３２１の入力側は、ゲートドライブ回路３０２のトランジスタ３１３Ｂのコレクタ側に接続され、ホトカプラ３２１の出力側は、ゲートドライブ回路３０１のトランジスタ３１３Ａのベースにダイオード３１１Ａを介して接続されている。
制御回路からのスイッチング素子３、４のオン・オフ信号がノイズの影響を受けて、例えば、正極側のゲートドライブ回路３０１の入力にスイッチング素子３がオンとなる信号（オン信号）が、負極側のゲートドライブ回路３０２の入力にスイッチング素子４がオフとなる信号（オフ信号）が入力されている時、ノイズの影響で負極側のオフ信号が誤動作してオン信号になった場合においても、インターロック回路３１０のホトカプラ３２０の出力側はオフ状態であり、ゲートドライブ回路３０２の制御用トランジスタ３１３Ｂのベースがバイアスされトランジスタ３１３Ｂがオン状態を保つため、スイッチング素子４はオンとならない。
このように、インターロック回路３１０により負極側のゲートドライブ回路３０２のオン信号を阻止する、あるいは、インターロック回路３１０により正極側のゲートドライブ回路３０１のオン信号を阻止することでアーム短絡に対して保護をおこなうというものであった。

特開平８−９６５８（第３頁−５頁図２参照）

しかしながら、前述の図５に示す従来技術のアーム短絡保護回路を備えたゲートドライブ回路では、ゲートドライブ回路の入力、すなわち、オン信号を監視することでインターロックを取っており、スイッチング素子が実際にオンしているかどうかは検知していない為、電力変換装置が高圧大容量化になるにつれて増大するノイズが原因の誤動作あるいは素子不良などにより、オン信号が入力されていないにも拘わらずスイッチング素子がオンになっている状態の時に、アームの対を成す相手側のゲートドライブ回路にオン信号が入力されるとアーム短絡が発生する。その結果、正常であったスイッチング素子までも破壊してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電力変換装置が高圧大容量化になってもアーム短絡を防ぎ、信頼性を確保できるゲートドライブ回路を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、請求項１記載の本発明のゲートドライブ回路は、直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対のスイッチング素子からなるアームを、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、前記直流電源の負極側に接続された第１のスイッチング素子を、絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、前記直流電源の正極側に接続された第２のスイッチング素子を、絶縁された前記制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路とを有する電力変換装置において、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視し、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオン状態を検知するオン状態検知手段と、前記直列接続されたスイッチング素子の一方がオンしているときは、対を成す相手側のスイッチング素子のオン信号を阻止するブロック信号を出力する阻止手段とを有することを特徴とするものである。
請求項２記載の本発明のゲートドライブ回路は、請求項１記載のゲートドライブ回路に加え、前記阻止手段は前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の駆動信号が同時にオン状態になることを阻止するインターロック信号を出力するインターロック回路を有し、前記インターロック信号および前記ブロック信号が無いときのみ、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子にオン信号を出力することを特徴とするものである。

本発明の請求項１記載のゲートドライブ回路よれば、直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対のスイッチング素子からなるアームを、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、前記直流電源の負極側に接続された第１のスイッチング素子を、絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、前記直流電源の正極側に接続された第２のスイッチング素子を、絶縁された前記制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路と、を有する電力変換装置において、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視し、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオン状態を検知するオン状態検知手段と、前記直列接続されたスイッチング素子の一方がオンしているときは、対を成す相手側のスイッチング素子のオン信号を阻止するブロック信号を出力する阻止手段を有しているので、スイッチング素子の不良が発生し、オン信号が入力されていないにも拘わらずオン状態になっている場合でも、アームの相手側のゲートドライブ回路において、オン信号がブロックされるので、アーム短絡の発生を防ぎ、正常であったスイッチング素子を保護することが出来る。また、従来、スイッチング過渡時のアーム短絡を防止するため設けていたオンディレイ時間の機能を果たすことができ、電力変換装置が高圧大容量化になっても十分な信頼性を確保できる。
本発明の請求項２記載のゲートドライブ回路によれば、請求項１記載のゲートドライブ回路に加え、前記阻止手段は前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の駆動信号が同時にオン状態になることを阻止するインターロック信号を出力するインターロック回路を有し、前記インターロック信号および前記ブロック信号が無いときのみ、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子にオン信号を出力するようにしているため、ノイズが原因の誤動作によるアーム短絡をより確実に防止でき、素子不良による二次的な故障を防止できるため、電力変換装置が高圧大容量化になっても信頼性を確保でき、かつ維持費用の面でも有利である。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の請求項１に係る具体的実施例のゲートドライブ回路の構成図である。
図１において１０１、１０２は、電力変換装置であるＰＷＭインバータの一つのアームを構成するスイッチング素子３、４のゲートドライブ回路であり、従来のゲートドライブ回路を示す構成図である図４と同じ機能の構成部品は図４と同じ説明記号の番号を使用している。ゲートドライブ回路１０１及び１０２の回路構成は同一であり、回路動作も同一である。従って、それぞれの構成要素について説明記号の番号は同一とし、ゲートドライブ回路１０１の場合は２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、・・・、ゲートドライブ回路１０２の場合は２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、・・・とＡまたはＢの添え字で区別して示すこととし、以降、ゲートドライブ回路１０１を中心に述べる。
ゲートドライブ回路１０１において、１１５Ａは出力がオープンコレクタ形のコンパレータであり、スイッチング素子３のコレクタに接続されたダイオード１１０Ａのアノード電圧（Ｖｃｅ）すなわち、スイッチング素子３のコレクタ・エミッタ間電圧と、予めスイッチング素子３がオン状態になっているときのコレクタ・エミッタ間電圧よりも高く設定した比較電圧（Ｖｏｎ）とを比較することによりスイッチング素子３のオン状態を検知するオン状態検知手段を構成している。ここで、比較電圧（Ｖｏｎ）は抵抗１１３Ａおよび１１４Ａにより電源電圧を分圧して作られている。ダイオード１２０Ｂ、ホトカプラ１１９Ａよびコンパレータ１１５Ａは対を成す相手側のスイッチング素子のオン信号を阻止するブロック信号を出力する阻止手段である。スイッチング素子３がオンして、ダイオード１１０Ａのアノード電圧（Ｖｃｅ）の方が比較電圧（Ｖｏｎ）より低い場合はコンパレータ１１５Ａの出力はＬｏｗとなり、ホトカプラ１１９Ａ−１／２のダイオードが導通状態となり、ゲートドライブ回路１０２のホトトランジスタ１１９Ａ−２／２のコレクタがＬｏｗとなる。その結果、ホトカプラ１０Ｂの信号の有無に拘わらず、ダイオード１２０Ｂによりトランジスタ１２Ｂのコレクタ電圧はＬｏｗに引き下げられ、トランジスタ１３Ｂがオフとなりスイッチング素子４は負電圧に逆バイアスされる。すなわち、スイッチング素子３がオンの場合、ホトトランジスタ１１９Ａ−２／２のコレクタがＬｏｗ、すなわち、ブロック信号により制御回路（不図示）からゲートドライブ回路１０２へのオン信号の有無に拘わらずスイッチング素子４がオンすることをブロックする。
一方、スイッチング素子３がオフしている場合、スイッチング素子３のコレクタ電圧は主回路電圧と同じで高い電圧となっている。このため、ダイオード１１０Ａでカットオフしており、ダイオード１１０Ａのアノード電圧（Ｖｃｅ）は抵抗１１１Ａ，１１２Ａで電源電圧を分圧した電圧（この電圧は比較電圧（Ｖｏｎ）より高く設定する）となる。比較電圧（Ｖｏｎ）よりもダイオード１１０Ａのアノード電圧（Ｖｃｅ）の方が高くなっているのでコンパレータ１１５Ａの出力はＨｉｇｈとなり、ホトカプラ１１９Ａ−１／２には電流は流れず、その為、ホトトランジスタ１１９Ａ−２／２のコレクタはＬｏｗとならず、すなわち、ブロック信号は出力されない。この結果、ゲートドライブ回路１０２Ａにオン信号が入力された場合、スイッチング素子を正常に駆動することができる。
ゲートドライブ回路１０１を中心に述べてきたが、ゲートドライブ回路１０２についても同様の動作である。

図２は本発明の請求項２に係る具体的実施例のゲートドライブ回路の構成図である。
図２において、２０１、２０２は、図１のゲートドライブ回路１０１、１０２の阻止手段に、アームのスイッチング素子の駆動信号が同時にオン状態になることを阻止するインターロック信号を出力するインターロック回路２０５Ａ，２０５Ｂを付加したゲートドライブ回路であり、図１と同じ機能の構成部品には図１と同じ説明記号の番号を使用している。
インターロック回路２０５Ａ，２０５Ｂにおいて，２２０Ａ，２２０Ｂはダイオード、２１７Ａ、２１７Ｂはトランジスタ，２２８Ａ，２２８Ｂ，２２９Ａ，２２９Ｂは抵抗である。また、インターロック回路２０５Ａと２０５Ｂは回路構成および回路動作いずれも同一である。従って、ゲートドライブ回路２０１を中心に述べるが、ゲートドライブ回路２０２についても同様である。
スイッチング素子３の駆動信号は制御回路（不図示）により生成され、ゲートドライブ回路２０１のホトカプラ１０Ａに入力される。例えば、スイッチング素子３をオンさせる場合はホトカプラの入力端子１１ＡをＬｏｗレベルにする。入力端子１１ＡがＬｏｗになるとホトカプラ１０Ａはオン（コレクタ電圧がＬｏｗ）、波形整形用トランジスタ１２Ａはオフ（コレクタ電圧がＨｉｇｈ）、信号反転用トランジスタ１３Ａはオン（コレクタ電圧がＬｏｗ）となる。トランジスタ１３Ａがオンしてコレクタ電圧がＬｏｗレベルになるとスイッチング素子３のドライブ用トランジスタ１４Ａがオン（エミッタ電圧がＨｉｇｈ）となりスイッチング素子３にドライブ信号を出力する。
この時、波形整形用トランジスタ１２Ａはオフ（トランジスタ１２Ａのコレクタ電圧はＨｉｇｈ）となっており、インターロック回路２０５Ａのトランジスタ２１７Ａはオン（コレクタ電圧がＬｏｗ）となる。このインターロック回路２０５Ａのトランジスタ２１７Ａのコレクタを、実施例１で説明したブロック回路のコンパレータ１１５Ａの出力に接続することにより、インターロック回路およびブロック回路が同一のゲートドライブ回路上で動作する。
すなわち、ブロック信号の場合も、インターロック信号の場合も、ホトカプラ１１９Ａ−１／２のダイオードが導通し、ゲートドライブ回路２のホトカプラ１１９Ａ−２／２のホトトランジスタがオン（コレクタ電圧がＬｏｗ）してインターロック信号となる。従って、ゲートドライブ回路２０２のトランジスタ１２Ｂのコレクタ電圧がダイオード２８ＢによりＬｏｗに引き下げられ、トランジスタ１３Ｂがオフ、スイッチング素子４の逆バイアストランジスタ１５Ｂがオンとなり、スイッチング素子４はオフに固定される。万一、ゲートドライブ回路にオン信号が入力され、スイッチング素子３がオンしている期間に、ノイズあるいは誤動作によりゲートドライブ回路２０２にオン信号が入力された場合でもホトカプラ１１９Ａ−２／２によりインターロックされ、スイッチング素子４を駆動させることはない。

本発明は分野および用途を問わずアームを構成しているスイッチング素子を用いた装置に適用可能である。

本発明の請求項１に係る具体的実施例のゲートドライブ回路の構成図である。本発明の請求項２に係る具体的実施例のゲートドライブ回路の構成図である。従来のＰＷＭインバータを示す構成図である。従来のゲートドライブ回路を示す構成図である。従来技術のアーム短絡保護回路を備えたゲートドライブ回路例を示す構成図である。

符号の説明

１、２、１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２ゲートドライブ回路
３、４半導体スイッチング素子
１０Ａ、１０Ｂ、１１９Ａ、１１９Ｂ、３２０、３２１ホトカプラ
１１Ａ、１１Ｂホトカプラの入力端子
１２Ａ〜１５Ａ、１２Ｂ〜１５Ｂ、２１７Ａ、２１７Ｂ、３１３Ａ〜３１５Ａ、３１３Ｂ〜３１５Ｂトランジスタ
１９Ａ、１９Ｂ、１１０Ａ、１１０Ｂ、１２０Ａ、１２０Ｂ、２２０Ａ、２２０Ｂ、３１１Ａ、３１１Ｂダイオード
２１Ａ〜３２Ａ、２１Ｂ〜３２Ｂ、１１１Ａ〜１１４Ａ、１１１Ｂ〜１１１４Ｂ、１１８Ａ、１１８Ｂ、２２８Ａ、２２８Ｂ、２２９Ａ、２２９Ｂ、３１６Ａ、３１６Ｂ、３１７Ａ、３１７Ｂ抵抗
４０Ａ、４０Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ、３１８Ａ、３１８Ｂ、３１９Ａ、３１９Ｂコンデンサ
１１５Ａ、１１５Ｂコンパレータ
２０５Ａ、２０５Ｂ、３１０インターロック回路

Claims

直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対のスイッチング素子からなるアームを直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、
前記直流電源の負極側に接続された第１のスイッチング素子を、絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、
前記直流電源の正極側に接続された第２のスイッチング素子を、絶縁された前記制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路と、
を有する電力変換装置において、
前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視し前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオン状態を検知するオン状態検知手段と、
前記直列接続されたスイッチング素子の一方がオンしているときは、対を成す相手側のスイッチング素子のオン信号を阻止するブロック信号を出力する阻止手段と、
を有することを特徴とするゲートドライブ回路。
前記阻止手段は前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の駆動信号が同時にオン状態になることを阻止するインターロック信号を出力するインターロック回路を有し、
前記インターロック信号および前記ブロック信号が無いときのみ、前記第１のスイッチング素子または前記第２のスイッチング素子にオン信号を出力することを特徴とする請求項１記載のゲートドライブ回路。