JP2006324963A

JP2006324963A - 電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置

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Publication number: JP2006324963A
Application number: JP2005146431A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Morishita; 英俊森下; Hideo Yamawaki; 秀夫山脇; Masaru Suzuki; 優鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP4595670B2

Abstract

【課題】従来のＩＧＢＴの駆動装置では、ＩＧＢＴのゲート電圧精度向上のため、ＩＧＢＴと電源入力端子との間に定電圧回路を介設しているが、ＩＧＢＴのターンオン時に大きなゲート充電電流が流れるため、定電圧回路を大型で大電流用のものを用いる必要があった。
【解決手段】ＩＧＢＴ１等の電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置であって、電源装置３と、電源装置３よりも高精度な出力電圧を有するシリーズレギュレータ１１と、ＩＧＢＴ１のゲート電極への電気的な接続先を、前記電源装置３とシリーズレギュレータ１１とに切り換える切り換えスイッチ１３とを備え、前記切り換えスイッチ１３は、ＩＧＢＴ１のターンオン開始時には、ゲート電極と電源装置３とが電気的に接続される側へ切り換えられ、ＩＧＢＴ１のターンオン状態から定常状態への移行時に、ＩＧＢＴ１のゲート電極の電気的な接続先を、電源装置３からシリーズレギュレータへ切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置に関する。

ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＭＯＳＧＴＯ（Ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｇａｔｅｔｕｒｎ−ｏｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等は、絶縁ゲートに加える電圧で電流を制御できる、いわゆる電圧駆動型スイッチング素子であり、インバータ等に広く用いられている。
近年では、特にハイブリッド電気自動車（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ：ＨＥＶ）用のインバータに多く用いられてきている。
このＨＥＶ等に用いられるインバータにおける電源装置は、モータ制御性の自由度やコストやサイズ等の観点からトランス方式が一般的に使用されている。

また、ＨＥＶ等に用いられるＩＧＢＴ等の電圧駆動型スイッチング素子においては、小型・低コストの電圧駆動型スイッチング素子を用いて、電流密度を上げつつ短絡耐量も確保するために、該電圧駆動型スイッチング素子の制御電圧であるゲート電圧の精度向上が強く望まれている。
従って、ゲート電圧の精度向上を図るべく、電圧駆動型スイッチング素子と電源入力端子との間に定電圧回路を介設した、電圧駆動型スイッチング素子駆動用の半導体素子が考案されている（特許文献１参照）。
実開平６−１３２２７号公報

前述のごとく、電圧駆動型スイッチング素子と電源入力端子との間に定電圧回路を介設することにより、電源入力端子に入力される電源電圧が変動したとしても、定電圧回路により定電圧化され、電圧駆動型スイッチング素子に常に一定のゲート電圧を供給することが可能となる。
しかし、電圧駆動型スイッチング素子のターンオン時には、該電圧駆動型スイッチング素子に大きなゲート充電電流が流れるため、電圧駆動型スイッチング素子と電源入力端子との間に介設する定電圧回路は、大型で大電流用のものを用いる必要があり、電力損失も大きくなってしまう。
そこで、本発明においては、電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置が大型化せずに電力損失も抑えながら、電圧駆動型スイッチング素子のゲート電圧の精度向上を図ることができる電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置を提供するものである。

上記課題を解決する電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載のごとく、電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置であって、第１の駆動電源と、第１の駆動電源よりも高精度な出力電圧を有する第２の駆動電源と、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子への電気的な接続先を、前記第１の駆動電源と第２の駆動電源とに切り換える切り換え手段とを備え、前記切り換え手段は、電圧駆動型スイッチング素子のターンオン開始時には、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子と第１の駆動電源とが電気的に接続される側へ切り換えられ、電圧駆動型スイッチング素子のターンオン状態から定常状態への移行時に、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子の電気的な接続先を、第１の駆動電源から第２の駆動電源へ切り換える。
これにより、ターンオン時の大電流が流れる期間では第１の駆動電源によりゲート充電電流を供給して、定常時のゲート充電電流が微少で良い期間を第２の駆動電源により充電することができ、電流供給能力が小さな小型・小電流出力の第２の駆動電源、および小電流型の切り換え手段を用いることが可能となる。
また、小型・小電流型の第２の駆動電源および切り換え手段を用いることで、該第２の駆動電源および切り換え手段での電力損失を微少にすることができるため、駆動装置を構成するＩＣチップ内に、これらの第２の駆動電源および切り換え手段を組み込むことが可能となる。
そして、インバータ装置の小型化、低コスト化、および高信頼性化を図ることができる。

また、請求項２記載のごとく、前記駆動装置は、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子の電圧を検出する検出手段を有し、前記切り換え手段は、検出手段の検出結果に基づいて、該制御端子の電気的な接続先の切り換えを行う。
これにより、例えば、電圧駆動型スイッチング素子のターンオン特性に変化があった場合でも、切り換え手段の切り換えを、タイマー等を用いて画一的に行った場合に比べて、確実に行うことが可能となる。

本発明によれば、本発明にかかる駆動装置を備えたインバータ装置の小型化、低コスト化、および高信頼性化を図ることができる。
また、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子への電気的な接続先を、第１の駆動電源と第２の駆動電源とに切り換える切り換え手段の切り換えを、確実に行うことが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

本発明にかかる電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置が適用されるインバータの構成について説明する。
例えば、３相モータを駆動するインバータは、電圧駆動型スイッチング素子であるＩＧＢＴ、ダイオード、および本発明にかかるＩＧＢＴの駆動装置からなる組を６組備えている。

図１には、これら６組のうちの、１組についてのブロック図を示している。つまり、ＩＧＢＴ１、ダイオードＤ１、およびＩＧＢＴ１の駆動装置１０からなる組を示している。
駆動装置１０の電源入力端子１０ａには、トランス方式の電源装置３が接続されている。また、ＩＧＢＴ１にはダイオードＤ１が並列接続されている。

ＩＧＢＴ１の駆動装置１０は、高電位側に接続されるスイッチ素子Ｍ１と、低電位側に接続されるスイッチ素子Ｍ２と、前記スイッチ素子Ｍ１およびスイッチ素子Ｍ２のオン・オフ制御を行う制御回路１２と、シリーズレギュレータ１１とを、備えている。
スイッチ素子Ｍ１はＰＭＯＳトランジスタにて構成され、スイッチ素子Ｍ２はＮＭＯＳトランジスタにて構成されている。

シリーズレギュレータ１１は、電源装置３から電源供給を受けており、該電源装置３の出力端子１１ａは、切り換えスイッチ１３を介して駆動装置１０の出力端子１０ｂに電気的に接続可能とされている。
また、スイッチ素子Ｍ１・Ｍ２のドレイン電極は、駆動装置１０の出力電極１０ｂ・１０ｃにそれぞれ接続され、該出力電極１０ｂ・１０ｃは、それぞれゲート抵抗Ｒ１・Ｒ２を介してＩＧＢＴ１のゲート電極に接続されている。

そして、切り換えスイッチ１３のオン・オフは制御回路１２により制御され、該切り換えスイッチ１３のオン・オフ切り換えにより、シリーズレギュレータ１１からの出力電圧の、ＩＧＢＴ１への供給・停止が切り換えられるように構成している。
また、電源装置３は、前記スイッチ素子Ｍ１を介してＩＧＢＴ１のゲート電極と電気的に接続可能とされており、電源装置３からの出力電圧をＩＧＢＴ１のゲート電極へ供給可能となっている。
電源装置３からの出力電圧の、ＩＧＢＴ１への供給・停止は、前記スイッチ素子Ｍ１のオン・オフを切り換えることにより切り換えられるように構成している。

図２に示すように、例えば、前記シリーズレギュレータ１１は、主に、ＰＭＯＳトランジスタにて構成されるスイッチ素子Ｍ３とオペアンプＡＭＰとで構成されており、電源装置３からの出力電圧を、駆動装置１０の電源入力端子１０ａを通じてシリーズレギュレータ１１内に入力して、シリーズレギュレータ１１の出力端子１１ａの出力電圧が＋１５Ｖとなるようにフィードバック制御している。

シリーズレギュレータ１１の出力電圧の精度は、一般的に±３〜５％程度と、電源装置３の一般的な精度である１０％程度に対して、高精度に構成されている。
さらに、シリーズレギュレータ１１は、出力電圧の精度が±１％以内に構成された、更なる高精度品を用いることもできる。
また、前記シリーズレギュレータ１１は、図３、および図４に示すように、スイッチ素子Ｍ３を、ＰＮＰバイポーラ型トランジスタまたはＮＰＮバイポーラ型トランジスタにて構成することも可能である。

前記電源装置３からの出力電圧は、前述のように、その精度が一般的に±１０％程度であるため、例えば＋１８Ｖ程度に設定している。すなわち、＋１８Ｖに設定すると、出力電圧が下限に振れたときでも＋１６．２Ｖとなるため、＋１５Ｖ以上を確保することが可能となる。さらには、電源装置３からの出力電圧の精度が、仮に±１０％よりも悪い±１５％であったとしても、出力電圧は＋１５．３Ｖ〜＋２０．７Ｖの範囲となるため、＋１５Ｖ以上を確保することができる。
また、後述するように、ＩＧＢＴ１のターンオン後の定常時には、電源装置３からの出力電圧が、前記シリーズレギュレータ１１を通じてＩＧＢＴ１へ供給されるため、該ＩＧＢＴ１のゲート電極への入力電圧が、通常±２０Ｖ程度に設定されているゲート・エミッタ間耐圧を超えることもない。

これにより、前述の出力電圧の精度が±１５％程度である、簡素化された構造の精度が悪いトランス方式の電源装置３を使用することも可能となっている。
なお、電源装置としては、トランス方式以外にも、チャージポンプ方式やブートストラップ方式等のものを適用することも可能である。
このように、制御装置１０は、精度があまり要求されない、第１の電源装置となる電源装置３と、高精度な第２の電源装置となるシリーズレギュレータ１１とを、備えている。

さらに、駆動装置１０はコンパレータ１４を備えており、該コンパレータ１４によりＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇｅと基準電圧Ｖ１とを比較して、その比較結果を制御回路１２に入力するように構成している。
また、図２に示すように、前記切り換えスイッチ１３は、具体的には、ＰＭＯＳトランジスタにて構成されるスイッチ素子にて構成することができる。

このように構成される駆動装置１０においては、ＩＧＢＴ１の駆動が次のように行われる。
つまり、図５のタイミングチャートに示すように、まず、ＩＧＢＴ１のターンオン開始時には、駆動回路１２にゲート制御信号が入力され、駆動回路１２が、前記スイッチ素子Ｍ２をオフし、スイッチ素子Ｍ１をオンする。
また、駆動回路１２により前記切り換えスイッチ１３はオフ状態を保持され、シリーズレギュレータ１１の出力端子１１ａがＩＧＢＴ１のゲート電極から切り離された状態となっている。

このようにしてターンオンが開始されると、電源装置３からＩＧＢＴ１に対してゲート充電電流が供給される。この場合、電源装置３からのＩＧＢＴ１へのゲート充電電流は、アンペアオーダーの電流が供給される。
なお、このターンオン開始時には、最初にスイッチ素子Ｍ２をオフした後に、スイッチ素子Ｍ１をオンしてゲート充電電流を供給するようにしている。これは、スイッチ素子Ｍ１とスイッチ素子Ｍ２とが同時にオンして貫通電流が流れることを防止するためである。

その後、ＩＧＢＴ１のターンオン動作がほぼ終了して定常状態へ移行する際に、その定常状態へ移行することをコンパレータ１４にて検出する。
つまり、ターンオン開始時から、ＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇｅが上昇して、予め設定された基準電圧Ｖ１以上に達すると、その旨がコンパレータ１４から駆動回路１２へ出力され、該駆動回路１２によりスイッチ素子Ｍ１がオフされるとともに、切り換えスイッチ１３がオンされる。
この定常状態への移行時においては、予め設定される基準電圧Ｖ１を、ゲート電圧Ｖｇｅの９０％程度の電圧値に設定しておけば、十分充電電流が小さくなった状態で切り換えることが可能となる。

これにより、電源装置３からＩＧＢＴ１のゲート電極への電力供給が停止し、その代わりにＩＧＢＴ１のゲート電極とシリーズレギュレータ１１とが接続される。
そして、ＩＧＢＴ１のゲート電極への電力供給源が電源装置３からシリーズレギュレータ１１へ切り換わって、該シリーズレギュレータ１１にて高精度にＩＧＢＴ１が駆動されることとなる。

この場合、前記基準電圧Ｖ１は、通常１２〜１３Ｖ程度に設定されているため、ゲート電圧Ｖｇｅを１５Ｖに充電するまでの電流値は微少で良く、電流供給能力が小さな小型・小電流出力のシリーズレギュレータ１１、および小電流型の切り換えスイッチ１３を用いることが可能となっている。

また、小型・小電流型のシリーズレギュレータ１１および切り換えスイッチ１３を用いることで、該シリーズレギュレータ１１および切り換えスイッチ１３での電力損失を微少にすることができるため、駆動装置１０を構成するＩＣチップ内に、これらのシリーズレギュレータ１１および切り換えスイッチ１３を組み込むことが可能となる。
これにより、インバータ装置の小型化、低コスト化、および高信頼性化を図ることができる。

さらに、定常時にシリーズレギュレータ１１による高精度なゲート電圧制御を行うことで、小型のＩＧＢＴ１の電流密度を上げつつ、短絡耐量を確保することができ、インバータ装置のさらなる低コスト化を図ることが可能である。
また、電源装置３からシリーズレギュレータ１１への切り換えは、ターンオン時のスイッチング動作が終了してから行われるため、ＩＧＢＴ１のスイッチング特性やスイッチング損失に影響を与えることもない。

さらに、電源装置３からシリーズレギュレータ１１への切り換えは、ＩＧＢＴ１のゲート電圧検出手段となるコンパレータ１４による検出結果に基づいて行われるので、例えば、ＩＧＢＴ１のターンオン特性に変化があった場合でも、切り換えスイッチの切り換えを、タイマー等を用いて画一的に行った場合に比べて、確実に行うことが可能となる。

また、前記制御装置１０は、次のように構成することもできる。
すなわち、図６、図７に示すように、制御回路１２からシリーズレギュレータ１１のオペアンプＡＭＰに対して、アンプ起動信号を出力するように構成することもできる。

インバータ装置において、シリーズレギュレータ１１による高精度なゲート電圧制御が必要となるのは、ＩＧＢＴ１が定常的にオンしているときだけである。
従って、ターンオン開始時からＩＧＢＴ１のゲート電圧Ｖｇｅがコンパレータ１４の基準電圧Ｖ１に達するまでの間は、制御回路１２からのアンプ起動信号をオフしておいて、シリーズレギュレータ１１をスタンバイ状態とさせておく。
そして、ＩＧＢＴ１のゲート電圧が基準電圧Ｖ１超えた定常時になると、オペアンプＡＭＰに対する制御回路１２からのアンプ起動信号をオンして、シリーズレギュレータ１１を１５Ｖ出力状態とする。

このように、シリーズレギュレータ１１からの出力電圧にて高精度な制御を行うこが必要となるときのみ、該シリーズレギュレータ１１をオンするように構成することで、シリーズレギュレータ１１の動作時間を短縮することができて、駆動装置１０の低消費電力化を図ることが可能となる。

本発明にかかるＩＧＢＴの駆動装置を示す回路図である。駆動装置が備えるシリーズレギュレータおよび切り換えスイッチの具体的構成を示す回路図である。シリーズレギュレータ具体的構成の第２実施例を示す回路図である。シリーズレギュレータ具体的構成の第３実施例を示す回路図である。駆動装置におけるＩＧＢＴ駆動のタイミングチャートを示す図である。駆動装置の第２の実施例を示す回路図である。図６に示す駆動装置におけるＩＧＢＴ駆動のタイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１ＩＧＢＴ
３電源装置（第１の駆動電源）
１０駆動装置
１１シリーズレギュレータ（第２の駆動電源）
１２制御回路
１３切り換えスイッチ
１４コンパレータ
Ｍ１・Ｍ２スイッチ素子

Claims

電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置であって、
第１の駆動電源と、
第１の駆動電源よりも高精度な出力電圧を有する第２の駆動電源と、
電圧駆動型スイッチング素子の制御端子への電気的な接続先を、前記第１の駆動電源と第２の駆動電源とに切り換える切り換え手段とを備え、
前記切り換え手段は、電圧駆動型スイッチング素子のターンオン開始時には、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子と第１の駆動電源とが電気的に接続される側へ切り換えられ、
電圧駆動型スイッチング素子のターンオン状態から定常状態への移行時に、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子の電気的な接続先を、第１の駆動電源から第２の駆動電源へ切り換えることを特徴とする電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置。
前記駆動装置は、電圧駆動型スイッチング素子の制御端子の電圧を検出する検出手段を有し、
前記切り換え手段は、検出手段の検出結果に基づいて、該制御端子の電気的な接続先の切り換えを行う、ことを特徴とする請求項１に記載の電圧駆動型スイッチング素子の駆動装置。