JP2007189828A - 半導体素子の駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＢＴのスイッチング時にＩＧＢＴの電流・電圧の状態を検知しゲートを制御する回路において、電流・電圧の検知からゲートの制御までの回路の遅延によりスイッチングの制御ができないという問題があった。
【解決手段】ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴのスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御回路と、ＩＧＢＴのスイッチング開始を検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送るスイッチング検出回路と、ＩＧＢＴの電流の変化を検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送る電流検出回路とを有し、前記スイッチング速度制御回路は前記スイッチング検出回路からの信号で動作準備状態となり、前記電流検出回路からの信号で動作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流と交流を相互に変換する電力変換装置に係り、特に電力変換装置に使用されるスイッチング素子を制御する半導体素子の駆動回路に関する。

高速スイッチングが可能で大電力を制御できるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）は、家電品から鉄道用インバータ等の大電力用途まで幅広い分野で使われている。ＩＧＢＴはゲート、コレクタ、エミッタの三端子を持ち、ゲートに印加する電圧によりコレクタ−エミッタ間に流れる電流を制御できる。ＩＧＢＴを使う場合に重要なのは、スイッチング時のゲートの制御である。スイッチング時には損失や過電圧、電圧・電流の振動等により、ＩＧＢＴが破壊し、ノイズが発生するなどの問題がある。

これに対応するために、コレクタ−エミッタ間の状態を監視してゲートにフィードバックを掛ける手段が特許文献１等に開示されている。特許文献１ではＩＧＢＴに流れる電流を、ＩＧＢＴに直列に繋いだインダクタンスもしくは配線の寄生インダクタンスに発生する電圧で監視し、この電圧の変化が一定の条件を超えた場合にゲート制御にフィードバックをかけている。
特開２００４−３１２７９６号公報

しかし上述の発明では、電流変化を検出してゲートにフィードバックするまでに、ｄｉ／ｄｔ信号計測手段、インターフェイス回路、アンプなどを経由するため、ゲートが制御されるまでに遅延が生じてしまう。このためダイナミックアバランシェ状態の検出等のような時間変化の緩やかな場合には適用できるが、通常のスイッチング動作時の様な急峻な変化の場合には、ゲートの制御が間に合わず、制御が出来ないという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明では、ＩＧＢＴと、ＩＧＢＴのスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御回路と、ＩＧＢＴのスイッチング開始を検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送るスイッチング検出回路と、ＩＧＢＴの電流の変化を検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送る電流検出回路とを有し、前記スイッチング速度制御回路は前記スイッチング検出回路からの信号で動作準備状態となり、前記電流検出回路からの信号で動作することを特徴とする。

本発明によれば、ＩＧＢＴのスイッチング開始時にスイッチング検出回路によりスイッチング開始を検出し、あらかじめスイッチング速度制御回路を動作準備状態にしておくことにより、ＩＧＢＴのスイッチング時に遅延無くゲートを制御することが可能となり、スイッチング時に発生する過電圧やノイズを低減することが出来る。

過電圧やノイズを低減できると、サージ抑制のためのスナッバー回路やフィルタ回路が不要となるために、インバータ装置の小型・軽量化が図れるという効果がある。また、過電圧による破壊も防止できることから、インバータ装置の信頼性の向上するという効果もある。

以下に、本発明の実施の態様について図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例を示す。図１において、１００はＩＧＢＴを駆動するための信号を出力する指令部、１０１はゲート駆動回路、１０２はスイッチング検出回路、１０３は電流検出回路、１０４はＩＧＢＴ、１０５はフリーホイールダイオード、１０６は電流検出のためのインダクタンスである。１０６はＩＧＢＴに直列接続したインダクタンス部品や、配線のインダクタンス、またはＩＧＢＴのパッケージ内部の配線にある寄生インダクタンスなどでも良い。また、１１０〜１１４は各部の信号を表し、その時間変化を、ＩＧＢＴの動作波形とともに図２に示す。

図１と図２を使って本実施例１を説明する。時刻ｔ１で指令部１００からターンオフ指令が出力されると、指令部からの信号１１０はＬｏレベルに下がり、駆動回路１０１はＩＧＢＴをターンオフするためにゲート電圧を減少させ始める。一方、スイッチング検出回路１０２はターンオフ指令を受け取ると直ちに出力１１１をＨｉレベルにする。スイッチング速度制御回路１０７はスイッチング検出回路１０２からの出力１１１が入力されると内部の回路ノードに必要な電位を与え、電流検出回路１０３からのトリガが掛かった場合に速やかに動作できるよう準備状態になる。駆動回路１０１がある程度ＩＧＢＴのゲートの電位を引き下げると、ＩＧＢＴがオフ状態に移行し始める。ＩＧＢＴがオフし始めるとコレクタ電圧が増加し、続いて時刻ｔ２でコレクタ電流が減少し始める。コレクタ電流が変化するとインダクタンス１０６の両端に電圧が発生し、１１４はＨｉレベルになる。電流検出回路１０３では１１４が所定の電圧より高くなった場合に電流が変化していると判定し、１１２をＨｉレベルに反転する。スイッチング速度制御回路１０７は１１２の反転をトリガとしてゲートの制御動作を開始する。

このように本実施例１によれば、スイッチング速度制御回路が１０７がスイッチング開始時にあらかじめ動作準備状態になっているために、電流変化が発生した場合に速やかにゲートを制御でき、遅延無くスイッチング時にゲートを制御できる。これにより、従来は困難であった通常のスイッチング動作時にもゲート制御が可能となり、スイッチング時に発生する過電圧やノイズを低減できる。

図３に、本発明の第２実施例を示す。図３において、図１と同じ構成要素には同一の符号を付してある。本実施例２の特徴は、スイッチング速度制御回路１０７の出力をゲート駆動回路１０１に入力し、スイッチング速度制御回路１０７がゲート駆動回路１０１を制御することで、ＩＧＢＴのスイッチング速度を制御する点にある。定格電流が数百アンペアのＩＧＢＴのゲート駆動回路は瞬間的に数アンペアの電流を制御しなければならない。このためにゲート駆動回路１０１内には数アンペア程度の定格のスイッチング素子が使われているが、これらの素子はサイズが大きく、コストも高い。実施例１のようにスイッチング速度制御回路１０７で直接ＩＧＢＴのゲートを制御する構成とする場合には、スイッチング速度制御回路１０７内部にもこれらの素子が必要となる。本実施例２ではスイッチング速度制御回路１０７はゲート駆動回路１０１を制御するだけであるので、これらのスイッチング素子が不要となり、ゲート駆動回路の小型・低コスト化に効果がある。

図４は本発明の第３の実施例を示す。図４において図１及び２と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図４において、３００は電圧検出回路である。

本実施例３の特徴は、ＩＧＢＴのスイッチングを検出する手段として、実施例１の電流検出回路１０３に代わり、電圧検出回路３００を設けた点にある。実施例１では配線の寄生インダクタンスを利用して電流を検出したが、配線インダクタンスが十分に小さくなるよう構成されている場合には、電流を検出するための十分な電圧が得られず、電流変化を検出できない場合がある。また、電流が数Ａ程度の小さいＩＧＢＴに本技術を適用する場合にも、同様に寄生インダクタンスに発生する電圧が小さくなるために、実施例１を適用できない。

本実施例３ではコレクタ電圧を監視し、コレクタ電圧が所定の電圧を超えたときにＩＧＢＴが遮断状態になったと判定して、スイッチング速度制御回路１０７にトリガ信号を出力する。ＩＧＢＴが遮断状態に入ったと判定する電圧は例えば、図２の時刻ｔ２のコレクタ電流が減少し始めるコレクタ電圧に設定しておけばよい。このような構成とすることで、寄生インダクタンスの小さいＩＧＢＴや、電流容量の小さいＩＧＢＴの場合でも本発明の適用が可能となる。

なお、本実施例３ではスイッチング速度制御回路１０７の出力で直接ＩＧＢＴのゲートを制御する方式について示したが、もちろんスイッチング速度制御回路１０７の出力でゲート駆動回路１０１を制御する実施例２に示した構成にも適用できる。

図５に本発明の第４の実施例を示す。図５において図１乃至４と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図５において、４００はゲート抵抗、４０１はゲート電流検出回路である。ゲート抵抗４００とゲート検出回路４０１によりスイッチング検出回路１０２を構成している。

本実施例４の特徴はスイッチングの検出を司令部からの信号で検出するのではなく、ゲート電流で判定する点にある。ゲート電流検出回路はゲート抵抗４００に発生する電圧を監視することで、ゲート電流を監視している。ゲート電流が所定値以上になった場合にスイッチングの開始と判定し、スイッチング速度制御回路１０７に信号を出力する。この場合、ゲート電流の絶対値で判定する方法と、ゲート電流の積分値で判定する方法が有り、後者はノイズに強いという特徴がある。

また本実施例４には、スイッチング開始の検出から、スイッチング速度制御回路１０７が動作するまでの期間を短くできると言う特徴もある。実施例１乃至２の場合には、指令値が入力されると直ちにスイッチング速度制御回路を準備状態にする。準備状態にあるスイッチング速度制御回路はノイズが入った場合に動作しやすく、所望のタイミング以外の時間で回路が動作してしまう可能性がある。所望のタイミング以外の時間にスイッチング速度制御回路が動作すると、所定のスイッチング動作を得られず、過電圧やノイズの原因となる。このため、本実施例のようにスイッチング速度制御回路１０７が準備状態になってから実際に動作するまでの期間を短くすれば、誤動作を抑制できるというメリットがある。

なお、本実施例４ではスイッチング速度制御回路１０７の出力で直接ＩＧＢＴのゲートを制御する方式について示したが、もちろんスイッチング速度制御回路１０７の出力でゲート駆動回路１０１を制御する実施例２に示した構成にも適用できる。

図６は本発明の第５の実施例を示す。図６において図１乃至５と同じ構成要素には同一の符号を付してある。図６において、５００はゲート駆動回路のプラスの電源ライン、５０１〜５０６は抵抗、５０７〜５０９はバイポーラトランジスタであり、バイポーラトランジスタ５０７と抵抗５０２，５０３によりスイッチング速度制御回路１０７を構成している。

本実施例５は実施例１で説明したスイッチング速度制御回路１０７の具体的な回路構成を説明するものである。駆動回路１０１は出力段のバイポーラトランジスタのみ示してあり、その他の回路は省略している。

動作を説明する。はじめにＩＧＢＴがオンしている状態を考える。ＩＧＢＴがオンの状態では指令部１００からの出力はハイレベルになっており、バイポーラトランジスタ５０８はオン、５０９はオフしている。このため、ＩＧＢＴのゲートにはプラス電源ライン５００の電位がそのまま掛かっている。一方、ＩＧＢＴには負荷に応じた電流が流れているが、この状態に発生する電流変化では１０３の出力は常にハイレベルになるよう設定されている。電流検出回路１０３がハイレベルを出力しているため、バイポーラトランジスタ５０７はオフしている。また、指令部１００からの信号がオン指令であるので、スイッチング検出回路１０２も同様にハイレベルを出力している。

次に、指令部１００からオフ指令が出るとバイポーラトランジスタ５０８はオフし、５０９がオンする。すると、ＩＧＢＴのゲートからゲート抵抗５０４、バイポーラトランジスタ５０９、抵抗５０５を通って電流が流れ、ゲート電圧が減少し始める。

スイッチング検出回路１０２は指令部１００からの信号を受信すると直ちに出力をローレベルに反転させ、バイポーラトランジスタのベース電位を引き下げる。この際、スイッチング検出回路１０２はバイポーラトランジスタ５０７がオンする電位まではベース電位を引き下げず、オンする直前の状態のベース電位まで引き下げるよう設定する。次にＩＧＢＴのゲート電位が下がり続けるとコレクタ電圧が増加し始め、コレクタ電圧が電源電圧に到達するとコレクタ電流が減少し始める。すると、インダクタンス１０６に電圧が発生し、この電圧が所定の値を超えると電流検出回路１０３が動作して出力をローレベルに下げる。この際、既にスイッチング検出回路１０２によりバイポーラトランジスタ５０７はオン直前の状態となっているので、電流検出回路１０３からの信号が入力されると直ちにオンし、プラス電源ライン５００からゲートに電流を流すようになる。バイポーラトランジスタ５０７を介してゲートに電流が流れ込むと、この電流によりＩＧＢＴのゲート電位の減少は抑制され、コレクタ電流の減少が緩やかに出来る。

本実施例５では、スイッチング検出手段としては実施例１に示した指令部１００からの信号を使う手段を示したが、実施例４に示したゲート電流により検出する手段によっても同様の効果を実現できる。また、電流検出回路１０３を使う構成を説明したが、実施例２に示したコレクタ電圧を検出する手段を適用しても同様の効果を得られる。

図７に、本発明の第６の実施例を示す。図７において、図１乃至６と同じ構成要素には同一の符号を付している。図７において、６０１〜６０５は抵抗、６０６〜６０８はバイポーラトランジスタであり、バイポーラトランジスタ６０８と、抵抗６０３，６０４，６０５により、スイッチング速度制御回路１０７を構成している。

本実施例６は、実施例２のスイッチング速度制御回路１０７の具体的回路構成を示すものである。駆動回路１０１は出力段のバイポーラトランジスタのみ示してあり、その他の回路は省略している。本実施例６ではスイッチング速度制御回路として、バイポーラトランジスタを使ったゲート抵抗可変回路を示している。

一般にＩＧＢＴの駆動回路では、指令部からの信号を受けて図７の６０６、６０７で示したようなトーテムポール構成のバイポーラトランジスタを駆動してＩＧＢＴのゲートを制御している。この際、スイッチングスピードを制御する要素として、６０１〜６０３に示すような抵抗が配置されているが、これらの抵抗値は固定であり、スイッチング動作中に変更することは出来ない。本実施例６ではバイポーラトランジスタ６０８を使いターンオフ時の抵抗値を変更している。

図６の回路の動作を説明する。はじめにＩＧＢＴがオンしている状態を考える。ＩＧＢＴがオンの状態では指令部１００からの出力はハイレベルになっており、バイポーラトランジスタ６０６はオン、６０７はオフしている。このため、ＩＧＢＴのゲートにはプラス電源ライン５００の電位がそのまま印加されている。一方、ＩＧＢＴには負荷に応じた電流が流れているが、この状態に発生する電流変化では１０３の出力は常にハイレベルになるよう設定されている。電流検出回路１０３がハイレベルを出力しているため、バイポーラトランジスタ６０８は飽和状態になっている。この回路では６０３の抵抗値が６０４の抵抗値より大きく設定されている。また、指令部１００からの信号がオン指令になっているので、スイッチング検出回路１０２はハイレベルを出力している。

次に、指令部１００からオフ指令が出るとバイポーラトランジスタ６０６はオフし、６０７がオンする。すると、ＩＧＢＴのゲートからゲート抵抗６０２、バイポーラトランジスタ６０７、抵抗６０４、バイポーラトランジスタ６０８を通って電流が流れ、ゲート電圧が減少し始める。上述したように６０３の抵抗値は６０４の抵抗値より大きく設定されているために、ゲート電流は抵抗６０４を通って流れる。スイッチング検出回路１０２は指令部１００からの信号を受信すると直ちに出力をローレベルに反転させ、バイポーラトランジスタのベース電位を引き下げる。この際、スイッチング検出回路１０２はバイポーラトランジスタ６０８がオフする電位まではゲート電位を引き下げず、バイポーラトランジスタ６０８が飽和領域から活性領域に遷移する直前の状態になるようベース電位を引き下げるよう設定する。次にＩＧＢＴのゲート電位が下がり続けるとコレクタ電圧が増加し始め、コレクタ電圧が電源電圧に到達するとコレクタ電流が減少し始める。すると、インダクタンス１０６に電圧が発生し、この電圧が所定の値を超えると電流検出回路１０３が動作して出力をローレベルに下げる。この際、既にスイッチング検出回路１０２によりバイポーラトランジスタ６０８はオフ直前の状態で動作しているので、電流検出回路１０３からの信号が入力されると直ちにオフし、ゲート電流が抵抗６０３を介して流れるようになる。抵抗６０３は抵抗６０４よりも大きく設定されているため、ターンオフ速度を遅くできる。

本実施例６では、スイッチング検出手段としては実施例１乃至２に示した指令部１００からの信号を使う手段を示したが、実施例３に示したゲート電流により検出する手段によっても同様の効果を実現できる。また、電流検出回路１０３を使う構成を説明したが、実施例２に示したコレクタ電圧を検出する手段を適用しても同様の効果を得られる。

本発明の実施例１を説明した回路図である。 本発明の実施例１の動作波形を示す図である。 本発明の実施例２を説明した回路図である。 本発明の実施例３を説明した回路図である。 本発明の実施例４を説明した回路図である。 本発明の実施例５を説明した回路図である。 本発明の実施例６を説明した回路図である。

符号の説明

１００ 指令部
１０１ ゲート駆動回路
１０２ スイッチング検出回路
１０３ 電流検出回路
１０４ ＩＧＢＴ
１０５ フリーホイールダイオード
１０６ インダクタンス
１０７ スイッチング速度制御回路
３００ 電圧検出回路
４００ ゲート抵抗
４０１ ゲート電流検出回路
５００ ゲート駆動回路のプラス電源ライン
５０１〜５０６ 抵抗
５０７〜５０９ バイポーラトランジスタ
６０１〜６０５ 抵抗
６０６〜６０８ バイポーラトランジスタ

Claims (12)

1. 主電流を通電する一対の主端子対と前記主電流を制御する制御端子とを持つスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御回路と、前記スイッチング素子のスイッチング動作の始まりを検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送るスイッチング検出回路と、前記スイッチング素子の前記主電流の変化を検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送る電流検出回路とを有し、前記スイッチング速度制御回路は前記スイッチング検出回路からの信号で動作準備状態となり、前記電流検出回路からの信号で動作することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
2. 請求項１に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記電流検出回路が、前記スイッチング素子の主電流経路内のインダクタンスに発生する電圧を検出することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
3. 請求項１または請求項２に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に入力される制御信号を監視し、この信号が反転した場合にスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
4. 請求項１または請求項２に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に流れる電流を監視し、電流値があらかじめ定められた所定の値を超えたときにスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
5. 請求項１または請求項２に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に流れる電流を積分し、積分値があらかじめ定められた所定の値を超えたときにスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記スイッチング速度制御回路が、スイッチング素子の制御端子に接続された抵抗と、この抵抗を可変する回路から構成されており、前記電流検出回路からの信号によりスイッチング速度制御回路が動作状態になったときに可変抵抗の抵抗値を大きくすることを特徴とする半導体素子の駆動回路。
7. 一対の主端子対を有し前記主端子対間に流れる主電流を制御する制御端子を持つスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング速度を制御するスイッチング速度制御回路と、前記スイッチング素子のスイッチング動作の始まりを検出し前記スイッチング速度制御回路に信号を送るスイッチング検出回路と、前記スイッチング素子の主端子間の電圧を監視し主端子間の電圧があらかじめ定められた値を超えたときに前記スイッチング速度制御回路に信号を送る電圧検出回路とを有し、前記スイッチング速度制御回路は前記スイッチング検出回路からの信号で動作準備状態となり、前記電圧検出回路からの信号で動作する事を特徴とする半導体素子の駆動回路。
8. 請求項７に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記電流検出回路が、前記半導体素子の主端子対の一方の主端子に接続されたインダクタンスに発生する電圧を検出することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
9. 請求項７または請求項８に記載の半導体素子の駆動回路において、
   前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に入力される制御信号を監視し、この信号が反転した場合にスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
10. 請求項７または請求項８に記載の半導体素子の駆動回路において、
    前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に流れる電流を監視し、電流値があらかじめ定められた所定の値を超えたときにスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
11. 請求項７または請求項８に記載の半導体素子の駆動回路において、
    前記スイッチング検出回路が、前記スイッチング素子の制御端子に流れる電流を積分し、積分値があらかじめ定められた所定の値を超えたときにスイッチングの開始と判定し、前記スイッチング速度制御回路に信号を送信することを特徴とする半導体素子の駆動回路。
12. 請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体素子の駆動回路において、
    前記スイッチング速度制御回路が、スイッチング素子の制御端子に接続された抵抗と、この抵抗を可変する回路から構成されており、前記電流検出回路からの信号によりスイッチング速度制御回路が動作状態になったときに可変抵抗の抵抗値を大きくすることを特徴とする半導体素子の駆動回路。

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