JP2008066877A - スイッチング素子駆動装置及びスイッチング素子駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、完全オン中の過電流に限らずターンオン初期の過電流に対しても適切な保護動作を実行することができる、スイッチング素子駆動装置の提供を目的とする。
【解決手段】パワー素子１０がオフしないようにパワー素子１０のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より速く低下させるトランジスタ２４と、パワー素子１０のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より遅く低下させるトランジスタ２５とを有し、過電流検出手段２６によってパワー素子１０に過電流が検出された場合にトランジスタ２４によってゲート電圧を低下させた後にトランジスタ２５によってゲート電圧を低下させる、スイッチング素子駆動装置であって、ゲート電圧監視手段２１によってゲート電圧が所定値以下の場合にはトランジスタ２５のみによってゲート電圧を低下させることを特徴とする、スイッチング素子駆動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子に過電流が検出された場合のスイッチング素子の駆動技術に関する。

従来技術として、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子の短絡時の保護方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この保護方法は、負荷短絡等の事故が起きた場合には、急速にゲート駆動電圧をある程度まで下げ、ディレー時間の後に事故が続いているならばゲート駆動電圧を遮断するものである。これにより、事故電流の減少とともに、事故検証期間の引き延ばしを図っている。
ＩＲ（International Rectifier）社「APPLICATION NOTES」、ＡＮ−９８４Ｊ（ページ３、図５）

しかしながら、上述の従来技術では、スイッチング素子がどのようなオン状態であっても、過電流が検出されるとゲート電圧を急速に下げるので、ゲート電圧が十分に上昇していないターンオン初期において過電流が検出された場合であっても、ゲート電圧を急速に下げてしまう。このようにゲート電圧が十分に上昇していない時にゲート電圧を急速に下げると、スイッチング素子を急速にオフさせることになるため、オフサージ電圧が増大してしまう。

そこで、本発明は、完全オン中の過電流に限らずターンオン初期の過電流に対しても適切な保護動作を実行することができる、スイッチング素子駆動装置及びスイッチング素子駆動方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のスイッチング素子駆動装置は、
スイッチング素子に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、
スイッチング素子がオフしないようにスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より速く低下させる第１のゲート電圧低下手段と、
スイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より遅く低下させる第２のゲート電圧低下手段とを有し、
前記過電流検出手段によって過電流が検出された場合に前記第１のゲート電圧低下手段によってゲート電圧を低下させた後に前記第２のゲート電圧低下手段によってゲート電圧を低下させる、スイッチング素子駆動装置であって、
スイッチング素子のゲート電圧を監視するゲート電圧監視手段を備え、
前記ゲート電圧監視手段によってゲート電圧が所定値以下の場合には前記第２のゲート電圧低下手段のみによってゲート電圧を低下させることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明のスイッチング素子駆動方法は、
スイッチング素子に流れる過電流を検出した場合、スイッチング素子がオフしないようにスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より速く低下させる急速オフ動作をさせた後にスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より遅く低下させるスローオフ動作をさせる、スイッチング素子駆動方法であって、
スイッチング素子のゲート電圧が所定値以下の場合には前記スローオフ動作のみによってゲート電圧を低下させることを特徴とする。

本発明によれば、完全オン中の過電流に限らずターンオン初期の過電流に対しても適切な保護動作を実行することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係るスイッチング素子駆動装置の実施形態を示す図である。本実施形態のスイッチング素子駆動装置は、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子（以下、「パワー素子１０」という）を駆動する。本実施形態のスイッチング素子駆動回路は、パワー素子１０をオンさせる手段として、ＰチャンネルＦＥＴ等のＯＮ用トランジスタＰ−Ｔｒを備え、パワー素子１０をオフさせる手段として、ＮチャンネルＦＥＴ等のＯＦＦ用トランジスタＮ−Ｔｒを備えている。以下、ＯＮ用トランジスタＰ−ＴｒをトランジスタＰＴｒといい、ＯＦＦ用トランジスタＮ−ＴｒをトランジスタＮＴｒという。

本実施形態のスイッチング素子駆動回路の制御回路３０は、マイコン等の外部装置からパワー素子１０のオン指令を受けた場合、トランジスタＰＴｒをオンにするとともにトランジスタＮＴｒをオフにする。トランジスタＰＴｒのオンとトランジスタＮＴｒのオフによって、トランジスタＰＴｒとゲート抵抗Ｒｐを介して電源２７からパワー素子１０のゲートが充電される。パワー素子１０のゲートの充電量が所定値以上になるとパワー素子１０がオンする。

一方、制御回路３０は、マイコン等の外部装置からパワー素子１０のオフ指令を受けた場合、トランジスタＰＴｒをオフにするとともにトランジスタＮＴｒをオンにする。トランジスタＰＴｒのオフとトランジスタＮＴｒのオンによって、トランジスタＮＴｒとゲート抵抗Ｒｎを介してパワー素子１０のゲートの電荷が放電される。パワー素子１０のゲートの充電量が所定値以下になるとパワー素子１０がオフする。

また、本実施形態のスイッチング素子駆動回路は、負荷短絡等の事故によりパワー素子１０に過電流が流れることによってパワー素子１０やその周辺回路の破壊を防ぐために、パワー素子１０の過電流を検出する過電流検出手段２６を備える。過電流検出手段２６は、センスＩＧＢＴ方式やシャント抵抗方式などによって過電流を検出する。センスＩＧＢＴ方式では、センスＩＧＢＴのエミッタ（あるいは、ソース）に接続されたセンス抵抗にて発生した電圧に基づいて、パワー素子１０に流れる主電流が検出される。シャント抵抗方式では、主電流が流れる経路に直列に挿入されたシャント抵抗にて発生した電圧に基づいて、パワー素子１０に流れる主電流が検出される。センス抵抗やシャント抵抗にて発生した電圧と基準電圧をコンパレータによって比較し、センス抵抗やシャント抵抗に発生した電圧が基準電圧以上の場合には、検出された主電流は過大な電流である、すなわちパワー素子１０に過電流が流れたとみなすことができる。

過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合、過電流が検出されていない正常時よりも大きな電流Ｉｃｅがパワー素子１０に流れている。このとき、上述のようにトランジスタＮＴｒのオンによってパワー素子１０を正常時と同様にターンオフさせた場合、正常時よりも大きな電流Ｉｃｅがパワー素子１０に流れているため、大きな電流変化速度「ｄＩｃｅ／ｄｔ」と配線や駆動対象負荷などのインダクタンスＬとによって、正常時のターンオフより大きな「Ｌ＊ｄＩｃｅ／ｄｔ」のサージ電圧が発生する。このようなオフサージ電圧は、パワー素子１０やその周辺回路の耐圧超えによる破壊を引き起こすおそれがある。

このようなオフサージを低減するためには、過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合に、トランジスタＮＴｒとパワー素子１０のゲートの間に接続されたゲート抵抗Ｒｎより大きいゲート抵抗を介してパワー素子１０のゲートを放電することによってパワー素子１０をターンオフさせるのがよい。ゲート抵抗を大きくするにつれて、放電時間が長くなり、電流変化速度「ｄＩｃｅ／ｄｔ」が遅くなるからである。図２は、ゲート抵抗Ｒｎより大きいゲート抵抗でパワー素子１０をターンオフした場合の挙動を示した図である。しかしながら、図２に示されるように、ゲート抵抗が大きくなるにつれてターンオフの時間は長くなるため、ゲート抵抗Ｒｎより大きいゲート抵抗でパワー素子１０をターンオフした場合、ターンオフの損失の増大を招き、熱によるパワー素子１０が破壊するという問題が生じることがある。

そこで、オフサージ増大抑制とターンオフ損失増大抑制を両立させるために、パワー素子１０のターンオフの制御を多段に分ける。本実施形態のスイッチング素子駆動装置では、パワー素子１０のターンオフを第１ステップと第２ステップの２段に分けている。本実施形態のスイッチング素子駆動装置は、過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合にパワー素子１０のゲートの電荷を放電する手段として、第１ステップを担うＮチャンネルＦＥＴ等の過電流時ＯＦＦ用ＯＣ−Ｔｒ１（Over Current Transistor）と第２ステップを担うＮチャンネルＦＥＴ等の過電流時ＯＦＦ用ＯＣ−Ｔｒ２を備えている。以下、過電流時ＯＦＦ用ＯＣ−Ｔｒ１はトランジスタＯＣＴｒ１といい、過電流時ＯＦＦ用ＯＣ−Ｔｒ２はトランジスタＯＣＴｒ２という。

本実施形態のスイッチング素子駆動回路の制御回路３０は、過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合、第１ステップとして、トランジスタＯＣＴｒ１を作動させることによって、ゲート抵抗Ｒｏｃ１を介してパワー素子１０のゲートの電荷を放電し、パワー素子１０が完全オフする閾値電圧を下回らない電圧までパワー素子１０のゲート電圧Ｖｇｅを素早く下げる。ゲート電圧Ｖｇｅを正常時のターンオフの場合より素早く下げるために、ゲート抵抗Ｒｏｃ１の抵抗値をゲート抵抗Ｒｎの抵抗値より小さくする。これにより、図６に示されるパワー素子１０のＩｃｅ−Ｖｃｅ静特性がポイントＰ１からポイントＰ２に移ることになり、パワー素子１０に流れる電流Ｉｃｅのピーク電流値を抑制しつつターンオフ損失を低減できる。パワー素子１０が完全オフする閾値電圧を下回らない電圧でパワー素子１０のゲート電圧Ｖｇｅを止めるためには、例えば、タイマ等によって一定時間経過後に止まるように管理してもよいし、トランジスタＰＴｒとトランジスタＯＣＴｒ１を同時にオンすることによりゲート電圧Ｖｇｅを抵抗Ｒｐと抵抗Ｒｏｃ１とによる電源電圧２７の分圧値とするようにしてもよい。

第１ステップにおいて電流Ｉｃｅのピーク電流値を抑制した一定時間後に、本実施形態のスイッチング素子駆動回路の制御回路３０は、第２ステップとして、第１ステップにおいて作動させたトランジスタＯＣＴｒ１をオフするとともにトランジスタＯＣＴｒ２をオンにする。トランジスタＯＣＴｒ２をオンさせることによって、トランジスタＯＣＴｒ２とゲート抵抗Ｒｏｃ２を介してパワー素子１０のゲートの電荷を放電させ、パワー素子１０のゲート電圧Ｖｇｅをゆっくり下げる。ゲート電圧Ｖｇｅを正常時のターンオフよりゆっくり下げるために、ゲート抵抗Ｒｏｃ２の抵抗値をゲート抵抗Ｒｎの抵抗値より大きくする。これにより、図３に示されるように、パワー素子１０のスローオフ動作を行って、電流変化速度「ｄＩｃｅ／ｄｔ」を大きくさせずにオフサージ電圧の増大を抑制することができる。

しかしながら、パワー素子１０のターンオン途中のゲート電圧Ｖｇｅが十分に上昇しないうちに過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合、第１ステップとして、トランジスタＯＣＴｒ１を作動させることによって、ゲート抵抗Ｒｏｃ１を介してパワー素子１０のゲートの電荷が正常時より急速に放電すると、十分に上昇していないゲート電圧Ｖｇｅは完全オフする閾値電圧以下の電圧に下がることになり、ピーク電流値の抑制ではなく完全オフ動作となってしまう。したがって、図４に示されるように、オフサージ電圧を増大させることになり、本来のパワー素子１０の保護ができなくなるおそれがある。

そこで、本実施形態のスイッチング素子駆動回路は、ゲート電圧Ｖｇｅを監視し、ゲート電圧Ｖｇｅが所定の監視電圧以下の場合には、第１ステップ動作をさせずに、第２ステップ動作のみとする。これによって、図５に示されるように、パワー素子１０のターンオン途中のゲート電圧Ｖｇｅが十分に上昇しないうちに過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合に、パワー素子１０を急速オフ動作させずにスローオフ動作させることにより、オフサージ電圧の増大を抑えることができる。このときのターンオフ損失は、パワー素子１０に流れる電流Ｉｃｅがまだ少ないことにより、完全オン状態で過電流を検出した場合に比べ十分小さくなるため、本来のパワー素子１０の保護を確実に達成することができる。

なお、パワー素子１０が駆動する負荷等のインダクタンスや各回路素子の抵抗定数や寄生容量に応じて、オフサージ電圧の大きさやターンオフ損失の大きさは変化するので、第１ステップ動作と第２ステップ動作の実施有無を判断するための前記所定の監視電圧は、対象とするスイッチング駆動回路に応じてシミュレーションによって決定すればよい。その監視電圧は、少なくとも、パワー素子１０がターンオンし始めるゲート電圧より大きい値であって、パワー素子１０が完全オンし始めるゲート電圧より小さい値である。例えば、パワー素子１０がターンオンし始めるゲート電圧が５Ｖで、完全オンし始めるゲート電圧が１５Ｖであるとすると、監視電圧は８〜１２Ｖに設定すればよい。

図７は、本発明に係るスイッチング素子駆動方法の一実施例である。制御回路３０は、過電流検出手段２６によって過電流が検出された場合に（ステップ１０）、ゲート電圧が所定値以下か否かによって（ステップ２０）、ゲート電圧を低下させる方法を変化させる。ゲート電圧が所定値以下ではない場合には、パワー素子１０が完全オンしているとして、第１ステップ動作の後に第２のステップ動作を実施する（ステップ３０，４０）。一方、ゲート電圧が所定値以下の場合には、パワー素子が完全オンしていないとして、第２ステップ動作のみを実施する（ステップ５０）。

したがって、上述の実施例によれば、パワー素子の過電流事故時に、オフサージ電圧増大やターンオフ損失増大によるパワー素子等の破壊を引き起こすことなくパワー素子をオフするために、第１ステップ動作と第２ステップ動作を実施するが、パワー素子のターンオン途中に過電流が検出された場合には、第１ステップ動作を実施せずに第２ステップ動作のみを実施することによって、オフサージ電圧増大の抑制とターンオフ損失増大の抑制を両立させることができ、ターンオン初期でも完全オン中でも過電流に対する安定した保護動作を実行することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明に係るスイッチング素子駆動装置の実施形態を示す図である。 ゲート抵抗Ｒｎより大きいゲート抵抗でパワー素子１０をターンオフした場合の挙動を示した図である。 パワー素子１０が完全オン時に過電流が流れた場合の保護動作を示した図である。 パワー素子１０がターンオン途中に過電流が流れた場合の従来の保護動作を示した図である。 パワー素子１０がターンオン途中に過電流が流れた場合の本発明に係る保護動作を示した図である。 パワー素子１０のＩｃｅ−Ｖｃｅ静特性である。 本発明に係るスイッチング素子駆動方法の一実施例である。

符号の説明

１０ パワー素子
２１ ゲート電圧監視手段
２６ 過電流検出手段
３０ 制御回路
Ｐ−Ｔｒ 通常時ＯＮ用トランジスタ
Ｎ−Ｔｒ 通常時ＯＦＦ用トランジスタ
ＯＣ−Ｔｒ１，ＯＣ−Ｔｒ２ 過電流時ＯＦＦ用トランジスタ
Ｒｐ，Ｒｎ，Ｒｏｃ１，Ｒｏｃ２ ゲート抵抗

Claims (2)

1. スイッチング素子に流れる過電流を検出する過電流検出手段と、
   スイッチング素子がオフしないようにスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より速く低下させる第１のゲート電圧低下手段と、
   スイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より遅く低下させる第２のゲート電圧低下手段とを有し、
   前記過電流検出手段によって過電流が検出された場合に前記第１のゲート電圧低下手段によってゲート電圧を低下させた後に前記第２のゲート電圧低下手段によってゲート電圧を低下させる、スイッチング素子駆動装置であって、
   スイッチング素子のゲート電圧を監視するゲート電圧監視手段を備え、
   前記ゲート電圧監視手段によってゲート電圧が所定値以下の場合には前記第２のゲート電圧低下手段のみによってゲート電圧を低下させることを特徴とする、スイッチング素子駆動装置。
2. スイッチング素子に流れる過電流を検出した場合、スイッチング素子がオフしないようにスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より速く低下させる急速オフ動作をさせた後にスイッチング素子のゲート電圧を正常オフ時のゲート電圧の低下速度より遅く低下させるスローオフ動作をさせる、スイッチング素子駆動方法であって、
   スイッチング素子のゲート電圧が所定値以下の場合には前記スローオフ動作のみによってゲート電圧を低下させることを特徴とする、スイッチング素子駆動方法。

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