JP2008199821A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主回路電源電圧の変化に応じてアクティブゲートコントロールを有効に実行することが可能な半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】サージ電圧目標設定部１０３は、電圧検出部１０２により検出された半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅに基づき、半導体電力変換装置の主回路電源電圧を取得して、取得した主回路電源電圧に応じてサージ電圧の制御目標Ｖｍを設定する。アクティブゲートコントロール部７１は、半導体スイッチング素子１００のターンオフ時において、端子間電圧Ｖｃｅが制御目標Ｖｍを超えたときには、端子間電圧Ｖｃｅのフィードバックに基づき、ゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわちターンオフ速度を低下させる方向にゲート電圧Ｖｇを修正するように電圧修正量Ｖ１（＞０）を設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体電力変換装置に関し、より特定的には、インバータやコンバータなどの半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子のターンオフ時および／またはターンオフ時に発生する電圧変動を抑制するためのアクティブゲートコントロールに関する。

インバータ、コンバータ等の半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子について、スナバ回路を必要とせずにスイッチング動作時のピーク電圧を抑制する技術として、ゲート電圧を動的に制御するアクティブゲートコントロールが用いられている。

たとえば、特開２００１−１３６７３２号公報（特許文献１）には、ゲートに順バイアスと逆バイアスを印加し半導体スイッチング素子のエミッタを中点電位とする電圧印加手段と、コレクタ・エミッタ間の電圧を分圧する分圧手段とを備えた構成において、駆動信号がオフの場合には、コレクタ・エミッタ間電圧が分圧手段により定まる電圧以上となった場合にコレクタとエミッタ間電圧に応じてゲート電圧を制御するようにした半導体電力変換装置が開示されている。

特許文献１に開示された半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子のオフ時には、分圧されたコレクタ・エミッタ間電圧に基づきゲート電圧を動的に制御することによって、サージ電圧をフィードバックしてサージ電圧を低減させるようにゲート電圧制御、すなわちアクティブゲートコントロールを行なうことができる。

また、特開２００１−２３８４３１号公報（特許文献２）には、直流電源および負荷間を接続する各アームに接続される電力変換用の半導体スイッチング素子であってコレクタ・エミッタ間がアームに直列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、このＩＧＢＴのコレクタ・ゲート間に接続され、コレクタ・エミッタ間の電圧変化率に対応した電流をゲートに供給するコンデンサと、このコンデンサにバッファダイオードを介して並列接続された補助直流電源とを有する構成の半導体電力変換装置が開示される。そして、コンデンサのコレクタ側電圧にバッファダイオードの順方向電圧降下を加えた電圧が補助直流電源の出力電圧を超えたときに、コンデンサを介してゲートに電流を供給する構成が示されている。

特許文献２に開示された半導体電力変換装置では、キャパシタに補助直流電源で充電された所定の電圧をコレクタ電圧が超えたときにフィードバックがかかり、サージ電圧を低減するようにゲート電圧を変化させることができる。これにより、サージ電圧を低減させるようにアクティブゲートコントロールを行なうことができる。
特開２００１−１３６７３２号公報 特開２００１−２３８４３１号公報

一般に、エアコンやハイブリッド車両に搭載されたインバータでは、インバータ（半導体電力変換装置）により変換される主回路電源電圧を、インバータにより駆動制御される電動機の駆動条件により動的に変更する制御が行なわれている。

しかしながら、特許文献１および２に代表される従来のアクティブゲートコントロールでは、半導体スイッチング素子のコレクタ電圧と所定の固定電圧との比較に基づき、サージ電圧抑制のためにゲート電圧を変更するか否かを判断している。すなわち、アクティブゲートコントロールが作動し始める設定電圧が固定されている。

このため、主回路電源電圧の設計上の最大値に対応して上記設定電圧を決めている場合には、半導体スイッチング素子の耐圧を超えないようにアクティブゲートコントロールを作用させることが可能である一方で、主回路電源電圧が低電圧に制御されるときには、アクティブゲートコントロールによるサージ抑制を有効に実行できないという問題点が発生する。このような場合には、アクティブゲートコントロールによるフィードバック量が減少して、半導体スイッチング素子のスイッチング動作は、単純に順バイアス電圧（オン用電圧）および逆バイアス電圧（オフ用電圧）を交互にゲートに印加する単純な動作となり、ターンオンおよびターンオフに伴う電圧変動を抑制することができない。この結果、半導体スイッチング素子の寄生容量と主回路の寄生インダクタンスとにより自由振動の電圧変動が発生することがあり、このような振動電圧は、ＥＭＩ（electro-magnetic interference）、代表的には電磁ノイズの原因となる。

また、一般に指摘されるように、インバータにより電動機を駆動制御する場合には、インバータの出力電圧の電圧変動（ｄｖ／ｄｔ）が過大になると、電動機内部の巻線間の部分放電による絶縁破壊が発生しやすくなる。これを防止するためには、ｄｖ／ｄｔを所定範囲内に抑制することが重要となる。なお、上述のように、ｄｖ／ｄｔの抑制は、ＥＭＩ対策の点からも重要である。

しかしながら、特許文献１および２に開示された半導体電力変換装置によるアクティブゲートコントロールでは、アクティブゲートコントロールを作動させる電圧条件を、コレクタ電圧と所定電圧（設定電圧）との比較により定めている。このため、インバータを構成する半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧のｄｖ／ｄｔを厳密に制限するようにアクティブゲートコントロールを実行することは容易ではない。この結果、インバータの出力電圧、すなわち電動機の端子間電圧のｄｖ／ｄｔを所定範囲内に確実に抑制することは困難であった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、主回路電源電圧の変化に応じて、あるいは、半導体スイッチング素子の出力端子間の電圧変動（ｄｖ／ｄｔ）を所定範囲内に確実に抑制するようにアクティブゲートコントロールを有効に実行することが可能な半導体電力変換装置を提供することである。

この発明による半導体電力変換装置は、可変制御される主回路電源電圧を電圧変換する半導体電力変換装置であって、半導体スイッチング素子と、駆動制御部と、駆動回路とを備える。半導体スイッチング素子は、制御電極の電圧または電流に応答して第１および第２の電極間の電流を制御するように構成される。駆動制御部は、半導体スイッチング素子のオンおよびオフを指示する制御信号に従って、半導体スイッチング素子を導通させるための第１の電圧および遮断させるための第２の電圧の範囲内で制御電圧を設定するように構成される。駆動回路は、駆動制御部により設定された制御電圧に従って、制御電極の電圧または電流を駆動するように構成される。駆動制御部は、第１および第２の電極の電極間電圧を検出する電圧検出部と、半導体スイッチング素子のターンオフ時に第１および第２の電極間に発生するサージ電圧の制御目標を、主回路電源電圧に応じて可変に設定するためのサージ制御目標設定部と、第１のアクティブゲートコントロール部とを含む。第１のアクティブゲートコントロール部は、電圧検出部により検出された電極間電圧が制御目標を超えたときに、電極間電圧に基づく電圧修正量により、制御電圧を第１の電圧へ近付ける側に修正するように構成される。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子のターンオフ時における制御電圧を第２の電圧から第１の電圧へ近付ける側へ修正するためのアクティブゲートコントロールを、電極間電圧（端子間電圧）が、主回路電源電圧に応じて可変に設定されるサージ電圧の制御目標を超えたときに作動させることができる。したがって、主回路電源電圧の変化に対応して、適切にアクティブゲートコントロールを実行することにより半導体スイッチング素子での過大なサージ電圧および急激な電圧変動（ｄｖ／ｄｔ）の発生を抑制することができる。この結果、素子破壊および電磁ノイズ発生を防止することができる。

好ましくは、第１のアクティブゲートコントロール部は、制御目標に対する電極間電圧の偏差に基づく制御演算を行なうとともに、制御演算結果が正値であるときに制御演算結果に従って電圧修正量を設定する一方で、制御演算結果が負値であるときには電圧修正量を実質的に零に設定する。

このような構成とすることにより、半導体スイッチング素子のターンオン時における端子間電圧の変化を無用に緩やかにしてスイッチング電力損失が増大しないように、サージ電圧の制御目標に対する端子間電圧の偏差に基づく適正な電圧修正量によりターンオフ時におけるアクティブゲートコントロールを実行することができる。

さらに好ましくは、第１のアクティブゲートコントロール部は、比例微分制御により制御演算を行なう。

このような構成とすることにより、比例微分制御により、半導体スイッチング素子の端子間電圧の上昇、すなわちサージ電圧の発生に対応させて早期にアクティブゲートコントロールを開始することが可能である。

また好ましくは、サージ制御目標設定部は、半導体スイッチング素子のオフ期間であって、かつ、主回路電源電圧が印加される電源線間に半導体スイッチング素子が電気的に接続される期間における電圧検出部の検出電圧に基づいて、制御目標を設定する。

このような構成とすることにより、主回路電源電圧の情報を駆動制御部の外部から絶縁して伝達することを不要とする安価な回路構成により、半導体スイッチング素子の端子間電圧の検出に基づき、主回路電源電圧の変化に対応してサージ電圧の制御目標を適切に設定することが可能となる。

好ましくは、駆動制御部は、電圧上昇率制御目標設定部と、第２のアクティブゲートコントロール部と、調整部とをさらに含むように構成される。電圧上昇率制御目標設定部は、電極間電圧の上昇時における時間微分値である電圧上昇率の制御目標を設定する。第２のアクティブゲートコントロール部は、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧上昇率が制御目標を超えたときに、制御目標に対する電圧上昇率の偏差に応じた電圧修正量だけ制御電圧を第１の電圧へ近付けるように修正する。調整部は、第１および第２のアクティブゲートコントロール部による電圧修正量のうちの大きいほうの電圧分だけ、制御電圧を第１の電圧へ近付けるように修正するように構成される。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の端子間電圧の電圧上昇率が予め設定された制御目標を超えたときには、電圧上昇を抑制する方向にアクティブゲートコントロールを実行することができる。したがって、主回路電源電圧に対応したサージ電圧の上昇が防止され、かつ、電圧変化率（上昇率）が所定範囲内に収まるように、半導体スイッチング素子のターンオフ時におけるアクティブゲートコントロールを実行できる。

さらに好ましくは、駆動制御部は、電圧降下率制御目標設定部と、第３のアクティブゲートコントロール部とをさらに含むように構成される。電圧降下率制御目標設定部は、電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定する。第３のアクティブゲートコントロール部は、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧降下率が制御目標を超えたときに、制御目標に対する電圧降下率の偏差に応じた電圧修正量だけ制御電圧を第２の電圧へ近付けるように修正する。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の端子間電圧の電圧降下率が予め設定された制御目標を超えたときには、電圧降下を抑制する方向にアクティブゲートコントロールを実行することができる。したがって、半導体スイッチング素子のターンオン時についても、電圧変化率（降下率）が所定範囲内に収まるように、アクティブゲートコントロールを実行することができる。

特にこのような構成では、駆動制御部は、制御信号に応じて、第２および第３のアクティブゲートコントロール部の一方を選択的に作動させるための選択部をさらに含む。そして、選択部は、半導体スイッチング素子のターンオフ時には第２のアクティブゲートコントロール部を作動させる一方で、半導体スイッチング素子のターンオン時には第３のアクティブゲートコントロール部を作動させる。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子のターンオフ時には端子間電圧の電圧上昇率が制御目標を超えないようにアクティブゲートコントロールを行なう一方で、半導体スイッチング素子のターンオン時には端子間電圧の電圧降下率が所定制御目標を超えないようにアクティブゲートコントロールを実行することができる。この結果、半導体スイッチング素子のスイッチング電力損失を無駄に増大させることなく、ターンオンおよびターンオフ時における電圧変動（ｄｖ／ｄｔ）を確実に所定範囲内に抑制することができる。

好ましくは、駆動制御部は、電圧降下率制御目標設定部と、第３のアクティブゲートコントロール部とをさらに含むように構成される。電圧降下率制御目標設定部は、電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定する。第３のアクティブゲートコントロール部は、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧降下率が制御目標を超えたときに、制御目標に対する電圧降下率の偏差に応じた電圧修正量だけ制御電圧を第２の電圧へ近付けるように修正する。 上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の端子間電圧の電圧降下率が予め設定された制御目標を超えたときには、電圧降下を抑制する方向にアクティブゲートコントロールを実行することができる。したがって、半導体スイッチング素子のターンオン時に、電圧変化率（降下率）が確実に所定範囲内に収まるように、アクティブゲートコントロールを実行可能となる。

さらに好ましくは、電圧上昇率制御目標設定部または電圧降下率制御目標設定部は、半導体電力変換装置によって駆動制御される電動機の温度、気圧、および相対湿度の少なくとも１つに基づき制御目標を可変に設定する。

このような構成とすることにより、半導体スイッチング素子の端子間電圧の電圧上昇率および／または電圧降下率の制限範囲を、負荷である電動機の温度、気圧および湿度（相対湿度）の少なくとも１つに基づき可変に設定することができる。これにより、電動機が部分放電の発生し易い環境下にあるときには上記制限範囲を厳しくする一方で、そうでないときには上記制限範囲を緩和することにより、半導体スイッチング素子でのスイッチング電力損失を無用に増大させることなく、電動機での部分放電による絶縁破壊の発生を防止することができる。

また好ましくは、半導体電力変換装置は、温度検出部と、制御パラメータ変更部とをさらに備える。温度検出部は、半導体スイッチング素子の温度を検出する。制御パラメータ変更部は、第１から第３のアクティブゲートコントロール部のうちの少なくとも１つにおいて、制御電圧の電圧修正量を求めるための制御演算に用いられる制御パラメータを温度検出部により検出された素子温度に応じて可変に設定するように構成される。

このような構成とすることにより、温度上昇に伴って半導体スイッチング素子の応答性が低下する特性を反映して、同一条件に対して電圧変化速度が大きくなる低温時にはアクティブゲートコントロールによる電圧修正量を相対的に大きくすることができる。この結果、半導体スイッチング素子の温度特性を反映して、低温時における過大な電圧変動の発生の抑制するとともに、高温時におけるスイッチング損失の増大を抑制できる。

この発明の他の局面による半導体電力変換装置は、半導体スイッチング素子と、駆動制御部と、駆動回路とを備える。半導体スイッチング素子は、制御電極の電圧に応答して第１および第２の電極間の電流を制御するように構成される。駆動制御部は、半導体スイッチング素子のオンおよびオフを指示する制御信号に従って、半導体スイッチング素子を導通させるための第１の電圧および遮断させるための第２の電圧の範囲内で制御電圧を設定するように構成される。駆動回路は、駆動制御部により設定された制御電圧に従って、制御電極の電圧または電流を駆動するように構成される。駆動制御部は、第１および第２の電極の電極間電圧を検出する電圧検出部と、電極間電圧の変化時における時間微分値である電圧変化率の制御目標を設定する電圧変化率制御目標設定部と、アクティブゲートコントロール部とを含む。アクティブゲートコントロール部は、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧変化率が制御目標を超えたときに、現在の電極間電圧の変化を妨げる方向に制御電圧を修正するように構成される。

上記半導体電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の電極間電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）の電圧変化率が予め設定された制御目標を超えたときには、電圧変化を抑制する方向にアクティブゲートコントロールを実行することができる。したがって、半導体スイッチング素子のターンオン時およびターンオフ時における電圧変化率が所定範囲内に収まるようにアクティブゲートコントロールを実行できる。

好ましくは、電圧変化率制御目標設定部は、電極間電圧の上昇時における時間微分値である電圧上昇率の制御目標を設定し、アクティブゲートコントロール部は、半導体スイッチング素子のターンオフ時に、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧上昇率が制御目標を超えたときに、制御電圧を第２の電圧から第１の電圧へ近付けるように修正する。

特に、半導体スイッチング素子のターンオフ時には、端子間電圧の電圧上昇率が制御目標を超えないようにアクティブゲートコントロールを行なう一方で、電圧降下率を抑制するような制御を非実行とできる。したがって、スイッチング電力損失を無駄に増大させることなく、半導体スイッチング素子のターンオフ時における電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）を確実に所定範囲内に抑制することができる。

また好ましくは、電圧変化率制御目標設定部は、電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定し、アクティブゲートコントロール部は、半導体スイッチング素子のターンオン時に、電圧検出部により検出された電極間電圧に基づき、電圧降下率が制御目標を超えたときに、制御電圧を第１の電圧から第２の電圧へ近付けるように修正する。

特に、半導体スイッチング素子のターンオン時には、端子間電圧の電圧降下率が制御目標を超えないようにアクティブゲートコントロールを行なう一方で、電圧上昇率を抑制するような制御を非実行とできる。したがって、スイッチング電力損失を無駄に増大させることなく、半導体スイッチング素子のターンオン時における電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）を確実に所定範囲内に抑制することができる。

さらに好ましくは、電圧変化率制御目標設定部は、半導体電力変換装置によって駆動制御される電動機の温度、気圧、および相対湿度の少なくとも１つに基づき制御目標を可変に設定する。

このような構成とすることにより、半導体スイッチング素子の端子間電圧の電圧変化率の制限範囲を、負荷である電動機の温度、気圧および湿度（相対湿度）の少なくとも１つに基づき可変に設定することができる。これにより、電動機における部分放電が発生し易いときには上記制限範囲を厳しくする一方で、そうでないときには上記制限範囲を緩和することにより、半導体スイッチング素子でのスイッチング電力損失を無用に増大させることなく、電動機での部分放電による絶縁破壊の発生を防止することができる。

また好ましくは、半導体電力変換装置は、温度検出部と、制御パラメータ変更部とをさらに備える。温度検出部は、半導体スイッチング素子の温度を検出する。制御パラメータ変更部は、アクティブゲートコントロール部における制御電圧の電圧修正量を求めるための制御演算に用いられる制御パラメータを、温度検出部により検出された素子温度に応じて可変に設定するように構成される。

このような構成とすることにより、温度上昇に伴って半導体スイッチング素子の応答性が低下する特性を反映して、同一条件に対して電圧変化速度が大きくなる低温時にはアクティブゲートコントロールによる電圧修正量を相対的に大きくすることができる。この結果、半導体スイッチング素子の温度特性を反映して、低温時における過大な電圧変動の発生の抑制するとともに、高温時におけるスイチング損失の増大を抑制できる。

この発明による半導体電力変換装置では、主回路電源電圧の変化に応じて、あるいは、半導体スイッチング素子の出力端子間の電圧変動（ｄｖ／ｄｔ）を所定範囲内に確実に抑制するようにアクティブゲートコントロールを有効に実行することによって、半導体スイッチング素子のターンオンおよびターンオフ時における電圧変動を抑制することができる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態による半導体電力変換装置の構成例を示す回路図である。

図１を参照して、電力変換システム５は、直流電源１０と、コンバータ２０と、平滑コンデンサ３０と、本発明の実施の形態による半導体電力変換装置の代表例として示されるインバータ４０と、インバータ４０によって駆動制御される電動機６０とを備える。

直流電源１０は、直流電圧Ｖｂを出力する。コンバータ２０は、直流電圧変換機能を有し、直流電源１０からの出力電圧Ｖｂを電圧変換して直流電圧ＶＨを出力する。コンバータ２０の出力電圧は、平滑コンデンサ３０により平滑される。

インバータ４０は、３相の上下アームをそれぞれ構成する６つのアーム５０−１〜５０−６を有する。後程詳細に説明するように、各アーム５０（アーム５０−１〜５０−６を総括的に評価するもの。以下同様）は、各々半導体スイッチング素子を有している。

電動機６０は、３相コイル巻線６５ｕ，６５ｖ，６５ｗが巻回されたステータ（図示せず）と、ロータ（図示せず）とを有する。各相コイル巻線６５ｕ，６５ｖ，６５ｗのそれぞれの一端は中性点６７で互いに電気的に接続され、それぞれの他端はインバータ４０のＵ相、Ｖ相およびＷ相の上下アーム接続点とそれぞれ接続される。

電動機６０には、電動機状態を示す各種測定値Ｔｓを測定する種々のセンサ６９が設けられる。電動機測定値Ｔｓには、電動機制御に必要な電流（各相）、ロータ回転角等の他、電動機の動作環境を表わす温度、湿度（代表的には相対湿度）および気圧等が含まれる。

インバータ４０は、コンバータ２０によって可変制御される主回路電源電圧としての直流電圧ＶＨを、電動機６０を駆動制御するための交流電圧に変換する。

図２は、実施の形態１による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図２を参照して、各アームは、半導体スイッチング素子１００と、逆並列ダイオード１０１と、駆動制御部７０と、駆動回路８０とを含んで構成される。本実施の形態では、代表例として半導体スイッチング素子１００をＩＧＢＴにより構成するものとする。したがって、半導体スイッチング素子１００のオン・オフを含めコレクタ・エミッタ間の電流は、ゲート電圧Ｖｇに応答して制御される。

駆動制御部７０は、電圧検出部１０２と、アクティブゲートコントロール部７１と、レベル変換部１１９と、電圧加算部１２０とを含む。アクティブゲートコントロール部７１は、サージ制御目標設定部１０３と、電圧演算部１０４と、ＰＤ制御部１０５と、整流部１０６とを含む。駆動回路８０は、バッファ回路１２１とゲート抵抗１２２とを含む。

半導体スイッチング素子１００は、ゲート制御信号Ｓｇに応答してオン・オフされるスイッチング素子であり、特にターンオフ時には、主回路内の寄生インダクタンスのために、ハードスイッチングに伴う急激な電流の遮断に伴い端子間、図２の例ではコレクタ・エミッタ間にサージ電圧を発生する。以下、コレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅを単に端子間電圧Ｖｃｅとも称する。

電圧検出部１０２は、半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅを検出して、Ｖｃｅに従った電圧信号を発生する。後段のアクティブゲートコントロール部７１の構成に応じて、電圧検出部１０２の出力信号はアナログ信号あるいはデジタル信号となる。すなわち、アクティブゲートコントロール部７１の各要素については、ハードウェア（アナログ信号処理および複数ビットのデジタル信号処理を含む、以下同様）およびソフトウェアのいずれで構成することも可能である。

アクティブゲートコントロール部７１がアナログ回路で構成される場合には、電圧検出部１０２は、抵抗分割による分圧回路、差動増幅回路等により構成されて、端子間電圧Ｖｃｅに比例したアナログ電圧を出力する。分圧回路については、単純な抵抗分割による構成の他、寄生容量を考慮して周波数特性の良いＲＣ回路網により構成することができる。また、差動増幅回路を使用するとコモンモードノイズの低減を図ることができる。

一方、アクティブゲートコントロール部７１がデジタル回路またはソフトウェアにより構成される場合には、電圧検出部１０２は、上記分圧回路、差動増幅回路等とアナログ／デジタルコンバータとにより構成されて、端子間電圧Ｖｃｅを表わす複数ビットのデジタル信号を出力する。以下では、電圧検出部１０２の出力信号についても端子間電圧Ｖｃｅと表記する。

サージ制御目標設定部１０３は、電圧検出部１０２により検出された半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅおよびゲート制御信号Ｓｇに基づき主回路電源電圧ＶＨを取得するとともに、主回路電源電圧ＶＨに応じてサージ電圧の制御目標Ｖｍを設定する。具体的には、主回路電源電圧ＶＨの設計上の最大値に対応して、端子間電圧Ｖｃｅが半導体スイッチング素子１００の耐圧を超えないように制御目標Ｖｍを設定するとともに、主回路電源電圧ＶＨの低下時には制御目標Ｖｍについても低下させる。なお、サージ制御目標設定部１０３により主回路電源電圧ＶＨを取得する構成については、後程詳細に説明する。

電圧演算部１０４は、サージ制御目標設定部１０３によって設定されたサージ電圧の制御目標Ｖｍに対する電圧検出部１０２で検出されたコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅの偏差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｃｅ−Ｖｍ）を算出する。

ＰＤ制御部１０５は、電圧演算部１０４によって求められた偏差ΔＶの比例微分（ＰＤ）制御演算により、制御演算電圧Ｖｐｄを生成する。すなわち、ＰＤ制御部１０５における制御演算は、具体的には下記（１）式で示される。なお、（１）式において、ＧｐおよびＧｄは制御ゲインを示す。

Ｖｐｄ＝Ｇｐ・ΔＶ＋Ｇｄ・ｄΔＶ／ｄｔ …（１）
整流部１０６は、ＰＤ制御部１０５による制御演算電圧Ｖｐｄの正値のみを通過させることにより電圧修正量Ｖ１を算出する。すなわち、Ｖｐｄ＞０のときにはＶ１＝Ｖｐｄに設定される一方で、Ｖｐｄ≦０のときはＶ１＝０とされる。これにより、アクティブゲートコントロール部７１による電圧修正量Ｖ１は、半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオフを妨げる方向にのみ設定される。

レベル変換部１１９は、半導体スイッチング素子１００のオン・オフを指示するデジタル信号であるゲート制御信号Ｓｇの電圧を変換してゲート制御電圧Ｖ０を発生する。ゲート制御電圧Ｖ０は、半導体スイッチング素子１００のオン指示時には、半導体スイッチング素子１００を導通させるためのオン用電圧Ｖｄｄに設定される一方で、半導体スイッチング素子１００のオフ指示時には、半導体スイッチング素子１００を遮断させるためのオフ用電圧Ｖｓｓ（Ｖｄｄ＞Ｖｓｓ）に設定される。

電圧加算部１２０は、レベル変換部１１９が出力するゲート制御電圧Ｖ０と、アクティブゲートコントロール部７１による電圧修正量Ｖ１との和に従って、制御電圧Ｖｃを発生する。

バッファ回路１２１は、入力された制御電圧Ｖｃに対応するゲート電圧Ｖｇを低インピーダンスで出力するエミッタフォロワ等の電力増幅回路で構成される。すなわち、本実施の形態では、Ｖｇ＝Ｖｃであり、半導体スイッチング素子１００のゲート電圧は、制御電圧Ｖｃにより制御される。

次に図３を用いて、実施の形態１による半導体電力変換装置でのアクティブゲートコントロールの動作を説明する。

図３を参照して、ゲート制御信号Ｓｇがオンレベルからオフレベルに遷移するターンオフ時（時刻ｔ１）には、ゲート電圧Ｖｇは、ゲート制御電圧Ｖ０（図２）がオフ用電圧Ｖｓｓに設定されるのに伴い降下を始める。

ゲート制御信号Ｓｇに従う半導体スイッチング素子１００のターンオフに伴い、端子間電圧Ｖｃｅは上昇を始める。制御演算電圧Ｖｐｄは、ターンオフ開始時（時刻ｔ１）では、偏差ΔＶ＝−Ｖｍに制御ゲインＧｐを乗じた値（−Ｇｐ・Ｖｍ）であるが、端子間電圧Ｖｃｅの上昇に伴い上昇する。そして、端子間電圧Ｖｃｅが制御目標Ｖｍ近傍となると、Ｖｐｄ＞０となる。特に、微分制御を組合わせることにより、端子間電圧Ｖｃｅが制御目標値ｍを超える前に、Ｖｐｄ＞０とすることができる。

制御演算電圧Ｖｐｄ＞０となると、整流部１０６が出力する電圧修正量Ｖ１＝Ｖｐｄに設定されて制御電圧Ｖｃがオフ用電圧Ｖｓｓから修正されるので、ゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわちターンオフ速度を低下させる方向にゲート電圧Ｖｇを修正するアクティブゲートコントロールが開始される。

アクティブゲートコントロールによりゲート電圧Ｖｇが上昇することにより、端子間電圧Ｖｃｅは降下する。これに伴い制御演算電圧Ｖｐｄも低下するため。再び整流部１０６が出力する電圧修正量Ｖ１＝０となり、ゲート電圧Ｖｇは、オフ用電圧Ｖｓｓに向かって降下していく。

この結果、半導体スイッチング素子１００のターンオフ時において、端子間電圧Ｖｃｅが、主回路電源電圧ＶＨに応じて設定された制御目標Ｖｍ程度に抑制されるように、端子間電圧Ｖｃｅのフィードバックによるアクティブゲートコントロールを実行することが可能となる。

これにより、半導体スイッチング素子１００のターンオフ時のサージ電圧を、主回路電源電圧ＶＨに対応して設定された制御目標Ｖｍに制御できる。さらに、主回路電源電圧ＶＨが変更された際にも、サージ制御目標設定部１０３により直ちに制御目標Ｖｍを変更することができるので、制御目標値が固定的に設定される場合と比較して、特に、主回路電源電圧が低い範囲でもアクティブゲートコントロールを適切に作動させて、端子間電圧Ｖｃｅにサージや電圧振動が発生することを防止できる。

また、整流部１０６を設けることにより、端子間電圧Ｖｃｅ（サージ電圧）が制御目標Ｖｍに達していない期間では、フィードバック制御を作用させることなく、バッファ回路１２１によりゲート電圧Ｖｇをオフ用電圧Ｖｓｓに向けて速やかに変化させることができる。これにより、アクティブゲートコントロールの実行により、スイッチング電力損失（ターンオフ損失）が無用に増大することを防止できる。

次に、サージ制御目標設定部１０３が主回路電源電圧ＶＨの取得するための構成について説明する。

図４は、図２に示したサージ制御目標設定部１０３のうちの、主回路電源電圧ＶＨを取得するための構成を説明するブロック図である。

図４を参照して、サージ制御目標設定部１０３は、遅延部１３１と、サンプル・ホールド部１３２と、パルス微分部１３３とを有する。

遅延部１３１は、電圧検出部１０２によって検出された端子間電圧Ｖｃｅを所定時間遅延させたＶｃｅ♯を出力する。パルス微分部１３３は、ゲート制御信号Ｓｇに基づいて、半導体スイッチング素子１００のターンオン指令発生時、すなわちゲート制御信号Ｓｇがオフレベルからオンレベルへ遷移する時点にパルスＰｇを出力する。

サンプル・ホールド部１３２は、パルス微分部１３３によるパルスＰｇの発生時に、遅延された端子間電圧Ｖｃｅ♯をサンプリングすることによって主回路電源電圧ＶＨを取得する。

図５は、図４に示した電圧検出部の動作を説明する波形図である。
図５を参照して、ゲート制御信号Ｓｇは、半導体スイッチング素子１００のオン・オフ指令に従いオフレベルおよびオンレベルに交互に設定される。パルスＰｇは、パルス微分部１３３により、ゲート制御信号Ｓｇのオフレベルからオンレベルへの遷移時にワンショット状に発生される。

ゲート制御信号Ｓｇ♯は、図２の半導体スイッチング素子１００と直列に、主回路電源電圧ＶＨが印加される電源線間に接続される１対の半導体スイッチング素子（図示せず）のオン・オフを指示する信号である。具体的には、図１のインバータ４０では、ゲート制御信号ＳｇおよびＳｇ♯は、同一相の上下アーム（たとえば、アーム５０−１および５０−２）の半導体スイッチング素子のオン・オフ制御信号にそれぞれ対応する。したがって、ゲート制御信号Ｓｇ♯は、ゲート制御信号ＳｇおよびＳｇ♯の両方がオフレベルに設定されるデッドタイムＴｄを確保した上で、ゲート制御信号Ｓｇと相補的にオンレベルまたはオフレベルに設定される。

ゲート制御信号Ｓｇ♯がオンレベルであり、かつ、ゲート制御信号Ｓｇがオフレベルである期間には、主回路電源電圧ＶＨが印加される電源線間にターンオフ状態の半導体スイッチング素子１００が接続される。したがって、当該期間における半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅは、主回路電源電圧ＶＨと同等である。

したがって、図４に示した遅延部１３１による遅延時間をデッドタイムＴｄに相当する時間に設定することにより、半導体スイッチング素子１００のターンオン時に、パルスＰｇに応答して、遅延部１３１により遅延された端子間電圧Ｖｃｅ♯をサンプリングすることにより、上記期間における端子間電圧Ｖｃｅ、すなわち、主回路電源電圧ＶＨを得ることができる。

図５に示されるように、半導体スイッチング素子１００がターンオンされるたびに、サンプル・ホールド部１３２により主回路電源電圧ＶＨが取得され、取得された主回路電源電圧ＶＨに応じてサージ電圧の制御目標Ｖｍが設定される。これにより、主回路電源電圧ＶＨの変更に追従して、ターンオフ時のアクティブゲートコントロールにおけるサージ電圧の制御目標Ｖｍを変更することができる。

特に、図４の構成とすることにより、主回路電源電圧ＶＨを駆動制御部７０の外部から得る場合には高価な絶縁部品が必要となるのに比較して、半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅのサンプリングに基づき、絶縁部品の使用が不要な安価な回路構成により、サージ電圧の制御目標Ｖｍを適切に設定するのに必要な主回路電源電圧ＶＨを検出することが可能となる。

［実施の形態２］
実施の形態２では、半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅの時間微分値である電圧変化率について制御目標を定めることにより、直接的に電圧変化率を制限することを可能とするアクティブゲートコントロールについて説明する。

図６は、本発明の実施の形態２による半導体電力変換装置における各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図６を参照して、実施の形態２によるスイッチング制御構成では、駆動制御部７０は、図１でのアクティブゲートコントロール部７１に代えて、電圧微分部１０７と、電圧上昇率制御目標設定部１１０およびアクティブゲートコントロール部７２と、電圧降下率制御目標設定部１１５およびアクティブゲートコントロール部７３とを含む。アクティブゲートコントロール部７１と同様に、電圧微分部１０７ならびにアクティブゲートコントロール部７２，７３の各要素についても、ハードウェアおよびソフトウェアのいずれで構成することも可能である。

電圧微分部１０７は、電圧検出部１０２によって検出された端子間電圧Ｖｃｅの時間微分値である、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔを算出する。

電圧上昇率制御目標設定部１１０は、電圧上昇時における電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔ（＞０）の制御目標ｄＶｕ（＞０）を設定する。したがって、制御目標ｄＶｕは。電圧上昇率制御目標に相当する。

同様に、電圧降下率目標設定部１１５は、電圧降下時における電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔ（＜０）の制御目標ｄＶｅ（＜０）を設定する。したがって、制御目標ｄＶｅは。電圧降下率制御目標に相当する。

アクティブゲートコントロール部７２は、電圧演算部１１１と、増幅部１１２と、整流部１１３とを含む。

電圧演算部１１１は、電圧上昇率制御目標ｄＶｕに対する電圧微分部１０７により算出された電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔの偏差ΔｄＶｕ（ΔｄＶｕ＝ｄＶｃｅ／ｄｔ−ｄＶｕ）を算出する。増幅部１１２は、所定の制御ゲイン（増幅ゲイン）により偏差ΔｄＶｕを増幅した電圧を出力する。整流部１１３は、増幅部１１２の出力電圧の正値のみを通過させることにより電圧修正量Ｖ２を算出する。それ以外のとき、すなわち増幅部１１２の出力が０または負電圧のときには、電圧修正量Ｖ２＝０に設定される。

したがって、アクティブゲートコントロール部７２による電圧修正量Ｖ２は、電圧上昇時における電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが制御目標ｄＶｕを超えたときに、半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオフを妨げる方向にのみ設定される。

同様に、アクティブゲートコントロール部７３は、電圧演算部１１６と、増幅部１１７と、整流部１１８とを含む。

電圧演算部１１６は、電圧降下率制御目標ｄＶｌ（＜０）に対する電圧微分部１０７により算出された電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔの偏差ΔｄＶｌ（ΔｄＶｌ＝ｄＶｃｅ／ｄｔ−ｄＶｌ）を算出する。増幅部１１７は、所定の制御ゲイン（増幅ゲイン）により偏差ΔｄＶｕを増幅した電圧を出力する。整流部１１８は、増幅部１１２の出力電圧の負値のみを通過させることにより電圧修正量Ｖ３を算出する。それ以外のとき、すなわち増幅部１１２の出力が０または正電圧のときには、電圧修正量Ｖ３＝０に設定される。

したがって、アクティブゲートコントロール部７３による電圧修正量Ｖ３は、電圧降下時における電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔ（＜０）の絶対値が制御目標ｄＶｌ（＜０）の絶対値を超えたときに（｜ｄＶｃｅ／ｄｔ｜＞｜ｄＶｌ｜）、半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを降下させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオンを妨げる方向にのみ設定される。

そして、電圧加算部１２０は、レベル変換部１１９が出力するゲート制御電圧Ｖ０と、アクティブゲートコントロール部７２による電圧修正量Ｖ２（Ｖ２＞０）と、アクティブゲートコントロール部７３による電圧修正量Ｖ３（Ｖ３＜０）との和に従って、制御電圧Ｖｃを発生する。バッファ回路１２１は、制御電圧Ｖｃに従い半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを駆動する。

図７には、実施の形態２による半導体電力変換装置でのアクティブゲートコントロールの動作を説明する波形図が示される。

図７を参照して、半導体スイッチング素子１００のターンオフの際（時刻ｔ４前後）には、サージ電圧の発生を伴って端子間電圧Ｖｃｅが上昇するのに伴い、電圧微分部１０７の出力である電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが正値となる。そして、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧上昇率制御目標ｄＶｕを超えると、偏差ΔｄＶｕが正となる。電圧修正量Ｖ２は、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧上昇率制御目標ｄＶｕを超える期間中はＶ２＞０に設定され、それ以外の期間ではＶ２＝０に設定される。

ターンオフ時には、端子間電圧Ｖｃｅの大きな降下は発生しないため、通常、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧降下率制御目標ｄＶｌを下回ることはない。すなわち、ｄＶｃｅ／ｄｔ＞ｄＶｌであるため、偏差ΔｄＶｌが常に正となり、電圧修正量Ｖ３＝０に固定される。

したがって、半導体スイッチング素子１００のターンオフ時には、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧上昇率制御目標ｄＶｕを超える期間において、電圧修正量Ｖ２がゲート電圧を上昇させる方向に設定される。これにより、制御電圧Ｖｃがゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオフ速度を低下させて、端子間電圧Ｖｃｅの上昇率を緩和する方向にゲート電圧Ｖｇを修正するアクティブゲートコントロールが実行される。

一方、半導体スイッチング素子１００のターンオンの際（時刻ｔ５前後）には、端子間電圧Ｖｃｅが降下するのに伴い、電圧微分部１０７の出力である電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが負値となる。そして、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔ（＜０）が電圧降下率制御目標ｄＶｌ（＜０）よりも低くなると、偏差ΔｄＶｌが負となる。電圧修正量Ｖ３は、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧降下率制御目標ｄＶｌよりも低くなる期間中はＶ３＜０に設定され、それ以外の期間ではＶ３＝０に設定される。

ターンオン時には、端子間電圧Ｖｃｅの大きな上昇は発生しないため、通常、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧上昇率制御目標ｄＶｕを超えることはない。すなわち、ｄＶｃｅ／ｄｔ＜ｄＶｕであるため、偏差ΔｄＶｕが常に負となり、電圧修正量Ｖ２＝０に固定される。

したがって、半導体スイッチング素子１００のターンオン時には、電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが電圧降下率制御目標ｄＶｌよりも低下（｜ｄＶｃｅ／ｄｔ｜＞｜ｄＶｌ｜）する期間において、電圧修正量Ｖ３がゲート電圧を低下させる方向に設定される。これにより、制御電圧Ｖｃがゲート電圧Ｖｇを低下させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオン速度を低下させて、端子間電圧Ｖｃｅの降下率を緩和する方向にゲート電圧Ｖｇを修正するアクティブゲートコントロールが実行される。

このように、実施の形態２による半導体電力変換装置では、端子間電圧Ｖｃｅの電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）を逐次算出するとともに、この電圧変化率が電圧上昇率制御目標ｄＶｕ〜電圧上昇率制御目標ｄＶｌの範囲から外れたときには、現在の端子間電圧の変化を妨げる方向に制御電圧Ｖｃ、すなわちゲート電圧Ｖｇを修正するアクティブゲートコントロールを実行できる。したがって、端子間電圧Ｖｃｅの電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）を所定の制御目標範囲内に収めるように直接的にアクティブゲートコントロールを実行できる。

この結果、半導体スイッチング素子１００の端子間電圧Ｖｃｅの電圧変化率が過大となることを直接的に防止できるので、電動機６０での巻線間の部分放電による絶縁破壊の発生防止、および、電圧変化率（ｄｖ／ｄｔ）の抑制によるＥＭＩ対策を確実に行なうことが可能となる。

ここで、部分放電の発生は電動機６０の動作環境に左右され、特に、温度、湿度（相対湿度）および気圧について、高温時、高湿度時、および低気圧（高地）の環境下では、部分放電が発生し易いことが知られている。

したがって、センサ６９（図１）による電動機測定値Ｔｓに温度、湿度（相対湿度）および気圧が含まれるようにして、図６中に点線で示されるように、制御目標ｄＶｕを設定する電圧上昇率制御目標設定部１１０および制御目標ｄＶｕを設定する電圧降下率目標設定部１１５に電動機測定値Ｔｓを伝達する。そして、制御目標ｄＶｕおよび制御目標ｄＶｌの少なくとも一方について、温度、湿度（相対湿度）および気圧の少なくとも１つに応じて可変に設定する構成とすることが好ましい。

具体的には、高温時、高湿度時、および低い気圧（高地での使用時）といった、部分放電が発生し易い動作環境下では、制御目標ｄＶｕ（＞０）および制御目標ｄＶｌ（＜０）の絶対値が相対的に小さくなるように設定すればよい。すなわち、電動機６０で部分放電が発生し易い環境下では、電圧変化率の制限範囲を厳しくする一方で、部分放電が発生し難い環境下では、電圧変化率の制限範囲を緩和することが好ましい。これにより半導体スイッチング素子１００でのスイッチング電力損失を無用に増大させることなく、電動機６０での部分放電による絶縁破壊の発生を防止することができる。

なお、実施の形態２によるスイッチング制御構成は、実施の形態１に従う構成とは異なり、主回路電源電圧ＶＨの情報を得ることなく、端子間電圧の電圧変化率が所定範囲内に抑えられるように、半導体スイッチング素子１００のターンオンおよびターンオフを制御することができる。したがって、実施の形態２による各アームのスイッチング制御構成は、図１に示した構成でのインバータ４０のみならず、図１の構成からコンバータ２０を省略して、半導体電力変換装置であるインバータ４０への入力電圧、すなわち主回路電源電圧が一定である構成においても適用することができる。すなわち、図８に示すような、インバータ４０に対して平滑コンデンサ３０を介して直流電源１０からの出力電圧Ｖｂが主回路電源電圧として与えられる構成の半導体電力変換装置を構成する半導体スイッチング素子についても、実施の形態２に従うアクティブゲートコントロールを適用することができる。

［実施の形態２の変形例］
なお、実施の形態２に従うアクティブゲートコントロールを図１に示した構成に適用されるインバータ（半導体電力変換装置）４０に適用する場合には、実施の形態１および２によるアクティブゲートコントロールを組合わせることも可能である。

図９は、実施の形態２の変形例による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図９を参照して、実施の形態２の変形例によるスイッチング制御構成では、図６に示した実施の形態２によるスイッチング制御構成と比較して、駆動制御部７０は、図１と同様のアクティブゲートコントロール部７１と、最大値設定部１１４とをさらに含むように構成される。最大値設定部１１４についても、ハードウェアおよびソフトウェアのいずれで構成することも可能である。

アクティブゲートコントロール部７１は、実施の形態１で説明したように、主回路電源電圧ＶＨに応じて設定されたサージ電圧の制御目標Ｖｍを端子間電圧Ｖｃｅが超えたときに、半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを上昇させる方向、すなわち半導体スイッチング素子１００のターンオフを妨げる方向に電圧修正量Ｖ１を設定する。

最大値設定部１１４は、アクティブゲートコントロール部７１および７２のそれぞれからの電圧修正量Ｖ１およびＶ２のうちの最大値を出力する。

電圧加算部１２０は、レベル変換部１１９が出力するゲート制御電圧Ｖ０と、最大値設定部１１４により出力された電圧修正量Ｖ１およびＶ２のうちの最大値（＞０）と、アクティブゲートコントロール部７３による電圧修正量Ｖ３（Ｖ３＜０）との和に従って、制御電圧Ｖｃを発生する。バッファ回路１２１は、制御電圧Ｖｃに従い半導体スイッチング素子１００のゲート電圧Ｖｇを駆動する。

このような構成とすることにより、実施の形態２の変形例による半導体電力変換装置では、主回路電源電圧ＶＨに対応した制御目標を超えたサージ電圧（端子間電圧Ｖｃｅ）の上昇、および、所定の制御目標範囲を超えた過大な電圧変化率の発生のいずれをも防止するように、実施の形態１および実施の形態２を組合せた態様にて、半導体スイッチング素子のアクティブゲートコントロールを行なうことが可能となる。

［実施の形態３］
図１０は、実施の形態２の変形例による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図１０を参照して、実施の形態３によるスイッチング制御構成では、図６に示した実施の形態２によるスイッチング制御構成と比較して、駆動制御部７０は、切換スイッチ１０８，１０９をさらに含むように設けられる。切換スイッチ１０８，１０９についても、ハードウェアおよびソフトウェアのいずれで構成することも可能である。

切換スイッチ１０８は、電圧演算部１１１への入力を、電圧微分部１０７の出力する電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔとグランドレベル（ＧＮＤ）との間で切換える。切換スイッチ１０８により電圧演算部１１１へ電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが入力されるとき（図１０のＩ側）、アクティブゲートコントロール部７２は、実施の形態２で説明したのと同様のフィードバック制御により、電圧修正量Ｖ２を生成する。

一方、切換スイッチ１０８により電圧演算部１１１へグランドレベル（ＧＮＤ）が入力されるとき（図１０のＩＩ側）には、固定的に電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔ＝０であるのと等価な状態になり、アクティブゲートコントロール部７２による電圧修正量Ｖ２＝０に固定される。すなわち、アクティブゲートコントロール部７２が強制的に非作動とされるのと等価である。

同様に、切換スイッチ１０９は、電圧演算部１１６への入力を、電圧微分部１０７の出力する電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔとグランドレベル（ＧＮＤ）との間で切換える。これにより、アクティブゲートコントロール部７３は、切換スイッチ１０９により電圧演算部１１６へ電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔが入力されるとき（図１０のＩＩ側）には、実施の形態２と同様に電圧修正量Ｖ３を生成する一方で、切換スイッチ１０８により電圧演算部１１６へグランドレベル（ＧＮＤ）が入力されるとき（図１０のＩ側）には、強制的に非作動とされるのと等価となり、電圧修正量Ｖ３＝０に固定される。

切換スイッチ１０８および１０９は、現在のゲート制御信号Ｓｇのレベルに応じて制御される。

具体的には、ゲート制御信号Ｓｇがオフレベルに設定される半導体スイッチング素子１００のオフ時には、ターンオフ時において急激な端子間電圧の上昇が懸念される一方で、急激な電圧降下に対処する必要性は低い。したがって、切換スイッチ１０８，１０９をＩ側に制御して、端子間電圧Ｖｃｅの電圧上昇率を制御目標内に制御するためにアクティブゲートコントロール部７２を作動させる一方で、アクティブゲートコントロール部７３を非作動（Ｖ３＝０に固定）する。これにより、半導体スイッチング素子１００のオフ時には不要である電圧降下率の制限のためのアクティブゲートコントロールを中止して、これに伴うスイッチング電力損失の発生を防止できる。

一方、ゲート制御信号Ｓｇがオンレベルに設定される半導体スイッチング素子１００のオン時には、ターンオン時において急激な端子間電圧の降下が懸念される一方で、急激な電圧上昇に対処する必要性は低い。したがって、切換スイッチ１０８，１０９をＩＩ側に制御して、端子間電圧Ｖｃｅの電圧降下率を制御目標内に制御するためにアクティブゲートコントロール部７３を作動させる一方で、アクティブゲートコントロール部７２を非作動（Ｖ２＝０に固定）する。これにより、半導体スイッチング素子１００のオン時には不要である電圧上昇率の制限のためのアクティブゲートコントロールを中止して、これに伴うスイッチング電力損失の発生を防止できる。

このような構成とすることにより、半導体スイッチング素子１００のターンオフ時およびターンオン時の双方において、適切な方向（上昇または降下）で電圧変化率の増大を抑えるようにアクティブゲートコントロールを実施できる。特に、半導体スイッチング素子のオン・オフに応じて制限する電圧変化方向を選択することで、素子保護の観点から抑制の必要性が低い方向の電圧変動に対してはアクティブゲートコントロールを中止することにより、無用なスイッチング電力損失の増加を避けることが可能となる。

［実施の形態３の変形例］
実施の形態３によるスイッチング制御構成は、実施の形態２に従う構成と同様に、主回路電源電圧ＶＨが可変に制御される図１のインバータ（半導体電力変換装置）４０、および、主回路電源電圧ＶＨが一定である図８のインバータ（半導体電力変換装置）４０のいずれにも適用することができる。そして、実施の形態３によるスイッチング制御構成についても、実施の形態２に従う構成と同様に、図１のインバータ４０に適用する場合には、実施の形態１および３によるアクティブゲートコントロールを組合わせたスイッチング制御構成とすることも可能である。

図１１は、実施の形態３の変形例による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図１１を参照して、実施の形態３の変形例によるスイッチング制御構成では、図１０に示した実施の形態３によるスイッチング制御構成と比較して、駆動制御部７０は、図１と同様のアクティブゲートコントロール部７１と、最大値設定部１１４とをさらに含むように構成される。

アクティブゲートコントロール部７１の動作は実施の形態１で説明したとおりであり、かつ、最大値設定部１１４および電圧加算部１２０の動作についても、実施の形態２の変形例で説明したとおりであるので、詳細な説明は繰返さない。

このような構成とすることにより、実施の形態３の変形例による半導体電力変換装置では、実施の形態３による効果に加えて、主回路電源電圧ＶＨに対応した制御目標を超えたサージ電圧（端子間電圧Ｖｃｅ）の上昇についても防止するように、実施の形態１および実施の形態３を組合せた態様にて、半導体スイッチング素子のアクティブゲートコントロールを行なうことが可能となる。

［実施の形態４］
図１２は、実施の形態４による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。

図１２を参照して、実施の形態４によるスイッチング制御構成では、図２に示した実施の形態１によるスイッチング制御構成に加えて、素子温度検出部１４１および制御パラメータ変更部１４２が設けられる。素子温度検出部１４１および制御パラメータ変更部１４２についても、ハードウェアおよびソフトウェアのいずれで構成することも可能である。

素子温度検出部１４１は、たとえば、半導体スイッチング素子１００に組み込まれた温度センサ（図示せず）からの信号に基づき、半導体スイッチング素子１００の素子温度Ｔｓｗを出力する。制御パラメータ変更部１４２は、素子温度検出部１４１からの素子温度Ｔｓｗに基づき、ＰＤ制御部１０５でＰＤ制御演算に用いられる、式（１）中の制御ゲインＧｐおよびＧｄを可変に設定する。図１２に示したスイッチング制御構成のその他の部分の構成および動作は、図２に示したのと同様であるのでその説明は繰返さない。

図１３に示されるように、半導体スイッチング素子１００の端子間電圧の電圧変化率ｄＶｃｅ／ｄｔの絶対値は、素子温度以外の条件が同一である下では、素子温度Ｔｓｗの上昇に応じて小さくなりし、素子温度Ｔｓｗの低下に応じて大きくなる。すなわち，低温時には、相対的に電圧変化率が大きくなり、サージ電圧が大きくなり易い。

このため、図１４に示すように、素子温度Ｔｓｗに応じて制御ゲインＧｐ，Ｇｄを変更して、アクティブゲートコントロールによるフィードバック制御ゲインを、低温時に相対的に高め、かつ、高温時に相対的に低くする。

このような構成とすることにより、低温時には、端子間電圧Ｖｃｅの変化に対するアクティブゲートコントロールによるゲート電圧修正量を相対的に大きくして過大な電圧変動の発生を防止する。一方、半導体スイッチング素子の応答性が低下して電圧変化が相対的に緩やかになる高温時には、アクティブゲートコントロールによるゲート電圧修正量を相対的に小さくして、過度の制御により半導体スイッチング素子でのスイッチング電力損失が増大することを防止できる。

なお、素子温度検出部１４１および制御パラメータ変更部１４２によって変更される制御パラメータとして、ＰＤ制御部１０５での制御ゲインを説明したのは一例に過ぎず、アクティブゲートコントロールに関連する他の制御パラメータについても、半導体スイッチング素子の素子温度に応じて可変に設定してもよい。たとえば、実施の形態２（図６）等で説明した増幅部１１２，１１７での増幅ゲインについても同様に、図１４で説明したように、高温時に相対的に小さく、かつ、高温時に相対的に大きい値とすることにより、上記と同様の効果を得ることが可能である。

あるいは、図２等に点線で示すようにサージ制御目標設定部１０３に素子温度Ｔｓｗを伝達する構成として、サージ電圧の制御目標Ｖｍについても、半導体スイッチング素子の素子温度に応じて可変に設定してもよい。具体的には、電圧変動（ｄＶｃｅ／ｄｔ）が大きい低温時には、サージ電圧の制御目標Ｖｍを相対的に低く設定することにより、低温時にサージ電圧が過大となることを効果的に予防できるとともに、高温時に過度のアクティブゲートコントロールによりスイッチング電力損失が増大することを防止できる。

このように、実施の形態４によるスイッチング制御構成は、実施の形態１〜３の構成と適宜組合わせて、主回路電源電圧ＶＨが可変に制御される図１のインバータ（半導体電力変換装置）４０、および、主回路電源電圧ＶＨが一定である図８のインバータ（半導体電力変換装置）４０のいずれにも適用することができる。

以上説明した本実施の形態では、本発明に係る半導体電力変換装置として電動機を駆動制御するインバータを例示したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ、昇圧チョッパ、スイッチングモードアンプなどのいわゆるハードスイッチングを行なう半導体スイッチング素子を含んだ構成の半導体電力変換装置のスイッチング制御について、本発明の適用が可能である。

さらに、半導体スイッチング素子についても、本実施の形態ではＩＧＢＴを例示したが、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等の他の電圧駆動型スイッチング素子に対しても、本発明によるスイッチング制御構成を適用できる。また、駆動回路８０（図２等）において、バッファ回路１２１を制御電圧Ｖｃに応じた駆動電流を制御電極（ベース）へ供給するように構成すれば、電力用バイポーラトランジスタ等の電流駆動型スイッチング素子により構成された半導体電力変換装置についても本発明によるスイッチング制御構成を適用できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１による半導体電力変換装置の構成例を示す回路図である。 実施の形態１による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 実施の形態１による半導体電力変換装置でのアクティブゲートコントロールの動作を説明する波形図である。 図２に示した電圧検出部の構成例を示すブロック図である。 図４に示した電圧検出部の動作を説明する波形図である。 実施の形態２による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 実施の形態２による半導体電力変換装置でのアクティブゲートコントロールの動作を説明する波形図である。 本発明の実施の形態２によるアクティブゲートコントロールを適用可能な半導体電力変換装置の構成例を示す回路図である。 実施の形態２の変形例による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 実施の形態３による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 実施の形態３の変形例による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 実施の形態４による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成を説明するブロック図である。 半導体スイッチング素子の電圧変化率の温度特性を説明する概念図である。 実施の形態４による半導体電力変換装置の各アームのスイッチング制御構成における制御ゲインの設定を説明する概念図である。

符号の説明

５ 電力変換システム、１０ 直流電源、２０ コンバータ、３０ 平滑コンデンサ、３５ 平滑コイル、４０ インバータ、５０，５０−１〜５０−６ アーム、６０ 電動機、６５ｕ，６５ｖ，６５ｗ 各相コイル巻線、６７ 中性点、６９ センサ、７０ 駆動制御部、７１，７２，７３ アクティブゲートコントロール部、８０ 駆動回路、１００ 半導体スイッチング素子、１０１ 逆並列ダイオード、１０２ 電圧検出部、１０３ サージ制御目標設定部、１０４ 電圧演算部、１０５ ＰＤ制御部、１０６ 整流部、１０７ 電圧微分部、１０８，１０９ 切換スイッチ、１１０ 電圧上昇率制御目標設定部、１１１、１１６ 電圧演算部、１１２，１１７ 増幅部、１１３，１１８ 整流部、１１４ 最大値設定部、１１５ 電圧降下率制御目標設定部、１１５ 電圧降下率目標設定部、１１９ レベル変換部、１２０ 電圧加算部、１２１ バッファ回路、１２２ ゲート抵抗、１３１ 遅延部、１３２ サンプル・ホールド部、１３３ パルス微分部、１４１ 素子温度検出部、１４２ 制御パラメータ変更部、ｄＶｃｅ／ｄｔ 電圧変化率、ｄＶｌ 電圧降下率制御目標、ｄＶｕ 電圧上昇率制御目標、Ｇｐ，Ｇｄ 制御ゲイン、Ｓｇ ゲート制御信号、Ｔｄ デッドタイム、Ｔｓ 電動機測定値、Ｔｓｗ 素子温度、Ｖ０ ゲート制御電圧、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ 電圧修正量（アクティブゲートコントール）、Ｖｃ 制御電圧、Ｖｃｅ 端子間電圧（コレクタ・エミッタ間電圧）、Ｖｄｄ オン用電圧、Ｖｇ ゲート電圧、ＶＨ 主回路電源電圧、Ｖｍ 制御目標（サージ電圧）、Ｖｐｄ 制御演算電圧、Ｖｓｓ オフ用電圧、ΔｄＶｌ 偏差（電圧上昇率）、ΔｄＶｕ 偏差（電圧降下率）、ΔＶ 偏差（サージ電圧）。

Claims (15)

1. 可変制御される主回路電源電圧を電圧変換する半導体電力変換装置であって、
   制御電極の電圧または電流に応答して第１および第２の電極間の電流を制御する半導体スイッチング素子と、
   前記半導体スイッチング素子のオンおよびオフを指示する制御信号に従って、前記半導体スイッチング素子を導通させるための第１の電圧および前記半導体スイッチング素子を遮断させるための第２の電圧の範囲内で制御電圧を設定する駆動制御部と、
   前記駆動制御部により設定された前記制御電圧に従って、前記制御電極の前記電圧または電流を駆動する駆動回路とを備え、
   前記駆動制御部は、
   前記第１および第２の電極の電極間電圧を検出する電圧検出部と、
   前記半導体スイッチング素子のターンオフ時に前記第１および第２の電極間に発生するサージ電圧の制御目標を、前記主回路電源電圧に応じて可変に設定するためのサージ制御目標設定部と、
   前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧が前記制御目標を超えたときに、前記電極間電圧に基づく電圧修正量により、前記制御電圧を前記第１の電圧へ近付ける側に修正するための第１のアクティブゲートコントロール部とを含む、半導体電力変換装置。
2. 前記第１のアクティブゲートコントロール部は、前記制御目標に対する前記電極間電圧の偏差に基づく制御演算を行なうとともに、制御演算結果が正値であるときに前記制御演算結果に従って前記電圧修正量を設定する一方で、前記制御演算結果が負値であるときには前記電圧修正量を実質的に零に設定する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
3. 前記第１のアクティブゲートコントロール部は、比例微分制御により前記制御演算を行なう、請求項２記載の半導体電力変換装置。
4. 前記サージ制御目標設定部は、前記半導体スイッチング素子のオフ期間であって、かつ、前記主回路電源電圧が印加される電源線間に前記半導体スイッチング素子が電気的に接続される期間における前記電圧検出部の検出電圧に基づいて、前記制御目標を設定する、請求項１記載の半導体電力変換装置。
5. 前記駆動制御部は、
   前記電極間電圧の上昇時における時間微分値である電圧上昇率の制御目標を設定する電圧上昇率制御目標設定部と、
   前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧上昇率が前記制御目標を超えたときに、前記制御目標に対する前記電圧上昇率の偏差に応じた電圧修正量だけ前記制御電圧を前記第１の電圧へ近付けるように修正するための第２のアクティブゲートコントロール部と、
   前記第１および前記第２のアクティブゲートコントロール部による電圧修正量のうちの大きいほうの電圧分だけ、前記制御電圧を前記第１の電圧へ近付けるように修正するための調整部とをさらに含む、請求項１記載の半導体電力変換装置。
6. 前記駆動制御部は、
   前記電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定する電圧降下率制御目標設定部と、
   前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧降下率が前記制御目標を超えたときに、前記制御目標に対する前記電圧降下率の偏差に応じた電圧修正量だけ前記制御電圧を前記第２の電圧へ近付けるように修正するための第３のアクティブゲートコントロール部とをさらに含む、請求項５記載の半導体電力変換装置。
7. 前記駆動制御部は、
   前記制御信号に応じて、前記第２および前記第３のアクティブゲートコントロール部の一方を選択的に作動させるための選択部をさらに含み、
   前記選択部は、前記半導体スイッチング素子のターンオフ時には前記第２のアクティブゲートコントロール部を作動させる一方で、前記半導体スイッチング素子のターンオン時には前記第３のアクティブゲートコントロール部を作動させる、請求項６記載の半導体電力変換装置。
8. 前記駆動制御部は、前記電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定する電圧降下率制御目標設定部と、
   前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧降下率が前記制御目標を超えたときに、前記制御目標に対する前記電圧降下率の偏差に応じた電圧修正量だけ前記制御電圧を前記第２の電圧へ近付けるように修正するための第３のアクティブゲートコントロール部とをさらに含む、請求項１記載の半導体電力変換装置。
9. 前記電圧上昇率制御目標設定部または前記電圧降下率制御目標設定部は、前記半導体電力変換装置によって駆動制御される電動機の温度、気圧、および相対湿度の少なくとも１つに基づき前記制御目標を可変に設定する、請求項５から８のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
10. 前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
    前記第１から前記第３のアクティブゲートコントロール部のうちの少なくとも１つにおいて、前記制御電圧の電圧修正量を求めるための制御演算に用いられる制御パラメータを前記温度検出部により検出された素子温度に応じて可変に設定するための制御パラメータ変更部とをさらに備える、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
11. 制御電極の電圧に応答して第１および第２の電極間の電流を制御する半導体スイッチング素子と、
    前記半導体スイッチング素子のオンおよびオフを指示する制御信号に従って、前記半導体スイッチング素子を導通させるための第１の電圧および前記半導体スイッチング素子を遮断させるための第２の電圧の範囲内で制御電圧を設定する駆動制御部と、
    前記駆動制御部により設定された前記制御電圧に従って、前記制御電極の前記電圧または電流を駆動する駆動回路とを備え、
    前記駆動制御部は、
    前記第１および第２の電極の電極間電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電極間電圧の変化時における時間微分値である電圧変化率の制御目標を設定する電圧変化率制御目標設定部と、
    前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧変化率が前記制御目標を超えたときに、現在の前記電極間電圧の変化を妨げる方向に前記制御電圧を修正するためのアクティブゲートコントロール部とを含む、半導体電力変換装置。
12. 前記電圧変化率制御目標設定部は、前記電極間電圧の上昇時における時間微分値である電圧上昇率の制御目標を設定し、
    前記アクティブゲートコントロール部は、前記半導体スイッチング素子のターンオフ時に、前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧上昇率が前記制御目標を超えたときに、前記制御電圧を前記第２の電圧から前記第１の電圧へ近付けるように修正する、請求項１１記載の半導体電力変換装置。
13. 前記電圧変化率制御目標設定部は、前記電極間電圧の降下時における時間微分値である電圧降下率の制御目標を設定し、
    前記アクティブゲートコントロール部は、前記半導体スイッチング素子のターンオン時に、前記電圧検出部により検出された前記電極間電圧に基づき、前記電圧降下率が前記制御目標を超えたときに、前記制御電圧を前記第１の電圧から前記第２の電圧へ近付けるように修正する、請求項１１記載の半導体電力変換装置。
14. 前記電圧変化率制御目標設定部は、前記半導体電力変換装置によって駆動制御される電動機の温度、気圧、および相対湿度の少なくとも１つに基づき前記制御目標を可変に設定する、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
15. 前記半導体スイッチング素子の温度を検出する温度検出部と、
    前記アクティブゲートコントロール部における前記制御電圧の電圧修正量を求めるための制御演算に用いられる制御パラメータを、前記温度検出部により検出された素子温度に応じて可変に設定するための制御パラメータ変更部とをさらに備える、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。

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