JP2009253484A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体スイッチング素子を過電圧から保護するため、電圧クランプ回路を用いるが、一定電圧にクランプする方式では、スイッチング損失が大きく、装置が大型で、高価になる課題がある。
【解決手段】ＩＧＢＴのゲートとコレクタ間に、複数の定電圧ダイオードと逆素子ダイオードの直列回路を接続し、さらに何れかの定電圧ダイオードと並列にコンデンサを接続し、ターンオフ時のクランプ電圧を電流が大きい時には低く、電流が小さくなるにつれて徐々に高くし、最終的には素子耐圧の許容値以下に電圧クランプする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴ等の半導体素子を用いた半導体電力変換装置において、これら半導体素子をオン及びオフ制御するために設けられるゲート駆動回路に関し、特にターンオフ時に半導体素子に印加される過電圧を効果的に抑制するための回路方式に関する。

図５に、従来の技術を用いた半導体電力変換装置の一例を示す。図５の半導体電力変換装置は、ダイオード２ａを逆並列接続したＩＧＢＴ１ａとダイオード２ｂを逆並列接続したＩＧＢＴ１ｂとを直列に接続し、各ＩＧＢＴのゲートにはゲート駆動回路３ａ、３ｂが各々接続されている。実際の装置では本回路構成を複数個並列接続して使用され、ＩＧＢＴ１ａ、１ｂを交互にオン、オフさせることにより、コンデンサ６の直流電力を交流電力や別の直流電力へと変換する。端子７を出力とする方式と、端子７からの交流又は直流の電力を直流電力としてコンデンサ６へ変換する場合もある。ＩＧＢＴ１ａ、１ｂには、それぞれゲート駆動回路３ａ、３ｂが接続され、図示しない制御装置によって演算されたオン／オフ信号に基づいて、半導体素子１ａ、１ｂをオン又はオフに制御するゲート信号を出力する。
次に、ゲート駆動回路３ａ、３ｂの構成を図６に示す。この回路は、特許文献１に記載されているゲート駆動回路である。図５のゲート駆動回路は、ＩＧＢＴ１ａのコレクタ・ゲート間に定電圧ダイオード４ａとダイオード５との直列回路からなる過電圧保護回路、トランジスタなどからなるドライブ回路９、ゲート駆動回路の正側電源１０、負側電源１１、制御信号入力端子１２で構成される。図示しない半導体電力変換装置の制御装置からオン信号又はオフ信号が、制御信号入力端子１２に入力され、ドライブ回路９によって、ＩＧＢＴ１ａのゲート・エミッタ間に正側電源１０の正電圧又は負側電源１１の負電圧を印加する。正電圧を印加した場合にはＩＧＢＴ１ａをオン、負電圧を出力した場合には、ＩＧＢＴ１ａをオフさせるように制御される。

ここで、ＩＧＢＴ１ａのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧が定電圧ダイオード４ａの定電圧レベル以上になると、定電圧ダイオード４ａとダイオード５を経由してゲート電流Ｉｇが流れるように動作する。これは、例えば次のような場合に動作させるものとしている。図５の半導体電力変換装置において、ＩＧＢＴ１ａがオン状態からオフ状態に変化する時に、コンデンサ６→ＩＧＢＴ１ａ→ＩＧＢＴ１ｂ→コンデンサ６の経路の配線インダクタス成分と電流減少率によって決まる電圧がコンデンサ６の電圧に重畳され、ＩＧＢＴ１ａに印加される。この電圧は配線インダクタンスが大きい場合やスイッチング速度が高速の場合には、耐圧以上の電圧（過電圧）がＩＧＢＴに印加されることになり、ＩＧＢＴ１ａを故障に至らせる可能性がある。
この解決のため、このような過電圧が印加された場合には、定電圧ダイオード４ａ、ダイオード５を介してゲートに電流を流すことにより、ゲート電圧が閾値レベルとなるようなゲート電流Ｉｇ（通常のターンオフ動作時より少ないＩｇ）で、ゆっくりとターンオフさせることで過大な電圧が印加されるのを防止する。この定電圧ダイオードとダイオード５で構成された過電圧抑制回路が動作した時の素子電圧電流波形を図７に示す。コレクタ電流Ｉｃの減少率を小さくすることにより、コレクタ電圧Ｖｃｅの電圧上昇分が低く抑えられていることが判る。ここで、ダイオード５はドライブ回路９からＩＧＢＴ１ａにオン信号を与えた時、コレクタ側に不必要に電流が流れ出すことを防止するために設けている。
特開平７−１７０６５４号公報

半導体素子には、図８に示すような安全動作領域があり、この動作領域内で使用することが必要である。特に図８（ｂ）のような動作領域を持つ半導体素子の場合、この過電圧抑制回路の動作電圧レベルをＶ１にすると、Ｉｃ１以上の電流では、Ｖ１までの耐圧が無いため、半導体素子の破壊を引起こす可能性がある。また、過電圧抑制回路の動作電圧レベルをＶ２とすると、Ｖ１までの耐圧特性を利用することができないばかりか、図９に示すグラフのように、半導体素子の発生損失（電圧×電流）が増える。この課題解決のためは、半導体素子の数を増やす必要があり、コストアップ、大型化の要因となるという課題がある。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサと、で構成する。
第２の発明においては、半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサとスイッチとの直列回路と、で構成する。

第1の発明においては、半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサと、で構成し、ターンオフ時、電流が大きい領域では素子への印加電圧を低く抑え、電流が小さくなるにつれて徐々に高くしているため、低損失で、半導体素子の安全動作領域を充分に活用した過電圧保護回路を構成することができる。
また、第２の発明においては、半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサとスイッチとの直列回路と、からなる構成とし、半導体素子に流れる電流値に応じて、スイッチをオンオフさせることにより、低損失で、半導体素子の安全動作領域を充分に活用した過電圧保護回路を構成することができる。

本発明の要点は、半導体素子の制御端子と主端子との間に複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサと、で構成し、ターンオフ時、電流が大きい領域では素子への印加電圧を低く抑え、電流が小さくなるにつれて徐々に高くする能動型の電圧クランプ回路を接続し、ターンオフ時、低損失で、半導体素子の安全動作領域を充分に活用した過電圧保護回路を構成することである。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。図１は、図５の電力変換回路及び図６に示すゲート駆動回路に、定電圧ダイオード４ｂ、４ｃ、コンデンサ１３、抵抗１４を付加した構成である。
図１に示すゲート駆動回路の動作図を図２に示す。ＩＧＢＴ１ａがオン状態で電流を流している時に、図示していない制御装置から制御信号入力端子１２にオフ信号が入力されると、ゲート電流Ｉｇが負となりＩＧＢＴ１ａをオフ状態にしようとする。この時、ＩＧＢＴ１ａを流れる電流が減少し、この電流減少率とコンデンサ６→ＩＧＢＴ１ａ→ＩＧＢＴ１ｂ→コンデンサ６の経路の配線インダクタスによって決まる電圧がコンデンサ６の電圧に重畳されてＩＧＢＴ１ａに印加される。このＩＧＢＴ１ａに印加される電圧Ｖｃｅが、定電圧ダイオード４ａ、４ｂによって決まる定電圧レベルＶ２に到達すると、ＩＧＢＴ素子の電圧Ｖｃｅの上昇率とコンデンサ１３によって決まる電流Ｉｇ１が、ＩＧＢＴ１ａのゲートに流れ出し、ＩＧＢＴ素子の電圧Ｖｃｅの電圧上昇率が抑制される。
この時、コンデンサ１３の電圧は徐々に上昇する。さらに素子電圧が上昇し、定電圧ダイオード４ａ〜４ｃで決まる定電圧レベルＶ１に到達すると、Ｉｇ１よりも大きい電流Ｉｇ２がＩＧＢＴ１ａのゲートに流れる。この結果、ゲート電位を閾値レベルに保つようなゲート電流Ｉｇとなり、ＩＧＢＴ電圧の上昇を抑制することになる。

以上の動作によって、ＩＧＢＴ１ａの特性を充分利用したオフ状態への移行が可能となり、ＩＧＢＴ１ａで発生する損失が低減可能となる。
本実施例では、２直列の定電圧ダイオードと、１個のコンデンサと定電圧ダイオードの並列回路の構成を示したが、これら定電圧ダイオードの直列数、コンデンサと定電圧ダイオードの並列回路数は、半導体素子の特性や装置使用条件に応じて決まることは言うまでもない。

図３に、本発明の第２の実施例を示す。図３は、図５の電力変換回路及び図６に示すゲート駆動回路に、定電圧ダイオード４ｂ、４ｃ、コンデンサ１３、抵抗１４、スイッチ１５、設定器１６、比較器１７、ラッチ回路１８、電流検出器１９を設けた構成である。
図３に示すゲート駆動回路の動作波形を図４に示す。ＩＧＢＴ１ａがオン状態でＩｃ１以上の電流を流している時に、図示していない制御装置から制御信号入力端子１２にオフ信号が入力されると、ゲート電流Ｉｇが負となりＩＧＢＴ１ａをオフ状態にしようとする。オフ信号が入力されると、電流検出器１９の電流値をラッチ回路１８で保持し、比較器１７で設定器１６と比較し、設定器１６以上の場合はスイッチ１５をオンとしてコンデンサ１３を回路に接続する。ここで、ラッチ回路１８はオン信号が入力されたときに解除するものとする。
この後、ＩＧＢＴ１ａを流れる電流が減少し、この電流減少率とコンデンサ６→ＩＧＢＴ１ａ→ＩＧＢＴ１ｂ→コンデンサ６の経路の配線インダクタスによって決まる電圧がコンデンサ６の電圧に重畳されてＩＧＢＴ１ａに印加される。このＩＧＢＴ１ａに印加される電圧Ｖｃｅが、定電圧ダイオード４ａ、４ｂによって決まる定電圧レベルＶ２に到達すると、ＩＧＢＴの電圧Ｖｃｅの上昇率とコンデンサ１３によって決まる電流Ｉｇ１が、ＩＧＢＴ１ａのゲートに流れ出し、ＩＧＢＴ電圧Ｖｃｅの電圧上昇率が抑制される。この時コンデンサ１３の電圧は徐々に上昇する。ＩＧＢＴ電圧が上昇し、定電圧ダイオード４ａ〜４ｃで決まる定電圧レベルＶ１に到達すると、Ｉｇ１よりも大きい電流Ｉｇ２がＩＧＢＴ１ａのゲートに流れる。この結果、ゲート電位を閾値レベルに保つようなゲート電流Ｉｇとなり、ＩＧＢＴの電圧上昇を抑制する。

次にＩＧＢＴ１ａがオン状態でＩｃ１以下の電流を流している時に、図示していない制御装置から制御信号入力端子１２にオフ信号が入力されると、ゲート電流Ｉｇが負となりＩＧＢＴ１ａをオフ状態にしようとする。この時、電流値が設定器１６以下のためスイッチ１５がオフとなり、コンデンサ１３が回路から切離される。この後、ＩＧＢＴ１ａを流れる電流が減少し、この電流減少率とコンデンサ６→ＩＧＢＴ１ａ→ＩＧＢＴ１ｂ→コンデンサ６の経路の配線インダクタスによって決まる電圧がコンデンサ６の電圧に重畳されてＩＧＢＴ１ａに印加される。このＩＧＢＴ１ａに印加される電圧Ｖｃｅが、定電圧ダイオード４ａ〜４ｃによって決まる定電圧レベルＶ１に到達すると、Ｉｇ１よりも大きい電流Ｉｇ２がＩＧＢＴ１ａのゲートに流れる。この結果、ゲート電位を閾値レベルに保つようなゲート電流Ｉｇとなり、ＩＧＢＴ電圧の上昇を抑制することになる。
以上の動作によって、ＩＧＢＴ１ａの特性を充分活用したオフ状態への移行が可能となり、ＩＧＢＴ１ａで発生する損失が低減可能となる。
本実施例では、２直列の定電圧ダイオードと、１個のコンデンサとスイッチとの直列回路と定電圧ダイオードとの並列回路との直列構成を示したが、これら定電圧ダイオードの直列数、コンデンサ、スイッチと定電圧ダイオードの並列回路数は、半導体素子の特性や装置使用条件に応じて決まることは言うまでもない。

尚、上記実施例には定電圧ダイオードを直列接続した例を示したが、定電圧ダイオードの代わりにアバランシェダイオード使用しても実現可能である。

本発明は、半導体スイッチング素子を低損失で、安全動作領域内で安全にオンオフスイッチングさせることができる駆動技術であり、各種電源装置、電動機駆動装置、系統連系装置などへの適用が可能である。

本発明の第1の実施例を示す回路図である。 図1の動作波形図である。 本発明の第２の実施例を示す回路図である。 図３の動作波形図である。 電力変換装置の回路例を示す。 従来のゲート駆動回路図を示す。 図６の構成による動作波形図を示す。 半導体素子（ＩＧＢＴ）の安全動作領域を示す。 従来技術を説明するための動作波形図を示す。

符号の説明

１ａ、１ｂ・・・ＩＧＢＴ ２ａ、２ｂ、５・・・ダイオード
３ａ、３ｂ・・・ゲート駆動回路 ４ａ、４ｂ、４ｃ・・・定電圧ダイオード
６、１３・・・コンデンサ ７・・・端子 ９・・・ドライブ回路
１０・・・正側電源 １１・・・負側電源
１２・・・制御信号入力端子 １４・・・抵抗
１５・・・スイッチ １６・・・設定器 １７・・・比較器
１８・・・ラッチ回路 １９・・・電流検出器

Claims (5)

1. 半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、
   前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサと、からなることを特徴とした電力変換装置。
2. 半導体素子の制御端子と主端子の一方に接続され、前記半導体素子をオン及びオフ制御する駆動回路と、前記半導体素子の制御端子と主端子の他方との間に接続され、前記半導体素子に過電圧が印加された時に、前記過電圧を所定値以下に抑制する能動型クランプ回路とを備えた電力変換装置において、
   前記能動型クランプ回路は、複数の定電圧クランプ用ダイオードと逆阻止ダイオードとの直列回路と、前記複数の定電圧クランプ用ダイオードの1個または複数個と並列接続したコンデンサとスイッチとの直列回路と、からなることを特徴とした電力変換装置。
3. 前記複数の定電圧クランプ用ダイオードとして、定電圧ダイオードを用いることを特徴とした請求項1又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数の定電圧クランプ用ダイオードとして、アバランシェダイオードを用いることを特徴とした請求項1又は２に記載の電力変換装置。
5. 前記コンデンサと並列に抵抗を接続することを特徴とした請求項１〜４に記載の電力変換装置。
   
   

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