JP2015115976A

JP2015115976A - ゲート駆動回路

Info

Publication number: JP2015115976A
Application number: JP2013253965A
Authority: JP
Inventors: 純一野村; Junichi Nomura
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2015-06-22

Abstract

【課題】過電流の検出から保護動作までの時間を短縮したゲート駆動回路を提供することにある。
【解決手段】ゲート駆動回路１ａは、駆動対象のスイッチング素子２ａに流れた過電流を検出する過電流検出器１７と、駆動対象でない他のスイッチング素子２ｂ〜２ｄに過電流が流れたことを示す遮断依頼信号Ｓｎを受信し、過電流検出器１７により過電流が検出された場合、又は遮断依頼信号Ｓｎを受信し、かつ駆動対象のスイッチング素子２ａがオンされていた場合、駆動対象のスイッチング素子２ａをターンオフするゲート電圧制御部１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路に関する。

一般に、電力変換装置は、ＭＯＳＦＥＴ(metal oxide semiconductor field-effect transistor)又はＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子を用いて構成される。

このような電力変換装置のスイッチング素子に過電流が流れた場合、マイクロコンピュータ（マイコン）で構成される制御回路などにより過電流を検出して、電力変換装置を保護停止させることが多い。また、同期させてオンオフ駆動する２つのＩＧＢＴで構成される半導体電力変換装置において、ＩＧＢＴのセンス電流を用いて、保護動作を行うことが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００９−１４８０３１号公報

しかしながら、マイコンなどで電流を検出して電力変換装置を保護停止させると、制御遅れにより過電流が過大になる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、過電流の検出から保護動作までの時間を短縮したゲート駆動回路を提供することにある。

本発明の観点に従ったゲート駆動回路は、駆動対象のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路であって、前記駆動対象のスイッチング素子に流れた過電流を検出する過電流検出手段と、駆動対象でない他のスイッチング素子に過電流が流れたことを示す過電流検出信号を受信する過電流検出信号受信手段と、前記過電流検出手段により過電流が検出された場合、又は前記過電流検出信号受信手段により前記過電流検出信号を受信し、かつ前記駆動対象のスイッチング素子がオンされていた場合、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフするターンオフ手段とを備える。

本発明によれば、過電流の検出から保護動作までの時間を短縮したゲート駆動回路を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。第１の実施形態に係るゲート駆動回路の構成を示す構成図。第１の本実施形態に係るゲート電圧制御部の異常時に動作する構成を示す構成図。本発明の第２の実施形態に係るゲート駆動回路の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力変換装置１０は、４つのゲート駆動回路１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ、４つのスイッチング素子２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ、４つのダイオード３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ、２つのコンデンサ４ａ，４ｂ、２つのリアクトル５ａ，５ｂ、及び制御装置６を備える。

２つのスイッチング素子２ａ，２ｂは、直列に接続されている。２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄは、直列に接続されている。スイッチング素子２ａ〜２ｄは、例えばＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子２ａ〜２ｄは、ＭＯＳＦＥＴでもよいし、その他の素子でもよい。一方の直列に接続された２つのスイッチング素子２ａ，２ｂと他方の直列に接続された２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄは、並列に接続されている。２つの正極側のスイッチング素子２ａ，２ｃのそれぞれの正極側は、直流電源の正極側に接続されている。２つの負極側のスイッチング素子２ｂ，２ｄのそれぞれの負極側は、直流電源の負極側に接続されている。

４つのダイオード３ａ〜３ｄは、それぞれ対応する４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄに逆並列に接続されている。コンデンサ４ａは、直列に接続された２つのスイッチング素子２ａ，２ｂと並列に接続されている。コンデンサ４ｂは、直列に接続された２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄと並列に接続されている。

リアクトル５ａは、直列に接続された２つのスイッチング素子２ａ，２ｂの接続点と接続されている。リアクトル５ｂは、直列に接続された２つのスイッチング素子２ｃ，２ｄの接続点と接続されている。２つのリアクトル５ａ，５ｂのスイッチング素子２ａ〜２ｄと接続されていない端子は、互いに接続されている。この２つのリアクトル５ａ，５ｂの接続点は、交流負荷と接続されている。

４つのゲート駆動回路１ａ〜１ｄは、４つのスイッチング素子２ａ〜２ｄにそれぞれ対応して設けられている。ゲート駆動回路１ａ〜１ｄは、それぞれゲート電圧（ゲート信号）を出力することによりスイッチング素子２ａ〜２ｄを駆動する。ゲート駆動回路１ａ〜１ｄは、マイコンを用いない回路である。

制御装置６は、コンピュータ（マイコン）を用いて構成されている。制御装置６は、各スイッチング素子２ａ〜２ｄをオン及びオフするためのゲート信号を各ゲート駆動回路１ａ〜１ｄに出力する。これにより、制御装置６は、電力変換装置１０の出力電力を制御する。

図２は、本実施形態に係るゲート駆動回路１ａの構成を示す構成図である。なお、４つのゲート駆動回路１ａ〜１ｄは、いずれも同様に構成されているため、ここでは、主に１つのゲート駆動回路１ａについて説明する。

ゲート駆動回路１ａは、コンデンサ１１、切替スイッチ１２、２つのゲート抵抗１３，１４、２つの直流電源１５，１６、過電流検出器１７、及びゲート電圧制御部１８を備える。

直流電源１５の負極端子は、スイッチング素子２ａのエミッタに接続されている。直流電源１５の正極端子は、ゲート抵抗１３及び切替スイッチ１２を順次に介してスイッチング素子２ａのゲートに接続されている。

直流電源１６の正極端子は、直流電源１５の負極端子及びスイッチング素子２ａのエミッタに接続されている。直流電源１６の負極端子は、ゲート抵抗１４及び切替スイッチ１２を順次に介してスイッチング素子２ａのゲートに接続されている。

切替スイッチ１２は、スイッチング素子２ａに印加するゲート電圧を切り替えるためのスイッチである。切替スイッチ１２は、ゲート電圧制御部１８から出力されるスイッチング信号Ｓｓｗに従って、切り替わる。スイッチング素子２ａをオンする場合は、切替スイッチ１２は、直流電源１５の正極端子に接続されているゲート抵抗１３を選択する。これにより、直流電源１５からスイッチング素子２ａのゲートに正極電圧が印加されることで、スイッチング素子２ａがターンオンする。スイッチング素子２ａをオフする場合は、切替スイッチ１２は、直流電源１６の負極端子に接続されているゲート抵抗１４を選択する。これにより、直流電源１６からスイッチング素子２ａのゲートに負極電圧が印加されることで、スイッチング素子２ａがターンオフする。

過電流検出器１７は、スイッチング素子２ａに流れる電流Ｉａの過電流を検出する。過電流検出器１７は、過電流を検出すると、自己のゲート駆動回路１ａのゲート電圧制御部１８及び他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄのそれぞれのゲート電圧制御部１８に、過電流検出信号Ｓａを出力する。他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄのゲート電圧制御部１８に出力された過電流検出信号Ｓａは、遮断依頼信号として扱われる。過電流検出器１７は、スイッチング素子２ａのコレクタ−エミッタ間の電圧（スイッチング素子２ａがＦＥＴ等の場合は、ドレイン−ソース間の電圧）が予め決められた値以上になると、過電流と判断する。この判断は、スイッチング素子２ａのコレクタ−エミッタ間の電圧とスイッチング素子２ａに流れる電流がほぼ比例することを利用するものである。なお、過電流検出器１７は、スイッチング素子２ａに流れた過電流を検出するものであれば、どのように構成してもよい。従って、電圧に限らず、電流等を検出してもよいし、これらの電気量を何処で検出してもよい。

ゲート電圧制御部１８は、制御装置６から出力されたゲート信号Ｓｇｔ、自己のゲート駆動回路１ａの過電流検出器１７から出力された過電流検出信号Ｓａ、及び他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄのそれぞれの過電流検出器１７から出力された遮断依頼信号（過電流検出信号）Ｓｎを受信する。ゲート電圧制御部１８は、受信したゲート信号Ｓｇｔ、過電流検出信号Ｓａ、及び遮断依頼信号Ｓｎに基づいて、切替スイッチ１２を切り替えるスイッチング信号Ｓｓｗを出力する。また、ゲート電圧制御部１８は、異常によりスイッチング素子２ａをターンオフする場合、これを制御装置６に知らせるための異常時制御信号Ｓｃを出力する。

正常時は、ゲート電圧制御部１８は、制御装置６から出力されたゲート信号Ｓｇｔに従って、切替スイッチ１２にスイッチング信号Ｓｓｗを出力する。これにより、制御装置６による制御に従って、スイッチング素子２ａが駆動する。

図３を参照して、異常時のゲート電圧制御部１８の動作について説明する。図３は、本実施形態に係るゲート電圧制御部１８の異常時に動作する構成を示す構成図である。

ゲート電圧制御部１８は、ＡＮＤ（論理積）回路１８１及びＯＲ（論理和）回路１８２を備える。

ＡＮＤ回路１８１には、遮断依頼信号Ｓｎ及びゲート信号Ｓｇｔが入力される。遮断依頼信号Ｓｎは、他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄの少なくとも１つの過電流検出器１７で過電流が検出された場合は「１」であり、そうでない場合は「０」である。ゲート信号Ｓｇｔは、スイッチング素子２ａをオンする場合は「１」であり、スイッチング素子２ａをオフする場合は「０」である。ＡＮＤ回路１８１は、遮断依頼信号Ｓｎとゲート信号Ｓｇｔの論理積を演算して、演算結果をＯＲ回路１８２に出力する。即ち、ＡＮＤ回路１８１は、他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄの少なくとも１つの過電流検出器１７で過電流が検出されており、かつゲート信号Ｓｇｔがオンを示している場合は、ＯＲ回路１８２に「１」を出力する。

ＯＲ回路１８２は、ＡＮＤ回路１８１による演算結果及び過電流検出器１７により検出された過電流検出信号Ｓａが入力される。ＯＲ回路１８２は、入力された２つの信号の論理和を演算する。ＡＮＤ回路１８１による演算結果が「１」であるか、過電流検出信号Ｓａが入力されている（過電流検出信号Ｓａが「１」である）場合、ＯＲ回路１８２による演算結果は、「１」になる。演算結果が「１」の場合、ＯＲ回路１８２は、スイッチング素子２ａを強制的にターンオフするターンオフ信号Ｓｏｆｆを出力するとともに、スイッチング素子２ａを強制的にターンオフすることを制御装置６に知らせるために、異常時制御信号Ｓｃを制御装置６に出力する。

ＯＲ回路１８２から出力されたターンオフ信号Ｓｏｆｆは、スイッチング素子２ａをターンオフするスイッチング信号Ｓｓｗとして、切替スイッチ１２に出力される。切替スイッチ１２は、ターンオフ信号Ｓｏｆｆを受信すると、ゲート抵抗１４を選択する。これにより、スイッチング素子２ａは、ターンオフする。一方、ＯＲ回路１８２から出力された異常時制御信号Ｓｃを制御装置６が受信すると、制御装置６は、ゲート信号Ｓｇｔを出力しないようにする。これにより、制御装置６から出力されたゲート信号Ｓｇｔにより、スイッチング素子２ａがターンオンしたり、ターンオフしたりしないようにする。また、ターンオフ信号Ｓｏｆｆが出力された場合、ゲート電圧制御部１８は、制御装置６から出力されたゲート信号Ｓｇｔを受け付けないようにする。

本実施形態によれば、スイッチング素子２ａ〜２ｄに過電流（故障電流）が流れた場合、コンピュータにより動作する制御装置６を介さずに、ゲート駆動回路１ａ〜１ｄでスイッチング素子２ａ〜２ｄをターンオフして、過電流を遮断するため、スイッチング素子２ａ〜２ｄの過電流による保護動作を迅速に実行することができる。従って、過電流の検出から保護動作までの時間を短縮することができる。これにより、コンピュータによる制御（例えば、制御装置６）を介した場合に、通信又は演算処理等の制御遅れにより過電流がさらに過大になることを避けることができる。

また、ゲート駆動回路１ａ〜１ｄは、駆動対象でない他のスイッチング素子２ａ〜２ｄの過電流でも、自己の駆動対象のスイッチング素子２ａ〜２ｄをターンオフすることで、一部のスイッチング素子に流れた過電流を迅速に遮断することができる。これにより、過電流による被害が電力変換装置１０の全体に及ぶのを防ぐことができる。

例えば、電力変換装置１０が高周波電源装置である場合、装置の内部インピーダンスが小さいため、出力端短絡などによる故障電流の遮断が遅れると、故障電流が過大になり易い。このような装置は、本実施形態を適用する装置として適している。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るゲート駆動回路１ａＡの構成を示す構成図である。

ゲート駆動回路１ａＡは、図２に示す第１の実施形態に係るゲート駆動回路１ａにおいて、ゲート抵抗１９を追加し、切替スイッチ１２を切替スイッチ１２Ａに変えたものである。また、第１の実施形態に係るその他のゲート駆動回路１ｂ〜１ｄも、本実施形態では、ゲート駆動回路１ａＡと同様の構成のものに置き換えている。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

切替スイッチ１２Ａは、第１の実施形態に係る切替スイッチ１２を、ゲート抵抗１３及びゲート抵抗１４に、ゲート抵抗１９を加えた３つの接点を選択できるようにしたものである。なお、切替スイッチ１２Ａは、３つを選択できるように構成されていれば、どのように構成されていてもよい。例えば、２つの接点を選択するスイッチを２つ組み合わせてもよい。

ゲート抵抗１９の一端は、直流電源１６の負極端子に接続されている。ゲート抵抗１９のもう一端は、切替スイッチ１２Ａを介してスイッチング素子２ａのゲートに接続されている。ゲート抵抗１９は、スイッチング素子２ａを強制的にターンオフするゲート電圧を出力するときに用いられる抵抗である。ゲート抵抗１９の抵抗値は、通常時にターンオフするときに用いられるゲート抵抗１４の抵抗値よりも大きい。これにより、スイッチング素子２ａを強制的にターンオフするときは、ソフトオフされる。

ゲート電圧制御部１８は、第１の実施形態と同様に、スイッチング素子２ａを強制的にターンオフするターンオフ信号Ｓｏｆｆ（強制的にターンオフすることを示すスイッチング信号Ｓｓｗ）を切替スイッチ１２Ａに出力する。切替スイッチ１２Ａは、ゲート電圧制御部１８からターンオフ信号Ｓｏｆｆを受信すると、ゲート抵抗１９を選択する。これにより、スイッチング素子２ａは、ターンオフする。このとき、スイッチング素子２ａは、ソフトオフすることにより、ターンオフ時に発生するサージ電圧が抑制される。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、強制的にターンオフするときに、スイッチング素子２ａをソフトオフするため、発生するサージ電圧を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…ゲート駆動回路、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…スイッチング素子、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…ダイオード、４ａ，４ｂ…コンデンサ、５ａ，５ｂ…リアクトル、６…制御装置、１０…電力変換装置

Claims

駆動対象のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路であって、
前記駆動対象のスイッチング素子に流れた過電流を検出する過電流検出手段と、
駆動対象でない他のスイッチング素子に過電流が流れたことを示す過電流検出信号を受信する過電流検出信号受信手段と、
前記過電流検出手段により過電流が検出された場合、又は前記過電流検出信号受信手段により前記過電流検出信号を受信し、かつ前記駆動対象のスイッチング素子がオンされていた場合、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフするターンオフ手段と
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。
前記ターンオフ手段は、前記駆動対象のスイッチング素子をソフトオフすること
を特徴とする請求項１に記載のゲート駆動回路。
前記ターンオフ手段により前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフするとき、前記駆動対象のスイッチング素子を駆動制御するゲート信号を出力する制御装置に、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフすることを示すターンオフ時信号を出力するターンオフ時信号出力手段
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のゲート駆動回路。
複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動する複数のゲート駆動回路を備え、
前記ゲート駆動回路は、
駆動対象のスイッチング素子に流れた過電流を検出する過電流検出手段と、
駆動対象でない他のスイッチング素子に過電流が流れたことを示す過電流検出信号を受信する過電流検出信号受信手段と、
前記過電流検出手段により過電流が検出された場合、又は前記過電流検出信号受信手段により前記過電流検出信号を受信し、かつ前記駆動対象のスイッチング素子がオンされていた場合、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフするターンオフ手段とを備えること
を特徴とする電力変換装置。
前記ターンオフ手段は、前記駆動対象のスイッチング素子をソフトオフすること
を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記複数のスイッチング素子を駆動制御するゲート信号を出力する制御装置と、
前記ターンオフ手段により前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフするとき、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフすることを示すターンオフ時信号を前記制御装置に出力するターンオフ時信号出力手段と、
を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電力変換装置。
駆動対象のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路の保護方法であって、
前記駆動対象のスイッチング素子に流れた過電流を検出し、
駆動対象でない他のスイッチング素子に過電流が流れたことを示す過電流検出信号を受信し、
前記駆動対象のスイッチング素子に流れた過電流が検出された場合、又は前記過電流検出信号を受信し、かつ前記駆動対象のスイッチング素子がオンされていた場合、前記駆動対象のスイッチング素子をターンオフすること
を含むことを特徴とするゲート駆動回路の保護方法。
前記ターンオフは、ソフトオフであること
を特徴とする請求項７に記載のゲート駆動回路の保護方法。
前記ターンオフするとき、前記駆動対象のスイッチング素子を駆動制御するゲート信号を出力する制御装置に、前記ターンオフすることを示すターンオフ時信号を出力すること
を含むことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のゲート駆動回路の保護方法。