JP2910907B2

JP2910907B2 - 半導体素子の駆動回路

Info

Publication number: JP2910907B2
Application number: JP31968594A
Authority: JP
Inventors: 智近井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1994-12-22
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH08182304A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体素子の駆動回
路に関するもので、特にゲートターンオフサイリスタ
（ＧＴＯ）、パワートランジスタ等の電流駆動型大容量
半導体素子の駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力変換装置をパワートランジスタによ
り構成した場合、ベース駆動路によるオンオフ動作は、
ゲートターンオフサイリスタ（以下、ＧＴＯという）の
場合の点弧・消弧動作と基本的に同様であるので、以下
ＧＴＯを用いた場合について説明する。

【０００３】図１３は、例えば特開平２−２８８７２７
号公報に示された従来のＧＴＯのゲート駆動回路の構成
を示すブロック図で、図１５は図１３のＧＴＯのゲート
電流の変化を示す波形図である。また、図１４は図１３
のブロック図を詳細に表した回路図である。

【０００４】図１４において、３は点弧用の直流電源、
４はこの直流電源３の＋側と接続されたゲート端子、５
は直流電源３の−側と接続されたカソード端子、６は直
流電源３とゲート端子４との間に接続された電流制限用
の第１の抵抗、７は長幅電流ＯＮ／ＯＦＦ用の第１のト
ランジスタで、第１の抵抗６とゲート端子４との間でエ
ミッタ側が第１の抵抗６に、また、コレクタ側がゲート
端子４にそれぞれ接続されている。８は定電流用の第２
のトランジスタで、エミッタ側が第１の抵抗６と直流電
源３との間に、また、コレクタ側が第１のトランジスタ
７のベース側に、また、ベース側が第２の抵抗９を介し
て第１の抵抗６と第１のトランジスタ７のエミッタ側と
の間にそれぞれ接続されている。

【０００５】１０は第１のトランジスタ７のベース電流
ＯＮ／ＯＦＦ用の第３のトランジスタで、コレクタ側が
第３の抵抗１１を介して第１のトランジスタ７のベース
側に、また、エミッタ側が直流電源３の−側に、また、
ベース側がＧＴＯのオンオフ指令の駆動入力端子１２に
それぞれ接続されている。そして、これら第１および第
２のトランジスタ７、８および、第１、第２および第３
の抵抗６、９、１１にてオンゲート長幅電流出力回路２
を構成している。

【０００６】１３は直流電源３の＋側とゲート端子４と
の間に第１の抵抗６と並列に接続された電流制限用の第
４の抵抗、１４はオーバドライブ用電流ＯＮ／ＯＦＦ用
の第４のトランジスタで第４の抵抗１３とゲート端子４
との間で、エミッタ側が第４の抵抗１３に、また、コレ
クタ側がゲート端子４にそれぞれ接続されている。１５
は定電流用の第５のトランジスタで、エミッタ側が第４
の抵抗１３と直流電源３との間に、また、コレクタ側が
第４のトランジスタ１４のベース側に、また、ベース側
が第５の抵抗１６を介して第４の抵抗１３と第４のトラ
ンジスタ１４のエミッタ側との間にそれぞれ接続されて
いる。

【０００７】１７は第４のトランジスタ１４のベース電
流ＯＮ／ＯＦＦ用の第６のトランジスタで、コレクタ側
が第６の抵抗１８を介して第４のトランジスタ１４のベ
ース側と、また、ベース側が一端を駆動入力端子１２と
接続されたオーバドライブ電流送出期間設定回路１９の
出力側に、また、エミッタ側が直流電源３の−側と第３
のトランジスタ１０のエミッタ側との間にそれぞれ接続
されている。そして、これら第４および第５のトランジ
スタ１４、１５および第４、第５および第６の抵抗１
３、１６、１８にてオンゲートオーバドライブ電流出力
回路１を構成している。

【０００８】２０は消弧用の直流電源、カソード端子５
は、直流電源２０の＋側に接続されている。２１はオフ
ゲート電流ＯＮ／ＯＦＦ用の第７のトランジスタで、コ
レクタ側のゲート端子４に接続されており、エミッタ側
は直流電源２０の−側に接続され、第７のトランジスタ
２１のＯＮ／ＯＦＦ指令は、ＧＴＯのオンオフ指令の駆
動入力端子１２からＮＯＴゲート２２を介して、第７の
トランジスタ２１のベースへと接続されている。消弧用
の直流電源２０およびＮＯＴゲート２２および第７のト
ランジスタ２１によりオフゲート直流出力回路２３を構
成している。

【０００９】次に上記のように構成された従来のＧＴＯ
ゲート駆動回路の動作について説明する。図１４におい
てオンゲートオーバドライブ電流出力回路１およびオン
ゲート長幅電流出力回路２はそれぞれ定電流回路を構成
しており、まず、駆動入力端子１２よりオン指令が導入
されると第３および第６のトランジスタ１０、１７を同
時にオンし、第１および第４のトランジスタ７、１４も
オンする。

【００１０】そして、第１のトランジスタ７がＯＮさ
れ、第１の抵抗６を流れる定電流Ｉｂすなわちオンゲー
ト長幅電流に、第４のトランジスタ１４がＯＮされ、第
４の抵抗１３を流れる定電流Ｉａが合計され、オンゲー
トオーバドライブ電流として、ゲート端子４に流れ込む
こととなる。

【００１１】次に、オーバドライブ電流送出期間設定回
路１９で設定された送出期間が終了すると、第６のトラ
ンジスタ１７がＯＦＦされ、第４のトランジスタ１４も
ＯＦＦされることとなり、ゲート端子４に流れ込む電流
は、オンゲート長幅電流のＩｂのみとなる。

【００１２】次に、駆動入力端子１２よりオフ指令が導
入されると、第３および第６のトランジスタ１０、１７
を同時にＯＦＦし、第１および第４のトランジスタ７、
１４もＯＦＦする。従って、点弧用直流電源３からゲー
ト端子４に接続されていた電気回路は切り離される。同
時に、オフ指令がＮＯＴゲート２２に入力されるとＮＯ
Ｔゲート２２の出力は、オン指令すなわち第７のトラン
ジスタ２１をＯＮさせる。

【００１３】この第７のトランジスタ２１がＯＮするこ
とにより、消弧用直流電源２０の＋側からカソード端子
５、ゲート端子４、第７のトランジスタ２１、消弧用直
流電源２０の−側へと電気回路が構成され、オフゲート
出力回路がＯＮする。この時、第７のトランジスタ２１
には図１５にあるようなオフゲート電流が流れ、ＧＴＯ
がＯＦＦするとこの電流は殆ど無くなる。オフ指令があ
れば、第７のトランジスタ２１はオンしてＧＴＯのゲー
ト、カソード間には消弧用電流電源２０の電圧が逆方向
に印加された状態となっている。従来のＧＴＯ駆動回路
は以上の動作をするので、ゲート電流ｉｇは図１５に示
すような電流を出力し、ＧＴＯの点弧・消弧を行ってい
る。

【００１４】また、一般的にオフゲート電流は、オンゲ
ートオーバドライブ電流とは比較にならないほどの大電
流が必要であり、立ち上がりのｄｉ／ｄｔの大きいもの
を必要とする。このことから、オフゲート電流をスイッ
チする第７のトランジスタ２１のインピーダンスは、小
さければ小さいほどよく、また、オフゲート回路の全体
のインピーダンスも小さいものがよい。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来のトランジスタや
ＧＴＯ等のゲート（トランジスタの場合はベースで、こ
れもゲートに含む）を有する半導体素子の駆動回路は、
以上のように構成されているので、半導体素子の点弧・
消弧に関しては、指令通り動作し特に問題はないと言え
る。しかし、半導体素子が劣化していることを判定する
手段はなく、半導体素子が破壊する以前に、未然にシス
テムを保護することができなかった。

【００１６】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたものであり、半導体素子が破損する以前に
劣化を検出し、未然にシステムを保護することができる
半導体素子の駆動回路を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】

（１）この発明に係る半導体スイッチの駆動回路は、ゲ
ートを有する半導体素子をオンオフ制御する半導体素子
の駆動回路において、上記半導体素子のオフゲート電流
通過後の逆電流に応じた信号を出力する検出手段と、こ
の出力信号に応じて上記半導体素子の良否を判定する判
定手段とを備えたものである。

【００１８】（２）また、検出手段は、半導体素子をオ
フ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイッチと、
この第１の半導体スイッチに並列接続された第２の半導
体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッチをオン
オフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体スイッチ
を上記オフ指令信号に基づいて上記半導体素子のオフゲ
ート電流を流がす期間オンとすると共に、第２の半導体
スイッチを上記オフ指令信号期間オンとし、上記オフゲ
ート電流通過後の第２の半導体スイッチの電流を逆電流
として検出するようにしたものである。

【００１９】（３）また、検出手段は、半導体素子をオ
フ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイッチと、
この第１の半導体スイッチに並列接続された第２の半導
体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッチをオン
オフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体スイッチ
を上記オフ指令信号に基づいて上記半導体素子のオフゲ
ート電流が流れる期間オンすると共に、第２の半導体ス
イッチを上記オフゲート電流通過後から上記オフ指令信
号のオフ迄の期間オンとし、上記オフゲート電流通過後
の第２の半導体スイッチの電流を逆電流として検出する
ようにしたものである。

【００２０】（４）また、検出手段は、半導体素子をオ
フ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイッチと、
この第１の半導体スイッチに並列接続された第２の半導
体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッチをオン
オフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体スイッチ
を上記オフ指令信号期間中、上記半導体素子のオフゲー
ト電流通過後の一時期のみオフとすると共にこの一時期
以外の期間はオンとし、第２の半導体スイッチを少なく
とも上記第１の半導体スイッチが一時期オフとする期間
はオンとし、上記一時期の期間に流れる第２の半導体ス
イッチの電流を逆電流として検出するようにしたもので
ある。

【００２１】（５）また、第２の半導体スイッチは、第
１の半導体スイッチよりも高インピーダンスの半導体ス
イッチとしたものである。

【００２２】（６）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチと抵抗体とを直列接続した直列体を、第１の半導
体スイッチに並列接続して構成すると共に、上記抵抗体
に流れる逆電流による電位差を検出する手段としたもの
である。

【００２３】（７）また、第２の半導体スイッチと抵抗
体との直列体のインピーダンスを、第１の半導体スイッ
チのインピーダンスより高くしたものである。

【００２４】（８）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチの温度に応動する温度スイッチを設け、この温度
スイッチのスイッチ動作を検出する手段としたものであ
る。

【００２５】（９）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチに流れる電流に応動する温度ヒューズ、温度ヒュ
ーズ付き抵抗、および、警報接点付きヒューズの内、い
ずれか一つのヒューズを挿入し、このヒューズの溶断動
作を検出する手段としたものである。

【００２６】（１０）また、検出手段は、第２の半導体
スイッチの電流を検出するホール素子を設け、このホー
ル素子の出力を検出する手段としたものである。

【００２７】（１１）また、検出手段は第２の半導体ス
イッチに流れる電流が、半導体素子の劣化と判定される
電流値を超えると定電流とする定電流回路を設けたもの
である。

【００２８】（１２）また、判定手段からの出力に応じ
て半導体素子の導通を阻止する阻止手段を設けたもので
ある。

【００２９】

【作用】

（１）この発明の半導体スイッチの駆動回路は、検出手
段で半導体素子のオフゲート電流通過後の逆電流に応じ
た信号を出力し、判定手段でこの出力信号に応じて上記
半導体素子の良否を判定する。

【００３０】（２）また、第１の半導体スイッチをオフ
指令信号に基づいて半導体素子のオフゲート電流を流が
す期間オンとすると共に、第２の半導体スイッチを上記
オフ指令信号期間オンとし、上記オフゲート電流通過後
の第２の半導体スイッチの電流を逆電流として検出す
る。

【００３１】（３）また、第１の半導体スイッチをオフ
指令信号に基づいて半導体素子のオフゲート電流が流れ
る期間オンすると共に、第２の半導体スイッチを上記オ
フゲート電流通過後から上記オフ指令信号のオフ迄の期
間オンとし、上記オフゲート電流通過後の第２の半導体
スイッチの電流を逆電流として検出する。

【００３２】（４）また、第１の半導体スイッチをオフ
指令信号期間中、半導体素子のオフゲート電流通過後の
一時期のみオフとすると共にこの一時期以外の期間はオ
ンとし、第２の半導体スイッチを少なくとも上記第１の
半導体スイッチが一時期オフとする期間はオンとし、上
記一時期の期間に流れる第２の半導体スイッチの電流を
逆電流として検出する。

【００３３】（５）また、第２の半導体スイッチは、第
１の半導体スイッチよりも高インピーダンスの半導体ス
イッチとする。

【００３４】（６）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチと抵抗体とを直列接続した直列体を、第１の半導
体スイッチに並列接続して構成すると共に、上記抵抗体
に流れる逆電流による電位差を検出する。

【００３５】（７）また、第２の半導体スイッチと抵抗
体との直列体のインピーダンスを、第１の半導体スイッ
チのインピーダンスより高くする。

【００３６】（８）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチの温度に応動する温度スイッチとし、この温度ス
イッチのスイッチ動作を検出する。

【００３７】（９）また、検出手段は、第２の半導体ス
イッチに流れる電流に応動する温度ヒューズ、温度ヒュ
ーズ付き抵抗、および、警報接点付きヒューズの内、い
ずれか一つのヒューズを挿入し、このヒューズの溶断動
作を検出する。

【００３８】（１０）また、検出手段は、第２の半導体
スイッチの電流を検出するホール素子とし、このホール
素子の出力を検出する。

【００３９】（１１）また、定電流回路は、第２の半導
体スイッチに流れる電流が、半導体素子の劣化と判定さ
れる電流値を超えると定電流とする。

【００４０】（１２）また、阻止手段は、判定手段から
の出力に応じて半導体素子の導通を阻止する。

【００４１】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図１に基づいて説
明する。図１はＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図で、
図において、３は点弧用直流電源、この電源の＋側から
並列にオンゲートオーバドライブ電流出力回路１、オン
ゲート長幅電流出力回路２が接続され、それがゲート端
子４につながっている。また、カソード端子５は、点弧
用直流電源３の−側につながり、ＧＴＯオン指令時の点
弧回路が構成される。

【００４２】２０は消弧用の直流電源、この電源の＋側
からカソード端子５に接続され、ゲート端子４から並列
接続された第１の半導体スイッチ２１ａおよび第２の半
導体スイッチ２１ｂを介して、消弧用の直流電源２０の
−側に接続されたＧＴＯオフ指令時の消弧回路が構成さ
れている。

【００４３】駆動入力端子１２からＯＮ／ＯＦＦ指令回
路２４を介して、ＯＮ指令をオンゲートオーバドライブ
電流出力回路１、オンゲート長幅電流出力回路２に送っ
ている。また、ＯＦＦ指令をＯＮ／ＯＦＦ制御回路２５
を介して第１の半導体スイッチ２１ａおよび第２の半導
体スイッチ２１ｂに送っている。第２の半導体スイッチ
２１ｂのドレイン・ソース間に第７の抵抗２７および第
１のコンデンサ２８が直列につながり、抵抗、コンデン
サの接続点から比較回路２６に接続され、その出力が劣
化信号出力端子２９につながっている。

【００４４】図２は、第１および第２の半導体スイッチ
のＯＮ／ＯＦＦ動作を示す図である。この図はＯＮ／Ｏ
ＦＦ指令信号と、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２５を介して第
１の半導体スイッチ２１ａおよび第２の半導体スイッチ
２１ｂに送られるＯＮ／ＯＦＦ指令、また、ＧＴＯのオ
ンオフ指令時のゲート電流の波形を示している。

【００４５】次に動作について説明する。まず、駆動入
力端子１２よりオン指令が導入されると、オンゲートオ
ーバドライブ電流出力回路１およびオンゲート長幅電流
出力回路２が動作する。ここでオンゲートオーバドライ
ブ電流送出期間の間、オンゲートオーバドライブ電流を
ゲート端子４に供給する。オンゲートオーバドライブ電
流送出期間が終わると、オンゲート長幅電流出力回路２
のみとなり、ゲート端子４に供給される電流はオンゲー
ト長幅電流だけが供給される。以上がオン指令時の動作
であり、この時のゲート電流の波形は図２のようにな
る。

【００４６】次に駆動入力端子１２よりオフ指令が導入
されると、同時に今までオンゲート長幅電流を供給して
いたオンゲート長幅電流出力回路２がオフする。また、
オフ指令は、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２５を介して第１の
半導体スイッチ２１ａおよび第２の半導体スイッチ２１
ｂをオンさせる。ここで第１の半導体スイッチは、第２
の半導体スイッチのインピーダンスより低いものを使用
しているため、オフゲート電流は、殆ど第１の半導体ス
イッチ２１ａを流れる。

【００４７】この時の電流の経路は、消弧用直流電源２
０の＋側からカソード端子５、ＧＴＯのカソードからゲ
ートそしてゲート端子４、第１の半導体スイッチ２１
ａ、消弧用直流電源２０の−側へと流れる。

【００４８】次にオフゲート電流が流れ終わるころに、
ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２５から第１の半導体スイッチ２
１ａをオフする信号を与える。この時、第２の半導体ス
イッチ２１ｂはオンしたままなので、逆電流ｉ_gaは第２
の半導体スイッチ２１ｂだけを流れることになる。第２
の半導体スイッチ２１ｂのオン抵抗Ｒ_DSにより、第２の
半導体スイッチのドレイン・ソース間には、Ｖ_DS＝ｉ_ga
×Ｒ_DSの電圧が発生する。この電圧は第７の抵抗２７お
よび第１のコンデンサ２８の時定数回路を介して、比較
回路２６に導入される。

【００４９】ここであらかじめ設定された基準電圧Ｖ
_REFと、比較回路２６に導入された電圧とを比較し、基
準電圧より電圧が高くなるとＧＴＯの劣化と判定し、劣
化信号出力端子２９に信号を送出する。基準電圧Ｖ_REF
は次のように設定されている。Ｖ_REF＝ｉ_gamax×Ｒ_DS ｉ_gamax：カタログに記載されている逆電流の最大値上記式から、逆電流ｉ_gaがｉ_gamaxを越えたことを検出
し、劣化信号出力端子２９に信号を送出している。

【００５０】前述した第７の抵抗２７および第１のコン
デンサ２８の時定数回路の役目について説明する。オフ
ゲート電流が第１の半導体スイッチ２１ａを流れる際
に、第１の半導体スイッチ２１ａのインピーダンスをい
くら小さくしているとは言え、オンゲート電流が非常に
大きいため、第１の半導体スイッチ２１ａのドレイン・
ソース間に電圧が生じる。この電圧は第２の半導体スイ
ッチ２１ｂのドレイン・ソース間に電圧が生じたのと同
じことであり、これが基準電圧Ｖ_REFより高くなると劣
化信号として検出してしまう。この誤検出を防止するた
めに時定数回路を入れ検出しないようにしている。

【００５１】このように第２の半導体スイッチ２１ｂの
そのものが持っているインピーダンスを利用し、流れる
電流を検出することができるため、１個の部品にてスイ
ッチと電流検出機能を兼ねることになり簡単な回路構成
で目的を達成することができる。従って、第１の半導体
スイッチ２１ａのインピーダンスをできるだけ低くし、
第２の半導体スイッチ２１ｂのインピーダンスをできる
だけ高くしたほうがよい。

【００５２】また、上記説明ではゲートを有する半導体
素子としてＧＴＯを用いたが、トランジスタやその他同
等の機能を有する半導体素子であればよい。以降の実施
例でもＧＴＯを用いているが、トランジスタやその他同
等の機能を有する半導体素子を用いてもよい。

【００５３】また、第１および第２の半導体スイッチは
ＦＥＴを用いている。これはトランジスタよりオン時の
抵抗が低いのでロスを軽減するために用いているが、ト
ランジスタやその他の半導体スイッチを用いてもよい。
以降の実施例においてもＦＥＴを用いているが、トラン
ジスタやその他の半導体スイッチを用いてもよい。

【００５４】実施例２．図３はこの発明の実施例２によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。３０は第８の抵抗であり第２の半導体スイッチ
２１ｂと消弧用直流電源２０の−側との間に接続されて
いる。また、第８の抵抗３０の両側に第７の抵抗２７お
よび第１のコンデンサ２８が直列につながり、抵抗２
７、コンデンサ２８の接続点から比較回路２６に接続さ
れている。

【００５５】次に動作について説明する。まず、基本的
な動作は実施例１と同様であるので、ここでは違いのあ
る逆電流ｉ_gaの検出について説明する。図２に示された
第１の半導体スイッチ２１ａがオフで第２の半導体スイ
ッチ２１ｂがオンの時、逆電流ｉ_gaが半導体スイッチ２
１ｂ、第８の抵抗３０を流れる。第８の抵抗をＲとする
と、抵抗の両端にｉ_ga×Ｒの電圧が発生する。逆電流ｉ
_gaが増加しｉ_gamaxを超えると、実施例１と同様に劣化
信号出力端子に信号を送出する。

【００５６】固定抵抗の両端に現れる電圧を検出してい
るため、環境温度の影響を受けない正確な検出が可能で
ある。なお、第８の抵抗３０は第２の半導体スイッチ２
１ｂのドレイン側に設けてもよい。

【００５７】実施例１では、第１の半導体スイッチ２１
ａのインピーダンスが第２の半導体スイッチ２１ｂのイ
ンピーダンスよりも低い方が、逆電流の検出性能が良好
であった。この実施例の場合は、実施例１のようにして
もよいが、第１の半導体スイッチ２１ａのインピーダン
スが、第２の半導体スイッチ２１ｂと第８の抵抗３０と
の直列体のインピーダンスより低くするようにすればよ
い。

【００５８】実施例３．図４はこの発明の実施例３によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。

【００５９】第９の抵抗３１および第１０の抵抗３２が
直列に接続され、第２の半導体スイッチ２１ｂと消弧用
直流電源２０の−側との間に接続されている。また、第
９の抵抗３１および第１０の抵抗３２の接続点から第８
のトランジスタ３３のベースへ接続され、第８のトラン
ジスタ３３のコレクタがベース２１ｂ、エミッタが消弧
用直流電源２０の−側に接続している。第２の半導体ス
イッチ２１ｂ、第９の抵抗３１、第１０の抵抗３２、第
８のトランジスタ３３により定電流回路を構成してい
る。

【００６０】次に動作について説明する。まず、基本的
な動作は実施例１と同様であるので、ここでは違いのあ
る逆電流検出および定電流回路の動作について説明す
る。図２に示された半導体スイッチ２１ａがオフで半導
体スイッチ２１ｂがオンの時、逆電流ｉ_gaが半導体スイ
ッチ２１ｂ、第９の抵抗３１および第１０の抵抗３２を
流れる。

【００６１】第９の抵抗３１の抵抗値をＲ₉、第１０の
抵抗３２の抵抗値をＲ₁₀とすると、２本直列の抵抗の両
端にｉ_ga×（Ｒ₉＋Ｒ₁₀）の電圧が発生する。逆電流ｉ
_gaが増加しｉ_gamaxを超えると、実施例２と同様に劣化
信号出力端子に信号を送出する。ここで、第９の抵抗３
１は、検出電圧レベルを高くするために挿入されている
抵抗である。

【００６２】次に逆電流ｉ_gaがｉ_gamaxを超えて増加す
ると、ｉ_gaは下記式（１）の値となる。ｉ_ga＝Ｖ_BE／Ｒ₁₀‥‥‥（１）Ｖ_BE：定電流用第８のトランジスタ３３のベース・エミ
ッタ間電圧Ｒ₁₀：第１０の抵抗３２の抵抗値

【００６３】このようにｉ_gaが上式（１）となると、定
電流用第８のトランジスタ３３がオンし、第２の半導体
スイッチ２１ｂをオフさせようとする。しかし、第２の
半導体スイッチ２１ｂがオフしかかるとドレイン電流す
なわち逆電流ｉ_gaが減少し、逆電流が減少すると定電流
用第８のトランジスタ３３がオフしかかるので、第２の
半導体スイッチ２１ｂがオンしかかることとなる。従っ
て、逆電流ｉ_gaは式（１）の値で一定の電流となる。

【００６４】この定電流化は、ＧＴＯの劣化が大きく、
逆電流が大きくなる条件下（ＧＴＯのカソードからゲー
トの逆方向インピーダンスの低下）にも設定した逆電流
ｉ_ga以上を流さないため、余分な電力消費がなくなる。

【００６５】実施例４．図５はこの発明の実施例４によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例３と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。第２の半導体スイッチ２１ｂの温度検出するた
め、放射板または半導体直接に温度スイッチ３４を取り
付け温度スイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号を比較回路２６へ
取り込む構成とする。

【００６６】次に動作について説明する。まず、基本的
な動作は実施例３と同様であるので違いのある温度スイ
ッチ３４の動作を中心に説明する。実施例３では、逆電
流ｉ_gaが増加したことを第９の抵抗３１および第１０の
抵抗３２の両端に発生する電圧を検出し、時定数回路
（第７の抵抗２７、第１のコンデンサ２８）を介して比
較回路２６に結果を送っていたが、本実施例では、電圧
検出は行わず第２の半導体スイッチ２１ｂの温度を検出
する。

【００６７】逆電流ｉ_gaが定電流になる迄は、第２の半
導体スイッチ２１ｂは、Ｒ_DS・ｉ_ga ² の電力消費を行っている。但し、Ｒ_DS：第２の半導体ス
イッチ２１ｂのオン抵抗

【００６８】しかし、逆電流がもっと大きくなる条件
下、即ち、ＧＴＯのカソードからゲートの逆方向インピ
ーダンスが低下した時、その低下分の抵抗値をＲとする
と第２の半導体スイッチ２１ｂの電力消費は、（Ｒ_DS＋
Ｒ）・ｉ_ga ²となる。逆方向インピーダンスが低くなれ
ばなるほど第２の半導体スイッチの電力消費は大きくな
る。

【００６９】この電力消費によって生じる温度により設
定した温度以上になると、温度スイッチ３４をオンさ
せ、比較回路に信号を送り、素子の劣化を検出する。こ
の実施例は、温度を検出するので検出回路は電気的に切
り離されており、ノイズ等により誤検出するといった問
題がない。

【００７０】なお、この実施例では第２の半導体スイッ
チに定電流回路を設けたが、定電流回路のない場合、例
えば、実施例１の図１の第２の半導体スイッチ２１ｂの
温度を温度スイッチ３４で検出するようにしてもよく、
また、実施例２の図３で、第２の半導体スイッチ２１ｂ
の温度、または、抵抗３０の温度を温度スイッチ３４で
検出するようにしてもよい。

【００７１】ただし、定電流回路を用いると、逆電流を
一定電流にすることにより、検出回路に消費する電流を
一定にし、半導体素子のカソードとゲート間のインピー
ダンスがより小さくなっても余分な消費電力の増加を防
止する効果がある。

【００７２】実施例５．図６はこの発明の実施例５によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。

【００７３】３５は温度ヒューズ付き抵抗であり、第２
の半導体スイッチ２１ｂとゲート端子４間に挿入されて
いる。次に動作について説明する。まず、基本的な動作
は実施例１と同様であるので、温度ヒューズ付き抵抗３
５の動作について説明する。

【００７４】温度ヒューズ付き抵抗３５の抵抗値をＲ₃₅
とし、この温度ヒューズ付き抵抗３５に逆電流ｉ_gaが流
れると、Ｒ₃₅・ｉ_ga ²の電力消費が発生する。逆電流ｉ
_gaの増加と共にこの電力が増大し温度は上昇する。温度
ヒューズの設定温度になると回路的にオープンとなる。
この現象を比較回路２６にて検出し、結果を劣化信号と
して送出する。

【００７５】この実施例は電気的なノイズの問題がな
く、時定数回路（図１に示す第７の抵抗２７、第１のコ
ンデンサ２８）が不要である。また、逆電流が大きくな
った時、回路的にオープンにするため余分な電力消費が
なくなる。

【００７６】なお、図６で第２の半導体スイッチ２１ｂ
に、実施例４の図５のような定電流回路を設けてもよ
い。この場合、温度ヒューズ付き抵抗３５が作動する電
流値よりも高い定電流値に設定し、それ以上電流か流れ
ないようにして消費電力の最大値を制限するようにして
用いる。

【００７７】なお、温度ヒューズ付き抵抗の代わりに、
単なる温度ヒューズを用いてもよい。この場合、温度ヒ
ューズを第２の半導体スイッチ２１ｂに抱き合わせて、
電流増加に伴う第２の半導体スイッチ２１ｂの温度上昇
を検知し、温度ヒューズを作動させるようにする。

【００７８】実施例６．図７はこの発明の実施例６によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。３６は警報接点付きヒューズであり、第２の半
導体スイッチ２１ｂとゲート端子４間に挿入されてい
る。

【００７９】次に動作について説明する。まず、基本的
な動作は実施例１と同様であるので、警報接点付きヒュ
ーズ３６の動作について説明する。逆電流ｉ_gaがヒュー
ズの定格電流を超えると、ヒューズがオープンとなり回
路をオープンにする。同時に、警報接点信号を比較回路
２６に送出し、その出力が劣化信号として送出される。

【００８０】この実施例は電気的なノイズの問題がな
く、時定数回路（図１に示す第７の抵抗２７、第１のコ
ンデンサ２８）が不要である。また、逆電流が大きくな
った時、回路的にオープンにするため余分な電力消費が
なくなる。また、警報接点付きヒューズを外から見える
面に取り付けることにより、ヒューズが切れ警報接点が
動作すると共に、ヒューズの側面の窓の部分に表示が現
れるため、この動作をビジブルに確認することができ
る。

【００８１】なお、実施例５で第２の半導体スイッチ２
１ｂに定電流回路を付加した例を変形例として説明した
が、この実施例でも実施例５と同様に定電流回路を付加
してもよい。

【００８２】実施例７．図８はこの発明の実施例７によ
るＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図におい
て、実施例１と同様の部分は同一符号を付して説明を省
略する。３７はホール素子であり、第２の半導体スイッ
チ２１ｂと直列に具備されている。

【００８３】次に動作について説明する。逆電流ｉ_gaが
流れることにより生じる磁界をホール素子３７で検出す
る。ホール素子に発生した信号は微小信号であるため、
増幅回路３８で一定倍率に増幅し比較回路２６に入力さ
れる。比較回路２６では基準電圧Ｖ_REFと比較され、こ
れを上回った時劣化信号が送出される。この実施例は電
流の増加による磁界の変化を見ているため非常に正確な
測定ができ、また、検出する際の電力損失がない。

【００８４】なお、実施例５で第２の半導体スイッチ２
１ｂに定電流回路を付加した例を変形例として説明した
が、この実施例でも実施例５と同様に定電流回路を付加
してもよい。

【００８５】実施例８．図１０はこの発明の実施例８に
よるＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図で、図９は第１
および第２の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を示す
図である。図１０において、実施例１と同様の部分は同
一符号を付して説明を省略する。ここで、時定数回路
（図１に示す第７の抵抗２７、第１のコンデンサ２８）
は削除されている。

【００８６】次に動作について説明する。駆動入力端子
１２よりオフ指令が導入されると、ＯＮ／ＯＦＦ制御回
路２５を介して、図９のように第１の半導体スイッチ２
１ａがオンし、オン期間は予めオフゲート電流が流れる
時間を含んで少し長めに設定されており、その後第１の
半導体スイッチ２１ａはオフする。

【００８７】次に、第２の半導体スイッチ２１ｂは、予
めオフゲート電流が流れる時間オフのままであるように
設定され、その後第２の半導体スイッチ２１ｂはオンす
る。ここで、第１の半導体スイッチ２１ａと第２の半導
体スイッチ２１ｂ動作でどちらもオンしている期間を少
し設けている。これは、逆電流を流さない期間を作らな
いため、すなわち逆電圧印加を継続させるためである。

【００８８】第２の半導体スイッチ２１ｂがオンしてい
る時に逆電流を検出する動作は、実施例３で説明したの
と同様であるが、第１の半導体スイッチ２１ａ、第２の
半導体スイッチ２１ｂの動作を図９のようにしたため、
定数回路（図１に示す第７の抵抗２７、第１のコンデン
サ２８）を削除することができる。これはオフゲート電
流が流れている間は、第２の半導体スイッチ２１ｂがオ
フしているため、実施例１で説明した誤検出要因がなく
なるためであり、従って、時間遅れのない電圧検出が可
能となり、時間遅れのない劣化信号を得ることができ
る。

【００８９】なお、この実施例では第２の半導体スイッ
チ２１ｂは半導体素子の逆電流が流れる期間のみオンと
なるので、第１の半導体スイッチ２１ａに較べ高インピ
ーダンスとする必要はない。

【００９０】この実施例では図１０のように、第２の半
導体スイッチ２１ｂに定電流回路を用いており、この定
電流化は、ＧＴＯの劣化が大きく、逆電流が大きくなる
条件下（ＧＴＯのカソードからゲートの逆方向インピー
ダンスの低下）にも設定した逆電流ｉ_ga以上を流さない
ため、余分な電力消費がなくなるメリットがあるが、回
路を簡易化するために定電流回路を省いてもよい。

【００９１】また、この実施例のゲートのオンオフ制御
は、実施例４〜７にも適用できる。

【００９２】実施例９．図１１はこの発明の実施例９に
おける第１および第２の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ
動作を示す図である。回路の構成は図１０と同様であ
る。第１の半導体スイッチ２１ａは、逆電流のみが流れ
ている期間のうち一時期（短い時間）だけオフし、第２
の半導体スイッチ２１ｂは、オフ指令期間全てオンする
ように、ＯＮ／ＯＦＦ制御回路２５によりＯＮ／ＯＦＦ
制御される。

【００９３】次に動作について説明する。オン指令時の
動作は、実施例１と同様であるので省略する。駆動入力
端子１２よりオフ指令が導入されると、ＯＮ／ＯＦＦ制
御回路を介して図１１のように第１の半導体スイッチ２
１ａおよび第２の半導体スイッチ２１ｂが動作する。

【００９４】ここで第１の半導体スイッチ２１ａは、第
２の半導体スイッチ２１ｂのインピーダンスより低いも
のを使用しているため、第１の半導体スイッチ２１ｂの
短いオフ期間を除き、オフゲート電流、逆電流は第１の
半導体スイッチ２１ａを流れる。短いオフ期間は、第２
の半導体スイッチ２１ｂに逆電流のみ流れ、この時第９
の抵抗３１、第１０の抵抗３２に発生する電圧を検出
し、比較回路２６で基準電圧Ｖ_REFと比較し劣化を判定
する。

【００９５】この実施例では実施例８の効果に加えて、
逆電流を検出するための回路部品、第２の半導体スイッ
チ２１ｂ、第９の抵抗３１、第１０の抵抗３２にかかる
電力損失が非常に少なくてすむ特徴がある。

【００９６】この実施例では図１０のように、第２の半
導体スイッチ２１ｂに定電流回路を用いており、この定
電流化は、ＧＴＯの劣化が大きく、逆電流が大きくなる
条件下（ＧＴＯのカソードからゲートの逆方向インピー
ダンスの低下）にも設定した逆電流ｉ_ga以上を流さない
ため、余分な電力消費がなくなるメリットがあるが、回
路を簡易化するために定電流回路を省いてもよい。この
場合は例えば、第２の半導体スイッチ２１ｂの電圧降下
を検出するか、または、抵抗３１（または抵抗３２）を
挿入し、その抵抗の電位差を検出する。

【００９７】また、この実施例のゲートのオンオフ制御
は、実施例１〜７にも適用できる。実施例１，２，３に
適用する場合は、第１の半導体スイッチ２１ａを一時期
オフする期間が、オフゲート電流による誤検出防止用の
時定数回路により決定される期間より長くする必要があ
る。また、実施例４，５，６に適用する場合は、第１の
半導体スイッチ２１ａを一時期オフする期間が極端に短
いと、温度ヒューズや温度スイッチの応答の点で検出し
がたいが、オフ期間を長めに設定することにより実現で
きる。なお、実施例７のホール素子の場合はそのまま適
用可能である。

【００９８】実施例１０．図１２はこの発明の実施例１
０によるＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。図
において、実施例８と同様の部分は同一符号を付して説
明を省略する。図１２では、比較回路２６の出力信号を
ＯＮ／ＯＦＦ指令回路２４にフィードバックしていて
る。

【００９９】次に動作について説明する。オンオフ指令
時の動作は、実施例３、８と同様であり、比較回路２６
に検出電圧が入力された基準電圧Ｖ_REFと比較して、こ
れより高ければ出力として劣化信号を送出する。今まで
の実施例１から９までは、劣化信号出力端子２９に信号
を送出しているだけであったが、本実施例ではこの信号
をＯＮ／ＯＦＦ指令回路２４にフィードバックし、劣化
信号が与えられると駆動入力端子１２にオン指令が来て
いてもオンを受け付けないようにし、オフ指令の状態を
維持する。

【０１００】従って、ＧＴＯの劣化を判定し劣化と判断
した時、駆動回路だけで未然にＧＴＯの破損を防止する
ことができる。なお、この実施例は実施例１から実施例
８までの全てに適用できる。

【０１０１】実施例１１．実施例１〜３でオフゲート電
流通過後の逆電流が流れている期間に、検出電圧値をサ
ンプリングしてマイクロプロセッサで半導体素子の劣化
を判定するようにしてもよい。この場合は時定数回路が
不要になる。また、この実施例は、実施例１〜３以外の
実施例についても適用できる。

【０１０２】

【発明の効果】

（１）以上のように、この発明によれば、半導体素子の
駆動回路として検出手段と判定手段とを設け、オフゲー
ト電流通過後の逆電流に応じた信号を出力し、この出力
に応じて判定するようにしたので、半導体素子の劣化が
事前に検出できる効果がある。

【０１０３】（２）また、第１および第２の半導体スイ
ッチと制御手段とを設け、第２の半導体スイッチでオフ
ゲート電流通過後の逆電流を検出し判定するようにした
ので、半導体素子の劣化が事前に検出できる効果があ
る。

【０１０４】（３）また、第２の半導体スイッチは、第
１の半導体スイッチよりも高インピーダンスの半導体ス
イッチとしたので、第１の半導体スイッチにオフゲート
電流を流し、第２の半導体スイッチで逆電流を検出する
ことができる効果がある。

【０１０５】（４）また、逆電流の検出を抵抗体の両端
に現れる電圧を検出するようにしたので、環境温度の影
響を受けない正確な検出ができる効果がある。

【０１０６】（５）第２の半導体スイッチと抵抗体との
直列体のインピーダンスを、第１の半導体スイッチのイ
ンピーダンスより高くしたので、第１の半導体スイッチ
にオフゲート電流を流し、第２の半導体スイッチ側で逆
電流を検出することができる効果がある。

【０１０７】（６）また、温度スイッチは逆電流とは電
気的に切り離されているので、ノイズ等による誤検出が
生じない効果がある。

【０１０８】（７）また、温度ヒューズ、温度ヒューズ
付き抵抗、および、警報接点付きヒューズ等は、ノイズ
による影響を受けることがないので、誤検出が生じない
効果がある。

【０１０９】（８）また、ホール素子は電流の増加によ
る磁界の変化を見ているので、非常に正確な測定がで
き、また、検出する際の電力消失を不要にできる効果が
ある。

【０１１０】（９）また、第２の半導体スイッチに流れ
る電流が定電流になるよう定電流回路を設けたので、逆
電流を定電流化することにより、ＧＴＯの劣化が大きく
逆電流が大きくなる条件下（ＧＴＯのカソードからゲー
トの逆方向インピーダンスの低下）にも、設定した逆電
流値以上の電流を流さないため、余分な電力消費がなく
なるという効果がある。

【０１１１】（１０）また、判定手段からの出力に応じ
て半導体素子の導通を自動的に阻止するようにしたの
で、半導体素子の破損前にシステムの保護ができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図２】この発明の実施例１における第１および第２
の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を示す図である。

【図３】この発明の実施例２によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図４】この発明の実施例３によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図５】この発明の実施例４によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図６】この発明の実施例５によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図７】この発明の実施例６によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図８】この発明の実施例７によるＧＴＯ駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図９】この発明の実施例８における第１および第２
の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を示す図である。

【図１０】この発明の実施例８および実施例９による
ＧＴＯ駆動回路の構成を示す回路図である。

【図１１】この発明の実施例９における第１および第
２の半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を示す図であ
る。

【図１２】この発明の実施例１０によるＧＴＯ駆動回
路の構成を示す回路図である。

【図１３】従来のＧＴＯのゲート駆動回路の構成を示
すブロック図である。

【図１４】図１３に示されたＧＴＯゲート駆動回路の
構成を示す回路図である。

【図１５】図１３に示されたＧＴＯゲート駆動回路の
ゲート電流の変化を示す波形図である。

【符号の説明】

１オンゲートオーバドライブ電流出力回路、２オン
ゲート長幅電流出力回路、３点弧用の直流電源、４
ゲート端子、５カソード端子、６第１の抵抗、７
第１のトランジスタ、８第２のトランジスタ、９第
２の抵抗、１０第３のトランジスタ、１１第３の抵
抗、１２駆動入力端子、１３第４の抵抗、１４第
４のトランジスタ、１５第５のトランジスタ、１６
第５の抵抗、１７第６のトランジスタ、１８第６の
抵抗、１９オーバドライブ電流送出期間設定回路、２
０消弧用の直流電源、２１第７のトランジスタ、２
１ａ第１の半導体スイッチ、２１ｂ第２の半導体ス
イッチ、２２ＮＯＴゲート、２３オフゲート電流出
力回路、２４ＯＮ／ＯＦＦ指令回路２５ＯＮ／ＯＦＦ制御回路、２６比較回路、２７
第７の抵抗、２８第１のコンデンサ、２９劣化信号
出力端子、３０第８の抵抗、３１第９の抵抗、３２
第１０の抵抗、３３第８のトランジスタ、３４温
度スイッチ、３５温度ヒューズ付き抵抗、３６警報
接点付きヒューズ、３７ホール素子、３８増幅回
路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲートを有する半導体素子をオンオフ制
御する半導体素子の駆動回路において、上記半導体素子
のオフゲート電流通過後の逆電流に応じた信号を出力す
る検出手段と、この出力信号に応じて上記半導体素子の
良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とする半
導体素子の駆動回路。
【請求項２】請求項１において、検出手段は、半導体
素子をオフ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイ
ッチと、この第１の半導体スイッチに並列接続された第
２の半導体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッ
チをオンオフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体
スイッチを上記オフ指令信号に基づいて上記半導体素子
のオフゲート電流を流がす期間オンとすると共に、第２
の半導体スイッチを上記オフ指令信号期間オンとし、上
記オフゲート電流通過後の第２の半導体スイッチの電流
を逆電流として検出するようにしたことを特徴とする半
導体素子の駆動回路。
【請求項３】請求項１において、検出手段は、半導体
素子をオフ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイ
ッチと、この第１の半導体スイッチに並列接続された第
２の半導体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッ
チをオンオフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体
スイッチを上記オフ指令信号に基づいて上記半導体素子
のオフゲート電流が流れる期間オンすると共に、第２の
半導体スイッチを上記オフゲート電流通過後から上記オ
フ指令信号のオフ迄の期間オンとし、上記オフゲート電
流通過後の第２の半導体スイッチの電流を逆電流として
検出するようにしたことを特徴とする半導体素子の駆動
回路。
【請求項４】請求項１において、検出手段は、半導体
素子をオフ指令信号に基づきオフする第１の半導体スイ
ッチと、この第１の半導体スイッチに並列接続された第
２の半導体スイッチと、上記第１と第２の半導体スイッ
チをオンオフ制御する制御手段で構成し、第１の半導体
スイッチを上記オフ指令信号期間中、上記半導体素子の
オフゲート電流通過後の一時期のみオフとすると共にこ
の一時期以外の期間はオンとし、第２の半導体スイッチ
を少なくとも上記第１の半導体スイッチが一時期オフと
する期間はオンとし、上記一時期の期間に流れる第２の
半導体スイッチの電流を逆電流として検出するようにし
たことを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項５】請求項２〜４のいずれか１項において、
第２の半導体スイッチは、第１の半導体スイッチよりも
高インピーダンスの半導体スイッチとしたことを特徴と
する半導体素子の駆動回路。
【請求項６】請求項２〜４のいずれか１項において、
検出手段は、第２の半導体スイッチと抵抗体とを直列接
続した直列体を、第１の半導体スイッチに並列接続して
構成すると共に、上記抵抗体に流れる逆電流による電位
差を検出する手段としたことを特徴とする半導体素子の
駆動回路。
【請求項７】請求項６において、第２の半導体スイッ
チと抵抗体との直列体のインピーダンスを、第１の半導
体スイッチのインピーダンスより高くしたことを特徴と
する半導体素子の駆動回路。
【請求項８】請求項２〜５のいずれか１項において、
検出手段は、第２の半導体スイッチの温度に応動する温
度スイッチを設け、この温度スイッチのスイッチ動作を
検出する手段としたことを特徴とする半導体素子の駆動
回路。
【請求項９】請求項２〜５のいずれか１項において、
検出手段は、第２の半導体スイッチに流れる電流に応動
する温度ヒューズ、温度ヒューズ付き抵抗、および、警
報接点付きヒューズの内、いずれか一つのヒューズを挿
入し、このヒューズの溶断動作を検出する手段としたこ
とを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項１０】請求項２〜５のいずれか１項におい
て、検出手段は、第２の半導体スイッチの電流を検出す
るホール素子を設け、このホール素子の出力を検出する
手段としたことを特徴とする半導体素子の駆動回路。
【請求項１１】請求項２〜１０のいずれか１項におい
て、検出手段は第２の半導体スイッチに流れる電流が、
半導体素子の劣化と判定される電流値を超えると定電流
とする定電流回路を設けたことを特徴とする半導体素子
の駆動回路。
【請求項１２】請求項２〜１１のいずれか１項におい
て、判定手段からの出力に応じて半導体素子の導通を阻
止する阻止手段を設けたことを特徴とする半導体素子の
駆動回路。