JP4496988B2 - ゲート駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子のゲート駆動回路に関する。

従来より、ＦＥＴやＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路として、これら駆動対象となるスイッチング素子（以下「駆動対象素子」と称する。）のゲートにオン電圧を印加するためのスイッチング素子（以下「オン駆動素子」と称する。）と、そのゲートにオフ電圧を印加するためのスイッチング素子（以下「オフ駆動素子」と称する。）とを備え、オン駆動素子又はオフ駆動素子の一方をオン、他方をオフすることにより、駆動対象素子のオンオフ状態を制御するものが知られている。

ところで、この種のゲート駆動回路では、駆動対象素子のスイッチング時に発生するスイッチング損失や電磁ノイズを低減することが望まれている。その一つの方法として、ゲートに接続された抵抗（以下「ゲート抵抗」と称する。）の値、ひいてはゲート電流を、駆動対象素子のターンオン又はターンオフに要する期間（以下「スイッチング期間」と称する。）中に細かく調整する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

なお、電圧駆動型半導体スイッチング素子のスイッチング動作は、ゲート／エミッタ（ゲート／ソース）間に生じる寄生容量の充放電プロセスとして理解される。従って、ゲート抵抗を小さくすると、ゲート電流の電流変化率が大きくなり、ゲートの寄生容量の従放電に要する時間が短くなるため、スイッチング損失は低減されるがノイズが増大し、逆に、ゲート抵抗を大きくすると、ノイズは低減されるがスイッチング損失が増大する。

この関係を利用して、まず、ゲート抵抗を低い抵抗値に設定することで、コレクタ／エミッタ間電圧が急速に立ち上がる（高速スイッチングされる）ように駆動し、その後、コレクタ／エミッタ間電圧が所定値に達すると、ゲート抵抗を高い抵抗値に切り替えることで、電圧や電流の変化率が抑制されるように駆動するのである。

しかし、駆動対象素子として用いられる電圧駆動型半導体スイッチング素子のスイッチング期間は、通常、数１００ｎｓ以下であり、特許文献１に記載されたゲート駆動回路（以下「従来装置」と称する。）では、このように極めて短いスイッチング期間内に、抵抗値をタイミング良く切り替えなければならない。

従って、従来装置は、ゲート抵抗値を可変にするための高速に動作する素子や、高電圧を検知する高精度なセンサを用いて構成しなければならず、装置が複雑で高価なものとなるだけでなく、制御のタイミングに余裕がないため制御が難しいという問題があった。また、従来装置は、ゲート抵抗を用いている以上、上述したノイズ低減とスイッチング損失低減（高速スイッチング）との間のトレードオフの関係から逃れることはできず、大幅な改善を期待できないだけでなく、駆動対象素子のスイッチングが更に高周波化すると、ゲート抵抗での導通損失が増大するという問題もあった。

これに対して、本願出願人は、図１３に示すように、四つのスイッチング素子１０１ａ〜１０１ｄからなるブリッジ回路１０１を介して直流電源１０３からリアクトル１０５への電源供給を行うと共に、リアクトル１０５の一端を駆動対象素子ＳＷにゲートに接続するように構成したゲート駆動回路１００を既に提案している（特許文献２参照）。

このゲート駆動回路１００では、図１４に示すように、駆動対象素子ＳＷをターンオン（オフ状態からオン状態への切替）又はターンオフ（オン状態からオフ状態への切替）させる時には、予め設定された一定期間の間（Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ５〜Ｔ６）、ブリッジ回路１０１を介してリアクトル１０５にリアクトル電流Ｉｒを流し、リアクトル電流Ｉｒが必要な大きさまで増大すると（タイミングＴ２，Ｔ６）、リアクトル１０５と駆動対象素子ＳＷのゲートの寄生容量とが共振回路を構成するようにブリッジ回路１０１の接続状態を切り換える。これにより、ターンオン又はターンオフ後にゲート電流を徐々に増大するのではなく、ターンオン又はターンオフと同時にリアクトル電流Ｉｒに等しいゲート電流Ｉｇが流れ、しかも、共振回路を流れるゲート電流Ｉｇは急激な変化をすることもないため、スイッチング損失の低減（高速スイッチング）とノイズの低減とを両立させることができる。
特開２００１−３１４０７５号公報 特願２００４−１０６０９５号

しかし、このゲート駆動回路１００では、ターンオンとターンオフとの間隔（Ｔ２からＴ６までの間隔）が短くなると、次回のターンオン又はターンオフまでに必要な大きさのリアクトル電流Ｉｒを流すことができず、上述の効果を充分に引き出すことができないという問題があった。

即ち、ゲート駆動回路１００では、ターンオン時とターンオフ時とでは、リアクトル１０５に流すリアクトル電流Ｉｒの向きが反対であるため、リアクトル電流Ｉｒがゼロに戻る前に、次回のターンオン又はターンオフのためのリアクトル電流Ｉｒを流し始めると（タイミングＴ４，Ｔ５が前後すると）、ターンオン又はターンオフのタイミングＴ２，Ｔ６までに、リアクトル電流Ｉｒを必要な大きさまで増大させることができないのである。

本発明は、上記問題点を解決するために、ターンオンとターンオフとの間隔が短い場合でも、スイッチング損失及びノイズをいずれも低減でき、しかも制御の容易なゲート駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明のゲート駆動回路では、直流電源，リアクトル，駆動対象素子は、これらの間の通電経路の切替が可能な可変通電経路部を介して互いに接続されており、この可変通電経路部は、駆動制御部からの指示に従って、少なくとも次の動作モードで動作する。

保持モードでは、駆動対象素子のゲートを直流電源の正極又は負極に直結して、駆動対象素子をオン状態又はオフ状態に保持する。
準備モードでは、保持モードで保持された駆動対象素子のオン状態又はオフ状態を保持すると共に、直流電源と前記リアクトルとの間に、リアクトルに正極側端から負極側端に向けてリアクトル電流を流すための閉ループを形成する。

実行モードでは、リアクトルと駆動対象素子のゲートの寄生容量との間に、リアクトル電流に等しい大きさのゲート電流を流入又は流出させるための閉ループ（共振回路）を形成する。

また、可変通電経路部は、実行モードでの動作中に、駆動対象素子のゲート電圧が予め設定された許容電圧範囲から外れた時に、リアクトル電流を直流電源に還流させるための還流経路を備えている。

そして、駆動制御部では、可変通電経路部の動作モードの設定を、保持モードにして、駆動対象素子のオン状態又はオフ状態を保持すると共に、準備モード，実行モードの順に切り換えて、駆動対象素子のターンオン又はターンオフを実現する。

このように構成された本発明のゲート駆動回路では、ターンオン又はターンオフを実行する前の準備モードにて、予めリアクトルにリアクトル電流を流しておくことにより、その後の実行モードでは、その開始直後、即ち、ターンオン又はターンオフを実行した直後から、リアクトル電流に等しいゲート電流が流れることになり、しかも、ゲート電流は共振回路を流れるため、電流の大きさが急激に変化することもない。従って、駆動対象素子のスイッチング損失の低減（高速スイッチング）と、ノイズの低減とを両立させることができる。

また、本発明のゲート駆動回路によれば、駆動対象素子をターンオン又はターンオフする際にリアクトルに流すリアクトル電流が、いずれも同一方向であるため、前回のターンオン又はターンオフ動作が終了する前（リアクトル電流がゼロに戻る前）に、次回のターンオフ又はターンオン動作が開始された（リアクトル電流を流しはじめる）場合でも、ターンオン又はターンオフの実行時（実行モードの開始時）にリアクトル電流が不足してしまうことがなく、ターンオン又はターンオフ時に流れるゲート電流の初期値を、確実に所望の大きさとすることができる。

また、本発明のゲート駆動回路によれば、駆動対象素子のスイッチング期間中（実行モード中に相当）に、細かな制御を行う必要もないため、制御を容易に行うことができる。
更に、本発明のゲート駆動回路によれば、可変通電経路部に還流経路を備えているため、駆動対象素子のゲートに必要以上に大きなゲート電圧が印加されることがなく、駆動対象素子の耐久性，信頼性を向上させることができる。

ところで、直流電源と駆動対象素子とは、直流電源の正極又は負極のいずれか一方の電位が駆動対象素子のゲート電位に対する基準電位となるように接続されていてもよいし、直流電源の正極と負極との中間電位が駆動対象素子のゲート電位に対する基準電位となるように接続されていてもよい。

特に、後者の場合、ゲートに負電圧が印加されるため、前者の場合と比較して、ゲートの寄生容量の充放電速度を向上させることができ、その結果、駆動対象素子のスイッチングをより高速に実行することができる。また、駆動対象素子がノーマリーオンのデバイスであっても問題なく駆動することができる。

更に、後者の場合、駆動対象素子のオンオフ状態が切り替わるしきい値電圧と、オン状態又はオフ状態の時に印加されるゲート電圧と差が大きくなるため、ゲートに重畳されるノイズ（チャタリング）に対する耐性を向上させることもできる。

なお、本発明のゲート駆動回路では、負荷検出手段が、駆動対象素子が駆動する負荷の大きさを検出し、駆動制御部は、準備モード中に流すリアクトル電流の大きさを、負荷検出手段での検出結果に従って設定するように構成してもよい。

この場合、具体的には、負荷が大きいほど、駆動対象素子のスイッチング時にサージが発生し易くなるため、負荷が大きい時には、準備モード中に流すリアクトル電流、即ち、ターンオン又はターンオフ時の初期ゲート電流を小さくしてサージの発生を抑えるようにすればよい。逆に、負荷が小さい時には、準備モード中に流すリアクトル電流、即ち、初期ゲート電流を大きくして、駆動対象素子の高速スイッチングを実現し、スイッチング期間中の消費電力を必要最小限に抑えるようにすればよい。

また、本発明のゲート駆動回路では、電流検出手段がリアクトル電流を検出し、駆動制御部は、実行モードを、電流検出手段により検出されるリアクトル電流の大きさがゼロになるまで継続するように構成することが望ましい。

また、構成を簡略化するために、実行モードの継続時間を固定長としてもよい。但し、この場合、固定長は、リアクトル電流の大きさが確実にゼロとなるような長さに設定する必要がある。

ところで、可変通電経路部は、具体的には、リアクトルの一端である正極側端から直流電源の正極に至る通電経路を断続する第１スイッチと、リアクトルの他端である負極側端から直流電源の負極に至る通電経路を断続する第２スイッチと、リアクトルの正極側端から駆動対象素子のゲートに至る通電経路を断続する第３スイッチと、リアクトルの負極側端から駆動対象素子のゲートに至る通電経路を断続する第４スイッチと、リアクトルの負極側端にアノード、直流電源の正極にカソードが接続された第１ダイオードと、リアクトルの正極側端にカソード、直流電源の負極にアノードが接続された第２ダイオードとにより構成することができる。

この場合、駆動制御部は、駆動対象素子をオン状態に保持する保持モードでは、前記第１及び第３スイッチをオン、第２及び第４スイッチをオフし、また、前記駆動対象素子をオフ状態に保持する保持モードでは、前記第１及び第３スイッチをオフ、前記第２及び第４スイッチをオンすればよい。

また、準備モードでは、保持モードの第３及び第４スイッチの状態を保持したまま、第１及び第２スイッチをいずれもオンし、実行モードでは、準備モードの状態から、第１及び第２スイッチをいずれもオフすればよい。

そして、第１ダイオードは、ターンオフ時の実行モードでは、駆動対象素子のゲートからリアクトル電流に等しいゲート電流を流出させるための閉ループを形成し、ターンオン時の実行モードでは還流経路を形成する。又、第２ダイオードは、第１ダイオードとは逆に、ターンオン時の実行モードでは、駆動対象素子のゲートへリアクトル電流に等しいゲート電流を流入させるための閉ループを形成し、ターンオフ時の実行モードでは還流経路を形成する。

なお、第３及び第４スイッチは、双方向性スイッチを用いる必要がある。
即ち、第３及び第４スイッチとして、逆並列ダイオードを有する単一のトランジスタで形成した場合、第１スイッチをオン状態にしただけで、第３スイッチの逆並列ダイオードを介して直流電源の正極と駆動対象素子のゲートが接続してしまい、また、第２スイッチをオン状態にしただけで、第４スイッチの逆並列ダイオードを介して直流電源の負極と駆動対象素子のゲートが接続してしまうため、可変通電経路部を所望の動作モードで作動させることができないためである。

なお、双方向性スイッチとして、具体的には、例えば、逆並列ダイオードを有する一対のトランジスタを、その逆並列ダイオードが互いに逆方向を向くように直列接続することで構成されたものを用いることができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用されたインバータ装置の全体構成図である。
図１に示すように、本実施形態のインバータ装置１は、充放電可能な直流電源２と、直流電源２に接続された電源線を流れる主電流を平滑化するコンデンサ３と、負荷となるモータ４と、電源線を介して直流電源２から電源供給を受けて、モータ４の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの巻線に通電電流を供給する三相ブリッジ回路５とを備えている。

このうち、三相ブリッジ回路５は、６個のスイッチング素子ＳＷ（ＳＷａ〜ＳＷｆ）からなり、直流電源の正極と負極との間に、直列接続された一対のスイッチング素子ＳＷを並列に３組接続することで構成された周知のものであり、各対のスイッチング素子ＳＷの接続部分がモータ各相Ｕ，Ｖ，Ｗの巻線に接続されている。なお、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷとして、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）を用いており、各スイッチング素子ＳＷには、それぞれ逆並列にフライホイールダイオードＤ（Ｄａ〜Ｄｆ）が接続されている。

つまり、直流電源２から電源供給を受けてスイッチング素子ＳＷを適宜オンオフ制御して、モータ４の巻線への通電電流を制御することでモータ４の回転状態や停止時の回転位置を制御したり、モータ４の回転子が外力によって回転している時に、モータ４から供給される交流電流を、フライホイールダイオードＤ及びコンデンサ３を介して整流，平滑化して直流電源２に供給することで、直流電源２を充電したりすることが可能なように構成されている。

また、インバータ装置１は、モータ４の回転子の回転位置を検出する位置センサ６と、モータのＵ，Ｖ相に流れる電流の大きさを検出する電流センサ７（７ａ，７ｂ）と、スイッチグ素子ＳＷ毎に設けられた６個のゲート駆動回路１０（１０ａ〜１０ｆ）からなり、各スイッチング素子ＳＷを駆動するドライバ部８と、位置センサ６及び電流センサ７での検出結果に従って、各スイッチング素子ＳＷをスイッチングするタイミングや期間を指定するためのゲート指令Ｃ（Ｃａ〜Ｃｆ）や初期ゲート電流値Ｉon，Ｉoff 、実行モード継続時間ｔ２，ｔ４を設定し、各ゲート駆動回路１０に供給するインバータ制御部９とを備えている。

ここで、図２は、本発明の主要部であるゲート駆動回路１０の構成を示す回路図である。
なお、ゲート駆動回路１０ａ〜１０ｆはいずれも同一の構成を有しているため、以下では、その一つについてのみ説明し、代表として符号１０を使用する。ゲート指令Ｃａ〜Ｃｆ等の符号も同様である。

図２に示すように、ゲート駆動回路１０は、負極側がスイッチング素子（以下「駆動対象素子」と称する。）ＳＷのエミッタに接続された直流電源１１と、予め設定された大きさのインダクタンス分を有するリアクトル１２と、リアクトル１２の一端（以下「正極側端」と称する。）Ｐ１から直流電源１１の正極に至る通電経路を、ゲート信号Ｇ１に従って断続する第１スイッチ１３と、リアクトル１２の他端（以下「負極側端」と称する。）Ｐ２から直流電源１１の負極に至る通電経路を、ゲート信号Ｇ２に従って断続する第２スイッチ１４と、リアクトル１２の正極側端Ｐ１から駆動対象素子ＳＷのゲートに至る通電経路を、ゲート信号Ｇ３に従って断続する第３スイッチ１５と、リアクトル１２の負極側端Ｐ２から駆動対象素子ＳＷのゲートに至る通電経路を、ゲート信号Ｇ４に従って断続する第４スイッチ１６と、リアクトル１２の負極側端Ｐ２にアノード、直流電源１１の正極にカソードが接続された第１ダイオード１７と、リアクトル１２の正極側端Ｐ１にカソード、直流電源１１の負極にアノードが接続された第２ダイオード１８とを備えている。

更に、ゲート駆動回路１０は、駆動対称素子ＳＷのゲート／エミッタ間電圧（以下「ゲート電圧」と称する。）Ｖｇ、及びリアクトル１２を流れる電流（以下「リアクトル電流」と称する。）Ｉｒを検出する検出部２０と、インバータ制御部９から供給されるゲート指令Ｃ、及び初期ゲート電流値Ｉon，Ｉoff 、実行モード継続時間ｔ２，ｔ４、検出部２０での検出結果に基づいて、第１〜第４スイッチ１３〜１６を駆動するためのゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成するゲート制御部１９とを備えている。

なお、検出部２０での検出は周知の方法で行えばよく、ゲート電圧Ｖｇについては、例えば、駆動対称素子ＳＷのゲート／エミッタ間に接続された直列抵抗からなる分圧回路により分圧された分圧電圧を測定することで検出すればよい。また、リアクトル電流Ｉｒについては、例えば、リアクトル電流Ｉｒが流れた時にリアクトル１２から発生する磁場を測定することで検出するか、或いは、予め回路中にシャント抵抗を挿入しておき、その電圧降下を測定することで検出すればよい。

また、駆動対象素子ＳＷは、ゲート電圧Ｖgが０Ｖの時に確実にオフするものが使用され、また、直流電源１１の電圧ＶＧは、駆動対象素子ＳＷを確実にオンするのに必要なゲート／エミッタ間電圧以上となるように設定されている。

また、第１及び第２スイッチ１３，１４は、図３（ａ）に示すような逆並列ダイオードを有するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ、又は、図３（ｂ）に示すような逆並列ダイオードを有するＮチャネルＭＯＳＦＥＴにより構成されている。一方、第３及び第４スイッチ１５，１６は、逆並列ダイオードを有する一対のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを、その逆並列ダイオードが互いに逆方向を向くように直列接続（即ち、ソース同士を接続）してなる双方向性スイッチにより構成されている。

そして、以下では、図６（ａ），図７（ｅ）に示すように、第１及び第３スイッチ１３，１５がオフ、第２及び第４スイッチ１４，１６がオンしている動作モードをオフ状態保持モード、図６（ｅ），図７（ａ）に示すように、第１及び第３スイッチ１３，１５がオン、第２及び第４スイッチ１４，１６がオフしている動作モードをオン状態保持モードという。

また、図６（ｂ）に示すように、第３スイッチ１５のみオフし、他のスイッチ１３，１４，１６はオンしている動作モードをターンオン準備モード、図７（ｂ）に示すように、第４スイッチ１６のみオフし、他のスイッチ１３，１４，１５はオンしている動作モードをターンオフ準備モードという。

更に、図６（ｃ）（ｄ）に示すように、第４スイッチ１６のみオンし、他のスイッチ１３，１４，１５はオフしている動作モードをターンオン実行モード、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、第３スイッチ１５のみオンし、他のスイッチ１３，１４，１６はオフしている動作モードをターンオフ実行モードという。

次に、ゲート制御部１９は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを中心に構成され、少なくとも、各種タイミングを生成するためのタイマーを備えている。

ここで、ゲート制御部１９のＣＰＵにて実行されるスイッチング制御処理を、図４に示すフローチャート、図５に示すタイミング図、図６，７に示す動作説明図に沿って説明する。

但し、インバータ制御部９では、電流センサ７での検出結果から特定される負荷の大きさに応じて、初期ゲート電流Ｉon，Ｉoff 、及び実行モード継続時間ｔ２，ｔ４を設定する。そして、インバータ制御部９にて生成されるゲート指令Ｃは、実際にターンオンすべきタイミングより、ゲート駆動回路１０が初期ゲート電流Ｉonを流すのに必要な時間、即ち、準備モード継続時間ｔ１だけ早くオフからオンに切り替わり、また、実際にターンオフすべきタイミングより、ゲート駆動回路１０が初期ゲート電流Ｉoff を流すのに必要な時間、即ち、準備モード継続時間ｔ３だけ早くオンからオフに切り替わるように設定されている。

なお、実行モード継続時間ｔ２，ｔ４は、ゲート電圧Ｖｇがオフ電圧（０Ｖ）からオン電圧（ＶＧ）まで、又はオン電圧からオフ電圧まで変化するのに要する時間に、リアクトル電流Ｉｒが初期ゲート電流Ｉon，Ｉoff から０まで変化するのに要する時間を加算した長さ以上に設定され、ここでは、負荷が最も軽いときに前記条件を満たすような固定値が用いられている。

図４に示すように、スイッチング制御処理が起動すると、まず、ゲート信号Ｇ１，Ｇ３をオフ、ゲート信号Ｇ２，Ｇ４をオンすることにより、動作モードをオフ状態保持モードに初期化する（Ｓ１１０）。

この時、図６（ａ）に示すように、駆動対象素子ＳＷのゲートには、第２，第４スイッチ１４，１６を介してオフ電圧が印加された状態となる。
そして、インバータ制御部９からのゲート指令Ｃがオンになるまで待機し（Ｓ１２０）、ゲート指令Ｃがオンになると（図５のタイミングＴ１。以下同様。）、ゲート信号Ｇ１をオンすることにより、動作モードをターンオン準備モードに切り替える（Ｓ１３０）。

すると、図６（ｂ）に示すように、第２及び第４スイッチ１４，１６を介して駆動対象素子ＳＷのゲートにオフ電圧が印加される状態を保持したまま、直流電源１１，リアクトル１２，第１及び第２スイッチ１３，１４による閉回路が形成される。これにより、リアクトル１２には、正極側端Ｐ１から負極側端Ｐ２に向けてリアクトル電流Ｉｒが流れ、その大きさは時間の経過と共に直線的に増大する。

その後、検出部２０での検出結果を監視することにより、リアクトル電流Ｉｒが初期ゲート電流Ｉonに達するまで待機する（Ｓ１４０）。
そして、リアクトル電流Ｉｒが初期ゲート電流Ｉonに達すると（タイミングＴ２）、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２を同時にオフすることにより、動作モードをターンオン実行モードに切り替えると共に、計時用タイマーをスタートさせる（Ｓ１５０）。

すると、図６（ｃ）に示すように、第２ダイオード１８，リアクトル１２，第４スイッチ１６，駆動対象素子ＳＷのゲートの寄生容量（以下「ゲート容量」と称する。）による閉回路（共振回路）が形成される。この共振回路の共振現象によって、ターンオン実行モードへの切替時（タイミングＴ２）に流れているリアクトル電流Ｉｒ（＝Ｉon）を初期値として、駆動対象素子ＳＷのゲートにゲート電流Ｉｇ（＝リアクトル電流Ｉｒ）が流入することにより、ゲート容量が急速に充電され、これに伴ってゲート電圧Ｖｇも増大する。

そして、ゲート電圧Ｖｇがオン電圧ＶＧに達すると（タイミングＴ３）、図６（ｄ）に示すように、第１ダイオード１７がオンすることによってゲート電圧Ｖｇがオン電圧ＶＧにクランプされると共に、直流電源１１への還流経路が形成され、リアクトル電流Ｉｒは直流電源１１に還流されることになる。この時、リアクトル電流Ｉｒは、時間の経過と共に直線的に減少する。

この間、計時用タイマーを監視することにより、計時用タイマーが計時する経過時間が実行モード継続時間ｔ２に達しているか否か（Ｓ１６０）、及びゲート指令Ｃがオフになっているか否か（Ｓ１７０）を判断し、いずれも否定判定された場合は、Ｓ１６０に戻って、Ｓ１６０，Ｓ１７０を繰り返し実行することで待機する。

そして、Ｓ１６０にて経過時間が実行モード継続時間ｔ２に達していると判定された場合（タイミングＴ５）、リアクトル電流Ｉｒは既に流れていないものとして、ゲート信号Ｇ１，Ｇ３をオン、ゲート信号Ｇ４をオフすることにより、動作モードをオン状態保持モードに切り替えると共に、計時用タイマーをストップさせ（Ｓ１９０）、Ｓ２００に移行する。

すると、図６（ｅ），図７（ａ）に示すうように、駆動対象素子ＳＷのゲートには、第１及び第３スイッチ１３，１５を介してオン電圧が印加された状態となる。
一方、計時用タイマーが計時する経過時間が実行モード継続時間ｔ２に達する前に、Ｓ１７０にてゲート指令Ｃがオフになっていると判定された場合（タイミングＴ４，Ｔ５が前後した場合）、検出部２０での検出結果に基づき、ゲート電圧Ｖgがオン電圧ＶＧに達しているか否か、即ち、リアクトル電流Ｉｒの還流が始まっているか否かを判断する（Ｓ１８０）。

そして、ゲート電圧Ｖgがオン電圧ＶＧに達していなければ、同ステップを繰り返すことで待機し、ゲート電圧Ｖgがオン電圧ＶＧに達すると、ゲート信号Ｇ４をオフし、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３をオンすることにより、動作モードを、オン状態保持モードを経由することなく、直ちにターンオフ準備モードに切り替えると共に、計時用タイマーをストップさせ（Ｓ１８５）、Ｓ２２０に移行する。

以下、Ｓ２００〜Ｓ２７０では、Ｓ１２０〜Ｓ１９０と同様の処理を、ゲート指令オン→ゲート指令オフ，ゲート指令オフ→ゲート指令オン，ｔ２→ｔ４，Ｇ１→Ｇ２，Ｇ２→Ｇ１，Ｇ３→Ｇ４，Ｇ４→Ｇ３に置き換えて実行する。

即ち、インバータ制御部９からのゲート指令Ｃがオフになるまで待機し（Ｓ２２０）、ゲート指令Ｃがオフであれば（タイミングＴ６）、ゲート信号Ｇ２をオンすることにより、動作モードをターンオフ準備モードに切り替える（Ｓ２１０）。

すると、図７（ｂ）に示すように、第１及び第３スイッチ１３，１５を介して駆動対象素子ＳＷのゲートにオン電圧が印加された状態を保持したまま、直流電源１１，リアクトル１２，第１及び第２スイッチ１３，１４による閉回路が形成される。これにより、リアクトル１２には、正極側端Ｐ１から負極側端Ｐ２に向けてリアクトル電流Ｉｒが流れ、その大きさは時間の経過と共に直線的に増大する。

その後、検出部２０での検出結果を監視することにより、リアクトル電流Ｉｒが初期ゲート電流Ｉoff に達するまで待機する（Ｓ２２０）。
そして、リアクトル電流Ｉｒが初期ゲート電流Ｉoff に達すると（タイミングＴ７）、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２を同時にオフすることにより、動作モードをターンオフ実行モードに切り替えると共に、計時用タイマーをスタートさせる（Ｓ２３０）。

すると、図７（ｃ）に示すように、第１ダイオード１７，リアクトル１２，第３スイッチ１５，駆動対象素子ＳＷのゲート容量による閉回路（共振回路）が形成される。この共振回路の共振現象によって、ターンオフ実行モードへの切替時（タイミングＴ７）に流れているリアクトル電流Ｉｒ（＝Ｉoff ）を初期値として、駆動対象素子ＳＷのゲートからゲート電流Ｉｇ（＝リアクトル電流Ｉｒ）が流出することにより、ゲート容量が急速に放電され、これに伴ってゲート電圧Ｖｇも低下する。

そして、ゲート電圧Ｖｇがオフ電圧（０Ｖ）に達すると（タイミングＴ８）、図７（ｄ）に示すように、第２ダイオード１８がオンすることによってゲート電圧Ｖｇがオフ電圧にクランプされると共に、直流電源１１への還流経路が形成され、リアクトル電流Ｉｒは直流電源１１に還流されることになる。この時、リアクトル電流Ｉｒは、時間の経過と共に直線的に減少する。

この間、計時用タイマーを監視することにより、計時タイマーが計時する経過時間が実行モード継続時間ｔ４に達しているか否か（Ｓ２４０）、及びゲート指令Ｃがオンになっているか否か（Ｓ２５０）を判断し、いずれも否定判定された場合は、Ｓ２４０に戻って、Ｓ２４０，Ｓ２５０を繰り返し実行することで待機する。

そして、Ｓ２４０にて経過時間が実行モード継続時間ｔ４に達していると判定された場合（タイミングＴ１０）、リアクトル電流Ｉｒは既に流れていないものとして、ゲート信号Ｇ２，Ｇ４をオン、ゲート信号Ｇ３をオフすることにより、動作モードをオフ状態保持モードに切り替えると共に、計時用タイマーをストップさせて（Ｓ２７０）、Ｓ１２０に戻る。

すると、図７（ｅ），図６（ａ）に示すうように、駆動対象素子ＳＷのゲートには、第２及び第４スイッチ１４，１６を介してオフ電圧が印加された状態、即ち、Ｓ１１０が実行された時と同じ状態に戻る。

一方、計時用タイマーが計時する経過時間が実行モード継続時間ｔ４に達する前に、Ｓ２５０にてゲート指令Ｃがオンになっていると判定された場合（タイミングＴ９，Ｔ１０が前後した場合）、検出部２０での検出結果に基づき、ゲート電圧Ｖgがオフ電圧（０Ｖ）に達しているか否か、即ち、リアクトル電流Ｉｒの還流が始まっているか否かを判断する（Ｓ２６０）。

そして、ゲート電圧Ｖgがオフ電圧（０Ｖ）に達していなければ、同ステップを繰り返すことで待機し、ゲート電圧Ｖgがオン電圧ＶＧに達すると、ゲート信号Ｇ３をオフし、ゲート信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ４をオンすることにより、動作モードを、オフ状態保持モードを経由することなく、直ちにターンオン準備モードに切り替えると共に、計時用タイマーをストップさせ（Ｓ２６５）、Ｓ１４０に移行する。

以上説明したように、本実施形態において、ゲート駆動回路１０では、駆動対象素子ＳＷのターンオン又はターンオフの実行前に、リアクトル１２の正極側端Ｐ１から負極側端Ｐ２に向けてリアクトル電流Ｉｒを流しておく。その後、ターンオン又はターンオフの実行時には、リアクトル１２及びゲート容量を含む閉ループ（共振回路）を形成し、その実行直後から、リアクトル電流Ｉｒに等しいゲート電流Ｉｇが流れるようにされている。

このため、ゲート駆動回路１０によれば、ゲート容量を急速に充放電することができ、しかも、共振回路を流れるゲート電流Ｉｇは、その大きさが急激に変化することもないため、駆動対象素子ＳＷのスイッチング損失の低減（高速スイッチング）とノイズの低減とを両立させることができる。

また、ゲート駆動回路１０では、駆動対象素子ＳＷをターンオン又はターンオフする際にリアクトル１２に流すリアクトル電流Ｉｒが、いずれも同一方向となるようにされている。従って、前回のターンオン又はターンオフ動作のために流したリアクトル電流Ｉｒがゼロに戻る前に、新たなターンオフ又はターンオン動作が開始された（リアクトル電流Ｉｒを流し始めた）としても、ターンオン実行モード又はターンオフ実行モードの開始時には、必要な大きさのゲート電流Ｉｇを確実に確保することができる。

また、ゲート駆動回路１０では、ターンオン実行モード及びターンオフ実行モードの際に、駆動対象素子ＳＷのゲート電圧がオン電圧又はオフ電圧にてクランプされ、必要以上に大きなゲート電圧が印加されることがないようにされているため、駆動対象素子ＳＷの耐久性や信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態のインバータ装置１では、電流センサ７が検出するモータ巻線の通電電流から負荷の大きさを求め、その負荷の大きさに応じて、初期ゲート電流Ｉon，Ｉoff の大きさ、即ち、実行モードに切り替わった時に流れるゲート電流の初期値を設定し、特に、負荷が大きく、駆動対象素子ＳＷのスイッチング時にサージが発生し易い状態にある時ほど、ゲート電流の初期値が小さくなるようにされている。従って、負荷が大きい時には、駆動対象素子ＳＷでのサージの発生を抑えることができ、逆に、負荷が小さい時には、駆動対象素子ＳＷの高速スイッチングを実現し、スイッチング期間中の消費電力を必要最小限に抑えることができる。

なお、本実施形態において、第１〜第４スイッチ１３，１４，１５，１６、及び第１，第２ダイオード１７，１８が本発明における可変通電経路部、ゲート制御部１９及びインバータ制御部９が本発明における駆動制御部、電流センサ７が本発明における負荷検出手段に相当する。

また、本実施形態では、ゲート駆動回路１０を、オフ状態保持モード、オン状態保持モード、ターンオン準備モード、ターンオフ準備モード、ターンオン実行モード、ターンオフ実行モードで動作させているが、これら以外の動作モードで動作させてもよい。

具体的には、図８（ａ）に示すように、第１及び第４スイッチ１３，１６をオン、第２及び第３スイッチ１４，１５をオフすることにより、駆動対象素子ＳＷのゲートに流入するゲート電流を徐々に増加させる流入電流漸増モード、図８（ｂ）に示すように、第１及び第４スイッチ１３，１６をオフ、第２及び第３スイッチ１４，１５をオンすることにより、駆動対象素子ＳＷのゲートから流出するゲート電流を徐々に増加させる流出電流漸増モード、図８（ｃ）に示すように、第１及び第２スイッチ１３，１４をオフ、第３及び第４スイッチ１５，１６をオンすることにより、リアクトル電流Ｉｒを還流させて維持しながら、ゲート電流Ｉｇを一時的に止める電流維持モード、図８（ｄ）に示すように、第１及び第２スイッチ１３，１４をオン、第３及び第４スイッチ１５，１６をオフすることにより、リアクトル電流Ｉｒを増加させながらゲート電流Ｉｇを一時的に止める電流増加モード、図８（ｅ）に示すように、全スイッチ１３〜１６をオフすることにより、リアクトル電流Ｉｒを減少させながらゲート電流Ｉｇを一時的に止める電流減少モードなどの動作モードが考えられる。

これらの動作モードは、ターンオン又はターンオフ動作の際に、ゲート電流をより細かく制御するアクティブゲート駆動を実現する際に用いることができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。

なお、本実施形態では、ゲート駆動回路の構成が一部異なるだけであるため、この相違する部分を衷心に説明する。
図９は、本実施形態におけるゲート駆動回路３０の構成を表す回路図である。

図９に示すように、ゲート駆動回路３０では、単一の直流電源１１の代わりに、直列接続された一対の直流電源２１，２２が用いられており、両直流電源２１，２２の接続点（以下「電源中間点」と称する。）が、駆動対象素子ＳＷのエミッタに接続され、ゲート電圧の基準電位となるようにされている以外は、第１実施形態の場合と全く同様である。

図５（ｂ）に示すように、駆動対象素子ＳＷをオフする際にゲートに印加するオフ電圧が、０Ｖではなく−ＶＧとなる以外は、第１実施形態の場合と全く同様に動作する。
このように構成されたゲート駆動回路３０では、駆動対象素子ＳＷをオフする際には、負電圧−ＶＧが印加され、第１実施形態の場合と比較して、ゲート容量の充放電速度が向上するため、駆動対象素子ＳＷのスイッチングをより高速に実行することができる。

また、駆動対象素子ＳＷが、ノーマリーオンのデバイスであっても駆動することができる。
なお、図１０には、ゲート駆動回路３０のターンオン動作実行時における各動作モードの状態（オフ状態保持モード→ターンオン準備モード→ターンオン実行モード（ゲート電圧増加中）→ターンオン実行モード（ゲート電流還流時）→オン状態保持モード）を示し、図１１には、ターンオフ動作実行時における各動作モードの状態（オン状態保持モード→ターンオフ準備モード→ターンオフ実行モード（ゲート電圧減少中）→ターンオフ実行モード（ゲート電流還流時）→オフ状態保持モード）を示す。

更に、図１２には、ゲート駆動回路３０にて可能な他の動作モード（流入電流漸増モード，流入電流漸減モード，電流維持モード，電流増加モード，電流減少モード）を示す。
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、実行モードへの切替後、実行モード継続時間ｔ２，ｔ４が経過した時点（Ｓ１６０−ＹＥＳ，又はＳ２４０−ＹＥＳ）で、保持モードへの切替を行っているが、検出部２０にて、リアクトル電流Ｉｒがゼロであることを検出した場合に、保持モードへの切替を行うように構成してもよい。この場合、検出部２０が本発明における電流検出手段に相当する。

上記実施形態では、実行モード継続時間ｔ２が経過する前に、ゲート指令Ｃがオオフになったり、実行モード継続時間ｔ４が経過する前に、ゲート指令Ｃがオンになったりする場合が想定されているが、そのようなことがない場合には、Ｓ１７０〜Ｓ１８５，Ｓ２５０〜Ｓ２６５を省略してもよい。

更に、この場合、初期ゲート電流Ｉon，Ｉoff に応じた準備モード継続時間ｔ１，ｔ３を設定し、動作モードが準備モードに切り替わると（Ｓ１３０，Ｓ２１０）、計時用タイマーをスタートさせ、Ｓ１４０，Ｓ２２０の代わりに、この計時用タイマーの計時時間が、準備モード継続時間ｔ１，ｔ３が経過した時点で、動作モードを実行モードに切り替える（Ｓ１５０，Ｓ２３０）ように構成してもよい。

上記実施形態では、Ｓ１８０，Ｓ２６０にて、ゲート電圧Ｖgを監視するように構成されているが、検出部２０にゲート電流Ｉｇを検出させ、Ｓ１８０，Ｓ２６０では、ゲート電流Ｉｇを監視し、ゲート電流Ｉｇがゼロになると、動作モードを実行モードから準備モードに切り替えるように構成してもよい。

上記実施形態では、ゲート制御部１９は、マイクロコンピュータの処理によりゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成しているが、これらゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を、ハードウェアにて生成するように構成してもよい。

上記実施形態では、駆動対象素子ＳＷとしてＩＧＢＴを用いているが、ＦＥＴ等の他の電圧駆動型トランジスタを用いてもよい。

インバータ装置の全体構成図。 第１実施形態におけるゲート駆動回路の構成を示す回路図。 スイッチの詳細を示す回路図。 スイッチング制御処理の内容を示すフローチャート。 ゲート駆動回路各部の動作を示すタイミング図。 第１実施形態におけるゲート駆動回路のターンオン動作時の動作説明図。 第１実施形態におけるゲート駆動回路のターンオフ動作時の動作説明図。 第１実施形態におけるゲート駆動回路の他の動作モードを示す説明図。 第２実施形態におけるゲート駆動回路の回路図。 第２実施形態におけるゲート駆動回路のターンオン動作時の動作説明図。 第２実施形態におけるゲート駆動回路のターンオフ動作時の動作説明図。 第２実施形態におけるゲート駆動回路の他の動作モードを示す説明図。 従来のゲート駆動回路の構成を示す回路図。 従来のゲート駆動回路各部の動作を示すタイミング図。

符号の説明

１…インバータ装置、２…直流電源、３…コンデンサ、４…モータ、５…三相ブリッジ回路、６…位置センサ、７…電流センサ、８…ドライバ部、９…インバータ制御部、１０（１０ａ〜１０ｆ），３０…ゲート駆動回路、１１，２１，２２…直流電源、１２…リアクトル、１３〜１６…スイッチ、１７，１８…ダイオード、１９…ゲート制御部、２０…検出部、Ｃ（Ｃａ〜Ｃｆ）…ゲート指令、Ｄ（Ｄａ〜Ｄｆ）…フライホイールダイオード、Ｇ１〜Ｇ４…ゲート信号、ＳＷ（ＳＷａ〜ＳＷｆ）…スイッチング素子（駆動対象素子）。

Claims (9)

1. スイッチング素子である駆動対象素子のゲートにオン電圧及びオフ電圧を印加するゲート駆動回路であって、
   直流電源と、
   予め設定された大きさのインダクタンス分を有するリアクトルと、
   前記駆動対象素子のゲートを前記直流電源の正極又は負極に直結して、前記駆動対象素子をオン状態又はオフ状態に保持する保持モード、該保持モードで保持された前記駆動対象素子のオン状態又はオフ状態を保持すると共に、前記直流電源と前記リアクトルとの間に、前記リアクトルに正極側端から負極側端に向けてリアクトル電流を流すための閉ループを形成する準備モード、前記リアクトルと前記駆動対象素子のゲートの寄生容量との間に、前記リアクトル電流に等しい大きさのゲート電流を流入又は流出させるための閉ループを形成する実行モードを少なくとも含む複数の動作モードのいずれかにて動作するように、前記駆動対象素子，直流電源，リアクトル間の通電経路の切替が可能であると共に、前記実行モードでの動作中に、前記駆動対象素子のゲート電圧が予め設定された許容電圧範囲から外れた時に、前記リアクトルが流すリアクトル電流を前記直流電源に還流させるための還流経路を有する可変通電経路部と、
   該可変通電経路部の動作モードの設定を、前記保持モードにして、前記駆動対象素子のオン状態又はオフ状態を保持すると共に、前記準備モード，前記実行モードの順に切り換えて、前記駆動対象素子のターンオン又はターンオフを実現する駆動制御部と、
   を備えることを特徴とするゲート駆動回路。
2. 前記直流電源の正極又は負極のいずれか一方の電位が、前記駆動対象素子のゲート電位に対する基準電位となるように、前記直流電源と前記駆動対象素子とが接続されていることを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動回路。
3. 前記直流電源の正極と負極との中間電位が、前記駆動対象素子のゲート電位に対する基準電位となるように、前記直流電源と前記駆動対象素子とが接続されていることを特徴とする請求項１に記載のゲート駆動回路。
4. 前記駆動対象素子が駆動する負荷の大きさを検出する負荷検出手段を備え、
   前記駆動制御部は、前記準備モード中に流す前記リアクトル電流の大きさを、前記負荷検出手段での検出結果に従って設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のゲート駆動回路。
5. 前記リアクトル電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記駆動制御部は、前記実行モードを、前記電流検出手段により検出されるリアクトル電流の大きさがゼロになるまで継続することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のゲート駆動回路。
6. 前記駆動制御部は、前記実行モードの継続時間を固定長とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のゲート駆動回路。
7. 前記可変通電経路部は、
   前記リアクトルの一端である正極側端から前記直流電源の正極に至る通電経路を断続する第１スイッチと、
   前記リアクトルの他端である負極側端から前記直流電源の負極に至る通電経路を断続する第２スイッチと、
   前記リアクトルの正極側端から前記駆動対象素子のゲートに至る通電経路を断続する第３スイッチと、
   前記リアクトルの負極側端から前記駆動対象素子のゲートに至る通電経路を断続する第４スイッチと、
   前記リアクトルの負極側端にアノード、前記直流電源の正極にカソードが接続された第１ダイオードと、
   前記リアクトルの正極側端にカソード、前記直流電源の負極にアノードが接続された第２ダイオードと、
   を備え、
   前記駆動制御部は、
   前記駆動対象素子をオン状態に保持する保持モードでは、前記第１及び第３スイッチをオン、前記第２及び第４スイッチをオフし、また、前記駆動対象素子をオフ状態に保持する保持モードでは、前記第１及び第３スイッチをオフ、前記第２及び第４スイッチをオンし、
   前記準備モードでは、前記保持モードの前記第３及び第４スイッチの状態を保持したまま、前記第１及び第２スイッチをいずれもオンし、
   前記実行モードでは、前記準備モードの状態から、前記第１及び第２スイッチをいずれもオフする
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のゲート駆動回路。
8. 前記第３及び第４スイッチは、双方向性スイッチ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。
9. 前記双方向性スイッチは、逆並列ダイオードを有する一対のトランジスタを、該逆並列ダイオードが互いに逆方向を向くように直列接続することで構成されていることを特徴とする請求項８に記載のゲート駆動回路。

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