JP4621070B2

JP4621070B2 - 駆動装置及び電力半導体装置

Info

Publication number: JP4621070B2
Application number: JP2005142801A
Authority: JP
Inventors: 智典田中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP2006319884A

Description

本発明は、電力半導体装置、特に、ＩＧＢＴなどの電圧制御型スイッチング素子の誤動作防止に関するものである。

電圧制御型スイッチング半導体素子の制御端子を駆動回路で制御するパワーエレクトロニクス回路は種々な用途の電力装置の制御用に広く普及している。駆動回路は、入力信号に応じてゲート電圧を制御して、電圧制御型スイッチング半導体素子を作動させる。

しかし、この種のパワーエレクトロニクス回路では、電圧制御型スイッチング半導体素子のオンオフ動作により発生する過電圧や過電流によりスイッチング半導体素子の誤動作が発生することがある。そのため、種々の対策がなされている。たとえば、電圧制御型スイッチング半導体素子のスイッチング速度を高めるためその駆動能力を上げていくと、または、ゲート抵抗の抵抗値を下げてターンオン時間やターンオフ時間を縮めて行くと、オンオフ時に電圧制御型スイッチング半導体素子に加わる電圧やそれに流れる電流に過渡的な振動が発生しやすくなる。この問題を解決するため、特開平９−７４３４４号公報に記載された駆動回路では、オンオフ動作に伴う前述の電流や電圧の過渡振動がターンオン時間やターンオフ時間のごく初期の電圧制御型スイッチング半導体素子のゲート電圧の急激な変化により誘発される点に着目する。具体的には、ゲートの駆動電源電圧を分圧回路により所定比に分圧して、オンオフ動作の開始直後のゲートの充放電をそれにより設定した分圧値までしか進行させないようにして、ゲート電圧の変化速度を過渡振動が誘発されない程度に抑制する。また、その際の充放電に必ず若干の時間を要する点に着目して、変化速度を抑制するべき所定の時間には、論理状態を変化させて、ゲートを駆動する出力信号をゲートに出力させない。その後で、短時間内に充放電を完了させて半導体素子を正規のオンオフ状態に入れる。こうして、過電圧等の発生を抑止しながら、ゲート抵抗をなくしてスイッチング速度を向上させている。
特開平９−７４３４４号公報

電圧制御型スイッチング半導体素子の制御端子を駆動回路で制御するパワーエレクトロニクス回路における誤動作には、上述のように、スイッチング半導体素子のゲートでの電圧や電流の過渡振動によるものがある。本発明も、電圧制御型スイッチング素子の誤動作防止に関するものであるが、この過渡振動を別の観点で解決するものである。

本発明の目的は、電圧制御型スイッチング半導体素子のゲートを駆動回路で制御するパワーエレクトロニクス回路において、ゲートでの電圧や電流の過渡振動による誤動作を防止することである。

本発明に係る駆動装置は、接地電位を基準とする入力信号の立ち上がりエッジ時に第１ワンショットパルスを発生し前記入力信号の立ち下がりエッジ時に第２ワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路と、接地電位を基準とする信号を、トーテムポール接続された２つの電圧制御型スイッチング素子の中の高圧側電圧制御型スイッチング素子のエミッタ電位を基準とする信号にシフトする第１レベルシフト回路と、前記第１レベルシフト回路を介して前記第１ワンショットパルス信号が入力されると、前記高圧側電圧制御型スイッチング素子を駆動するための出力信号を生成し、前記第１レベルシフト回路を介して前記第２ワンショットパルス信号が入力されると、前記出力信号を停止する出力信号生成回路であって、前記入力信号が入力されなくても前記出力信号を生成する異常状態を生じることがある出力信号生成回路と、前記出力信号が出力される位置での電圧値が基準電圧値を超えるとモニタ信号を出力するモニタ回路と、エミッタ電位を基準とする信号を接地電位を基準とする信号にシフトする第２レベルシフト回路と、接地電位を基準とする前記入力信号及び前記第２レベルシフト回路を介して入力される前記モニタ信号を入力し、前記入力信号が入力されていない状態で前記モニタ信号が入力されるとき第２ワンショットパルス信号を生成し第１レベルシフト回路を介して前記出力信号生成回路に送り、前記出力信号生成回路に前記出力信号を停止させるリセット回路とを備える。

本発明に係る電力半導体装置は、電圧制御型スイッチング半導体素子と、接地電位を基準とする入力信号の立ち上がりエッジ時に第１ワンショットパルスを発生し前記入力信号の立ち下がりエッジ時に第２ワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路と、接地電位を基準とする信号を、トーテムポール接続された２つの電圧制御型スイッチング素子の中の高圧側電圧制御型スイッチング素子のエミッタ電位を基準とする信号にシフトする第１レベルシフト回路と、前記第１レベルシフト回路を介して前記第１ワンショットパルス信号が入力されると、前記高圧側電圧制御型スイッチング素子を駆動するための出力信号を生成し、前記第１レベルシフト回路を介して前記第２ワンショットパルス信号が入力されると、前記出力信号を停止する出力信号生成回路であって、前記入力信号が入力されなくても前記出力信号を生成する異常状態を生じることがある出力信号生成回路と、前記出力信号が出力される位置での電圧値が基準電圧値を超えるとモニタ信号を出力するモニタ回路と、エミッタ電位を基準とする信号を接地電位を基準とする信号にシフトする第２レベルシフト回路と、接地電位を基準とする前記入力信号及び前記第２レベルシフト回路を介して入力される前記モニタ信号を入力し、前記入力信号が入力されていない状態で前記モニタ信号が入力されるとき第２ワンショットパルス信号を生成し第１レベルシフト回路を介して前記出力信号生成回路に送り、前記出力信号生成回路に前記出力信号を停止させるリセット回路とを備える。

上述の駆動回路または電力制御回路において、制御端子での電圧をモニタし、入力信号が入力されていないときに基準値を越えた場合に出力信号を停止して、スイッチング半導体素子をオフできる。これにより、信号の誤伝達を防止して、スイッチング半導体素子の誤動作を防止する。

以下、添付の図面を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１に示される電力制御回路において、１対のパワー半導体素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴという）１０，１２が直列に接続される。これは、たとえばインバータに使用される回路である。ＩＧＢＴ１０のゲートには高圧側駆動回路（HVIC）１４が接続され、ＩＧＢＴ１２のゲートには低圧側駆動回路（LVIC）１６が接続される。なお、図示しないが、ＩＧＢＴには、オフ動作時の過電圧の発生を防止するダイオードが逆並列接続されている。また、ＩＧＢＴ１０，１２が駆動する負荷も図示していない。この回路は、電圧制御型スイッチング素子とそのための駆動回路を組み込んだインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として構成できる。なお、ＩＰＭには各種保護回路などの公知の回路が組み込まれるが、その説明は省略する。

駆動回路１４において、出力信号生成回路は、入力信号が入力されるとＩＧＢＴを駆動するための出力信号ＯＵＴ２を生成する。この出力信号生成回路は、直列に接続される１対のトランジスタ１８，２０と、入力信号に応じて、出力信号ＯＵＴ２を生成する期間に、トランジスタ１８，２０を駆動するトランジスタ制御信号を生成する制御信号生成回路とからなる。この構成は従来の駆動回路と同様であるが、この駆動回路１４は、さらに、出力信号ＯＵＴ２が出力されている制御端子での電圧の値が基準電圧値を超えるとモニタ信号Ａを出力するモニタ回路と、出力信号が生成されていない状態でモニタ信号Ａが出力されると出力信号生成回路に出力信号の生成を停止させるリセット回路を備える。従来は、スイッチング時の過渡電圧ｄＶ／ｄｔなどで入力信号が正しく伝達されず、制御電圧が異常上昇して、入力信号オフの時にＩＧＢＴがオンするという誤動作が発生することがあったが、この電力制御回路では、ＩＧＢＴの制御端子の制御電圧をモニタ回路によりモニタして、制御電圧の異常上昇によるＩＧＢＴの誤動作を防止できる。

次に、駆動回路１４の具体的な構成を説明する。ドライバトランジスタである１対のＰ型ＭＯＳＦＥＴ１８とＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０がゲートバイアス電圧ＯＵＴ２をＩＧＢＴ１０のゲートに供給する。電源電圧ＶＤＢが直列接続されたＰ型ＭＯＳＦＥＴ１８とＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０に供給され、また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０のソース側はＩＧＢＴ１０のエミッタ側に接続される。ここで、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８は、出力信号ＯＵＴ１が高レベルの時にオンして、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧ＶＧＥを高レベルにする。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０は、出力信号ＯＵＴ１が低レベルの時にオンして、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧ＶＧＥを低レベルにする。制御信号生成回路２２〜２８は、駆動回路１４に入力される入力信号ＩＮに応じて、出力信号ＯＵＴ２を生成するべき期間に、前記１対のトランジスタ１８，２０を駆動するトランジスタ制御信号ＯＵＴ１を生成する。この構成は、従来と同様であるが、そのような回路に対して、下記の誤動作防止の構成が適用できる。なお、図１において、ＶＣＣは電源電圧であり、ＣＯＭは接地電圧である。また、電圧ＶＳは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０のソース側電圧であり、電圧ＨＯは、出力電圧ＯＵＴ２であり、ＩＧＢＴ１０のゲートに入力され、ゲート電圧となる。また、電圧ＶＢは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ１８のソース側電圧である。

さらに駆動回路１４を詳しく説明すると、入力信号ＩＮはオン／オフワンショットパルス発生回路２２に入力される。オン／オフワンショットパルス発生回路は、図２に示されるように、ＩＮ信号の立ち上がりにオンワンショットパルス信号を出力し、立ち下がりでオフワンショットパルス信号を出力する。（ただし、単にワンショットパルス発生回路という場合は、ＩＮ信号の立ち上がりで生成されるオンワンショットパルス信号のみを出力する回路をいうものとする。）したがって、オン／オフワンショットパルス発生回路２２は、ＩＮ信号の立ち上がりでオンワンショットパルス信号ａ１を生成し、立ち下がりでオフワンショットパルス信号ａ２を生成する。オン／オフワンショットパルス発生回路２２が出力するオンワンショットパルス信号ａ１は、レベルシフト回路２４に入力される。また、オン／オフワンショットパルス発生回路２２が出力するオフワンショット信号ａ２と、後で説明するワンショットパルス発生回路３８が出力するワンショットパルス信号ｂ１は、ＯＲゲート２６を介してレベルシフト回路２４に入力される。レベルシフト回路２４は、ＧＮＤ基準の低圧側信号をＶＳ基準の高圧側へ信号レベルを変換して伝達する。（図１で内側の破線で囲んだ部分がＶＳ基準の高圧側回路部分である。）ここで、オンワンショットパルス信号ａ１が入力されると、オンワンショット信号ｃ１を出力し、オフワンショットパルス信号ａ２またはワンショットパルス信号ｂ１が入力されると、オフワンショット信号ｃ２を出力する。ＲＳフリップフロップ２８は、オンワンショット信号ｃ１でセットされ、オフオンワンショット信号ｃ２でリセットされる。そして、出力信号ＯＵＴ１を、インバータ３０を介してＰ型ＭＯＳＦＥＴ１８とＮ型ＭＯＳＦＥＴ２０のゲートとに供給する。ここで、入力信号ＩＮの立ち上がりで出力されるオンワンショット信号ｃ１で、ＲＳフリップフロップ２８の出力信号ＯＵＴ１を高レベルに変化させる。また、入力信号ＩＮの立ち下がりまたはリセットで出力されるオフワンショット信号ｃ２でＲＳフリップフロップ２８の出力信号ＯＵＴ１を低レベルに変化させる。このように、電圧制御型スイッチング半導体素子であるＩＧＢＴ１０を制御するためのオン信号が供給されると、それに対応してＩＧＢＴ１０が駆動される。

次に、出力信号ＯＵＴ２が出力されている制御端子での出力電圧が基準電圧値Ｖ１を超えるとモニタ信号Ａを出力するモニタ回路について説明する。オンラッチ誤動作防止のため、コンパレータ３２は、出力信号ＯＵＴ２（ＩＧＢＴ１０の電圧ＶＧＥ）を基準電圧Ｖ１と比較し、ＶＧＥ＞Ｖ１となると、出力信号ｇ１を高レベルとする。オン／オフワンショットパルス発生回路３４は、信号ｇ１の立ち上がりでオンワンショットパルス信号ｈ1を生成し、立ち下がりでオフワンショットパルス信号ｈ２を生成する。レベルシフト回路３６は、ＶＳ基準の高圧側信号をＧＮＤ基準の低圧側へ信号レベルを変換して伝達する。すなわち、オンワンショットパルス信号ｈ１が入力されると信号ｉ１を出力し、オフワンショットパルス信号ｈ２が入力されると信号ｉ２を出力する。ＲＳフリップフロップ３８は、信号ｉ１でセットされ、信号ｉ２でリセットされ、出力信号ＡをＡＮＤゲート４２に送り、RESET信号とする。したがって、出力信号ＯＵＴ２が基準電圧Ｖ１より高くなると、コンパレータ３２の出力ｇ１が立ち上がり、ＲＳフリップフロップ３８の出力Ａを高レベルに変化させる。逆に、出力信号ＯＵＴ２が基準電圧Ｖ１より低くなると、コンパレータ３２の出力信号ｇ１が立ち下がり、ＲＳフリップフロップ３８の出力信号Ａを低レベルに変化させる。

次に、入力信号が入力されていない状態でモニタ信号Ａが出力されるとき、出力信号生成回路に出力信号の生成を停止させるリセット回路について説明する。入力信号ＩＮは、オン／オフワンショットパルス発生回路２２と並列に、インバータ４０とＡＮＤゲート４２を介してワンショットパルス発生回路４４に入力される。ワンショットパルス発生回路４４は、オンワンショットパルス信号のみを出力する回路であり、ＲＥＳＥＴ信号の立ち上がりでワンショットパルス信号ｂ１を発生する。ＡＮＤゲート４２が発生するリセット信号は、ＲＳフリップフロップ３８の出力信号ＡとＮＯＴ（ＩＮ信号）のＡＮＤ演算、すなわち、信号Ａが高レベルで、ＩＮ信号が低レベルのときに、高レベルになる。

図３に、駆動回路における各種信号のタイミングチャートを示す。ＩＧＢＴ１０のゲート電圧ＶＧＥを基準電圧値Ｖ１と比較して、ＶＧＥ＞Ｖ１となると、信号Ａが高レベルとなる。入力信号が低レベルのときに、信号Ａが高レベルになると、入力信号の立ち下がり時以外でもオフワンショットパルスが出力される。オフワンショットパルス信号が出力されると、次段のラッチ出力信号ＯＵＴ１が低レベルとなり、ＩＧＢＴ１０をオフする。このように、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧と入力信号ＩＮを比較することで、入力信号が正しく伝達されずＩＧＢＴ１０が誤ってオンした場合にオフ指令を出すことで、信号の誤伝達を防止して、オンラッチの誤動作を防ぐことができる。

以上に説明したように、この駆動回路１４では、入力信号ＩＮを高圧側回路へ伝達する際、入力信号ＩＮの立ち上がり、立ち下がりでワンショット信号を生成するパルス生成回路２２と、信号レベルを変換するレベルシフト回路２４とを介して、入力信号を高圧側回路に伝達している。そして、高圧側回路では、入力信号の立ち上がりでのワンショットパルス信号によりセットされ入力信号の立ち下がりでのワンショットパルス信号によりリセットされるフリップフロップ２８を用いて、トランジスタ制御信号ＯＵＴ１を生成するようにしている。ここで、スイッチング時のdV/dtなどで信号が正しく伝達されない場合があるという前述の問題を解決するため、ＩＧＢＴ１０のゲート電圧をモニタし、リセット回路２６，４０〜４４は、モニタ信号Ａが出力されると、ワンショットパルス信号をフリップフロップ２８のリセット端子Ｒに出力する。これにより、入力信号ＩＮがオフのときに、ゲート電圧が基準電圧よりも大きくなるとワンショット信号を出力して、ＩＧＢＴ１０のゲートをオフする。これにより、信号の誤伝達を防止する。このように、ワンショットパルス信号ｃ１，ｃ２を生成してラッチ出力信号ＯＵＴ１を生成する回路に対して、モニタ信号Ａによるワンショットパルス信号を発生するリセット回路を組み合わせることにより、信号の誤伝達を防止する回路を容易に構成できる。

なお、低圧側駆動回路１６は高圧側駆動回路１６と同様の回路構成をもつので詳細な説明は省略する（ただし、低圧側駆動回路１６では、レベルシフト回路は設けられていない）。上述のゲート制御端子での誤動作は、高圧側駆動回路１４の方が起こりやすいが、低圧側駆動回路１６でも起こりうる。しかし、低圧側駆動回路１６でも同様な回路構成を用いることにより、誤動作を防止できる。

上述の実施の形態のパワーエレクトロニクス回路では、電圧制御型スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いているが、いうまでもなく、パワーＭＯＳＦＥＴを用いる回路でも、同様な回路構成を用いて信号の誤伝達を防止できる。

また、図１に示した電力制御回路は、いうまでもなく、他のパワーエレクトロニクス回路にも適用できる。たとえば、３相電力制御回路にも容易に適用できる。

電力制御回路の回路図ワンショットパルス発生回路の動作を説明するための図駆動回路の各種信号のタイミングチャート

符号の説明

１０，１２ＩＧＢＴ、１４，１６駆動回路、１８Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、２０Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２０、２２オン／オフワンショットパルス発生回路、２４レベルシフト回路、２８ＲＳフリップフロップ、３２コンパレータ、３４オン／オフワンショットパルス発生回路、３６レベルシフト回路、３８ＲＳフリップフロップ、４２ＡＮＤゲート、４４ワンショットパルス発生回路。

Claims

接地電位を基準とする入力信号の立ち上がりエッジ時に第１ワンショットパルスを発生し前記入力信号の立ち下がりエッジ時に第２ワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路と、
接地電位を基準とする信号を、トーテムポール接続された２つの電圧制御型スイッチング素子の中の高圧側電圧制御型スイッチング素子のエミッタ電位を基準とする信号にシフトする第１レベルシフト回路と、
前記第１レベルシフト回路を介して前記第１ワンショットパルス信号が入力されると、前記高圧側電圧制御型スイッチング素子を駆動するための出力信号としてラッチし、前記第１レベルシフト回路を介して前記第２ワンショットパルス信号が入力されると、前記出力信号を停止する出力信号生成回路であって、前記入力信号が入力されなくても前記出力信号を出力する異常状態を生じることがある出力信号生成回路と、
前記出力信号が出力される位置での電圧値が基準電圧値を超えるとモニタ信号を出力するモニタ回路と、
エミッタ電位を基準とする信号を接地電位を基準とする信号にシフトする第２レベルシフト回路と、
接地電位を基準とする前記入力信号及び前記第２レベルシフト回路を介して入力される前記モニタ信号を入力し、前記入力信号が入力されていない状態で前記モニタ信号が入力されるとき第２ワンショットパルス信号を生成し第１レベルシフト回路を介して前記出力信号生成回路に送り、前記出力信号生成回路に前記出力信号を停止させるリセット回路と
を備える駆動装置。
前記出力信号生成回路は、
直列に接続される１対のトランジスタであって、その接続点から前記出力信号を前記電圧制御型スイッチング半導体素子の制御端子に出力する１対のトランジスタと、
入力信号に応じて、前記出力信号を生成するべき期間に、前記１対のトランジスタを駆動するトランジスタ制御信号を生成する制御信号生成回路と
からなることを特徴とする、請求項１記載の駆動回路。
前記制御信号生成回路は、入力信号の立ち上がりでの前記第１ワンショットパルス信号によりセットされ、入力信号の立ち下がりでの前記第２ワンショットパルス信号によりリセットされるフリップフロップを含み、前記リセット回路は、前記モニタ信号により第２ワンショットパルス信号を前記フリップフロップのリセット端子に出力することを特徴とする、請求項２記載の駆動回路。
電圧制御型スイッチング半導体素子と、
接地電位を基準とする入力信号の立ち上がりエッジ時に第１ワンショットパルスを発生し前記入力信号の立ち下がりエッジ時に第２ワンショットパルスを発生するワンショットパルス発生回路と、
接地電位を基準とする信号を、トーテムポール接続された２つの電圧制御型スイッチング素子の中の前記高圧側電圧制御型スイッチング素子のエミッタ電位を基準とする信号にシフトする第１レベルシフト回路と、
前記第１レベルシフト回路を介して前記第１ワンショットパルス信号が入力されると、前記高圧側電圧制御型スイッチング素子を駆動するための出力信号を生成し、前記第１レベルシフト回路を介して前記第２ワンショットパルス信号が入力されると、前記出力信号を停止する出力信号生成回路であって、前記入力信号が入力されなくても前記出力信号を生成する異常状態を生じることがある出力信号生成回路と、
前記出力信号が出力される位置での電圧値が基準電圧値を超えるとモニタ信号を出力するモニタ回路と、
エミッタ電位を基準とする信号を接地電位を基準とする信号にシフトする第２レベルシフト回路と、
接地電位を基準とする前記入力信号及び前記第２レベルシフト回路を介して入力される前記モニタ信号を入力し、前記入力信号が入力されていない状態で前記モニタ信号が入力されるとき第２ワンショットパルス信号を生成し第１レベルシフト回路を介して前記出力信号生成回路に送り、前記出力信号生成回路に前記出力信号を停止させるリセット回路と
を備える電力半導体装置。
前記出力信号生成回路は、
直列に接続される１対のトランジスタであって、その接続点から前記出力信号を前記電圧制御型スイッチング半導体素子の制御端子に出力する１対のトランジスタと、
入力信号に応じて、前記出力信号を生成するべき期間に、前記１対のトランジスタを駆動するトランジスタ制御信号を生成する制御信号生成回路と
からなる、請求項４記載の電力半導体装置。
前記制御信号生成回路は、入力信号の立ち上がりでの前記第１ワンショットパルス信号によりセットされ、入力信号の立ち下がりでの前記第２ワンショットパルス信号によりリセットされるフリップフロップを含み、前記リセット回路は、前記モニタ信号により第２ワンショットパルス信号を前記フリップフロップのリセット端子に出力することを特徴とする、請求項５記載の電力半導体装置。