JP4842603B2 - Inverter device and inverter control device - Google Patents

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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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Description

本発明は、電力変換装置等に用いられる電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動方法及び装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for driving a voltage-driven semiconductor switching element used in a power conversion device or the like.

インバータやコンバータ等の電力変換装置には、ＩＧＢＴに代表される電圧駆動型のパワー半導体スイッチング素子が採用される。このスイッチング素子は、ゲート駆動回路で生成された駆動電圧によってオン／オフ制御される。   For power converters such as inverters and converters, voltage-driven power semiconductor switching elements represented by IGBTs are employed. This switching element is on / off controlled by a drive voltage generated by a gate drive circuit.

一般的に、半導体スイッチング素子のターンオン／オフの際のスイッチング速度を高くすると、スイッチング損失が低減され、その通電電流を大きくすることができる反面、スイッチングノイズが大きくなるという問題がある。   Generally, when the switching speed at the turn-on / off of the semiconductor switching element is increased, the switching loss is reduced and the energization current can be increased, but there is a problem that the switching noise is increased.

特許文献１は、ＩＧＢＴ等の電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオフ損失を低減するゲート駆動回路を開示している。ここでは、電力変換装置の直流側電圧が基準値以下のとき、ＩＧＢＴのゲート抵抗の並列数を増やして抵抗値を下げるように切替えることによって、ＩＧＢＴのターンオフ損失を低減している。   Patent Document 1 discloses a gate drive circuit that reduces the turn-off loss of a voltage-driven semiconductor switching element such as an IGBT. Here, when the DC side voltage of the power converter is equal to or lower than the reference value, the IGBT turn-off loss is reduced by increasing the number of IGBT gate resistors in parallel and switching the resistance value to decrease.

特開２００２−１２５３６３号公報（全体）JP 2002-125363 A (Overall)

しかしながら、特許文献１の方法では、電力変換装置の主回路の各アームにゲート抵抗可変構造を用意する必要があり、装置を複雑化させる問題があった。   However, in the method of Patent Document 1, it is necessary to prepare a variable gate resistance structure for each arm of the main circuit of the power conversion device, and there is a problem that the device is complicated.

また、半導体スイッチング素子のターンオフ時のみのスイッチング損失を低減するだけに止まっている。   In addition, the switching loss is only reduced when the semiconductor switching element is turned off.

本発明の目的は、構造を複雑化させずに、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減できる駆動装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a drive device that can reduce the loss of a voltage-driven semiconductor switching element without complicating the structure.

本発明の他の目的は、構造を複雑化させず、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減できる駆動装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a drive device that can reduce loss during turn-on and / or conduction of a voltage-driven semiconductor switching element without complicating the structure.

一般的に、電圧駆動型半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのゲート電圧として、標準的な駆動電圧が設定されている。しかし、この電圧値によっても、電圧駆動型半導体スイッチング素子における損失は変化する。すなわち、ターンオン用ゲート電圧が高い場合には、スイッチング速度が高くなり、ターンオン時のスイッチング損失は小さくなる。また、導通中のゲート電圧が高い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が低くなり、導通中の損失が低下する。反対に、ターンオン用ゲート電圧が低い場合には、スイッチング速度が低くなり、ターンオン時のスイッチング損失は大きくなる。また、導通中のゲート電圧が低い場合には、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧が高くなり、導通中の損失が増大する。   Generally, a standard drive voltage is set as a gate voltage for on / off control of a voltage-driven semiconductor switching element. However, the loss in the voltage-driven semiconductor switching element also changes depending on this voltage value. That is, when the turn-on gate voltage is high, the switching speed is high and the switching loss at turn-on is small. Further, when the gate voltage during conduction is high, the collector-emitter voltage of the semiconductor switching element is lowered, and the loss during conduction is reduced. On the other hand, when the gate voltage for turn-on is low, the switching speed is low and the switching loss at turn-on is large. In addition, when the gate voltage during conduction is low, the collector-emitter voltage of the semiconductor switching element increases, and the loss during conduction increases.

本発明は、この特性を利用して、電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、状況に応じて調整することを主特徴とする。   The main feature of the present invention is that, by utilizing this characteristic, the magnitude of the gate voltage for turning on the voltage-driven semiconductor switching element is adjusted according to the situation.

本発明の望ましい実施態様においては、電圧駆動型半導体スイッチング素子を含む電力変換装置と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間にゲート電圧を印加し前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を駆動するゲート駆動回路を備え、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子をターンオンさせるゲート電圧の大きさを、前記電力変換装置の状況に応じて調整することを特徴とする。   In a preferred embodiment of the present invention, a power converter including a voltage-driven semiconductor switching element and a gate voltage applied between a gate and an emitter of the voltage-driven semiconductor switching element to drive the voltage-driven semiconductor switching element. A gate drive circuit is provided, and the magnitude of the gate voltage for turning on the voltage-driven semiconductor switching element is adjusted according to the state of the power converter.

また、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート電圧に対する電圧指令を出力し、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の出力電圧を調整することを特徴とする。   In a preferred embodiment of the present invention, the state information of the power converter is input, a voltage command for the gate voltage is output, and the output voltage of the gate drive circuit is adjusted according to the voltage command. And

さらに、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力変換装置の状態情報を入力し前記ゲート駆動回路の電源の電圧に対する電圧指令を出力するゲート電源電圧指令手段と、この電圧指令に応じて前記ゲート駆動回路の電源の電圧を調整するゲート電源電圧調整手段を備える。   Furthermore, in a preferred embodiment of the present invention, gate power supply voltage command means for inputting status information of the power converter and outputting a voltage command for the voltage of the power supply of the gate drive circuit, and the gate according to the voltage command Gate power supply voltage adjusting means for adjusting the power supply voltage of the drive circuit is provided.

本発明の望ましい実施態様においては、前記電圧の調整における電圧指令の大きさを、前記電力変換装置に印加される直流電圧の大きさ、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子の温度情報、又は前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を冷却する冷却水の温度情報に基いて決定することを特徴とする。   In a preferred embodiment of the present invention, the magnitude of the voltage command in the voltage adjustment is the magnitude of the DC voltage applied to the power converter, the temperature information of the voltage-driven semiconductor switching element, or the voltage drive. It determines based on the temperature information of the cooling water which cools a type | mold semiconductor switching element.

本発明の望ましい実施態様によれば、主回路装置を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子の損失を低減することができる。   According to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to reduce the loss of the voltage driven semiconductor switching element without complicating the main circuit device.

また、本発明の望ましい実施態様によれば、構造を複雑化することなく、電圧駆動型半導体スイッチング素子のターンオン時及び／又は導通中の損失を低減することができる。   Further, according to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to reduce a loss during turn-on and / or conduction of the voltage-driven semiconductor switching element without complicating the structure.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用したモータ駆動用インバータ装置の構成図である。バッテリ１の直流電圧を、インバータ装置２によって可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換し、交流モータ３に供給する。インバータ装置２は、インバータ主回路２１と、電圧平滑用キャパシタ２２、並びにインバータ制御装置２３とからなる。インバータ主回路２１は、ＩＧＢＴ（電圧駆動型半導体スイッチング素子）２１１を３相ブリッジ結線して構成され、各ＩＧＢＴ２１１は、逆並列ダイオード２１２を備えている。これにより、直流側端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧を、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗ間に可変電圧・可変周波数の３相交流電圧に変換している。   FIG. 1 is a block diagram of an inverter device for driving a motor to which a driving device for a voltage-driven semiconductor switching element according to an embodiment of the present invention is applied. The DC voltage of the battery 1 is converted into a variable voltage / variable frequency three-phase AC voltage by the inverter device 2 and supplied to the AC motor 3. The inverter device 2 includes an inverter main circuit 21, a voltage smoothing capacitor 22, and an inverter control device 23. The inverter main circuit 21 is configured by connecting IGBTs (voltage driven semiconductor switching elements) 211 in a three-phase bridge, and each IGBT 211 includes an anti-parallel diode 212. As a result, the DC voltage between the DC terminals P and N is converted between the AC terminals U, V, and W into a three-phase AC voltage having a variable voltage and a variable frequency.

このインバータ主回路２１は、インバータ制御装置２３からの指令に応じて、ＩＧＢＴ２１１がスイッチング制御され、バッテリ１の直流電圧源から、３相交流電圧を生成し、モータ３を駆動するための電流を通電する。   In the inverter main circuit 21, the IGBT 211 is switching-controlled according to a command from the inverter control device 23, generates a three-phase AC voltage from the DC voltage source of the battery 1, and supplies a current for driving the motor 3. To do.

ここで、インバータ制御装置２３は、ＩＧＢＴ２１１にゲート電圧を与え、これらをオン／オフ駆動するゲート駆動回路２３１を備えている。この部分の詳細については、図２を参照して後述する。この実施例においては、ゲート駆動回路２３１の出力電圧を調整するために、電圧調整可能なゲート電源回路２３２を設けている。そしてその出力電圧は、ゲート電源電圧制御回路２３３によって制御される。このゲート電源電圧制御回路２３３には、電圧指令装置（マイコン）２３４から電圧指令が与えられる。この電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５及びＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力を入力し、前記電圧指令を決定する。   Here, the inverter control device 23 includes a gate drive circuit 231 that applies a gate voltage to the IGBT 211 and drives them on / off. Details of this portion will be described later with reference to FIG. In this embodiment, in order to adjust the output voltage of the gate drive circuit 231, a voltage adjustable gate power supply circuit 232 is provided. The output voltage is controlled by the gate power supply voltage control circuit 233. The gate power supply voltage control circuit 233 is given a voltage command from a voltage command device (microcomputer) 234. This voltage command device (microcomputer) 234 inputs the output of the voltage detector 235 that detects the DC voltage of the inverter main circuit 21 and the temperature detector 236 that detects the temperature of the IGBT 211 or the cooling water that cools these IGBTs. Determine the voltage command.

全体を制御するためのコントローラに設けられた電圧指令装置（マイコン）２３４は、直流電圧検出器２３５や、冷却水温度又はＩＧＢＴ２１１のチップ温度等の温度検出器２３６等の情報から、電力変換装置としての動作状況を把握し、電圧指令を作成する。例えば、インバータ主回路２１の直流側端子Ｐ，Ｎ間すなわち電圧平滑用キャパシタ２２の電圧を電圧検出器２３５で検出し、この直流電圧が高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、高い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が高くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が高くなる。   The voltage command device (microcomputer) 234 provided in the controller for controlling the whole is used as a power converter from information such as the DC voltage detector 235 and the temperature detector 236 such as the coolant temperature or the chip temperature of the IGBT 211. Understand the operational status of and create a voltage command. For example, when the voltage detector 235 detects the voltage between the DC side terminals P and N of the inverter main circuit 21, that is, the voltage of the voltage smoothing capacitor 22, and the DC voltage is high, the switching loss also increases. It is desirable to increase it to reduce loss. Therefore, a high voltage command is given to the gate power supply voltage control circuit 233 from the voltage command device (microcomputer) 234. As a result, the gate power supply voltage, which is the output of the gate power supply circuit 232 whose voltage can be adjusted, is increased. As a result, the gate voltage applied between the gate drive circuit 231 and the gate-emitter of the IGBT 211 increases.

このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高い場合には、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減することができる。   In this way, when the voltage between the DC sides P and N is high, the switching loss of the IGBT 211 also increases, so that the gate voltage can be increased and the loss can be reduced.

また、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力が低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することが望ましい。したがって、電圧指令装置（マイコン）２３４から、通常より低い電圧指令をゲート電源電圧制御回路２３３に与える。これにより、電圧調整可能なゲート電源回路２３２の出力であるゲート電源電圧が低くなる。この結果、ゲート駆動回路２３１からＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧が低くなる。   Further, when the output of the IGBT 211 or the temperature detector 236 for detecting the temperature of the cooling water for cooling the IGBT is low and there is a margin in the thermal loss of the IGBT 211, the gate voltage is increased to reduce the switching noise of the element. It is desirable to reduce. Therefore, a voltage command lower than usual is given from the voltage command device (microcomputer) 234 to the gate power supply voltage control circuit 233. As a result, the gate power supply voltage, which is the output of the gate power supply circuit 232 that can adjust the voltage, is lowered. As a result, the gate voltage applied between the gate-emitter of the IGBT 211 from the gate drive circuit 231 becomes low.

このようにして、直流側Ｐ，Ｎ間電圧が高くなく、スイッチング素子に熱的余裕がある場合には、ＩＧＢＴ２１１に高いゲート電圧を印加し、スイッチングノイズを低減することができる。   In this way, when the voltage between the DC sides P and N is not high and the switching element has a thermal margin, a high gate voltage can be applied to the IGBT 211 to reduce switching noise.

このように、インバータ装置２の状況に応じて、臨機応変に、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ２１１のゲート電圧を調整することができる。   In this way, the gate voltage of the IGBT 211 that is a voltage-driven semiconductor switching element can be adjusted in response to the situation of the inverter device 2.

図２は、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図である。図では、図１におけるインバータ主回路２１のＷ相Ｐ側の１アームのＩＧＢＴ２１１と逆並列ダイオード２１２のみを抜き出し、このＩＧＢＴ２１１に対するゲート駆動回路２３１からのゲート電圧の与え方を説明するものである。ＩＧＢＴ２１１は、そのゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧によって、コレクタＣとエミッタＥ間をオン／オフ制御できる。２１３は、ゲートＧとエミッタＥ間の浮遊容量を示している。   FIG. 2 is a drive circuit configuration diagram for explaining the drive principle of an IGBT that is a voltage-driven semiconductor switching element. In the figure, only the one-arm IGBT 211 and the antiparallel diode 212 on the W phase P side of the inverter main circuit 21 in FIG. 1 are extracted, and a method of applying the gate voltage from the gate drive circuit 231 to the IGBT 211 will be described. The IGBT 211 can perform on / off control between the collector C and the emitter E by the gate voltage between the gate G and the emitter E. Reference numeral 213 denotes a stray capacitance between the gate G and the emitter E.

ゲート駆動回路２３１は、制御用ＩＣ２３１１からのオン／オフ指令によって相補的にオン／オフするターンオン用のＮＰＮバッファトランジスタ２３１２とターンオフ用のＰＮＰバッファトランジスタ２３１３と、ゲート抵抗２３１４を備えている。ＩＧＢＴ２１１をターンオンさせる場合は、制御用ＩＣ２３１１から、正の電圧を出力し、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオンさせ、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ２３１３をオフさせる。これによって、充電電流Iｏｎにより浮遊容量２１３を充電して、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間に正の電圧を印加する。一方、ＩＧＢＴ２１１をターンオフさせるときは、制御用ＩＣ２３１１から、ゼロ電圧を出力し、逆に、ターンオフ用のＰＮＰトランジスタ１０をオンさせ、ターンオン用のＮＰＮトランジスタ９をオフさせる。これにより、放電電流Iｏｆｆにより浮遊容量２１３の電荷を放電させて、ＩＧＢＴ２１１のゲートＧとエミッタＥ間電圧をゼロ［Ｖ］とする。   The gate drive circuit 231 includes a turn-on NPN buffer transistor 2312, a turn-off PNP buffer transistor 2313, and a gate resistor 2314 that are complementarily turned on / off by an on / off command from the control IC 2311. When the IGBT 211 is turned on, a positive voltage is output from the control IC 2311, the turn-on NPN transistor 9 is turned on, and the turn-off PNP transistor 2313 is turned off. As a result, the stray capacitance 213 is charged by the charging current Ion, and a positive voltage is applied between the gate G and the emitter E of the IGBT 211. On the other hand, when the IGBT 211 is turned off, a zero voltage is output from the control IC 2311. Conversely, the turn-off PNP transistor 10 is turned on, and the turn-on NPN transistor 9 is turned off. As a result, the charge of the stray capacitance 213 is discharged by the discharge current Ioff, and the voltage between the gate G and the emitter E of the IGBT 211 is set to zero [V].

このとき、前述したように、ターンオン用のゲートＧとエミッタＥ間のゲート電圧Ｖｇが高いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は小さくなり、スイッチングノイズは大きくなる。また、逆に、ゲート電圧Ｖｇが低いと、ＩＧＢＴ２１１のスイッチング損失は大きくなるが、スイッチングノイズは小さくなる。   At this time, as described above, when the gate voltage Vg between the turn-on gate G and the emitter E is high, the switching loss of the IGBT 211 decreases and the switching noise increases. Conversely, when the gate voltage Vg is low, the switching loss of the IGBT 211 increases, but the switching noise decreases.

このゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２（図１）から与えられるゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。   The magnitude of the gate voltage Vg can be adjusted by the power supply voltage Vgs of the gate drive circuit 231 provided from the gate power supply circuit 232 (FIG. 1).

図３は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図である。この図では、３相インバータ主回路２１のＷ相アームのＩＧＢＴのみに対するインバータ制御装置２３の一部を示しており、他の２相分は省略している。図３において、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１は、インバータ制御装置２３によってオン／オフ制御される。インバータ制御装置２３は、図１で説明したように、ゲート駆動回路２３１、ゲート電源回路２３２、ゲート電源電圧制御回路２３３、並びに電圧指令装置（マイコン）２３４を備えている。電圧指令装置（マイコン）２３４は、インバータ主回路２１の直流電圧を検出する電圧検出器２３５の出力Ｖｐと、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓを入力し、電圧指令を決定する。その決定の基本的内容は、図１で説明したように、直流電圧Ｖｐが高い場合には、スイッチング損失も大きくなるので、ゲート電圧を高くして、損失を低減する。一方、ＩＧＢＴ２１１又はこれらＩＧＢＴを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出器２３６の出力Ｔｓが低く、ＩＧＢＴ２１１の熱的損失に余裕がある場合には、ゲート電圧を高くして、素子のスイッチングノイズを低減することである。しかし、そのほかの判断要素を加味して、電力変換装置あるいは交流モータ制御装置としての動作状況に応じて、損失やノイズを考慮しつつ、制御することができる。   FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a voltage-driven semiconductor switching element driving apparatus according to an embodiment of the present invention. In this figure, a part of the inverter control device 23 for only the IGBT of the W-phase arm of the three-phase inverter main circuit 21 is shown, and the other two phases are omitted. In FIG. 3, the IGBT 211 that is a constituent element of the inverter main circuit 21 is on / off controlled by the inverter control device 23. As described with reference to FIG. 1, the inverter control device 23 includes a gate drive circuit 231, a gate power supply circuit 232, a gate power supply voltage control circuit 233, and a voltage command device (microcomputer) 234. The voltage command device (microcomputer) 234 outputs the output Vp of the voltage detector 235 that detects the DC voltage of the inverter main circuit 21 and the output Ts of the temperature detector 236 that detects the temperature of the IGBT 211 or the cooling water that cools the IGBT. Input and determine the voltage command. As described in FIG. 1, the basic content of the determination is that when the DC voltage Vp is high, the switching loss also increases, so the gate voltage is increased to reduce the loss. On the other hand, when the output Ts of the temperature detector 236 for detecting the temperature of the IGBT 211 or the cooling water for cooling the IGBT is low and the thermal loss of the IGBT 211 has a margin, the gate voltage is increased and the switching noise of the element is increased. It is to reduce. However, in consideration of other determination factors, the control can be performed in consideration of loss and noise in accordance with the operation state as the power conversion device or the AC motor control device.

各アーム用のドライバＩＣ２３１１の各電源電圧Ｖｇｓは、フライバック型のゲート電源回路２３２により、同じ電圧になるように制御されている。その電源電圧値Ｖｇｓは、全体を制御するコントローラの電圧指令装置（マイコン）２３４からの電源電圧指令に応じて、ゲート電源電圧制御回路２３３内の電源制御ＩＣが制御する構成としている。   Each power supply voltage Vgs of the driver IC 2311 for each arm is controlled to be the same voltage by a flyback type gate power supply circuit 232. The power supply voltage value Vgs is controlled by a power supply control IC in the gate power supply voltage control circuit 233 in accordance with a power supply voltage command from a voltage command device (microcomputer) 234 of a controller that controls the whole.

ゲート電源電圧制御回路２３３は、上記のようにして得られた電圧指令と電圧帰還値とが一致するように電源制御用ＩＣによって電圧制御系（ＡＶＲ）を構成している。ゲート電源電圧制御回路２３３は、前記電圧指令に応じた電圧を、フライバック型のゲート電源回路２３２を介して、その後段のゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓとして供給する。   The gate power supply voltage control circuit 233 configures a voltage control system (AVR) with a power supply control IC so that the voltage command obtained as described above matches the voltage feedback value. The gate power supply voltage control circuit 233 supplies a voltage corresponding to the voltage command as the power supply voltage Vgs of the subsequent stage gate drive circuit 231 via the flyback gate power supply circuit 232.

ゲート駆動回路２３１は、図２を参照して詳細に説明した通りであり、出力するゲート電圧Ｖｇの大きさは、ゲート電源回路２３２から与えられる電源電圧Ｖｇｓによって調整することができる。すなわち、電圧指令装置（マイコン）２３４にプログラムされたアルゴリズムに従って、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが変化するので、ＩＧＢＴ２１１のゲート−エミッタ間に印加されるゲート電圧Ｖｇを変化させることができる。   The gate drive circuit 231 is as described in detail with reference to FIG. 2, and the magnitude of the output gate voltage Vg can be adjusted by the power supply voltage Vgs supplied from the gate power supply circuit 232. That is, since the power supply voltage Vgs of the gate drive circuit 231 changes in accordance with an algorithm programmed in the voltage command device (microcomputer) 234, the gate voltage Vg applied between the gate and emitter of the IGBT 211 can be changed.

なお、ドライバＩＣ２３１１は、ＩＧＢＴ２１１の短絡保護機能をも備えている。   Note that the driver IC 2311 also has a short-circuit protection function for the IGBT 211.

図４は、本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失等の波形図である。時点ｔ１において、ＩＧＢＴ２１１に対するオン／オフ指令がオンになると、ゲート電圧Ｖｇがゼロから所定値まで立上がる。このとき、インバータ主回路２１の直流側電圧Ｖｐが高い場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓが高いため、ゲート電圧Ｖｇ１も時点ｔ２までに素早く、かつ、高い電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ１も素早く立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ１は素早く、かつ、より小さい値まで低下する。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のスイッチング損失Ｌ１は短い時間（ｔ１〜ｔ２）内で小さく抑えられる。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ１を、図示するように、そのまま高く保持されておれば、導通中の損失Ｌ１も小さく抑制することができる。   FIG. 4 is a waveform diagram of voltage, current, loss, etc., for explaining the operation of the driving device for the voltage-driven semiconductor switching element according to one embodiment of the present invention. When the on / off command for the IGBT 211 is turned on at time t1, the gate voltage Vg rises from zero to a predetermined value. At this time, when the DC side voltage Vp of the inverter main circuit 21 is high, since the power supply voltage Vgs of the gate drive circuit 231 is high, the gate voltage Vg1 rises quickly and to a high voltage by time t2. Therefore, the collector current Ic1 of the IGBT 211 also rises quickly, and the collector voltage Vc1 quickly decreases to a smaller value. Therefore, the switching loss L1 when the IGBT 211 is turned on is suppressed to be small within a short time (t1 to t2). In addition, if the gate voltage Vg1 during conduction thereafter is kept high as shown in the drawing, the loss L1 during conduction can be suppressed to be small.

一方、インバータ主回路２１の構成素子であるＩＧＢＴ２１１の冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合には、ゲート駆動回路２３１の電源電圧Ｖｇｓを低く指令する。このため、ゲート電圧Ｖｇ３は、時点ｔ４までにゆっくり、かつ、低く抑制された電圧まで立上がる。したがって、ＩＧＢＴ２１１のコレクタ電流Ｉｃ３もゆっくり立上がり、コレクタ電圧Ｖｃ３はゆっくり、かつ、より大きな値までしか低下しない。したがって、ＩＧＢＴ２１１のターンオン時のノイズを小さく抑制することができる。但し、スイッチング損失Ｌ３は、比較的長い時間（ｔ１〜ｔ４）に大きく発生する。しかも、その後の導通中のゲート電圧Ｖｇ３を、図示するように、そのまま低く保持した場合には、導通中の損失Ｌ３も大きくなる。したがって、ノイズを小さく抑制したい場合でも、導通中のゲート電圧は十分に大きく保つことが望ましい。   On the other hand, when the cooling water temperature of the IGBT 211 that is a constituent element of the inverter main circuit 21 is low and there is a thermal margin, the power supply voltage Vgs of the gate drive circuit 231 is commanded low. For this reason, the gate voltage Vg3 rises slowly to a voltage that is suppressed to a low level by the time point t4. Therefore, the collector current Ic3 of the IGBT 211 also rises slowly, and the collector voltage Vc3 slowly decreases only to a larger value. Therefore, noise when the IGBT 211 is turned on can be reduced. However, the switching loss L3 is greatly generated in a relatively long time (t1 to t4). Moreover, when the gate voltage Vg3 during subsequent conduction is kept low as shown in the figure, the loss L3 during conduction also increases. Therefore, even when it is desired to suppress noise to a low level, it is desirable to keep the gate voltage during conduction sufficiently high.

図４におけるゲート電圧Ｖｇ２、コレクタ電流Ｉｃ２、コレクタ電圧Ｖｃ２及び素子損失Ｌ２は、前述した２例の中間の値を示す標準値である。   The gate voltage Vg2, the collector current Ic2, the collector voltage Vc2, and the element loss L2 in FIG. 4 are standard values indicating intermediate values between the two examples described above.

この実施例によれば、インバータやコンバータ等の電力変換装置の状況に応じて、臨機応変に電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート電圧を調整することができる。したがって、例えば、冷却水温が低く、熱的に余裕がある場合などには、ノイズを低減するため、ゲート電圧を低く設定し、他方、電力変換装置の直流側電圧が高い場合などには、ゲート電圧を高くして、スイッチング損失を低減することができる。   According to this embodiment, the gate voltage of the voltage-driven semiconductor switching element can be adjusted flexibly according to the situation of the power conversion device such as an inverter or a converter. Therefore, for example, when the cooling water temperature is low and there is a thermal margin, the gate voltage is set low in order to reduce noise, while when the DC side voltage of the power converter is high, the gate The switching loss can be reduced by increasing the voltage.

本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置を適用した交流モータ駆動用インバータ装置の構成図。The block diagram of the inverter apparatus for alternating current motor drive to which the drive device of the voltage drive type semiconductor switching element by one Example of this invention is applied. 電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴの駆動原理を説明する駆動回路構成図。The drive circuit block diagram explaining the drive principle of IGBT which is a voltage drive type semiconductor switching element. 本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の回路構成図。The circuit block diagram of the drive device of the voltage drive type semiconductor switching element by one Example of this invention. 本発明の一実施例による電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動装置の動作を説明する電圧、電流及び損失の波形図。FIG. 4 is a waveform diagram of voltage, current, and loss for explaining the operation of the drive device for a voltage-driven semiconductor switching element according to one embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…バッテリ（直流電源）、２…インバータ装置、３…交流モータ、２１…インバータ主回路、２１１…電圧駆動型半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）、２２…電圧平滑用キャパシタ、２３…インバータ制御装置、２３１…ゲート駆動回路、２３２…ゲート電源回路、２３３…ゲート電源電圧制御回路、２３４…電圧指令装置（マイコン）、２３５…電圧検出器、２３６…温度検出器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Battery (DC power supply), 2 ... Inverter apparatus, 3 ... AC motor, 21 ... Inverter main circuit, 211 ... Voltage drive type semiconductor switching element (IGBT), 22 ... Voltage smoothing capacitor, 23 ... Inverter control apparatus, 231 ... gate drive circuit, 232 ... gate power supply circuit, 233 ... gate power supply voltage control circuit, 234 ... voltage command device (microcomputer), 235 ... voltage detector, 236 ... temperature detector.

Claims (6)

電圧駆動型半導体スイッチング素子を含むインバータ主回路と、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲートーエミッタ間にゲート電圧を印加し、前記電圧駆動型半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置を備えたインバータ装置において、
前記インバータ制御装置は、複数の前記電圧駆動型スイッチング素子のゲートにゲート電圧を出力するゲート駆動回路と、当該ゲート駆動回路を駆動するためのゲート電源電圧を出力する１つのゲート電源回路と、当該ゲート電源電圧を制御する１つのゲート電源電圧制御回路とを有し、
前記ゲート電源電圧制御回路は、前記インバータ主回路の正極側端子と負極側端子との間の直流電圧を取得し、当該直流電圧が高い場合には、前記ゲート電源回路から前記ゲート駆動回路に出力するゲート電源電圧を高くするように前記ゲート電源回路を制御し、
前記ゲート駆動回路は、前記ゲート電源電圧の調整に応じたゲート電圧を、複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子に出力するように構成したことを特徴とするインバータ装置。 Inverter apparatus comprising an inverter main circuit including a voltage-driven semiconductor switching element, and an inverter control device for controlling the voltage-driven semiconductor switching element by applying a gate voltage between a gate and an emitter of the voltage-driven semiconductor switching element In
The inverter control device includes: a gate drive circuit that outputs a gate voltage to the gates of the plurality of voltage-driven switching elements; a gate power supply circuit that outputs a gate power supply voltage for driving the gate drive circuit; A gate power supply voltage control circuit for controlling the gate power supply voltage;
The gate power supply voltage control circuit acquires a DC voltage between a positive terminal and a negative terminal of the inverter main circuit, and outputs the gate voltage from the gate power circuit to the gate drive circuit when the DC voltage is high. Controlling the gate power supply circuit so as to increase the gate power supply voltage,
The inverter device, wherein the gate drive circuit is configured to output a gate voltage corresponding to the adjustment of the gate power supply voltage to the plurality of voltage-driven semiconductor switching elements. 請求項１に記載のインバータ装置であって、
複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子は、前記インバータ主回路の上アーム及び下アームを構成し、
前記ゲート駆動回路は、前記上アームを駆動させるための第一バッファ回路と、前記下アームを駆動させるための第二バッファ回路から構成され、
前記ゲート電源回路は、前記第一バッファ回路と前記第二バッファ回路に、共通のゲート電源電圧を出力する回路から構成されることを特徴とするインバータ装置。 The inverter device according to claim 1,
The plurality of voltage-driven semiconductor switching elements constitute an upper arm and a lower arm of the inverter main circuit,
The gate driving circuit includes a first buffer circuit for driving the upper arm and a second buffer circuit for driving the lower arm,
The inverter device comprising: a gate power supply circuit configured to output a common gate power supply voltage to the first buffer circuit and the second buffer circuit. 請求項１または２に記載のインバータ装置であって、
前記ゲート電源回路は、フライバック型ゲート電源回路であることを特徴とするインバータ装置。 The inverter device according to claim 1 or 2,
The inverter device characterized in that the gate power supply circuit is a flyback gate power supply circuit. インバータ主回路を構成する複数の電圧駆動型半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置において、
複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲートにゲート電圧を出力するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路にゲート電源電圧を出力する１つのゲート電源回路と、前記ゲート電源回路を制御する１つのゲート電源電圧制御回路とを有し、
前記ゲート電源電圧制御回路は、前記インバータ主回路の正極側端子と負極側端子との間の直流電圧を取得し、当該直流電圧が高い場合には、前記ゲート電源回路から前記ゲート駆動回路に出力するゲート電源電圧を高くするように前記ゲート電源回路を制御し、
前記ゲート駆動回路は、前記ゲート電源電圧の調整に応じたゲート電圧を、複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子に出力することを特徴とするインバータ制御装置。 In an inverter control device that controls a plurality of voltage-driven semiconductor switching elements constituting an inverter main circuit,
A gate drive circuit that outputs a gate voltage to the gates of the plurality of voltage-driven semiconductor switching elements; a gate power supply circuit that outputs a gate power supply voltage to the gate drive circuit; and a gate that controls the gate power supply circuit Power supply voltage control circuit,
The gate power supply voltage control circuit acquires a DC voltage between a positive terminal and a negative terminal of the inverter main circuit, and outputs the gate voltage from the gate power circuit to the gate drive circuit when the DC voltage is high. Controlling the gate power supply circuit so as to increase the gate power supply voltage,
The inverter control device, wherein the gate driving circuit outputs a gate voltage corresponding to the adjustment of the gate power supply voltage to the plurality of voltage-driven semiconductor switching elements. 請求項４に記載のインバータ制御装置であって、
複数の前記電圧駆動型半導体スイッチング素子は、前記インバータ主回路の上アーム及び下アームを構成し、
前記ゲート駆動回路は、前記上アームを駆動させるための第一バッファ回路と、前記下アームを駆動させるための第二バッファ回路から構成され、
前記ゲート電源回路は、前記第一バッファ回路と前記第二バッファ回路に、共通のゲート電源電圧を出力する回路から構成されることを特徴とするインバータ制御装置。 The inverter control device according to claim 4,
The plurality of voltage-driven semiconductor switching elements constitute an upper arm and a lower arm of the inverter main circuit,
The gate driving circuit includes a first buffer circuit for driving the upper arm and a second buffer circuit for driving the lower arm,
The inverter control device according to claim 1, wherein the gate power supply circuit includes a circuit that outputs a common gate power supply voltage to the first buffer circuit and the second buffer circuit. 請求項４または５に記載のインバータ制御装置であって、
前記ゲート電源回路は、フライバック型ゲート電源回路であることを特徴とするインバータ制御装置。 The inverter control device according to claim 4 or 5,
The inverter control device, wherein the gate power supply circuit is a flyback gate power supply circuit.
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