JP5387691B2 - 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧駆動型素子を駆動する駆動装置に関する。

電圧駆動型素子は、駆動電圧を用いて特定機能を発揮することが可能な素子であり、様々な用途で広く用いられている。電圧駆動型素子の一例には、絶縁ゲートを備える電圧駆動型スイッチング素子が知れられている。電圧駆動型スイッチング素子は、絶縁ゲートに供給されるゲート電圧（駆動電圧の一例）に基づいて電流値を制御するものであり、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータ装置に用いられている。電圧駆動型スイッチング素子の一例には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を含むパワー半導体スイッチング素子が挙げられる。

このような電圧駆動型素子を駆動するために、電圧駆動型素子には駆動装置が接続されている。駆動装置は、電圧駆動型素子に供給する駆動電圧を制御するように構成されている。例えば、駆動装置は、電圧駆動型素子のオン・オフを指示する制御信号に基づいて駆動電圧を制御することができる。駆動装置はまた、電圧駆動型素子の駆動状態を示す信号、又は外部環境の状態を示す信号に基づいて駆動電圧を制御することができる。

このような駆動装置の駆動方式として、アクティブゲート駆動方式と称される技術が開発されている。アクティブゲート駆動方式は、サージ電圧とスイッチング損失の双方を改善するために、電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、駆動電圧に関連する駆動条件を切換えることを特徴としている。例えば、アクティブ駆動方式の一例では、電圧駆動型素子をオフからオンに遷移させるときに、遷移期間の前半段階ではゲート抵抗を高く設定して駆動電圧の上昇速度を遅くし、遷移期間の後半段階ではゲート抵抗を低く設定して駆動電圧の上昇速度を速くすることが行われる。あるいは、アクティブゲート駆動方式の他の一例では、電圧駆動型素子をオフからオンに遷移させるときに、遷移期間の前半段階では駆動電圧を低く設定し、遷移期間の後半段階では駆動電圧を高く設定することが行われる。このようなアクティブゲート駆動方式の一例が、特開２０１０−０２２１９０号公報、特開２００１−３１４０７５号公報、特開平１０−２３７４３号公報に開示されている。

このようなアクティブゲート駆動方式では、駆動条件を切換えるタイミングを正確に把握することが重要である。駆動条件を切換えるタイミングを正確に把握するためには、正確な時間計測が必要である。通常、駆動装置に内蔵される回路で正確な時間計測を行うことは困難であることから、外部に設けられた時間生成回路を利用して時間の計測が行われる。

しかしながら、外部の時間生成回路を利用すると、何らかの理由で駆動装置と時間生成回路の電気的な接続に支障が生じることが予想される。例えば、駆動装置と時間生成回路を電気的に接続する端子がオープンになることが予想される。このような場合、駆動条件を切換えるタイミングを正確に把握することができなくなり、電圧駆動型素子を適切に駆動できないという事態が生じてしまう。本明細書で開示される技術は、このような事態に対策が施された駆動装置を提供することを目的としている。

本明細書で開示される駆動装置は、駆動装置と時間生成回路の間の電気的な接続に支障が生じて時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号を生成するように構成されている異常信号生成回路が設けられていることを特徴としている。これにより、異常信号が生成されたときには、電圧駆動型素子の保護動作を実行することが可能となる。

図１は、インバータ装置の構成の一例を示す。 図２は、本実施例の駆動装置の概要の一例を示す。 図３は、遷移期間における駆動電圧の変移の一例を示す。 図４は、本実施例の駆動装置の構成の一例を示す。 図５は、本実施例の信号生成回路の構成の一例を示す。 図６は、本実施例の信号生成回路のタイミングチャートの一例を示す。

本明細書で開示される駆動装置は、電圧駆動型素子を駆動するために用いられる。ここで、電圧駆動型素子は、駆動電圧を用いて特定機能を発揮することが可能な素子である。電圧駆動型素子は、絶縁ゲートを有する電圧駆動型スイッチング素子であってもよく、特にパワー半導体スイッチング素子であってもよい。パワー半導体スイッチング素子には、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、サイリスタが含まれる。

本明細書で開示される駆動装置の切換え回路は、外部の時間生成回路に接続可能に構成されており、時間生成回路を利用して計測された計測時間に基づいて電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、電圧駆動型素子の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成さていてもよい。例えば、切換え回路は、切換え実行回路と切換え信号生成回路を有していてもよい。この場合、切換え実行回路は、電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、切換え信号生成回路からの切換え信号に応答して、電圧駆動型素子の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成されていてもよい。切換え信号生成回路は、外部の時間生成回路に接続可能に構成されており、時間生成回路を利用して計測された計測時間に基づいて、切換え信号を切換え実行回路に提供するように構成されていてもよい。

遷移期間は、電圧駆動型素子が非駆動状態（オフ状態）から駆動状態（オン状態）に遷移するターンオン期間でもよく、電圧駆動型素子が駆動状態（オン状態）から非駆動状態（オフ状態）に遷移するターンオフ期間でもよい。駆動電圧に関連する駆動条件としては、例えば、ゲート抵抗、ゲート容量、あるいは駆動電圧自体が含まれる。外部の時間生成回路には、例えば、抵抗素子、コンデンサ、水晶発振子、又はセラミック発振子が含まれる。ここで、切換え回路が駆動条件を切換える態様には、様々な態様が含まれる。切換え回路は、計測時間のみを要件として駆動条件を切換えてもよく、計測時間を１つの要件とする論理によって駆動条件を切換えてもよい。計測時間以外の他の要件としては、電圧駆動型素子の閾値電圧、周囲温度、素子の温度、電圧駆動型素子の端子間電圧（コレクタ・エミッタ間電圧又はドレイン・ソース間電圧）が含まれる。また、計測時間の開始時は、例えば、遷移期間が開始する時でもよく、電圧駆動型素子の駆動状態が所定状態になった時でもよく、又は外部環境の状態が所定状態になった時でもよい。

本明細書で開示される駆動装置の異常信号生成回路は、時間生成回路を利用した切換え回路における時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号を生成するように構成されていてもよい。このように生成された異常信号は、様々な目的で用いることができる。一例では、異常信号は、電圧駆動型素子の保護動作の目的で用いられる。あるいは、異常信号は、電圧駆動型素子に接続される他の素子の保護動作の目的で用いられる。具体的には、異常信号が生成されたことを条件として、電圧型駆動素子が強制的にオフさせられてもよい。

本明細書で開示される切換え回路は、時間生成回路を利用して遷移期間が開始してからの時間を計測し、その計測時間が第１予定時間に達したときに駆動条件を切換えるように構成されていてもよい。

本明細書で開示される切換え回路は、基準電流源とコンパレータとを有していてもよい。この場合、基準電流源は、時間生成回路に設けられているキャパシタに接続可能に構成されており、遷移期間が開始してからキャパシタに基準電流を供給可能に構成されているのが望ましい。コンパレータは、時間生成回路のキャパシタに接続可能に構成されており、キャパシタに接続する接続線の電圧が第１閾値電圧に達したときに、計測時間が第１予定時間に達したと判断するように構成されていてもよい。この態様によると、外部に設けられた高品質なキャパシタに電荷を蓄積させることで、蓄積した電荷量に応じて正確な時間の計測をすることができる。

本明細書で開示される基準電流源の基準電流の大きさは、時間生成回路に設けられている抵抗素子を利用して調整されていてもよい。この場合、異常信号生成回路は、基準電流源の基準電流の大きさが、上側閾値以上と下側閾値以下の少なくともいずれか一方となったときに、異常信号を生成するように構成されているのが望ましい。この態様によると、切換え回路の基準電流源と時間生成回路の抵抗素子の間の電気的な接続に支障が生じるような異常事態を検出することができる。

本明細書で開示される異常信号生成回路は、遷移期間が開始してからの時間を計測し、第１予定時間よりも早い第２予定時間において、切換え回路のコンパレータと時間生成回路のキャパシタの接続線の電圧が第２閾値電圧に達していたときに、異常信号を生成するように構成されていてもよい。ここで、第１閾値電圧と第２閾値電圧が同一の大きさであってもよい。この態様によると、切換え回路のコンパレータと時間生成回路のキャパシタの間の電気的な接続に支障が生じ、コンパレータとキャパシタの接続線の電圧が予定よりも早く上昇するような異常事態を検出することができる。

本明細書で開示される異常信号生成回路は、遷移期間が開始してからの時間を計測し、第１所定時間よりも遅い第３予定時間において駆動条件が切換わっていないときに、異常信号を生成するように構成されていてもよい。この態様によると、切換え回路のコンパレータと時間生成回路のキャパシタの間の電気的な接続に支障が生じ、コンパレータとキャパシタの接続線の電圧が予定よりも遅く上昇する（又は、接続線の電圧が上昇しない）ような異常事態を検出することができる。

本明細書で開示される駆動装置は、第１接続端子と第２接続端子とスイッチング素子と制御回路とを備えていてもよい。第１接続端子は、電圧駆動型素子のゲート抵抗に接続可能に構成されている。第２接続端子は、駆動電源に接続可能に構成されている。スイッチング素子は、第１入出力電極が第１接続端子に接続されており、第２入出力電極が第２接続端子に接続されている。スイッチング素子の一例には、絶縁ゲートを有する電圧駆動型スイッチング素子が含まれる。制御回路は、スイッチング素子の制御電極に接続されており、スイッチング素子の制御電極に入力する電圧を制御する。制御回路は、誤差増幅器と参照電源を有していてもよい。誤差増幅器は、一方の入力端子が参照電源に接続されており、他方の入力端子が第１接続端子に接続されており、出力端子がスイッチング素子の制御電極に接続されている。誤差増幅器は、２つの入力端子間の誤差を増幅して出力するように構成されているのが望ましい。誤差増幅器には、一例としてオペアンプが含まれる。また、誤差増幅器には、他の一例としてＡ／Ｄコンバータとデジタル信号処理回路とＤ／Ａコンバータで構成される回路が含まれる。

本願明細書で開示される駆動装置では、制御回路がスイッチをさらに有しているのが望ましい。スイッチは、一端が第２接続端子に接続されており、他端がスイッチング素子の制御電極に接続されている。この駆動装置では、スイッチが閉じると、スイッチング素子の第２入出力電極と制御電極が短絡するので、スイッチング素子がオフとなる。このため、スイッチが閉じたときは、電圧駆動型素子への駆動電圧の供給が停止する。一方、スイッチが開くと、スイッチング素子がオンとなり、電圧駆動型素子への駆動電圧の供給が行われる。この駆動装置では、制御回路のオン／オフを切換えるためのスイッチが、第２接続端子とスイッチング素子の制御端子の間に配置されており、フィードバック経路に設けられていないことを特徴としている。一般的に、スイッチは、その抵抗成分にばらつきがあることから、そのようなスイッチがフィードバック経路に設けられていると、駆動装置毎のフィードバック特性もばらつく可能性がある。本願明細書で開示される駆動装置では、制御回路のオン／オフを切換えるためのスイッチがフィードバック経路に設けられていないことから、電圧駆動型素子に供給される駆動電圧を高精度にフィードバック制御することが可能になる。

本願明細書で開示される駆動装置では、スイッチが電圧駆動型素子のターンオンに同期して開いてもよい。ここでいう「同期する」とは、典型的には、電圧駆動型素子又は駆動装置に求められる制御精度の範囲内で時間が完全に一致する場合を含む。また、共通の信号に基づいて動作する場合も、ここでいう「同期する」に含まれる。例えば、スイッチの開閉を指示する信号と電圧駆動型素子のターンオンを指示する信号が共通の場合は、ここでいう「同期する」に含まれており、信号が共通する限りにおいて、スイッチが開閉するタイミングと電圧駆動型素子がターンオンするタイミングが不一致であってもここでいう「同期する」に含まれる。電圧駆動型素子のサージ電圧及びスイッチング損失は、電圧駆動型素子のスイッチング速度に強く影響する。このため、電圧駆動型素子のサージ電圧及びスイッチング損失を改善するためには、電圧駆動型素子がターンオンするタイミングにおいて、高精度な駆動電圧を供給することが重要である。スイッチが電圧駆動型素子のターンオンに同期して開くことにより、駆動装置は、電圧駆動型素子のターンオンに同期して高精度な駆動電圧を供給することができる。この結果、電圧駆動型素子のサージ電圧及びスイッチング損失を改善することが可能となる。

以下、図面を参照して各実施例を説明する。なお、各実施例で共通する構成要素に関しては共通の符号を付し、その説明を省略する。

図１に、車両に搭載されるインバータ装置１００の概要を示す。インバータ装置１００は、直流電源１１と、平滑コンデンサ１２と、インバータ部１３を備えている。インバータ部１３は、６つの電圧駆動型素子２ａ〜２ｆと、各電圧駆動型素子２ａ〜２ｆを駆動する６つの駆動装置１ａ〜１ｆを備えている。電圧駆動型素子２ａ〜２ｆには、ＩＧＢＴが用いられている。６つの電圧駆動型素子２ａ〜２ｆは、三相ブリッジ接続を構成している。電圧駆動型素子２ａ〜２ｆのそれぞれには、還流用のダイオードが逆並列に接続されている。インバータ部１３は、直流電源１１から平滑コンデンサ１２を介して供給される直流電圧をスイッチングすることにより、その直流電圧を交流電圧に変換して交流モータ１４に供給する。６つの駆動装置１ａ〜１ｆはいずれも等価な回路構成を有しているので、以下では、６つの駆動装置１ａ〜１ｆを特に区別せずに説明する。

まず、図２を参照して、電圧駆動型素子２を駆動する駆動装置１の概要を説明する。駆動装置１は、ゲート抵抗Ｒｇと駆動ＩＣ３を備えている。駆動ＩＣ３は、１チップで構成されており、制御回路４と駆動信号生成回路６と切換え実行回路５と切換え信号生成回路７と異常信号生成回路８とを有している。切換え実行回路５と切換え信号生成回路７を合わせて切換え回路ともいう。駆動ＩＣ３の切換え信号生成回路７は、外部に設けられている時間生成回路９に接続可能に構成されている。

制御回路４は、駆動信号生成回路６から供給される駆動信号Ｓ１に応答して、電圧駆動型素子２のゲート抵抗Ｒｇに印加される駆動電圧を制御し、電圧駆動型素子２の駆動状態（オン状態）と非駆動状態（オフ状態）を切換えるように構成されている。駆動信号生成回路６は、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）から供給される制御信号に基づいて、制御回路４に駆動信号Ｓ１を提供する。

切換え実行回路５は、電圧駆動型素子２の駆動状態（オン状態）と非駆動状態（オフ状態）の間を遷移させるときの遷移期間において、切換え信号生成回路７から供給される切換え信号Ｓ２に応答して、電圧駆動型素子２の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成されている。本実施例の切換え実行回路５は、電圧駆動型素子２をターンオンさせるときの遷移期間において、電圧駆動型素子２のゲート抵抗Ｒｇに供給される駆動電圧の大きさを切換えるように構成されている。図３に、このような場合の駆動電圧の変移の一例を例示する。タイミングＴ１からＴ３までがターンオンさせるときの遷移期間である。タイミングＴ１からＴ２までの前半段階では、駆動電圧が相対的に低いＶａになるように設定されている。タイミングＴ２からＴ３までの後半段階では、駆動電圧が相対的に高いＶｂになるように設定されている。このように、切換え実行回路５は、タイミングＴ２において電圧駆動型素子２の駆動電圧の大きさを切換えるように構成されている。

図２に示されるように、切換え信号生成回路７は、駆動ＩＣ３の外部に設けられている時間生成回路９に接続可能に構成されている。切換え信号生成回路７は、遷移期間が開始してからの時間を計測し、その計測時間が予定時間（図３の例では、時間Ｔ２）に達したときに切換え信号Ｓ２を切換え実行回路５に提供するように構成されている。

異常信号生成回路８は、切換え信号生成回路７と時間生成回路９の間の電気的な接続に支障が生じて切換え信号生成回路７における時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号Ｓ３を生成するように構成されている。一例では、異常信号Ｓ３は、駆動信号生成回路６に入力するように構成されている。駆動信号生成回路６は、異常信号Ｓ３が入力すると、駆動信号Ｓ１の生成を停止して、電圧駆動型素子２の駆動を停止することで、電圧駆動型素子２を保護するように働く。

次に、図４を参照して、駆動装置１の構成の詳細を説明する。なお、図４には、電圧駆動型素子２をターンオンさせる遷移期間においてのみ駆動電圧の大きさを切換える構成が例示されているが、必要に応じて、電圧駆動型素子２をターンオフさせる遷移期間においても、駆動電圧の大きさを切換えるように構成されていてもよい。

図４に示されるように、駆動装置１は、一対のゲート抵抗Ｒｇ１，Ｒｇ２と駆動ＩＣ３を備えている。第１ゲート抵抗Ｒｇ１は、固定抵抗素子であり、電圧駆動型素子２のゲート電流の充電速度を決定している。第２ゲート抵抗Ｒｇ２は、固定抵抗素子であり、電圧駆動型素子２のゲート電流の放電速度を決定している。

駆動ＩＣ３は、トランス型の駆動電源Ｖｃｃと接地電源ＧＮＤの間に接続されており、一対のゲート抵抗Ｒｇ１，Ｒｇ２に駆動電圧を供給するように構成されている。駆動ＩＣ３は、一対のトランジスタＭ１，Ｍ２と、第１トランジスタＭ１を制御する第１制御回路４Ａと、第２トランジスタＭ２を制御する第２制御回路４Ｂと、第１制御回路４Ａに接続されている切換え実行回路５と、第１制御回路４Ａと第２制御回路４Ｂに駆動信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂを提供する駆動信号生成回路６と、切換え実行回路５に切換え信号Ｓ２を提供する切換え信号生成回路７と、駆動信号生成回路６に異常信号Ｓ３ａ，Ｓ３ｂを提供する異常信号生成回路８と、複数の端子Ｔ１〜Ｔ６を備えている。Ｔ１は電源端子であり、駆動電源Ｖｃｃに接続可能に構成されている。Ｔ２は第１出力端子であり、第１ゲート抵抗Ｒｇ１に接続可能に構成されている。Ｔ３は第２出力端子であり、第２ゲート抵抗Ｒｇ２に接続可能に構成されている。Ｔ４は接地端子であり、接地電源ＧＮＤに接続可能に構成されている。Ｔ５はカウント端子であり、時間生成回路９のキャパシタＣ１に接続可能に構成されている。Ｔ６は外部抵抗端子であり、時間生成回路９の外部抵抗素子Ｒ３に接続可能に構成されている。

第１トランジスタＭ１は、ｐ型のＭＯＳＦＥＴであり、電源端子Ｔ１と第１出力端子Ｔ２の間に接続されている。より詳細には、第１トランジスタＭ１では、ソース電極が電源端子Ｔ１に接続されており、ドレイン電極が第１出力端子Ｔ２に接続されている。電圧駆動型素子２がターンオンするとき、第１トランジスタＭ１がターンオンすることによって、第１トランジスタＭ１を介して駆動電源Ｖｃｃから正の駆動電圧が電圧駆動型素子２の第１ゲート抵抗Ｒｇ１に供給される。

第２トランジスタＭ２は、ｎ型のＭＯＳＦＥＴであり、第２出力端子Ｔ３と接地端子Ｔ４の間に接続されている。より詳細には、第２トランジスタＭ２では、ドレイン電極が第２出力端子Ｔ３に接続されており、ソース電極が接地端子Ｔ４に接続されている。電圧駆動型素子２がターンオフするとき、第２トランジスタＭ２がターンオンすることによって、第２トランジスタＭ２を介して電圧駆動型素子２の第２ゲート抵抗Ｒｇ２に接地電圧が供給される。

第１制御回路４Ａは、オペアンプＯＰ１と参照電源Ｅ_ＲＥＦとスイッチＳＷ１を有している。なお、第２制御回路４Ｂの詳細な説明は省略するが、上記したように、必要に応じて、第１制御回路４と同様な構成を用いてもよい。

オペアンプＯＰ１は、非反転入力端子が参照電源Ｅ_ＲＥＦに接続されており、反転入力端子が切換え実行回路５を介して第１出力端子Ｔ２に接続されており、出力端子が第１トランジスタＭ１の制御電極に接続されている。スイッチＳＷ１は、一端が電源端子Ｔ１に接続されており、他端が第１トランジスタＭ１の制御電極に接続されている。

切換え実行回路５は、分圧調整用抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃとスイッチＳＷ２を有している。分圧調整用抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃはいずれも、固定抵抗素子であり、第２分圧調整用抵抗Ｒ２ｂと第３分圧調整用抵抗Ｒ２ｃが異なる固定抵抗値を有している。スイッチＳＷ２は、第１分圧調整用抵抗Ｒ２ａと第２分圧調整用抵抗Ｒ２ｂが接続される状態と第１分圧調整用抵抗Ｒ２ａと第３分圧調整用抵抗Ｒ２ｃが接続される状態とを切換える。分圧調整用抵抗Ｒ２ａ，Ｒ２ｂ，Ｒ２ｃの共通接続点Ｐ１がオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。切換え実行回路５では、スイッチＳＷ２を切換えることで分圧比を切換えることができる。これにより、後述するように、第１出力端子Ｔ２の目標電圧を切換えることができる。

駆動信号生成回路６は、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ）から供給される制御信号に基づいて、第１制御回路４Ａに第１駆動信号Ｓ１ａを出力するとともに、第２制御回路４Ｂに第２駆動信号Ｓ１ｂを出力する。駆動信号生成回路６は、保護回路６ａを有している。保護回路６ａは、異常信号生成回路８からの異常信号Ｓ３ａ，Ｓ３ｂを入力しており、その異常信号Ｓ３ａ，Ｓ３ｂに応答して、駆動信号Ｓ１ａ，Ｓ１ｂの生成を停止するように構成されている。

切換え信号生成回路７は、基準電流生成部７ａとタイミング発生部７ｂを有している。基準電流生成部７ａは、タイミング発生部７ｂと時間生成回路９の外部抵抗素子Ｒ３に接続可能に構成されており、外部抵抗素子Ｒ３の抵抗値によって調整される基準電流をタイミング発生部７ｂに提供する。タイミング発生部７ｂは、時間生成回路９のキャパシタＣ１に接続可能に構成されており、基準電流生成部７ａからの基準電流をキャパシタＣ１に供給する。タイミング発生部７ｂは、キャパシタＣ１に蓄積した電荷に応じた電圧に基づいて、切換え信号Ｓ２を生成するように構成されている。すなわち、タイミング発生部７ｂは、キャパシタＣ１の電荷量の増加が時間の経過に対応することから、キャパシタＣ１の電荷量に基づいて時間を計測しており、予定時間が経過したときに切換え信号Ｓ２を生成する。

異常信号生成回路８は、基準電流監視部８ａと時間監視部８ｂを有している。基準電流監視部８ａは、基準電流生成部７ａで生成される基準電流を監視しており、基準電流の大きさが予定よりも大きいときに異常信号Ｓ３ａを駆動信号生成回路６の保護回路６ａに供給する。時間監視部８ｂは、切換え信号生成回路７での時間計測が正確に実行されているか否かを監視しており、時間計測が正確に実行されていないときに異常信号Ｓ３ｂを駆動信号生成回路６の保護回路６ａに供給する。

次に、電圧駆動型素子２がターンオンするときの動作の概要を説明する。駆動信号生成回路６から第１駆動信号Ｓ１ａが入力してスイッチＳＷ１が開くと、第１トランジスタＭ１がオンとなる。このとき、第２制御回路４Ｂでは、駆動信号生成回路６から出力される第２駆動信号Ｓ１ｂに基づいて第２トランジスタＭ２はオフとなっている。第１トランジスタＭ１がオンすると、駆動電源Ｖｃｃから第１トランジスタＭ１を介して第１ゲート抵抗Ｒｇ１に正の電圧が供給される。オペアンプＯＰ１の反転入力端子には、切換え実行回路５で分圧された第１出力端子Ｔ２の電圧（すなわち、切換え実行回路５で分圧された第１ゲート抵抗Ｒｇ１に供給される駆動電圧）が入力しており、非反転入力端子には参照電源Ｅ_ＲＥＦの参照電圧が入力している。このため、第１制御回路４Ａは、切換え実行回路５で分圧された第１出力端子Ｔ２の電圧を参照電圧と比較し、その比較結果に基づいて第１トランジスタＭ１に入力するゲート電圧を制御する。この結果、第１出力端子Ｔ２の電圧は、参照電源Ｅ_ＲＥＦの参照電圧に対して分圧比に応じた一定値に制御される。

切換え信号生成回路７は、電圧駆動型素子２がターンオンを開始（図３のタイミングＴ１参照）してからの時間を計測しており、その計測時間が予定時間（図３のタイミングＴ２）に達したときに切換え信号Ｓ２を切換え実行回路５に提供する。切換え実行回路５は、切換え信号Ｓ２に応答して、スイッチＳＷ２を切換える。切換え実行回路５では、高抵抗な第２分圧調整用抵抗Ｒ２ｂから低抵抗な第３分圧調整用抵抗Ｒ２ｃに切換えることで、分圧比が切換わる。この結果、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に入力する電圧が低下することから、第１出力端子Ｔ２の電圧は、低い目標電圧から高い目標電圧に切換わる（図３の駆動電圧Ｖａ，Ｖｂ参照）。

本実施例の駆動装置１では、ターンオンの遷移期間の前半段階で低い駆動電圧を用いることでサージ電圧を抑制するとともに、ターンオンの遷移期間の後半段階で高い駆動電圧を用いることでスイッチング損失を低減している。このように、本実施例では、ターンオンの遷移期間中に駆動電圧の大きさを切換えることで、サージ電圧とスイッチング損失の双方を改善することができる。

ここで、サージ電圧とスイッチング損失の双方を良好に改善するためには、ターンオンの遷移期間中に駆動電圧の大きさを切換えるタイミングを正確に把握する必要がある。例えば、切換えタイミングが早いと、遷移期間の早い段階において高い駆動電圧で電圧駆動型素子２を駆動することになり、サージ電圧が増大する。このような状態が続くと、電圧駆動型素子２の耐久性が低下する可能性がある。本実施例の駆動装置１では、外部に設けられている時間生成回路９の外部抵抗素子Ｒ３及びキャパシタＣ１を利用して時間計測をしており、極めて正確な時間計測が実現されている。

さらに、本実施例の駆動装置１では、駆動ＩＣ３と外部に設けられている時間生成回路９の間の電気的な接続に支障が生じて切換えタイミングの精度が落ちたときに、異常信号を生成することで電圧駆動型素子２を保護するように構成されている。以下、そのことを詳細する。

図５に、切換え信号生成回路７と異常信号生成回路８の詳細な構成の一例を示す。なお、図５に示される構成要素のいくつかは、切換え信号Ｓ２を生成するために用いられるとともに、異常信号Ｓ３ｂを生成するためにも用いられる。このため、これらの構成要素のいくつかは、切換え信号生成回路７と異常信号生成回路８の双方に属している。以下では、切換え信号生成回路７と異常信号生成回路８を特に区別せずに、信号生成回路７，８として説明する。

信号生成回路７，８は、基準電流源ＲＣ１とコンパレータＣｏｍ１とトランジスタＴｒ１とパルス発生器ＰＧ１とＤ型フリップフロップＦＦ１とＲＳ型フリップフロップＦＦ２を有している。基準電流源ＲＣ１の基準電流値は、外部に設けられている外部抵抗素子Ｒ３によって調整されている。基準電流源ＲＣ１には、図示しない電流検出回路が接続されている。例えば、外部抵抗端子Ｔ６がショートすると、基準電流源ＲＣ１が生成する基準電流が大きくなる。電流検出回路は、基準電流を上側閾値と比較しており、基準電流がその上側閾値以上になると、外部抵抗端子Ｔ６がショートしたと判断し、異常信号Ｓ３ａを生成する。

基準電流源ＲＣ１の一端は、キャパシタＣ１と、コンパレータＣｏｍ１の反転入力端子と、トランジスタＴｒ１のドレインに接続されている。コンパレータＣｏｍ１の非反転入力端子には、切換え予定時間に対応した閾値電圧ＶrampHiが入力している。

第１駆動信号Ｓ１ａは、パルス発生器ＰＧ１とＤ型フリップフロップＦＦ１のクリア端子に入力している。パルス発生器ＰＧ１は、第１駆動信号Ｓ１ａが立ち下がった後に、一定期間の間、出力Ｖ１をハイにする。一例では、パルス発生器ＰＧ１は、第１駆動信号Ｓ１ａが立ち下がった後に、４００ナノ秒の間、出力Ｖ１をハイにする。パルス発生器ＰＧ１の出力Ｖ１は、Ｄ型フリップフロップＦＦ１のクロック端子に反転した後に入力するとともに、ＲＳ型フリップフロップＦＦ２のＲ端子にも入力する。コンパレータＣｏｍ１の出力Ｖ２は、Ｄ型フリップフロップＦＦ１のＤ端子とＲＳ型フリップフロップＦＦ２のＳ端子に入力している。ＲＳ型フリップフロップＦＦ２の出力は、トランジスタＴｒ１の制御電極に入力している。

次に、図６を参照して、電圧駆動型素子２がターンオンする遷移期間の動作を説明する。まず、正常時の動作を説明する。図６に示されるように、タイミングｔ１において、第１駆動信号Ｓ１ａがハイからローになる。第１駆動信号Ｓ１ａはローアクティブである。第１駆動信号Ｓ１ａがハイからローになると、パルス発生器ＰＧ１は、一定期間（４００ナノ秒）の間、出力Ｖ１をハイにする。

第１駆動信号Ｓ１ａがタイミングｔ１でローになると、基準電流源ＲＣ１からキャパシタＣ１に基準電流が流れ始め、キャパシタＣ１に電荷が蓄積する。キャパシタＣ１に電荷が蓄積するのに応じて、カウント端子Ｔ５の電圧が上昇する（正常時を実線で示す）。カウント端子Ｔ５の電圧が閾値電圧ＶrampHiに達すると、コンパレータＣｏｍ１の出力Ｖ２がローからハイになる。このとき、ＲＳ型フリップフロップＦＦ２のＲ端子に入力するパルス発生器ＰＧ１の出力Ｖ１は、一定期間（４００ナノ秒）が十分に経過していることからローになっている。このため、コンパレータＣｏｍ１の出力Ｖ２がローからハイになるのと同時に、ＲＳ型フリップフロップＦＦ２の出力がハイになり、切換え信号Ｓ２が出力される。なお、切換え信号Ｓ２が出力されるのと同時に、トランジスタＴｒ１がオンとなり、キャパシタＣ１に蓄積した電荷が放電される。このように、正常時には、基準電流源ＲＣ１からキャパシタＣ１に供給される電荷の供給速度が正確であり、また、キャパシタＣ１の電荷量に応じた電圧の上昇速度も正確であることから、予め設定された予定時間ｔ５を正確に計測することが可能である。

次に、異常時の動作を説明する。以下では、カウント端子Ｔ５がオープンとなる異常、又は外部抵抗端子Ｔ６がショートとなる異常の例を説明する。図６に示されるように、タイミングｔ１において、第１駆動信号Ｓ１ａがハイからローになると、パルス発生器ＰＧ１は、一定期間（４００ナノ秒）の間、出力Ｖ１をハイにする。カウント端子Ｔ５がオープン又は外部抵抗端子Ｔ６がショートになる異常時では、カウント端子Ｔ５の電圧が急激に増加する（異常時を破線で示す）。このため、カウント端子Ｔ５の電圧は、タイミングｔ２において閾値電圧ＶrampHiに達し、コンパレータＣｏｍ１の出力Ｖ２がローからハイになる。一定期間（４００ナノ秒）が経過してパルス発生器ＰＧ１の出力Ｖ１がタイミングｔ３においてハイからローになるときに、コンパレータＣｏｍ１の出力Ｖ２は既にハイである。このため、Ｄ型フリップフリップフロップＦＦ１の出力は、タイミングｔ３においてハイになり、異常信号Ｓ３ｂが出力される。このように、カウント端子Ｔ５がオープンとなる異常時又は外部抵抗端子Ｔ６がショートになる異常時には、異常信号Ｓ３ｂが出力され、電圧駆動型素子２の保護動作が実行される。

また、カウント端子Ｔ５がショートとなる異常、又は外部抵抗端子Ｔ６がオープンとなる異常の場合、カウント端子Ｔ５の電圧がほとんど増加しない。このような異常時は、コンパレータＣｏｍ１の出力がローを維持し、切換え信号Ｓ２もローを維持する。例えば、図６に示されるように、予定の切換えタイミングｔ５よりも遅いタイミングｔ６において、切換え信号Ｓ２がローのときは、カウント端子Ｔ５がショートとなる異常、又は外部抵抗端子Ｔ６がオープンとなる異常と判断してもよい。このような場合も異常信号が出力され、電圧駆動型素子２の保護動作を実行してもよい。なお、キャパシタＣ１のリセットを第１駆動信号Ｓ１ａの立ち上がりに同期させると、カウント端子Ｔ５の電圧は、正常時は閾値電圧ＶrampHiよりも高く、異常時は閾値電圧ＶrampHiよりも低くなるので、この相違を利用してカウント端子Ｔ５がショートとなる異常、又は外部抵抗端子Ｔ６がオープンとなる異常を判断してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (3)

1. 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置であって、
   切換え回路と異常信号生成回路と、を備えており、
   前記切換え回路は、外部の時間生成回路に接続可能に構成されており、前記時間生成回路を利用して計測された計測時間に基づいて、前記電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、前記電圧駆動型素子の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記異常信号生成回路は、前記時間生成回路を利用した前記切換え回路における時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号を生成するように構成されており、
   前記切換え回路は、前記時間生成回路を利用して前記遷移期間が開始してからの時間を計測し、その計測時間が第１予定時間に達したときに前記駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記切換え回路は、基準電流源とコンパレータと、を有しており、
   前記基準電流源は、前記時間生成回路に設けられているキャパシタに接続可能に構成されており、前記遷移期間が開始してから前記キャパシタに基準電流を供給するように構成されており、
   前記コンパレータは、前記時間生成回路の前記キャパシタに接続可能に構成されており、前記キャパシタに接続する接続線の電圧が第１閾値電圧に達したときに、前記計測時間が前記第１予定時間に達したと判断するように構成されており、
   前記基準電流源の前記基準電流の大きさは、前記時間生成回路に設けられている抵抗素子を利用して調整されており、
   前記異常信号生成回路は、前記基準電流源の前記基準電流の大きさが、上側閾値以上と下側閾値電圧以下の少なくともいずれか一方となったときに、前記異常信号を生成するように構成されており、
   前記駆動電圧に関連する駆動条件が、ゲート抵抗、ゲート容量及び駆動電圧自体の少なくとも１つを含む駆動装置。
2. 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置であって、
   切換え回路と異常信号生成回路と、を備えており、
   前記切換え回路は、外部の時間生成回路に接続可能に構成されており、前記時間生成回路を利用して計測された計測時間に基づいて、前記電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、前記電圧駆動型素子の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記異常信号生成回路は、前記時間生成回路を利用した前記切換え回路における時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号を生成するように構成されており、
   前記切換え回路は、前記時間生成回路を利用して前記遷移期間が開始してからの時間を計測し、その計測時間が第１予定時間に達したときに前記駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記切換え回路は、基準電流源とコンパレータと、を有しており、
   前記基準電流源は、前記時間生成回路に設けられているキャパシタに接続可能に構成されており、前記遷移期間が開始してから前記キャパシタに基準電流を供給するように構成されており、
   前記コンパレータは、前記時間生成回路の前記キャパシタに接続可能に構成されており、前記キャパシタに接続する接続線の電圧が第１閾値電圧に達したときに、前記計測時間が前記第１予定時間に達したと判断するように構成されており、
   前記異常信号生成回路は、前記遷移期間が開始してからの時間を計測し、前記第１予定時間よりも早い第２予定時間において、前記切換え回路の前記コンパレータと前記時間生成回路の前記キャパシタを接続する前記接続線の電圧が前記第１閾値電圧に達していたときに、前記異常信号を生成するように構成されており、
   前記駆動電圧に関連する駆動条件が、ゲート抵抗、ゲート容量及び駆動電圧自体の少なくとも１つを含む駆動装置。
3. 電圧駆動型素子を駆動する駆動装置であって、
   切換え回路と異常信号生成回路と、を備えており、
   前記切換え回路は、外部の時間生成回路に接続可能に構成されており、前記時間生成回路を利用して計測された計測時間に基づいて、前記電圧駆動型素子の駆動状態と非駆動状態の間を遷移させるときの遷移期間において、前記電圧駆動型素子の駆動電圧に関連する駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記異常信号生成回路は、前記時間生成回路を利用した前記切換え回路における時間の計測が正確に実行できないときに、異常信号を生成するように構成されており、
   前記切換え回路は、前記時間生成回路を利用して前記遷移期間が開始してからの時間を計測し、その計測時間が第１予定時間に達したときに前記駆動条件を切換えるように構成されており、
   前記切換え回路は、基準電流源とコンパレータと、を有しており、
   前記基準電流源は、前記時間生成回路に設けられているキャパシタに接続可能に構成されており、前記遷移期間が開始してから前記キャパシタに基準電流を供給するように構成されており、
   前記コンパレータは、前記時間生成回路の前記キャパシタに接続可能に構成されており、前記キャパシタに接続する接続線の電圧が第１閾値電圧に達したときに、前記計測時間が前記第１予定時間に達したと判断するように構成されており、
   前記異常信号生成回路は、前記遷移期間が開始してからの時間を計測し、前記第１所定時間よりも遅い第３予定時間において前記駆動条件が切換っていないときに、前記異常信号を生成するように構成されており、
   前記駆動電圧に関連する駆動条件が、ゲート抵抗、ゲート容量及び駆動電圧自体の少なくとも１つを含む駆動装置。

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