JP5487746B2 - 逆耐圧を有するｉｇｂｔの過電流保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、逆耐圧を有するＩＧＢＴの短絡時などの過電流保護機能を有したゲート駆動回路方式に関する。

図３に直流から交流に変換する電力変換回路である３レベルインバータの回路例を示す。１、２が直列に接続された大容量の電解コンデンサで、正側電位をＰｃ、負側電位をＮｃ、中点電位をＭｃとし、通常動作時は直流電圧変動がない平滑化された電圧となる。一般に本直流部を交流電源システムより構成する場合は、図示していないダイオード整流器やＰＷＭ（パルス幅変調）整流回路を介して構成することが可能である。

３、４がＰｃ側電位に接続されているＩＧＢＴとダイオード、５、６がＮｃ側電位に接続されているＩＧＢＴとダイオードで、これらが３組にて３相分を構成する。７、８はＭｃ電位と交流出力端子１１との間に接続された双方向性のスイッチ素子で、逆耐圧を有するＩＧＢＴを逆並列接続した構成である。３相回路の場合、双方向性のスイッチ素子は各相の交流出力端子とＭｃ電位との間に各々接続される。

１２、１３、１４がフィルタ用のリアクトル、１５が本システムの負荷である。本回路構成とすることで、出力端子１１は、Ｐｃ電位、Ｎｃ電位、およびＭｃ電位を出力することが可能となるため、３レベル出力のインバータとなる。図４に出力電圧波形例を示す。２レベルタイプのインバータに対して、低次の高調波成分が少ないことが特徴であり、出力フィルタ１２〜１４の小型化が可能となる。

また１６、１７、１８、１９は各ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路、３８が各ゲート駆動回路に対してゲート駆動信号を出力する本システムの制御回路である。

図５に回路１６〜１９のゲート駆動回路の詳細図を示す。２０が本回路駆動用の正側電源、２１が負側電源、２２及び２３がＩＧＢＴをターンオン及びターンオフさせるためのスイッチ素子、２４が前記スイッチ素子のベース抵抗、２５及び２６がターンオン及びターンオフ用のゲート抵抗で、ＩＧＢＴ(TN)のターンオン、ターンオフ速度の調整用である。

本ゲート駆動回路は、制御回路３８からのＰＷＭ制御に基づくオンオフ指令信号２８（ＰＷＭ制御信号）によって動作する。また通常、制御部３８とゲート駆動回路との間は絶縁が必要となるため、フォトカプラなどの絶縁器２９を接続する。
図３の３レベルインバータ回路例は特許文献１に、図５のゲート駆動回路の従来回路例は特許文献２に、各々示されている。

特開２００８−１９３７７９号公報 特開平１１−６９７７８号公報 特開２００８−１７６５０号公報 特開２００５−３０４１６０号公報

図３の３レベルインバータ回路において、運転中に何らかの原因でＩＧＢＴ３が短絡故障し、その後に逆耐圧を有するＩＧＢＴ８のゲートにオン信号が入力されると、図７に示すように、電解コンデンサ１のＰｃ電位→ＩＧＢＴ３→ＩＧＢＴ８→電解コンデンサ１のＭｃ電位の経路（経路４）で電源短絡電流が流れる。その結果、ＩＧＢＴの短絡保証期間内（通常１０μｓ以内）にＩＧＢＴ8を遮断しないと、ＩＧＢＴ8も短絡故障となり、その結果電源短絡状態が長時間持続し、火災発生など被害が拡大する可能性がある。

一般に、２レベルインバータに適用するＩＧＢＴや、図３の回路方式におけるＩＧＢＴ３やＩＧＢＴ５の過電流保護方式については、特許文献３などに示されている。この保護方式は図６に示すように、ＩＧＢＴ（TN）のコレクタとゲート駆動回路間に、ＩＧＢＴのコレクタ端子側をカソードとしたダイオード３２を接続し、前記ダイオードのアノード側電圧が所定値以上（ツェナーダイオード３６のツェナー電圧以上）となった場合に短絡（過電流）状態であると判断し、トランジスタ３１をオンさせることによりゲート駆動信号を遮断する強制遮断方式が適用されている。

ところが図６の回路方式を、図３の回路方式のような逆電圧が印加されるＩＧＢＴ７又は８に適用すると、逆電圧が印加された瞬間にコンデンサ３０またはトランジスタ３１にその全電圧が印加されることとなり、結果的に部品破壊に繋がる。

また、本課題に対して逆電圧が印加されるＩＧＢＴと直列にＣＴなどの電流検出器を接続し、本電流検出器のレベルによって過電流検知を行う方式や、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間の両端の電圧を検出する特許文献４に示す方式などもあるが、電流検出器や電圧検出器が高価であるなどの課題がある。
従って、本発明の目的は、逆電圧が印加されるＩＧＢＴにおいても過電流保護が可能な安価なゲート駆動回路方式を提供することにある。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、逆耐圧を有するＩＧＢＴを用いた電力用変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と、制御回路からのゲート駆動信号電圧を遅延させる遅延回路と、前記遅延回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子との間に接続されるコレクタ側をカソードとしたダイオードと抵抗との直列回路と、前記ダイオードのアノード側の電圧を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路と、を設ける。

第２の発明においては、前記検出回路の検出値は、ゲート駆動信号電圧と前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧との差電圧を、前記制御回路からのゲート駆動信号電圧を遅延させる遅延回路の抵抗分と、前記遅延回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子間に接続した抵抗との分圧で求める。

第３の発明においては、前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路は、制御端子に定電圧ダイオードを、コレクタ端子に逆阻止用ダイオードを、エミッタと定電圧ダイオードのカソードとの間に逆電圧防止用ダイオードを、各々接続したトランジスタをオンさせることにより、前記制御回路からのゲート駆動信号を遮断させる回路構成である。

本発明では、逆耐圧を有するＩＧＢＴを用いた電力用変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子との間に、コレクタ側をカソードとしたダイオードと抵抗との直列回路を接続し、さらに前記ダイオードのアノード側の電圧を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路とを設け、さらに、遮断回路の電子部品に逆電圧が印加されないようにしている。
この結果、本発明により、逆電圧が印加されるＩＧＢＴの短絡（過電流）保護を安価なコストで実現でき、低コストで信頼性の高いシステムの構築が可能となる。

本発明の実施例を示す回路図である。 図１における逆電圧印加時の電流経路を示す。 図１におけるＩＧＢＴ通常オン時の電流経路を示す。 図１におけるＩＧＢＴ短絡時の電流経路を示す。 ３レベルインバータ主回路構成図例を示す。 ３レベルインバータ出力電圧波形例を示す。 従来のゲート駆動回路例を示す。 従来の短絡時の過電流保護機能付ゲート駆動回路例を示す。 ３レベルインバータ回路における電源短絡電流経路例を示す。

本発明の要点は、逆耐圧を有するＩＧＢＴを用いた電力用変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子との間に、コレクタ側をカソードとしたダイオードと抵抗との直列回路を接続し、さらに前記ダイオードのアノード側の電圧を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路とを設け、さらに、遮断回路の電子部品に逆電圧が印加されないようにしている点である。

図１に、本発明の実施の形態を示す回路例を示す。
図６の方式に対して、ダイオード３２と直列に抵抗３３を接続し、さらにコンデンサ３０と並列にダイオード３５を接続した構成である。

２０が本回路駆動用の正側電源、２１が負側電源、２２及び２３がＩＧＢＴをターンオン及びターンオフさせるためのスイッチ素子、２４が前記スイッチ素子のベース抵抗、２５及び２６がターンオン用及びターンオフ用のゲート抵抗で、ＩＧＢＴのターンオン、ターンオフ速度の調整用である。

本ゲート駆動回路は、制御回路３８からのＰＷＭ制御に基づくオンオフ指令信号２８（ＰＷＭ制御信号）によって動作する。また通常、制御回路３８とゲート駆動回路との間は絶縁が必要となるため、フォトカプラなどの絶縁器２９を接続する。抵抗２７とコンデンサ３０は制御回路からの駆動信号を遅延させるための遅延回路で、オン信号の立上り時、ＩＧＢＴが完全にオン状態になるまでの時間はゲート駆動信号遮断回路の動作を停止するために用いられる。

トランジスタ３１は、ＩＧＢＴ（Ｔ）に短絡電流（過電流）が流れた場合にゲート駆動信号を遮断させる役割を果たす。ベースには検出電圧レベル設定用の定電圧ダイオード３６が、コレクタには逆阻止用ダイオード３７が、エミッタと定電圧ダイオードのカソードとの間には逆電圧防止用ダイオード３５が接続されている。さらに、ＩＧＢＴ（Ｔ）のコレクタ−エミッタ間電圧を検出するためのダイオード３２と抵抗３３の直列回路が、ＩＧＢＴ（Ｔ）のコレクタと定電圧ダイオード３６のカソードとの間に接続されている。

本構成とすることで、ＩＧＢＴ(Ｔ)のエミッタ側が高電位となる逆電圧が印加された場合は、図２ａに示すように、ダイオード３５→ダイオード３２→抵抗３３を通る経路（経路１）で電流が流れることで、抵抗３３に全電圧が印加され、ゲート駆動回路の部品には主回路の逆電圧が印加されることはない。

通常導通時は、図２ｂに示すように、抵抗２７→ダイオード３２→抵抗３３→ＩＧＢＴ（Ｔ）を通る経路（経路２）で電流が流れ、絶縁器（フォトカプラ）２９の出力電圧Ｖ_phに対して、点３４の電圧Ｖｘは概ね、
Ｖｘ≒Ｖ_ph・Ｒ３３／（Ｒ３３＋Ｒ２７）
となり、定電圧ダイオード３６のツェナー電圧値（Ｖ_ZD）をＶｘ以上Ｖ_ph以下に設定することで、トランジスタ３１はオンすることなく、通常動作が可能となる。

一方、過電流保護動作時は、図２ｃに示すように、抵抗２７→定電圧ダイオード３６→トランジスタ３１のベースの経路（経路３）で電流が流れる。
点３４の電圧Ｖｘとその電流（Ｉ）は概ね、
Ｖｘ≒Ｖ_ZD
Ｉ≒（Ｖ_ph−Ｖ_ZD）／Ｒ２７
となり、ツェナーダイオード３６の導通によってトランジスタ３１がオンし、本動作によりトランジスタ２２がオフ、トランジスタ２３がオンとなり、その結果ＩＧＢＴ（Ｔ）が強制遮断される。
尚、上記実施例には遮断回路としてトランジスタを用いた例を示したが、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどでも実現可能である。

本発明は、逆耐圧を有するＩＧＢＴを使用する変換回路として、インバータ、整流器の他、ＰＷＭサイクロコンバータ、交流チョッパなどへの適用が可能である。

１、２・・・電解コンデンサ ３、５、ＴＮ・・・ＩＧＢＴ
４、６・・・ダイオード ７、８、Ｔ・・・逆耐圧を有するＩＧＢＴ
１２〜１４・・・リアクトル １５・・・負荷
１６、１７、１８、１９・・・ゲート駆動回路 ３８・・・制御回路
２０、２１・・・駆動回路用電源 ２２、２３、３１・・・トランジスタ
２４、２５、２６、２７、３３・・・抵抗 ２９・・・絶縁器
３０・・・コンデンサ ３２、３５、３７・・・ダイオード
３６・・・定電圧ダイオード

Claims (3)

1. 逆耐圧を有するＩＧＢＴを用いた電力用変換装置において、前記ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路と、制御回路からのゲート駆動信号電圧を遅延させる遅延回路と、前記遅延回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子との間に接続されるコレクタ側をカソードとしたダイオードと抵抗との直列回路と、前記ダイオードのアノード側の電圧を検出する検出回路と、前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路と、を設けることを特徴とする逆耐圧を有するＩＧＢＴの短絡保護回路。
2. 前記検出回路の検出値は、ゲート駆動信号電圧と前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧との差電圧を、前記制御回路からのゲート駆動信号電圧を遅延させる遅延回路の抵抗分と、前記遅延回路と前記ＩＧＢＴのコレクタ端子間に接続した抵抗との分圧で求めることを特徴とする請求項１に記載の逆耐圧を有するＩＧＢＴの短絡保護回路。
3. 前記検出回路の検出値が所定値以上となった場合に前記ＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路は、制御端子に定電圧ダイオードを、コレクタ端子に逆阻止用ダイオードを、エミッタと定電圧ダイオードのカソードとの間に逆電圧防止用ダイオードを、各々接続したトランジスタをオンさせることにより、前記制御回路からのゲート駆動信号を遮断させる回路構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の逆耐圧を有するＩＧＢＴの短絡保護回路。