JP5621605B2 - スイッチング素子の駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路に関する。

この種の駆動装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、インバータを構成するＩＧＢＴをオンさせるべく、ゲートに印加するための電圧を生成する一対の電源を備えるものも提案されている。これにより、ＩＧＢＴのオン操作に際しては、まず一対の電源のうち低電圧のものを用いてゲートに電圧を印加し、ＩＧＢＴをオンさせる。次に、一対の電源のうち高電圧のものを用いてゲートの印加電圧を上昇させる。これにより、上下アームの短絡が生じる場合に、ＩＧＢＴのオン操作に伴って過電流が流れることを好適に回避することができる。また、過電流が流れるおそれがない場合には、ゲート電圧の上昇によって導通損失を迅速に低減させることができる。

特開２００９−７１９５６号公報

ただし、上記低電圧の電源の電圧をゲートに印加している期間において、ノイズ等によってゲートへの電流の流れ込みが生じうることが発明者らによって確認されている。そしてこの場合、ゲート電圧が上記低電圧の電源の電圧によって想定したものよりも高くなり、ひいては過電流を抑制することができなくなる懸念がある。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、電圧制御形の駆動対象スイッチング素子に過度の電流が流れることを好適に抑制することのできる新たなスイッチング素子の駆動回路を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

構成１では、電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路において、前記直流電圧源は、前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするに際し、その出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるものであり、前記制限用電圧は、第１の飽和電流となる際における前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧値であり、前記定常用電圧は、前記第１の飽和電流よりも大きい電流を流しうる前記開閉制御端子の電圧値であり、前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記制限用電圧を上回る場合、前記開閉制御端子から前記電荷を放電させるためのシンクスイッチング素子を備えることを特徴とする。

上記発明では、駆動対象スイッチング素子をオン状態に切り替えるに際し、定常用電圧による充電に先立ち制限用電圧による充電を行うことで、駆動対象スイッチング素子に流れうる電流を第１の飽和電流以下に制限することができる。ただし、駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にノイズ等によって前記電荷が流入する場合には、上記一方の端子および開閉制御端子間の電圧の絶対値が制限用電圧を上回るおそれがある。この点、シンクスイッチング素子を備えることで、こうした事態の発生を回避したり、こうした事態を迅速に解消したりすることができる。

構成２では、構成１において、前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流以上となる場合、前記駆動対象スイッチング素子を強制的にオフ操作する強制オフ操作手段を備えることを特徴とする。

上記発明では、駆動対象スイッチング素子に第１の飽和電流以上の電流が流れる事態を迅速に解消することができる。

構成３では、構成１または２において、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の始点を前記制限用電圧を用いた前記開閉制御端子への前記電荷の充電開始タイミングに同期して設定する設定手段を備えることを特徴とする。

構成４では、構成３において、前記設定手段は、前記電荷の充電開始と相関を有する複数のパラメータのそれぞれが前記充電開始に応じた値となる条件が全て成立するタイミングを前記始点とすることを特徴とする。

上記発明では、複数の条件が全て成立するタイミングを始点とすることで、１つの条件の成立タイミングを始点とする場合と比較して、始点設定に際してのノイズに対する耐性を高めることができる。

構成５では、構成１〜４のいずれかにおいて、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間に基づき設定する設定手段を備えることを特徴とする。

構成６では、構成１〜５のいずれかにおいて、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間が規定時間となることと前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧が規定値に到達することとの論理積が真となるタイミングに設定する設定手段を備えることを特徴とする。

上記発明では、複数の条件が全て成立するタイミングを終点とすることで、１つの条件の成立タイミングを終点とする場合と比較して、終点設定に際してのノイズに対する耐性を高めることができる。

構成７では、構成１〜５のいずれかにおいて、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を、前記直流電圧源の出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるタイミングに設定する設定手段を備えることを特徴とする。

定常用電圧を用いた開閉制御端子の充電処理によれば、上記一方の端子および開閉制御端子間の電圧の絶対値は、制限用電圧の絶対値よりも大きくなりうる。このため、定常用電圧への切替タイミングの後には、シンクスイッチング素子による放電処理を行なわないようにすることで、定常用電圧による充電処理がシンクスイッチング素子による放電処理によって妨げられる事態を確実に回避することができる。

構成８では、構成５〜７のいずれかにおいて、前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流以上となる場合、前記実行可能期間を延長する延長手段を備えることを特徴とする。

上記発明では、駆動対象スイッチング素子に過電流が流れうる状況下、シンクスイッチング素子による放電処理を実行可能とすることで、第１の飽和電流を上回る電流が流れる事態を好適に抑制することができる。

構成９では、構成８において、前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流となる場合、前記駆動対象スイッチング素子を強制的にオフ操作する強制オフ操作手段をさらに備え、前記延長手段は、前記強制オフ操作手段によるオフ操作処理の開始時点以降まで前記実行可能期間を延長することを特徴とする。

構成１０では、構成１〜９のいずれかにおいて、前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記一方の端子の電位を基準とした想定されるミラー電圧の絶対値よりも大きい場合、前記シンクスイッチング素子をオン操作して前記開閉制御端子から前記電荷を放電させる手段をさらに
備えることを特徴とする。

上記絶対値が一方の端子の電位を基準とした想定されるミラー電圧の絶対値よりも大きくなる場合には、開閉制御端子の充電に異常が生じていることを意味する。この点、上記発明では、こうした状況下、シンクスイッチング素子による放電処理を行うことで異常に迅速に対処することができる。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるドライブユニットの回路構成を示す回路図。 同実施形態にかかる電源電圧の設定手法を示す図。 同実施形態にかかるオン状態への切替処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるシンクスイッチング素子の使用手法を示すタイムチャート。 第２の実施形態にかかるオン状態への切替処理の手順を示す流れ図。 第３の実施形態にかかるシンクスイッチング素子の使用手法を示すタイムチャート。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかるスイッチング素子の駆動回路を車載主機としての回転機に接続される電力変換回路の駆動回路に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかる制御システムの全体構成を示す。モータジェネレータ１０は、車載主機であり、図示しない駆動輪に機械的に連結されている。モータジェネレータ１０は、インバータＩＮＶおよび昇圧コンバータＣＮＶを介して高電圧バッテリ１２に接続されている。ここで、昇圧コンバータＣＮＶは、コンデンサＣと、コンデンサＣに並列接続された一対のスイッチング素子Ｓｃｐ，Ｓｃｎと、一対のスイッチング素子Ｓｃｐ，Ｓｃｎの接続点と高電圧バッテリ１２の正極とを接続するリアクトルＬとを備えている。そして、スイッチング素子Ｓｃｐ，Ｓｃｎのオン・オフによって、高電圧バッテリ１２の電圧（例えば百Ｖ以上）を所定の電圧（例えば「６６６Ｖ」）を上限として昇圧するものである。一方、インバータＩＮＶは、スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｖｐ，Ｓｖｎの直列接続体と、スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの直列接続体とを備えており、これら各直列接続体の接続点がモータジェネレータ１０のＵ，Ｖ，Ｗ相にそれぞれ接続されている。これらスイッチング素子Ｓ＊＃（＊＝ｕ，ｖ，ｗ，ｃ；＃＝ｐ，ｎ）として、本実施形態では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられている。そして、これらにはそれぞれ、ダイオードＤ＊＃が逆並列に接続されている。

制御装置１８は、低電圧バッテリ１６を電源とする制御装置である。制御装置１８は、モータジェネレータ１０を制御対象とし、その制御量を所望に制御すべく、インバータＩＮＶや昇圧コンバータＣＮＶを操作する。詳しくは、昇圧コンバータＣＮＶのスイッチング素子Ｓｃｐ，Ｓｃｎを操作すべく、操作信号ｇｃｐ、ｇｃｎをドライブユニットＤＵに出力する。また、インバータＩＮＶのスイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎを操作すべく、操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎ，ｇｖｐ，ｇｖｎ，ｇｗｐ，ｇｗｎをドライブユニットＤＵに出力する。ここで、高電位側の操作信号ｇ＊ｐと、対応する低電位側の操作信号ｇ＊ｎとは、互いに相補的な信号となっている。換言すれば、高電位側のスイッチング素子Ｓ＊ｐと、対応する低電位側のスイッチング素子Ｓ＊ｎとは、交互にオン状態とされる。

ここで、高電圧バッテリ１２を備える高電圧システムと低電圧バッテリ１６を備える低電圧システムとは、互いに絶縁されており、これらの間の信号の授受は、例えばフォトカプラ等の絶縁素子を備えるインターフェース１４を介して行われる。

図２に、上記ドライブユニットＤＵの構成を示す。

図示されるように、ドライブユニットＤＵは、１チップ化された半導体集積回路であるドライブＩＣ２０を備えている。ドライブＩＣ２０は、定常用電圧ＶＨを端子電圧とする直流電圧源２２ｈを備え、直流電圧源２２ｈの端子は、充電用スイッチング素子２４ｈ、端子Ｔ１および充電用抵抗体２６ｈを介してスイッチング素子Ｓ＊＃の開閉制御端子（ゲート）に接続されている。

ドライブＩＣ２０は、さらに制限用電圧ＶＬ（＜ＶＨ）を端子電圧とする直流電圧源２２ｌを備え、直流電圧源２２ｌの端子は、充電用スイッチング素子２４ｌ、端子Ｔ２および充電用抵抗体２６ｌを介してスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートに接続されている。

一方、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲートは、放電用抵抗体３０を介してドライブＩＣ２０の端子Ｔ３に接続されており、端子Ｔ３は、放電用スイッチング素子３２を介して端子Ｔ４に接続されている。そして、端子Ｔ４は、スイッチング素子Ｓ＊＃の出力端子（エミッタ）に接続されている。

上記充電用スイッチング素子２４ｌ，２４ｈおよび放電用スイッチング素子３２は、ドライブＩＣ２０内の駆動制御部７０によって操作される。すなわち、駆動制御部７０では、端子Ｔ９を介して入力される上記操作信号ｇ＊＃に基づき、充電用スイッチング素子２４ｈ，２４ｌおよび放電用スイッチング素子３２を交互にオン・オフすることでスイッチング素子Ｓ＊＃を駆動する。詳しくは、操作信号ｇ＊＃がオン操作指令となることで、放電用スイッチング素子３２をオフして且つ充電用スイッチング素子２４ｌをオンした後、充電用スイッチング素子２４ｌをオフして且つ充電用スイッチング素子２４ｈをオンとする。一方、操作信号ｇ＊＃がオフ操作指令となることで、充電用スイッチング素子２４ｈをオフして且つ放電用スイッチング素子３２をオンする。

ここで、スイッチング素子Ｓ＊＃のオン状態への切替に際し、ゲート印加電圧を、制限用電圧ＶＬから定常用電圧ＶＨに切り替えるのは、スイッチング素子Ｓ＊＃に過度に大きい電流が流れる事態を回避することと、スイッチング素子Ｓ＊＃の導通損失を低減することとの両立を図るための設定である。ここで、本実施形態では、後述する手段によって、スイッチング素子Ｓ＊＃に過度の電流が流れる事態を抑制することが可能である。しかし、オフ状態からオン状態への切り替えに際し、スイッチング素子Ｓ＊＃に直列接続された逆アームの素子がオン状態にあることで短絡電流が流れる場合、急激な電流の上昇によってスイッチング素子Ｓ＊＃に一旦は過度に大きい電流が流れるおそれがある。そこで本実施形態では、オン状態への切替に際し、制限用電圧ＶＬを用いることで、過度に大きい電流が流れる事態を回避する。図３に、制限用電圧ＶＬの設定を示す。

図示されるように、スイッチング素子Ｓ＊＃は、ゲートおよびエミッタ間の電圧（ゲート電圧Ｖｇｅ）が大きいほど、流しうる最大の電流値（飽和電流）が大きくなる。ここで本実施形態では、スイッチング素子Ｓ＊＃の信頼性の低下を招くことのない電流の上限値以下であって且つ、スイッチング素子Ｓ＊＃の通常駆動時に流れると想定される電流の最大値よりも大きい値に過電流閾値Ｉｔｈを設定し、これを飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅを制限用電圧ＶＬに設定する。これにより、オン状態への切り替えに際して短絡電流が流れる場合であっても、スイッチング素子Ｓ＊＃に流れる電流は過電流閾値Ｉｔｈに制限される。

これに対し、定常用電圧ＶＨがゲート電圧Ｖｇｅとなる場合には、スイッチング素子Ｓ＊＃が正常に駆動されている限り、これに流れる電流はそのときの飽和電流よりも小さくなり、ひいてはコレクタエミッタ間電圧Ｖｃｅを小さくすることができる。

先の図２に示すように、上記端子Ｔ３は、また、ツェナーダイオード４０およびクランプ用スイッチング素子４２の直列接続体を介して端子Ｔ４に接続されている。ここで、ツェナーダイオード４０のブレークダウン電圧は、スイッチング素子Ｓ＊＃に過度の電流が流れない程度にスイッチング素子Ｓ＊＃のゲート電圧を制限するものである。本実施形態では、ゲート電圧を制限用電圧ＶＬに制限する設定とする。

上記端子Ｔ３は、さらに、ソフト遮断用抵抗体４４およびソフト遮断用スイッチング素子４６を介して端子Ｔ４に接続されている。

一方、上記スイッチング素子Ｓ＊＃は、その入力端子（コレクタ）および出力端子（エミッタ）間に流れる電流（コレクタ電流）と相関を有する微少電流を出力するセンス端子Ｓｔを備えている。そして、センス端子Ｓｔは、抵抗体４８，５０の直列接続体を介してエミッタに電気的に接続されている。これにより、センス端子Ｓｔから出力される電流によって抵抗体５０に電圧降下が生じるため、抵抗体５０による電圧降下量を、スイッチング素子Ｓ＊＃の入力端子および出力端子間を流れる電流と相関を有する電気的な状態量とすることができる。

上記抵抗体５０による電圧降下量（抵抗体４８，５０の接続点の電圧Ｖｓｄ）は、端子Ｔ５を介して、コンパレータ５２の非反転入力端子に取り込まれる。一方、コンパレータ５２の反転入力端子には、基準電源５４の基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。これにより、コレクタ電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となることで、コンパレータ５２の出力信号が論理「Ｌ」から論理「Ｈ」に反転する。コンパレータ５２の出力する論理「Ｈ」の信号は、クランプ用スイッチング素子４２に印加されるとともに、ディレイ５６に取り込まれる。ディレイ５６は、入力信号が所定時間に渡って論理「Ｈ」となることで、フェール信号ＦＬを出力する。フェール信号ＦＬは、スイッチング素子Ｓ＊＃を強制的にオフ状態とすべく、ソフト遮断用スイッチング素子４６をオン操作したり、充電用スイッチング素子２４ｈ，２４ｌおよび放電用スイッチング素子３２の駆動を停止させるべく駆動制御部７０に指令するものである。

こうした構成によれば、スイッチング素子Ｓ＊＃を過電流が流れる場合には、まずクランプ用スイッチング素子４２のオン操作に伴ってツェナーダイオード４０がオン状態とされることで、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲート電圧が低下する。これにより、スイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流を制限することができる。そしてその後、過電流が所定時間継続する場合には、ソフト遮断用スイッチング素子４６がオン状態とされることから、スイッチング素子Ｓ＊＃が強制的にオフとされる。

これにより、コレクタ電流が閾値以上となる状態が所定時間以上継続することで、ソフト遮断用スイッチング素子４６がオンとされ、ソフト遮断用抵抗体４４および放電用抵抗体３０を介して、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲートの電荷が放電される。ここで、ソフト遮断用抵抗体４４は、放電経路の抵抗値を高抵抗とするためのものである。これは、コレクタ電流が過大である状況下にあっては、スイッチング素子Ｓ＊＃をオン状態からオフ状態へと切り替える速度、換言すればコレクタおよびエミッタ間の遮断速度を大きくすると、サージが過大となるおそれがあることに鑑みたものである。このため、コレクタ電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となると判断される状況下にあっては、放電用抵抗体３０および放電用スイッチング素子３２を備える放電経路よりも抵抗値の大きい経路によってスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートを放電させる。

なお、フェール信号ＦＬは、端子Ｔ６を介して低電圧システム（制御装置１８）に出力される。また、このフェール信号ＦＬによって、先の図１に示すフェール処理部１４ａでは、インバータＩＮＶや昇圧コンバータＣＮＶをシャットダウンする。ちなみに、フェール処理部１４ａの構成は、例えば特開２００９−６０３５８号公報の図３に記載のものとすればよい。

こうした構成によれば、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲートに定常用電圧ＶＨが印加されている場合には、クランプ用スイッチング素子４２の駆動によって、また、オン状態への切り替えに際しては直流電圧源２２ｌによって、スイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流は過電流閾値Ｉｔｈ以下に制限される。ただし、直流電圧源２２ｌによってゲート印加電圧を制限用電圧ＶＬとしている場合であっても、ノイズ等に起因してスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートにコレクタ等から電流が流れ込む場合には、ゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回って上昇するおそれがある。この場合、直流電圧源２２ｌの制限用電圧ＶＬが用いられている場合であってもゲート電圧Ｖｇｅを制限用電圧ＶＬに復帰させることは困難である。すなわち、ゲートから直流電圧源２２ｌに電流が逆流するに際しては充電用抵抗体２６ｌによる電圧降下のためにその逆流する電流を大きくすることができない。さらに、直流電圧源２２ｈから直流電圧源２２ｌへの電流の流入を阻止する手段を備える場合には、ゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回っても直流電圧源２２ｌへの逆流自体が不可能となる。

そこで本実施形態では、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（シンクスイッチング素子６０）を備え、直流電圧源２２ｌによるゲート充電に際しゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回った場合にゲートの過剰な電荷を放電させる。すなわち、駆動制御部７０には、端子Ｔ８を介してゲート電圧Ｖｇｅが印加されており、駆動制御部７０では、ゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回ることで、シンクスイッチング素子６０をオン操作する。これにより、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲートが端子Ｔ７およびシンクスイッチング素子６０を介して端子Ｔ４に接続され、ゲートの放電がなされる。

図４に、スイッチング素子Ｓ＊＃のオン状態への切替処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部７０によって実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、操作信号ｇ＊＃の電圧値に基づき、オン操作指令への切替タイミングであるか否かを判断する。そしてステップＳ１０において肯定判断される場合、ステップＳ１２において、充電用スイッチング素子２４ｌをオン操作することで、直流電圧源２２ｌの出力電圧（制限用電圧ＶＬ）を用いてスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートを充電する。続くステップＳ１４においては、ゲートの充電開始からの時間を計時するカウンタＴをインクリメントする。続くステップＳ１６においては、フェール信号ＦＬが出力されたか否かを判断する。この処理は、ゲート充電を禁止する状況であるか否かを判断するためのものである。ステップＳ１６において肯定判断される場合、ステップＳ１８において、フェール履歴フラグＦを「１」とし、充電用スイッチング素子２４ｌを強制的にオフ操作することで、直流電圧源２２ｌを用いた充電を終了する。

上記ステップＳ１８の処理が完了する場合や、ステップＳ１６において否定判断される場合には、ステップＳ２０において、ゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回るか否かを判断する。この処理は、シンクスイッチング素子６０による放電処理を行うか否かを判断するためのものである。ステップＳ２０において肯定判断される場合、ステップＳ２２において、シンクスイッチング素子６０をオン操作する。ここで、シンクスイッチング素子６０のゲート印加電圧を放電用スイッチング素子３２のゲート印加電圧よりも小さくすることで、飽和電流を制限する。これにより、シンクスイッチング素子６０を用いた放電に際して放電電流が飽和電流となったとしても、その電流量を制限することができる。

上記ステップＳ２２の処理が完了する場合や、ステップＳ２０において否定判断される場合には、ステップＳ２４において、カウンタＴが閾値時間Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する。この処理は、直流電圧源２２ｈを用いたゲート充電処理に切り替えるタイミングを判断するためのものである。ここで、閾値時間Ｔｔｈは、スイッチング素子Ｓ＊＃が正常に駆動されている場合にゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬに到達するために要する時間以上に設定される。

ステップＳ２４において肯定判断される場合、ステップＳ２６においてフェール履歴フラグＦが「０」であるか否かを判断する。この処理は、シンクスイッチング素子６０を用いた放電処理の実行可能期間の終了タイミングを判断するためのものである。すなわち、フェール信号ＦＬが入力された履歴が無いなら、スイッチング素子Ｓ＊＃が正常に駆動されていると考えられるため、ステップＳ２４において肯定判断されることで直流電圧源２２ｈを用いたゲート充電処理に切り替えられる（ステップＳ３２）。そしてこの場合、ゲート電圧Ｖｇｅは制限用電圧ＶＬを上回ることからシンクスイッチング素子６０による放電処理の実行を許可すると、オン状態への切替処理を完了させることができなくなる。

上記ステップＳ２６において否定判断される場合、ステップＳ２８においてゲート電圧Ｖｇｅがスイッチング素子Ｓ＊＃がオンとなる閾値電圧Ｖｔｈよりも小さいか否かを判断する。この処理は、シンクスイッチング素子６０による放電処理の実行可能期間についての延長された終了タイミングを判断するためのものである。ステップＳ２８において肯定判断される場合、ソフト遮断用スイッチング素子４６によるスイッチング素子Ｓ＊＃の強制的なオフ操作が機能しているとして、シンクスイッチング素子６０による放電処理を禁止し、ステップＳ３０に移行してフェール履歴フラグＦを「０」とする。

なお、上記ステップＳ２４，Ｓ２８において否定判断される場合には、上記ステップＳ１４に戻る。また、ステップＳ１０において否定判断される場合や、ステップＳ３０，Ｓ３２の処理が完了する場合には、この一連の処理を一旦終了する。

図５（ａ１）〜図５（ｈ１）に、スイッチング素子Ｓ＊＃が正常に駆動される場合における上記処理を例示する。詳しくは、図５（ａ１）に、ゲート電圧Ｖｇｅの推移を示し、図５（ｂ１）に、抵抗体５０による電圧降下量（抵抗体４８，５０の接続点の電圧Ｖｓｄ）の推移を示し、図５（ｃ１）に、充電用スイッチング素子２４ｌの駆動状態の推移を示し、図５（ｄ１）に、充電用スイッチング素子２４ｈの駆動状態の推移を示す。また、図５（ｅ１）に、放電用スイッチング素子３２の駆動状態の推移を示し、図５（ｆ１）に、シンクスイッチング素子６０の駆動状態の推移を示し、図５（ｇ１）に、クランプ用スイッチング素子４２の駆動状態の推移を示し、図５（ｈ１）に、ソフト遮断用スイッチング素子４６の駆動状態の推移を示す。

図示されるように、充電用スイッチング素子２４ｌがオン操作されることで、ゲート電圧Ｖｇｅは、一旦上昇し、ミラー期間で略一定となった後に再度上昇して制限用電圧ＶＬに達する。ここでミラー期間における電圧は、スイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流を飽和電流とするゲート電圧に一致するものであるため、制限用電圧ＶＬよりも低くなる。そして、閾値時間Ｔｔｈが経過することで、充電用スイッチング素子２４ｌをオフして且つ充電用スイッチング素子２４ｈをオンする。これにより、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲート電圧Ｖｇｅは、定常用電圧ＶＨまで上昇する。

図５（ａ２）〜図（ｈ２）に、スイッチング素子Ｓ＊＃に短絡電流が流れる場合における上記処理を例示する。なお、図５（ａ２）〜図（ｈ２）のそれぞれは、図５（ａ１）〜図５（ｈ１）のそれぞれに対応している。

図示されるように、この場合、充電用スイッチング素子２４ｌをオン操作することで、ゲート電圧Ｖｇｅは急激に上昇して制限用電圧ＶＬに到達する。これにより、抵抗体４８，５０の接続点の電圧Ｖｓｄが速やかに基準電圧Ｖｒｅｆに到達するものの、クランプ用スイッチング素子４２のオン操作がなされるまでには応答遅れが生じる。この間の時刻ｔ１にノイズによってゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回ることで、シンクスイッチング素子６０がオン操作される。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅは、制限用電圧ＶＬに戻される。このため、クランプ用スイッチング素子４２がオン操作される以前においても、スイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流が過電流閾値Ｉｔｈより過度に大きくなる事態を好適に回避することができる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）シンクスイッチング素子６０を備えて、制限用電圧ＶＬを上回る場合にスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートを放電させた。これにより、ゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを上回る事態に適切に対処することができる。

（２）制限用電圧ＶＬでの充電時においてスイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となる場合、スイッチング素子Ｓ＊＃を強制的にオフ操作した。これにより、スイッチング素子Ｓ＊＃に短絡電流が流れる事態を迅速に解消することができる。

（３）シンクスイッチング素子６０による放電処理の実行可能期間の終点を、オン操作指令からの経過時間によって設定した。これにより、実行可能期間の終点を適切に設定することができる。

（４）シンクスイッチング素子６０による放電処理の実行可能期間の終点を、制限用電圧ＶＬを用いた充電処理から定常用電圧ＶＨを用いた充電処理に切り替えるタイミングに設定した。これにより、定常用電圧ＶＨによる充電処理がシンクスイッチング素子６０による放電処理によって妨げられる事態を確実に回避することができる。

（５）制限用電圧ＶＬを用いた充電処理期間において、スイッチング素子Ｓ＊＃を流れる電流の検出値が過電流閾値Ｉｔｈ以上となる場合、シンクスイッチング素子６０による放電処理の実行可能期間を延長した。これにより、過電流閾値Ｉｔｈを上回る電流が流れる事態を好適に抑制することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図６に、本実施形態にかかるスイッチング素子Ｓ＊＃のオン状態への切替処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部７０によって実行される。なお、図６において、先の図３に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。

この一連の処理では、ステップＳ１２の処理が完了する場合、ステップＳ４０において、ゲート電圧Ｖｇｅが規定電圧Ｖ１（＜ＶＬ）以上であるか否かを判断し、肯定判断される場合に、ステップＳ１４以降の処理を行う。すなわち、本実施形態では、オン操作指令への切替がなされる旨の条件に加えて、規定電圧Ｖ１以上となる旨の条件が、シンクスイッチング素子６０による放電処理を実行可能とする条件となる。これは、ノイズ等によって誤って実行可能期間が設定される事態を回避するための設定である。すなわち、実行可能とするための条件を、ドライブユニットＤＵにオン操作指令が入力されることで変化するパラメータのうちの２つ以上とすることで、１つとする場合と比較して当該パラメータにノイズが混入する場合であっても、誤動作を抑制することができる。

一方、ステップＳ２４において肯定判断される場合、ステップＳ４２においてゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬ以上であるか否かを判断する。この処理は、シンクスイッチング素子６０による放電処理の実行可能期間を終了させるための条件を設定するためのものである。すなわち、本実施形態では、閾値時間Ｔｔｈ以上となる旨の条件と、制限用電圧ＶＬ以上である旨の条件との双方の成立が実行可能期間を終了させる条件となる。これは、ノイズ等によって誤って実行可能期間が終了される事態を回避するためのものである。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

上記実施形態では、制限用電圧ＶＬを上回ることでシンクスイッチング素子６０をオン操作した。これは、ゲートに電流が流れ込む場合にはゲート電圧Ｖｇｅが制限用電圧ＶＬを一旦は上回ることを意味する。これに対し、本実施形態では、ゲート電圧Ｖｇｅが想定される電圧よりも高い場合にシンクスイッチング素子６０をオン操作する。

図７（ａ）〜図７（ｈ）に、本実施形態にかかるシンクスイッチング素子６０による放電処理を例示する。なお、図７（ａ）〜図７（ｈ）のそれぞれは、先の図５（ａ１）〜図５（ｈ１）のそれぞれに対応している。

図示されるように、本実施形態では、制限用電圧ＶＬによる充電処理期間においてゲート電圧Ｖｇｅが想定されるミラー電圧（＜ＶＬ）を上回ることでシンクスイッチング素子６０をオン操作し、ゲートから余分な電荷を放電させている。ここで、放電後のゲート電圧はミラー期間の電圧以上とする。

なお、想定されるミラー電圧は、スイッチング素子Ｓ＊＃に流れる電流情報に基づき設定することができる。これは、たとえばスイッチング素子Ｓ＊＃がインバータＩＮＶを構成する場合、モータジェネレータ１０を流れる電流の指令値とすればよい。またたとえばスイッチング素子Ｓ＊＃が前回オン状態とされた際の電流の検出値としてもよい。もっとも、これに代えて、スイッチング素子Ｓ＊＃が正常に駆動されている際における想定される最大電流を飽和電流とするゲート電圧をミラー電圧として設定してもよい。この場合であっても、過電流閾値Ｉｔｈを最大電流よりも大きく設定する場合、ミラー電圧が制限用電圧ＶＬよりも小さくなるため、シンクスイッチング素子６０による放電処理を迅速に開始することができる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「制限用電圧ＶＬの設定について」
制限用電圧ＶＬの設定としては、過電流閾値Ｉｔｈを飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅに限らない。たとえば過電流閾値Ｉｔｈよりも小さい電流であって且つ通常駆動時における最大電流よりも大きい電流を飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅであってもよい。さらに、最大電流よりも大きい電流を飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅにも限らず、都度想定される電流よりも大きい電流を飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅであってもよい。この場合であっても、想定される電流よりも大きい電流が流れている場合には定常用電圧ＶＨへの切り替えを行なわないことで、過度の電流が流れる事態を好適に回避することができる。

「シンクスイッチング素子について」
上記実施形態では、シンクスイッチング素子とスイッチング素子Ｓ＊＃のゲートとの間を低インピーダンスで接続して且つ、シンクスイッチング素子に飽和電流を流すことで放電処理を行ったがこれに限らない。たとえば、シンクスイッチング素子による放電経路に抵抗体を接続し、シンクスイッチング素子に飽和電流よりも小さい電流を流しつつ放電処理を行なってもよい。

また、シンクスイッチング素子としては、制限用電圧ＶＬによるゲート充電処理時におけるゲートの放電処理に用いる専用のスイッチング素子に限らない。たとえば放電用スイッチング素子３２を流用してもよい。

「放電処理の実行可能期間の始点について」
オン操作指令への切替タイミングや、ゲート電圧Ｖｇｅが規定電圧Ｖ１となるタイミングに限らない。たとえば制限用電圧ＶＬを用いた充電処理の開始タイミングであってもよい。このタイミングは、たとえば充電用スイッチング素子２４ｌのドレイン電圧が制限用電圧ＶＬとなることや、充電用抵抗体２６ｌに電流が流れることを検出することで設定可能である。

「放電処理の実行可能期間の終点について」
上記実施形態において例示したものに限らず、たとえば、ゲート電圧Ｖｇｅが規定電圧（ＶＬ未満）に到達した履歴があることと、閾値時間Ｔｔｈが経過したこととの論理積が真となるタイミングとしてもよい。

「強制オフ操作手段について」
ソフト遮断用スイッチング素子４６を備えることなく、放電用スイッチング素子３２を用いて強制的なオフ操作を行なってもよい。

なお、強制オフ操作手段を備えることなく、操作信号ｇ＊＃によるオフ操作指令に応じてスイッチング素子Ｓ＊＃をオフ操作するようにしてもよい。

「延長手段について」
ゲート電圧Ｖｇｅが閾値電圧Ｖｔｈ未満となるまで実行可能期間を延長するものに限らない。たとえばソフト遮断用スイッチング素子４６がオンとなるタイミングや、クランプ用スイッチング素子４２がオンとなるタイミングまで延長するものであってもよい。

「クランプ回路について」
ツェナーダイオード４０およびクランプ用スイッチング素子４２を備えるクランプ回路としては、クランプ電圧が過電流閾値Ｉｔｈを飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅと一致させるものに限らない。過電流閾値Ｉｔｈよりもわずかに大きい電流を飽和電流とするゲート電圧Ｖｇｅであってもよい。

なお、クランプ回路を設けなくてもよい。

「駆動対象スイッチング素子について」
駆動対象スイッチング素子としては、ＩＧＢＴに限らず、たとえばパワーＭＯＳ電界効果トランジスタ等であってもよい。この際、Ｎチャネルにも限らず、Ｐチャネルであってもよい。ただしこの場合、ソース電位に対してゲート電位を低下させることでオン状態となるため、ゲートに「負」の電荷を充電することで駆動対象スイッチング素子がオン状態となる。

「直流電圧源について」
直流電圧源としては、制限用電圧ＶＬおよび定常用電圧ＶＨの２つの相違する端子電圧を有するものに限らない。たとえば、制限用電圧よりも低い端子電圧をさらに有するものであってもよい。

直流電圧源としては、互いに相違する端子電圧を有する複数の出力端子を備えるものに限らない。たとえばＤＣＤＣコンバータのように、その出力電圧を可変とするものであってもよい。

「駆動対象スイッチング素子をオン状態とする手段について」
直流電圧源の出力電圧を開閉制御端子に常時印加する手段に限らない。たとえば直流電圧源を電源とする定電流制御手段を備えるものであってもよい。この場合であっても、定電流を用いた充電処理によって充電可能な電圧を一旦制限用電圧に制限することで、駆動対象スイッチング素子に過度の電流が流れる事態を好適に回避することができる。なお、定電流制御手段としては、たとえば充電用スイッチング素子２４ｌに直列接続された抵抗体の電圧降下量を規定値に制御すべく充電用スイッチング素子２４ｌのゲート電圧を操作する手段とすればよい。

「電力変換回路について」
電力変換回路としては、回転機の端子を直流電源の正極および負極のそれぞれに選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子を備える直流交流変換回路（インバータＩＮＶ）や、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子を備えるコンバータＣＮＶに限らない。たとえば、高電圧バッテリ１２の電圧を降圧して低電圧バッテリ１６に印加する降圧コンバータであってもよい。ただし、この場合であっても、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えることが望ましい。

「そのほか」
・ゲート電圧のモニタ端子としては、専用の端子Ｔ７に限らず、端子Ｔ３を流用してもよい。

・モータジェネレータ１０としては、車載主機に限らず、たとえばシリーズハイブリッド車に搭載される発電機であってもよい。

２２ｈ，２２ｌ…直流電圧源、２４ｈ，２４ｌ…充電用スイッチング素子、６０…シンクスイッチング素子。

Claims (12)

1. 電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路において、
   前記直流電圧源は、前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするに際し、その出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるものであり、
   前記制限用電圧は、第１の飽和電流となる際における前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧値であり、
   前記定常用電圧は、前記第１の飽和電流よりも大きい電流を流しうる前記開閉制御端子の電圧値であり、
   前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記制限用電圧を上回る場合、前記開閉制御端子から前記電荷を放電させるためのシンクスイッチング素子と、
   前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の始点を前記制限用電圧を用いた前記開閉制御端子への前記電荷の充電開始タイミングに同期して設定する設定手段と、を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動回路。
2. 前記設定手段は、前記電荷の充電開始と相関を有する複数のパラメータのそれぞれが前記充電開始に応じた値となる条件が全て成立するタイミングを前記始点とすることを特徴とする請求項１記載のスイッチング素子の駆動回路。
3. 前記設定手段は、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間に基づき設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング素子の駆動回路。
4. 電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路において、
   前記直流電圧源は、前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするに際し、その出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるものであり、
   前記制限用電圧は、第１の飽和電流となる際における前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧値であり、
   前記定常用電圧は、前記第１の飽和電流よりも大きい電流を流しうる前記開閉制御端子の電圧値であり、
   前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記制限用電圧を上回る場合、前記開閉制御端子から前記電荷を放電させるためのシンクスイッチング素子と、
   前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間に基づき設定する設定手段と、を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動回路。
5. 前記設定手段は、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間が規定時間となることと前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧が規定値に到達することとの論理積が真となるタイミングに設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスイッチング素子の駆動回路。
6. 前記設定手段は、前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を、前記直流電圧源の出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるタイミングに設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスイッチング素子の駆動回路。
7. 電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路において、
   前記直流電圧源は、前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするに際し、その出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるものであり、
   前記制限用電圧は、第１の飽和電流となる際における前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧値であり、
   前記定常用電圧は、前記第１の飽和電流よりも大きい電流を流しうる前記開閉制御端子の電圧値であり、
   前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記制限用電圧を上回る場合、前記開閉制御端子から前記電荷を放電させるためのシンクスイッチング素子と、
   前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を始点からの経過時間が規定時間となることと前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧が規定値に到達することとの論理積が真となるタイミングに設定する設定手段と、を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動回路。
8. 電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、前記駆動対象スイッチング素子の電流の流通経路の端部となる一対の端子のうちの一方を基準電位として前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子にオン状態とするための電荷を出力するとともに、その出力電圧の絶対値を可変とする直流電圧源を備えるスイッチング素子の駆動回路において、
   前記直流電圧源は、前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするに際し、その出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるものであり、
   前記制限用電圧は、第１の飽和電流となる際における前記駆動対象スイッチング素子の開閉制御端子の電圧値であり、
   前記定常用電圧は、前記第１の飽和電流よりも大きい電流を流しうる前記開閉制御端子の電圧値であり、
   前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記制限用電圧を上回る場合、前記開閉制御端子から前記電荷を放電させるためのシンクスイッチング素子と、
   前記シンクスイッチング素子による前記電荷の放電処理の実行可能期間の終点を、前記直流電圧源の出力電圧を制限用電圧から定常用電圧に切り替えるタイミングに設定する設定手段と、を備えることを特徴とするスイッチング素子の駆動回路。
9. 前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流以上となる場合、前記実行可能期間を延長する延長手段を備えることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載のスイッチング素子の駆動回路。
10. 前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流以上となる場合、前記駆動対象スイッチング素子を強制的にオフ操作する強制オフ操作手段をさらに備え、
    前記延長手段は、前記強制オフ操作手段によるオフ操作処理の開始時点以降まで前記実行可能期間を延長することを特徴とする請求項９記載のスイッチング素子の駆動回路。
11. 前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流の検出値が前記第１の飽和電流以上となる場合、前記駆動対象スイッチング素子を強制的にオフ操作する強制オフ操作手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のスイッチング素子の駆動回路。
12. 前記直流電圧源の出力電圧が前記制限用電圧である状況下、前記駆動対象スイッチング素子の前記一方の端子および前記開閉制御端子間の電圧についての検出される絶対値が前記一方の端子の電位を基準とした想定されるミラー電圧の絶対値よりも大きい場合、前記シンクスイッチング素子をオン操作して前記開閉制御端子から前記電荷を放電させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のスイッチング素子の駆動回路。

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