JP5754414B2 - 駆動対象スイッチング素子の駆動装置 - 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、その流通経路の一対の端部のうちの一方である基準端子と該スイッチング素子の開閉制御端子との間の電位差を操作することで、前記駆動対象スイッチング素子のオン状態およびオフ状態の切り替えを行なう駆動対象スイッチング素子の駆動装置に関する。

たとえば、下記特許文献１には、駆動対象スイッチング素子としてのＩＧＢＴのゲートおよびエミッタ間電圧（ゲート電圧）が、ＩＧＢＴをオン状態とする際にゲートに印加する電圧よりも低いものの、ＩＧＢＴをオン状態とする閾値電圧よりも高い中間電圧であるか否かを判断する機能を備えるものも提案されている。これによれば、ＩＧＢＴをオン操作しているにもかかわらずゲート電圧が中間電圧に留まったり、オフ操作しているにもかかわらずゲート電圧が中間電圧に留まったりする場合に、ＩＧＢＴを強制的にオフ状態とすることができる。

特開２０１２−３４４５０号公報

ただし、上記の技術には、次に述べる不都合がある。まず第１に、オフ操作しているときには、中間電圧に留まることのみが問題となるのではなく、ゲート電圧が中間電圧よりも高い電圧に留まる異常が生じることも問題である。第２に、オン操作しているときには、中間電圧に留まることのみが問題となるのではなく、オン操作しないことも問題である。

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、電圧制御形のスイッチング素子を駆動対象スイッチング素子とし、その流通経路の一対の端部のうちの一方である基準端子と該スイッチング素子の開閉制御端子との間の電位差を操作することで、前記駆動対象スイッチング素子のオン状態およびオフ状態の切り替えを行なう新たな駆動対象スイッチング素子の駆動装置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（Ｓ￥＃）とし、その流通経路の一対の端部のうちの一方である基準端子と該スイッチング素子の開閉制御端子との間の電位差を操作することで、前記駆動対象スイッチング素子のオン状態およびオフ状態の切り替えを行なう駆動回路（２２，２４，２６，３０，３２，３４）と、前記駆動対象スイッチング素子の操作信号としてオン操作指令およびオフ操作指令のいずれか一方が入力されることを条件に、前記電位差が前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とする閾値よりも前記いずれか一方の操作指令に応じて移行する側にある規定値に到達していないか否かを判断する判断手段（Ｓ４２，Ｓ６６）と、前記判断手段によって前記到達していないと判断される場合、前記開閉制御端子から前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするための電荷を放電させる強制処理手段（Ｓ５０，Ｓ７２）と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、オン操作指令であるにもかかわらず、上記電位差がオン状態となる値に到達していなかったり、オフ操作指令であるにもかかわらず、上記電位差がオフ状態となる値に到達していなかったりする場合に、駆動対象スイッチング素子をオフ操作する。これにより、異常時において駆動対象スイッチング素子の駆動が継続される事態を好適に回避することができる。

なお、構成３において、前記過電流遮断手段は、前記閾値以上であると判断される継続時間が規定時間以上となることで前記強制的にオフ状態とする処理を行うものであり、前記操作信号がオン操作指令に切り替わってから時間の経過に伴って、前記
規定時間を短縮する側に変更する変更手段を備えるようにしてもよい。

ちなみに、本発明にかかる以下の代表的な実施形態に関する概念の拡張については、代表的な実施形態の後の「その他の実施形態」の欄に記載してある。

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過電流遮断処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるオフ操作時の強制放電処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかるオン操作時の強制放電処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる過電流遮断処理の手順を示す流れ図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる駆動対象スイッチング素子の駆動装置を車載主機に接続される電力変換回路に適用した第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。

なお、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通信手段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、端子電圧ＶＨを有する直流電圧源２２を備え、直流電圧源２２の端子は、端子Ｔ１、充電用抵抗体２４、端子Ｔ２、ＰチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（充電用スイッチング素子２６）、端子Ｔ３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。

一方、スイッチング素子Ｓ＊＃のゲートは、放電用抵抗体３０、端子Ｔ４、ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（放電用スイッチング素子３２）を介して端子Ｔ５に接続されている。そして、端子Ｔ５は、スイッチング素子Ｓ＊＃の流通経路の一対の端部のうちの一方の端子である基準端子（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２６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３４によって操作される。すなわち、駆動制御部３４では、端子Ｔ６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２６と放電用スイッチング素子３２とを交互にオン・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２６をオンする。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２６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、充電用スイッチング素子２６をオン操作する期間においては、その開閉制御端子（ゲート）への印加電圧を、充電用抵抗体２４の電圧降下量（端子Ｔ２の電圧Ｖｍ）を規定値に制御するために操作する。これにより、充電用抵抗体２４を流れる電流量を一定値とすることができ、ひいてはスイッチング素子Ｓ￥＃のゲート充電処理を定電流制御にて行うことができる。

これに対し、放電用スイッチング素子３２をオン操作する期間においては、放電用抵抗体３０および放電用スイッチング素子３２を備える通常時放電経路を介してスイッチング素子Ｓ￥＃のゲートからオン状態とするための電荷が放電される。詳しくは、放電用抵抗体３０の電圧降下量がゲート電圧に等しくなるように放電用抵抗体３０にゲート放電電流が流れ、定電圧制御がなされる。ただし、駆動制御部３４では、端子Ｔ１０を介してゲート電圧Ｖｇｅをモニタしており、この電圧がオフ保持用閾値電圧以下となると、端子Ｔ９を介してＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（オフ保持用スイッチング素子６０）のゲート電圧を操作することで、オフ保持用スイッチング素子６０をオン操作する。オフ保持用スイッチング素子６０は、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲートおよびエミッタ間を通常時放電経路よりも低インピーダンスで接続する（短絡接続する）ためのものである。これは、スイッチング素子Ｓ￥＃のノイズによる誤動作を防止するためのものである。なお、本実施形態では、上記オフ保持用閾値電圧が、スイッチング素子Ｓ￥＃がオン状態となるゲート電圧以下の値に設定されている。

スイッチング素子Ｓ￥＃のゲートは、端子Ｔ７に接続されており、端子Ｔ７は、NチャネルMOS電界効果トランジスタ（クランプ用スイッチング素子４６）を介して端子Ｔ５に接続されている。クランプ用スイッチング素子４６のゲートには、オペアンプ４８の出力電圧が印加され、オペアンプ４８の反転入力端子には、クランプ電圧Ｖｃが印加され、非反転入力端子には、端子Ｔ７を介してスイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧Ｖｇｅが印加される。ここで、オペアンプ４８に対する給電は、電源用スイッチング素子５０によってオン・オフされる。

また、上記端子Ｔ４は、さらに、ソフト遮断用抵抗体５２およびＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ（ソフト遮断用スイッチング素子５４）を介して端子Ｔ５に接続されている。

一方、上記スイッチング素子Ｓ￥＃は、その流通経路（コレクタおよびエミッタ間）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４０，４２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４２に電圧降下が生じるため、抵抗体４２による電圧降下量（センス電圧Ｖｓｅ）を、スイッチング素子Ｓ￥＃の流通経路に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。

上記センス電圧Ｖｓｅは、端子Ｔ６を介して、コンパレータ４４の非反転入力端子に取り込まれる。一方、コンパレータ４４の反転入力端子には、過電流閾値Ｉｔｈに対応する基準電圧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４４の出力信号ＣＭＰが論理「Ｌ」から論理「Ｈ」に反転する。コンパレータ４４の出力信号ＣＭＰは、駆動制御部３４に取り込まれる。ここで、コレクタ電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となる状況は、たとえば、上側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐおよび下側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｎの双方がオン状態となり、直流電圧源としてのコンデンサＣの一対の端子が短絡状態となることで生じると想定される。

駆動制御部３４では、コレクタ電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となる場合、ソフト遮断用スイッチング素子５４を操作することで、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲートを放電させ、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ操作する過電流遮断処理を行なう。

図３に、本実施形態にかかる過電流遮断処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部３４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￥＃がオン操作指令であるか否かを判断する。そしてオン操作指令と判断される場合、ステップＳ１２において、クランプ用スイッチング素子４６によるゲート電圧の制限処理時間を計時するクランプ用カウンタＴｃをインクリメントする。そして、ステップＳ１４においては、クランプ用カウンタＴｃがクランプ用閾値時間Ｔｃｔｈ以上であるか否かを判断する。ここで、クランプ用閾値時間Ｔｃｔｈは、過電流閾値Ｉｔｈ以上の電流が流れているか否かにかかわらずクランプ用スイッチング素子４６によってゲート電圧の制限処理を行なう時間に設定される。これは、スイッチング素子Ｓ￥＃を流れる電流が過電流閾値Ｉｔｈ以上となってから駆動制御部３４が電源用スイッチング素子５０をオン操作するまでの遅延時間において、スイッチング素子Ｓ￥＃の電流が過電流閾値Ｉｔｈを大きく上回る事態を回避するための設定である。

上記ステップＳ１４において肯定判断される場合には、ステップＳ１６において、電源用スイッチング素子５０をオフ操作する一方、否定判断される場合には、ステップＳ１８において、電源用スイッチング素子５０をオン操作する。ここで、電源用スイッチング素子５０がオン操作されると、オペアンプ４８によりクランプ用スイッチング素子４６のゲート電圧が操作され、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧Ｖｇｅがクランプ電圧Ｖｃに制御される。ここで、クランプ電圧Ｖｃは、スイッチング素子Ｓ￥＃に過電流閾値Ｉｔｈ以上の電流を流すことができるゲート電圧に対応して且つ、スイッチング素子Ｓ￥＃の信頼性が短時間で低下することがないと想定される電流値に対応するゲート電圧に設定されている。

上記ステップＳ１６，Ｓ１８の処理が完了する場合、ステップＳ２０において、コンパレータ４４の出力信号ＣＭＰが論理Ｈであるか否かを判断する。この処理は、本実施形態において、過電流判断手段を構成する。そして、ステップＳ２０において肯定判断される場合、ステップＳ２４において、電源用スイッチング素子５０をオン操作する。なお、操作信号ｇ￥＃がオン操作指令に切り替わってから上記クランプ用閾値時間Ｔｃｔｈが未だ経過していない場合には、ステップＳ２４の処理にかかわらず電源用スイッチング素子５０はオン状態とされている。

続くステップＳ２６においては、コンパレータ４４の出力信号ＣＭＰが論理Ｈとなっている時間を計時するカウンタＴをインクリメントする。そして、ステップＳ２８では、カウンタＴが過電流用閾値時間ＴｔｈＩ１以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理の実行の可否を判断するためのものである。

一方、上記ステップＳ２０において否定判断される場合、ステップＳ２２において、カウンタＴを初期化する。ステップＳ２２の処理が完了する場合や、ステップＳ２８において否定判断される場合には、ステップＳ１０に戻る。

これに対し、ステップＳ２８において肯定判断される場合には、ステップＳ３０において、ソフト遮断用スイッチング素子５４をオン操作するとともに、電源用スイッチング素子５０をオフ操作する。ここで、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を、ソフト遮断用スイッチング素子５４を用いて行うのは、サージ電圧が過大となる事態を回避するためである。すなわち、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（通常時放電経路）よりも抵抗値の大きい経路（ソフト遮断用放電経路）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、この処理は、本実施形態において、過電流遮断処理手段を構成する。

また、ステップＳ３０においては、フェール信号ＦＬを低電圧システム（制御装置１８）やフェール処理部１４ａに出力する。このフェール信号ＦＬによって、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。

そして、ステップＳ３０の処理が完了する場合や、ステップＳ１０において否定判断される場合には、ステップＳ３２において、クランプ用カウンタＴｃやカウンタＴを初期化し、この一連の処理を一旦終了する。

上記処理により、操作信号ｇ￥ｐ，ｇ￥ｎのうちオン操作指令に対応する側において、コレクタ電流Ｉｃが過度に大きくなるか否かを監視することで、基本的には、スイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎの双方がオン状態となる異常が生じることに対処可能である。ただし、スイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎの双方がオン状態となる異常が生じる要因によっては、上記処理では不十分となる懸念が生じることが発明者らによって見出された。

この要因とは、上側アームの操作信号ｇ￥ｐがオン操作指令且つ下側アームの操作信号ｇ￥ｎがオフ操作指令であるときにおいて、下側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐのゲート電圧が低下しきらずに、これをオン状態とする閾値電圧Ｖｔｈ以上であって且つ、電圧ＶＨよりも低い値に留まる異常が生じる場合等である。この場合、下側アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐの流通経路（コレクタおよびエミッタ間）のインピーダンスが大きいため、スイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎのコレクタ電流が過電流閾値Ｉｔｈに達しないことが懸念される。ここで、過電流閾値Ｉｔｈに達しない場合、スイッチング素子Ｓ￥ｎについては、導通損失が大きくなることから温度上昇が顕著となる。そして、これにより、スイッチング素子Ｓ￥＃の故障にいたる懸念がある。そしてこの故障が、スイッチング素子Ｓ￥＃の流通経路のインピーダンスがゲート電圧にかかわらず低い状態となるショート故障となる場合、スイッチング素子Ｓ￥ｐのゲート電圧が電圧ＶＨとなっているために、スイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎに過電流閾値Ｉｔｈを大きく上回る電流が流れる。

こうした事態は、スイッチング素子Ｓ￥ｐのオン状態への切り替えに際してスイッチング素子Ｓ￥ｎが既にショート故障している場合よりも深刻である。なぜなら、スイッチング素子Ｓ￥ｐのオン状態への切り替えに際してスイッチング素子Ｓ￥ｎが既にショート故障している場合には、スイッチング素子Ｓ￥ｐのゲート電圧が電圧ＶＨに上昇する以前に、ゲート電圧に制限がかかるため、スイッチング素子Ｓ￥ｐに流れる電流が制限されるからである。

そこで本実施形態では、操作信号ｇ￥＃がオフ操作指令である期間において、スイッチング素子Ｓ￥＃がオフ状態となっているか否かを監視し、なっていない場合にスイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ操作するオフ操作時強制処理を行なう。

図４に、オフ操作時強制処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部３４によって実行される。

この一連の処理では、まず、ステップＳ４０において、操作信号ｇ￥＃がオフ操作指令であるか否かを判断する。そしてステップＳ４０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がオフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１以上であるか否かを判断する。ここで、オフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１は、スイッチング素子Ｓ￥＃がオン状態となる閾値電圧Ｖｔｈよりも低い値に設定される。なお、オフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１を、オフ保持用閾値電圧とするなら、閾値電圧を生成する手段の数を低減することができるというメリットがある。

ステップＳ４２において肯定判断される場合、ステップＳ４６において、オフ操作指令とされる状況においてゲート電圧Ｖｇｅがオフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１以上である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Ｓ４８においては、カウンタＴが閾値時間ＴｔｈＬ以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃がオフ操作指令に応じてオフ状態とならない異常が生じているか否かを判断するためのものである。ここで、閾値時間ＴｔｈＬは、オフ操作指令に伴ってスイッチング素子Ｓ￥＃がオフ状態に切り替わる時間以上に設定されている。特に本実施形態では、上下アームのスイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎの双方がオフ操作指令とされるデッドタイムＤＴよりも長くて且つ、「２・ＤＴ」よりも短い時間に設定されている。ここで、デッドタイムＤＴよりも長い時間としたのは、デッドタイムＤＴがスイッチング状態の切り替わりに要する時間以上に設定されていることに鑑みたものである。なお、ステップＳ４８の処理は、本実施形態においてオフ操作時判断手段を構成する。

一方、上記ステップＳ４２において否定判断される場合、ステップＳ４４において、カウンタＴを初期化する。そして、ステップＳ４４の処理が完了する場合や、ステップＳ４８において否定判断される場合には、ステップＳ４０に戻る。

これに対し、ステップＳ４８において肯定判断される場合には、ステップＳ５０において、ソフト遮断用スイッチング素子５４と、オフ保持用スイッチング素子６０とをオン操作する。この処理は、本実施形態において、オフ操作時強制処理手段を構成する。さらに、ステップＳ５０においては、フェール信号ＦＬを制御装置１８に出力する。これにより、制御装置１８を介してユーザに異常が生じた旨通知することができる。

ステップＳ５０の処理が完了する場合やステップＳ４０において否定判断される場合には、ステップＳ５２においてカウンタＴを初期化し、この一連の処理を一旦終了する。

以下、本実施形態にかかる効果のいくつかを記載する。

（１）オフ操作指令が入力されているにもかかわらず、スイッチング素子Ｓ￥＃の基準端子（エミッタ）および開閉制御端子（ゲート）間の電位差が、閾値電圧Ｖｔｈ以下の値に到達しない場合、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とした。これにより、第１に、ゲート電圧が電圧ＶＨと閾値電圧Ｖｔｈとの中間の電圧に留まる異常に好適に対処することができる。さらに、ゲート電圧が電圧ＶＨに留まる異常にも対処することができる。

（２）スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を、ソフト遮断用スイッチング素子５４およびオフ保持用スイッチング素子６０を用いて行った。このように、スイッチング素子Ｓ￥＃をオフ状態に移行させるための通常時放電経路（放電用スイッチング素子３２および放電用抵抗体３０の経路）以外の経路を用いることで、強制的にオフ状態とする処理の確実性を高めることができる。これは、異常時においては、通常時放電経路が正常に機能していないおそれがあるためである。

さらに、スイッチング素子Ｓ￥＃の基準端子（エミッタ）および開閉制御端子（ゲート）間の接続経路を複数用いて強制的にオフ状態とする処理を行なうことで、その処理を確実に行なうことができる。

（３）スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を、オフ保持用経路（オフ保持用スイッチング素子６０）を用いて行った。この場合、オフ保持用スイッチング素子６０を備えるオフ保持用経路のインピーダンスが非常に低いために、たとえば直流電圧源２２が端子Ｔ３とショートする異常時等においても、スイッチング素子Ｓ￥＃を確実にオフ状態とすることができる。
＜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。

本実施形態では、操作信号ｇ￥＃がオン操作指令とされるに伴って、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧が電圧ＶＨに上昇するか否かを監視し、上昇しない場合にスイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とするオン操作時強制処理をさらに行なう。

図５に、本実施形態にかかるオン操作時強制処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部３４によって実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ６０において、操作信号ｇ￥＃がオン操作指令であるか否かを判断する。そしてオン操作指令であると判断される場合、ステップＳ６２において、ゲート電圧Ｖｇｅが第１閾値Ｖｔｈａ以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃のオン状態への切り替え処理が実際になされているか否かを判断するためのものである。本実施形態では、第１閾値Ｖｔｈａを、スイッチング素子Ｓ￥＃がオン状態に切り替わる閾値電圧Ｖｔｈよりも小さい値に設定している。これは、オン操作指令への切り替えに伴ってゲート電圧が上昇していることを持って、スイッチング素子Ｓ￥＃のオン状態への切り替え処理が実際になされていると判断することとしたためである。ここで第１閾値Ｖｔｈａを、オフ保持用閾値電圧とするなら、閾値電圧を生成する手段の数を低減することができる。

ステップＳ６２において否定判断される場合、オン操作指令への切り替わり時からの経過時間を計時するカウンタＴが第１閾値時間Ｔｔｈａ以上であるか否かを判断する。ここで、第１閾値時間Ｔｔｈａは、ゲート電圧Ｖｇｅが第１閾値Ｖｔｈａまで上昇するのに要すると想定される時間以上に設定される。そして、ステップＳ６４において否定判断される場合、ステップＳ７０において、カウンタＴをインクリメントし、ステップＳ６０に戻る。これに対し、ステップＳ６４において肯定判断される場合、ステップＳ７２において、ソフト遮断用スイッチング素子５４をオン操作する。さらに、ステップＳ７２においては、フェール信号ＦＬを制御装置１８に出力する。これにより、制御装置１８を介してユーザに異常が生じた旨通知することができる。

一方、ステップＳ６２において肯定判断される場合、ステップＳ６６において、ゲート電圧Ｖｇｅが第２閾値以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧が直流電圧源２２の電圧ＶＨに上昇したか否かを判断するためのものである。ここで、第２閾値は、電圧ＶＨからマージン量αを減算した値に設定される。

ステップＳ６６において否定判断される場合、ステップＳ６８において、カウンタＴが第２閾値時間Ｔｔｈｂ以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃が正常にオン操作されない異常の有無を判断するためのものである。ここで、第２閾値時間Ｔｔｈｂは、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧Ｖｇｅが正常値（電圧ＶＨ）に収束するまでに要すると想定される時間以上に設定されている。なお、この処理は、本実施形態において、オン操作時判断手段を構成する。

ステップＳ６８において否定判断される場合、ステップＳ７０において、カウンタＴをインクリメントし、ステップＳ６０に戻る。これに対し、ステップＳ６８において肯定判断される場合、ステップＳ７２に移行する。なお、ステップＳ６８において肯定判断された場合のステップＳ７２の処理は、本実施形態において、オン操作時強制処理手段を構成する。

なお、ステップＳ７２の処理が完了する場合や、ステップＳ６０において否定判断される場合、さらには、ステップＳ６６において肯定判断される場合には、ステップＳ７４においてカウンタＴを初期化し、この一連の処理を一旦終了する。

以下、本実施形態にかかる効果のいくつかを記載する。

（４）操作信号ｇ￥＃がオン操作指令であるにもかかわらず、ゲート電圧Ｖｇｅが正常時の収束値に到達しない場合、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とした。これにより、スイッチング素子Ｓ￥＃の流通経路のインピーダンスが異常に大きい状態で、これに電流が流れ続ける事態を迅速に回避することができる。このため、スイッチング素子Ｓ￥＃が発熱限界によって故障する事態を好適に回避することができる。

（５）操作信号ｇ￥＃がオン操作指令であるにもかかわらず、ゲート電圧Ｖｇｅが上昇しない場合、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、異常時においてスイッチング素子Ｓ￥＃の駆動を停止することができる。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第２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過電流遮断処理の手順を示す。この処理は、駆動制御部３４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ものについては、便宜上、同一のステップ番号を付している。

図示されるように、本実施形態では、ステップＳ１８の処理の後、ステップＳ８０において、コンパレータ４４の出力信号ＣＭＰが論理Ｈであるか否かを判断し、論理Ｈであると判断される場合、ステップＳ８２においてカウンタＴをインクリメントする。そして、ステップＳ８４においては、カウンタＴが、上記過電流用閾値時間ＴｔｈＩ１よりも短いフルオン時閾値時間ＴｔｈＩ２以上であるか否かを判断する。この処理は、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とするか否かを判断するためのものである。ここで、スイッチング素子Ｓ￥＃のオン状態への切り替え直後に用いる過電流用閾値時間ＴｔｈＩ１と比較して、フルオン時閾値時間ＴｔｈＩ２を短縮したのは、上述したように、ゲート電圧Ｖｇｅが高い状態でスイッチング素子Ｓ￥＃を流れる電流の流通経路のインピーダンスが低下するなどする場合、その電流値が非常に大きくなることに鑑みたものである。すなわち、フルオン時閾値時間ＴｔｈＩ２を短縮することで、スイッチング素子Ｓ￥＃の強制的なオフ状態への処理を迅速に行なう。

なお、ステップＳ８４において肯定判断される場合、ステップＳ３０に移行する一方、ステップＳ８４において否定判断される場合には、ステップＳ１０に戻る。また、ステップＳ８０において否定判断される場合、ステップＳ２２に移行する。

このように、本実施形態によれば、オン操作指令への切り替えから所定時間経過することで、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ操作する条件となる閾値時間を短縮することで、スイッチング素子Ｓ￥＃に、故障を招く電流が流れる事態が生じることを抑制できる。
＜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。

「オフ操作時判断手段について」
オフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１を、スイッチング素子Ｓ￥＃がオン状態となる閾値電圧Ｖｔｈよりも小さい電圧とするものに限らない。たとえば、閾値電圧Ｖｔｈとする場合であっても、先の図４のステップＳ４２において否定判断される場合、スイッチング素子Ｓ￥＃のゲート電圧がスイッチング素子Ｓ￥＃をオフ状態とする側に到達していないと判断することはできる。

「オフ操作時強制処理手段について」
先の図４においては、ゲート電圧Ｖｇｅがオフ用閾値電圧ＶｔｈＬ１以上となる継続時間がオフ用閾値時間ＴｔｈＬ以上となる場合に、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を行ったがこれに限らない。たとえば、オフ操作指令への切り替えタイミングから規定時間経過時においてゲート電圧Ｖｇｅがオフ用閾値電圧ＶｔｈＬ以上である場合、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を行ってもよい。

スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理としては、オフ保持用スイッチング素子６０およびソフト遮断用スイッチング素子５４の双方をオン操作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５４のみをオン操作するものであってもよい。また、オフ保持用スイッチング素子６０とソフト遮断用スイッチング素子５４とに限らない。たとえば、クランプ用スイッチング素子４６に、オペアンプ４８の出力電圧よりも大きい電圧を印加することで、クランプ用スイッチング素子４６をクランプ処理とは相違する態様にて利用してもよい。さらに、専用のスイッチング素子を備えてこれをオン操作するものであってもよい。

「オン操作時強制処理手段について」
先の図５においては、オン操作指令への切り替えタイミングから第２閾値時間Ｔｔｈｂ経過時におけるゲート電圧Ｖｇｅが第２閾値電圧（ＶＨ−α）以上となっていない場合に、ゲート電荷の強制的な放電処理を行ったがこれに限らない。たとえば、ゲート電圧Ｖｇｅが第２閾値電圧（ＶＨ−α）未満となる継続時間が第２閾値時間Ｔｔｈｂ以上となる場合に、スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理を行ってもよい。

スイッチング素子Ｓ￥＃を強制的にオフ状態とする処理としては、ソフト遮断用スイッチング素子５４のみをオン操作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５４およびオフ保持用スイッチング素子６０をオン操作するものであってもよい。また、たとえば放電用スイッチング素子３２をオン操作するものであってもよい。

「過電流遮断処理手段について」
センス電圧Ｖｓｅを入力として、スイッチング素子Ｓ￥＃に過電流が流れるか否かを判断するものに限らない。たとえば、スイッチング素子Ｓ￥＃の流通経路の一対の端部（コレクタおよびエミッタ）間の電位差の検出値を入力とするものであってもよい。

「駆動対象スイッチング素子について」
ＩＧＢＴに限らず、たとえばＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであってもよい。もっともこれに限らず、たとえばＰチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであってもよい。ただし、この場合、開閉する流通経路の一方の端部である基準端子（ソース）に対する開閉制御端子（ゲート）の電位差をマイナスとすることでオン状態となるものであるため、オフ操作に際して、ゲートに正の電荷を充電することとなる。

「直列接続体について」
高電位側のスイッチング素子Ｓ￥＃および低電位側のスイッチング素子Ｓ￥＃の直列接続体としては、インバータＩＮＶや昇降圧チョッパ回路（コンバータＣＮＶ）を構成するものに限らない。要は、高電位側のスイッチング素子Ｓ￥＃および低電位側のスイッチング素子Ｓ￥＃の直列接続体に直流電圧源が低インピーダンスで接続されるものにあっては、これらの双方がオン状態となることで過電流が流れるため、本発明の適用は有効である。

もっとも、直列接続体を構成すること自体、必須ではない。直列接続体を構成しない場合であっても、たとえばオフ操作指令にかかわらずオン状態を継続するなどする場合には、これを強制的にオフ操作する処理を行なうことは有効である。

「駆動回路について」
上記実施形態では、スイッチング素子Ｓ￥＃をオン状態に切り替えるに際して、ゲートの充電電流を一定値とする定電流制御を行ったがこれに限らない。たとえば、先の図２に示した充電用スイッチング素子２６のゲート印加電圧を固定値として、定電圧制御を行ってもよい。

Ｓ￥＃…スイッチング素子（駆動対象スイッチング素子の一実施形態）、ＤＵ…ドライブユニット（駆動装置の一実施形態）。

Claims (6)

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（Ｓ￥＃）とし、前記駆動対象スイッチング素子の流通経路の一対の端部のうちの一方である基準端子と該スイッチング素子の開閉制御端子との間の電位差を操作することで、前記駆動対象スイッチング素子のオン状態およびオフ状態の切り替えを行なう駆動回路（２２，２４，２６，３０，３２，３４）と、
   前記駆動対象スイッチング素子の操作信号としてオフ操作指令が入力されることを条件に、前記電位差が前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とする閾値よりも低い規定値に到達していないか否かを判断するオフ操作時判断手段（Ｓ４２）と、
   前記オフ操作時判断手段によって前記規定値に到達していないと判断される場合、前記開閉制御端子から前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするための電荷を放電させるオフ操作時強制処理手段（Ｓ５０）と、
   を備えることを特徴とする駆動対象スイッチング素子の駆動装置。
2. 前記オフ操作時強制処理手段は、前記オフ操作時判断手段によって前記到達していないと判断される場合、前記駆動対象スイッチング素子をオフ状態に切り替えるべく前記電位差を減少させるための経路であって且つ、前記駆動対象スイッチング素子のオン・オフの通常時の切り替えに利用する通常時放電経路（３０，３２）以外の経路を用いて、前記オン状態とする電荷の放電処理を行なうことを備えることを特徴とする請求項１記載の駆動対象スイッチング素子の駆動装置。
3. 前記駆動対象スイッチング素子は、高電位側のスイッチング素子（Ｓ￥ｐ）および低電位側のスイッチング素子（Ｓ￥ｎ）の一対のスイッチング素子の直列接続体であって且つ直流電圧源（Ｃ）に並列接続される直列接続体を構成するものであり、
   前記操作信号がオン操作指令であることを条件に、前記駆動対象スイッチング素子を流れる電流が閾値以上であるか否かを判断する過電流判断手段（Ｓ２０，Ｓ８０）と、
   前記過電流判断手段によって前記閾値以上であると判断されることを条件に、前記駆動対象スイッチング素子を強制的にオフ状態とする過電流遮断処理手段（Ｓ３０）と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の駆動対象スイッチング素子の駆動装置。
4. 前記通常時放電経路よりもインピーダンスの高いソフト遮断用放電経路（３０，５２，５４）を備え、
   前記ソフト遮断用放電経路は、該経路を開閉するソフト遮断用スイッチング素子（５４）を備え、
   前記オフ操作時強制処理手段は、前記開閉制御端子から前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするための電荷を放電させるべく、前記ソフト遮断用スイッチング素子をオン操作することを特徴とする請求項２または３記載の駆動対象スイッチング素子の駆動装置。
5. 前記通常時放電経路とは別に、前記基準端子および前記開閉制御端子を短絡することで前記駆動対象スイッチング素子をオフ状態に保持するオフ保持用経路（６０）を備え、
   前記オフ保持用経路は、該経路を開閉するオフ保持用スイッチング素子を備え、
   前記オフ操作時強制処理手段は、前記開閉制御端子から前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とするための電荷を放電させるべく、前記オフ保持用スイッチング素子をオン操作することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の駆動対象スイッチング素子の駆動装置。
6. 前記駆動対象スイッチング素子の操作信号としてオン操作指令が入力されることを条件に、前記電位差が前記駆動対象スイッチング素子をオン状態とする閾値よりもオン操作指令に応じて移行する側にある規定値に到達していないか否かを判断するオン操作時判断手段（Ｓ６８）と、
   前記オン操作時判断手段によって前記到達していないと判断される場合、前記駆動対象スイッチング素子をオフ状態に切り替えるべく、前記電位差を減少させるための経路を用いて、前記オン状態とするための電荷の放電処理を行なうオン操作時強制処理手段（Ｓ７２）と、をさらに備え、
   前記オン操作時判断手段は、前記規定値を、前記駆動対象スイッチング素子に流れる電流の通常時における最大値よりも大きい電流を流すことのできる前記電位差に設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の駆動対象スイッチング素子の駆動装置。

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