JP6413825B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワースイッチング素子を駆動する制御装置に関する。

従来から、パワースイッチング素子の電流値や温度の異常を検出することによってパワースイッチング素子の駆動を停止したり制限したりする駆動装置が知られている。特許文献１の記載の駆動装置は、パワースイッチング素子（半導体素子）に生じた異常要因に応じてパルス幅の異なるアラーム信号を生成するようになっている。特許文献１に記載の駆動装置では、アラーム信号の出力タイミングをずらすことによりパルス幅の計測と異常要因の識別を容易にしている。

特開２０１３−２５８８５８号公報

ところで、特許文献１に記載の駆動装置は、図示されないインバータ制御部からの制御信号を受けて動作する。とくに、パワースイッチング素子の異常を検出するための異常検出部とインバータ制御部との信号線が断線する等して通信が遮断されると、パワースイッチング素子の正常／異常にかかわらずパワースイッチング素子の駆動が停止されてしまう。換言すれば、パワースイッチング素子が正常であっても、信号線の断線によってパワースイッチング素子の駆動が停止してしまう虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、異常検出部と制御部との通信が遮断してもパワースイッチング素子の正常または異常を正しく判断して駆動する駆動装置を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、パワースイッチング素子（２００）のオンオフを制御する制御部（２０）と、制御部とパワースイッチング素子との間に介在し、パワースイッチング素子を駆動するゲートドライバ（１０）と、を備える駆動装置であって、ゲートドライバは、パワースイッチング素子に接続され、パワースイッチング素子の制御端子に電流を供給する駆動部（１１）と、パワースイッチング素子の状態を監視して異常を検出するための異常検出部（１２）と、制御部に接続され、制御部との通信により制御部が有する情報の一部が格納される通信部（１３）と、を有し、通信部は、異常検出部により検出されるパワースイッチング素子の状態に関する情報を、異常検出部と共有するとともに、制御部に対して情報を出力し、制御部は、通信部により入力されるべきパワースイッチング素子の状態に関する情報が遮断された場合であっても、異常検出部により入力されるパワースイッチング素子の状態に関する情報がパワースイッチング素子の異常を示していない場合には、パワースイッチング素子の駆動を継続することを特徴としている。

これによれば、ゲートドライバは、制御部に対してパワースイッチング素子の異常を報知する系統として、異常検出部と通信部との２系統を有する。このため、異常検出部と制御部とを通信可能に接続する信号線、あるいは通信部と制御部とを通信可能に接続する信号線が遮断された場合であっても、制御部はパワースイッチング素子の状態を監視することができる。したがって、制御部は、パワースイッチング素子の正常または異常を正しく判断してパワースイッチング素子を駆動することができる。

第１実施形態に係る駆動装置の概略構成を示すブロック図である。 駆動装置の動作を示すフローチャートである。 ひとつの異常発生例における駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 ひとつの異常発生例における駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。 ひとつの異常発生例における駆動装置の動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係る駆動装置およびその周辺回路の概略構成について説明する。

本実施形態における駆動装置は、モータなどの誘導性負荷に電圧を供給するためのインバータを駆動する装置である。本実施形態におけるインバータは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）をパワースイッチング素子として採用している。

図１に示すように、この駆動装置１００は、インバータを構成するパワースイッチング素子２００に接続されたゲートドライバ１０と、ゲートドライバ１０の駆動を制御する制御部２０と、を備えている。また、駆動装置１００は、ゲートドライバ１０と制御部２０の電源電圧の差から生じるリーク電流を抑制するための絶縁素子３０と、制御部２０から出力される信号および入力される信号の信号レベルを調整する入出力バッファ４０とを備えている。

ゲートドライバ１０は、駆動部１１と、異常検出部１２と、通信部１３と、条件決定部１４と、を有している。

駆動部１１は、制御部２０から入力される制御信号に基づいてパワースイッチング素子２００のゲート電極に印加する電圧を制御している。ゲート電極にはＩＧＢＴをオンするためのＨｉｇｈバイアスと、ＩＧＢＴをオフするためのＬｏｗバイアスとが印加されるようになっている。駆動部１１は、ゲート電極に対してＨｉｇｈバイアスまたはＬｏｗバイアスを印加することによってパワースイッチング素子２００のオンオフを切り替える。

異常検出部１２は、パワースイッチング素子２００における出力電流および出力電圧を監視している。異常検出部１２は、例えば短絡による過電流や、電源電圧の変動による出力電圧の異常を検出して、制御部２０にフィードバックするようになっている。本実施形態における異常検出部１２は、パワースイッチング素子２００のセンスエミッタ端子およびコレクタ端子に接続されており、それぞれ出力電流および出力電圧を取得可能に構成されている。

本実施形態における異常検出部１２は、制御部２０の他に通信部１３とも通信可能に接続されており、パワースイッチング素子２００の状態に関する情報、すなわち出力電流および出力電圧の情報を通信部１３と共有するようになっている。

なお、異常検出部１２は、パワースイッチング素子２００近傍に配置された図示しない感温ダイオードからパワースイッチング素子２００の温度情報を取得するように構成できる。このような構成における異常検出部１２は、パワースイッチング素子２０の状態に関する情報として、パワースイッチング素子２００の出力電流と出力電圧の他に、パワースイッチング素子の温度の情報を取得および監視することができる。

通信部１３は、制御部２０が保有する情報の一部、および、異常検出部１２が取得したパワースイッチング素子２００の状態に関する情報が格納されている。制御部２０が通信部１３に対して受け渡す情報としては、例えば、パワースイッチング素子２００の出力電圧とスイッチング速度の関係を示すデータがある。また、通信部１３は、異常検出部１２により検出されたパワースイッチング素子２００の状態に関する情報、すなわちパワースイッチング素子２００の出力電流と出力電圧の情報を有しており、これらの情報を異常検出部１２と並列に制御部２０に出力している。

条件決定部１４は、制御部２０、通信部１３および駆動部１１に接続されており、制御部２０から入力される制御信号と通信部１３に格納された情報に基づいて、駆動部１１がパワースイッチング素子２００を駆動する駆動条件を決定している。駆動部１１は、決定された駆動条件に基づいてパワースイッチング素子２００を制御する。

制御部２０は、例えばモータ制御ＥＣＵであり、駆動部１１に対してパワースイッチング素子２００を制御するための制御信号を出力している。制御部２０は、異常検出部１２および通信部１３を介して入力されるパワースイッチング素子２００の出力電流や出力電圧に基づいて、パワースイッチング素子２００のスイッチング速度およびゲート電圧の調整を、制御信号を介して駆動部１１に対して指示する。

絶縁素子３０は、ゲートドライバ１０から制御部２０への電流リークを抑制する目的で配置されている。一般に、制御部２０の動作電圧に比べてゲートドライバ１０の電源電圧が大きいので、予期せぬ電流リークによって制御部２０の動作が不安定になる虞がある。本実施形態における絶縁素子３０は、制御部２０と駆動部１１とを連結する信号線、制御部２０と異常検出部１２とを連結する信号線、および、制御部２０と通信部１３とを連結する信号線、にそれぞれ設けられている。

入出力バッファ４０は、制御部２０から出力される信号および入力される信号の信号レベルを調整している。入出力バッファ４０には、一般的に知られたバッファ回路を採用することができる。

次に、図２を参照して、本実施形態に係る駆動装置１００の動作フローおよび作用効果について説明する。なお、図２に示すフローチャートでは、ステップＳ１以前にパワースイッチング素子２００のゲート電極に電圧が印加されていることを前提としている。

図２に示すように、まずステップＳ１が実行される。ステップＳ１は、制御部２０が異常検出部１２から、パワースイッチング素子２００の異常の報知が有るか否かを判断するステップである。パワースイッチング素子２００の異常の報知は、例えばパワースイッチング素子２００の出力電流が閾値以上となった場合や、出力電圧の絶対値や時間変化が閾値以上となった場合に、異常検出部１２から制御部２０に報知される。

制御部２０に対して、パワースイッチング素子２００の異常の報知がされると、ステップＳ１はＹＥＳ判定となりステップＳ２に進む。一方、該報知が無い場合、本ステップはＮＯ判定となりステップＳ３に進む。

ステップＳ２は、制御部２０が駆動部１１に対して、パワースイッチング素子２００のゲート電極への電圧の印加を停止するように指示するステップである。制御部２０の指示を受けて、駆動部１１はパワースイッチング素子２００の制御端子であるゲート電極への電流の供給、電圧の印加を停止する。すなわち、パワースイッチング素子２００に異常に相当する挙動が観測される場合にはパワースイッチング素子２００の動作を停止して、モータ等の負荷の動作を停止することができる。

一方、パワースイッチング素子２００の異常の報知が無い場合、ステップＳ１はＮＯ判定となりステップＳ３に進む。ステップＳ３は、制御部２０が、通信部１３からの何らかの情報の通信が有るか否かを判断するステップである。通信部１３が正常に動作していれば、通信部１３は制御部２０に対して、異常検出部１２と同様の情報を出力しており、これを制御部２０が受信していればステップＳ３はＹＥＳ判定となる。一方、通信部１３に動作不良や断線などの異常がある場合には、通信部１３と制御部２０との間で通信が行われず、ステップＳ３はＮＯ判定となる。

ステップＳ３がＹＥＳ判定の場合、ステップＳ４に進む。ステップＳ４は、制御部２０が通信部１３から、パワースイッチング素子２００の異常の報知が有るか否かを判断するステップである。本ステップは、ステップＳ１における情報に出力元である異常検出部１２を、通信部１３に置換したステップに相当する。ステップＳ４がＹＥＳ判定、すなわちパワースイッチング素子２００に異常が観測される場合にはステップＳ２に進み、ゲート電極への電圧の印加が停止される。ステップＳ４の実行は、ステップＳ１がＮＯ判定、すなわち、異常検出部１２からパワースイッチング素子２００が異常である旨が報知されていないことが前提となっている。しかしながら、異常検出部１２と制御部２０との間の信号線が断線している場合には、ステップＳ１がＮＯ判定となる場合がある。ステップＳ４が存在することにより、異常検出部１２と制御部２０との間の信号線が断線している等の通信障害があった場合でも、パワースイッチング素子２００の異常を正しく制御部２００に報知することができる。

一方、ステップＳ４がＮＯ判定の場合には、ステップＳ５に進む。ステップＳ５は、制御部２０が駆動部１１に対して、パワースイッチング素子２００のゲート電極への電圧の印加を継続するように指示するステップである。ステップＳ３がＹＥＳ判定、且つステップＳ４がＮＯ判定の場合には、異常検出部１２により検出される物理量について異常がなく、さらに通信部１３も正常に動作している。このため、ゲート電極への電圧の印加を継続することができる。

ステップＳ３がＮＯ判定の場合、ステップＳ６に進む。ステップＳ６は、制御部２０が駆動部１１に対して、パワースイッチング素子２００のスイッチング速度を低速化するように指示するステップである。駆動部１１は、パワースイッチング素子２００に対するドライブ能力を低下させて、ゲートに印加する電圧Ｖｇの時間変化率、すなわち、ゲート電極に印加する電圧の立ち上がり、および立ち下がりにおけるｄＶｇ／ｄｔの絶対値が小さくなるようにする。これにより、パワースイッチング素子２００の出力電流のオーバーシュートやアンダーシュートを抑制でき、通信部１３に障害が生じている状態下において、パワースイッチング素子２００を安全側で動作させることができる。

図３〜図５を参照して、具体的な例について図２に示すフローチャートに沿って説明する。

図３は、パワースイッチング素子２００に異常がなく、且つ、通信部１３と制御部２０との間の通信も正常である例を示すタイミングチャートである。

この例では、図３に示す時間軸において、いずれの時刻においても通信部１３およびパワースイッチング素子２００に異常がない。異常検出部１２は制御部２０に対してパワースイッチング素子２００が正常である旨の出力をしており、ステップＳ１はＮＯ判定となる。さらに、制御部２０は通信部１３から正常に通信を受けているので、ステップＳ３はＹＥＳ判定となる。そして、パワースイッチング素子２００は正常であるからステップＳ４はＮＯ判定となる。この結果、制御部２０はステップＳ５を実行する。すなわち、制御部２０は、図３に示す全ての時刻において、同一条件でパワースイッチング素子２００を駆動する。

図４は、時刻ｔ１において、通信部１３と制御部２０との間の通信が遮断される例を示すタイミングチャートである。なお、図４に示す全ての時刻において、異常検出部１２は制御部２０に対して、パワースイッチング素子２００が正常である旨の出力をしている。

この例では、異常検出部１２は制御部２０に対してパワースイッチング素子２００が正常である旨の出力をしており、ステップＳ１はＮＯ判定となる。一方、時刻ｔ１において、制御部２０は通信部１３からの通信を受信できないので、時刻ｔ１以降ではステップＳ３はＮＯ判定となる。よって、制御部２０はステップＳ６を実行する。すなわち、駆動部１１が、ゲートに印加する電圧ＶｇのｄＶｇ／ｄｔの絶対値が小さくなるようにゲート電圧Ｖｇを制御してパワースイッチング素子２００のスイッチング速度を低速化する。

図５は、時刻ｔ２において、異常検出部１２が制御部２０に対して、パワースイッチング素子２００が異常である旨を報知する例を示すタイミングチャートである。なお、図５に示す全ての時刻において、通信部１３と制御部２０との間の通信は正常である。

この例では、時刻ｔ２において、異常検出部１２は制御部２０に対してパワースイッチング素子２００が異常である旨を出力するので、ステップＳ１はＹＥＳ判定となる。制御部２０は、通信部１３と制御部２０との通信の正常／異常にかかわらず、パワースイッチング素子２００のゲート電極への電圧の印加を停止する。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した実施形態における動作フローのステップＳ１において、異常検出部１２が制御部２０に対してパワースイッチング素子２００の異常を報知する例を示したが、パワースイッチング素子２００から得られる物理量が異常値を示しているか否かの判断は制御部２０で行われてもよい。すなわち、異常検出部１２はパワースイッチング素子２００の出力電流および出力電圧の情報を制御部２０に対して出力し、これら物理量の絶対値や時間変化が閾値以上となったことを制御部２０が判断するように構成してもよい。

また、上記した実施形態では、駆動装置１００が、構成要素として絶縁素子３０と入出力バッファ４０とを備える例を示したが、入出力バッファ４０は制御部２０内に内包されていても良い。また、制御部２０を駆動するための電源電圧と、ゲートドライバに電力を供給するための電源電圧との電圧差によっては、絶縁素子３０を省略する構成としても良い。

また、上記した実施形態では、パワースイッチング素子２００としてＩＧＢＴを例に示したが、パワースイッチング素子２００の種類は限定されるものではない。例えばパワーＭＯＳＦＥＴなど、他の三端子スイッチング素子を採用することもできる。

なお、駆動装置１００がパワースイッチング素子２００を含んで構成されていてもよい。

１０…ゲートドライバ，１１…駆動部，１２…異常検出部，１３…通信部，１４…条件決定部，２０…制御部，３０…絶縁素子，４０…入出力バッファ，１００…駆動装置，２００…パワースイッチング素子（ＩＧＢＴ）

Claims (4)

1. パワースイッチング素子（２００）のオンオフを制御する制御部（２０）と、
   前記制御部と前記パワースイッチング素子との間に介在し、前記パワースイッチング素子を駆動するゲートドライバ（１０）と、を備える駆動装置であって、
   前記ゲートドライバは、
   前記パワースイッチング素子に接続され、前記パワースイッチング素子の制御端子に電流を供給する駆動部（１１）と、
   前記パワースイッチング素子の状態を監視して異常を検出するための異常検出部（１２）と、
   前記制御部に接続され、前記制御部との通信により前記制御部が有する情報の一部が格納される通信部（１３）と、を有し、
   前記通信部は、前記異常検出部により検出される前記パワースイッチング素子の状態に関する情報を、前記異常検出部と共有するとともに、前記制御部に対して前記情報を出力し、
   前記制御部は、前記通信部により入力されるべき前記パワースイッチング素子の状態に関する情報が遮断された場合であっても、前記異常検出部により入力される前記パワースイッチング素子の状態に関する情報が前記パワースイッチング素子の異常を示していない場合には、前記パワースイッチング素子の駆動を継続することを特徴とする駆動装置。
2. 前記通信部は、前記パワースイッチング素子のスイッチング速度に関する情報を前記制御部と共有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記制御部は、前記通信部により入力されるべき前記パワースイッチング素子の状態に関する情報が遮断された場合において、前記情報が遮断されていない場合に較べて、前記パワースイッチング素子のスイッチング速度を低速にすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の駆動装置。
4. パワースイッチング素子（２００）のオンオフを制御する制御部（２０）と、
   前記制御部と前記パワースイッチング素子との間に介在し、前記パワースイッチング素子を駆動するゲートドライバ（１０）と、を備える駆動装置であって、
   前記ゲートドライバは、
   前記パワースイッチング素子に接続され、前記パワースイッチング素子の制御端子に電流を供給する駆動部（１１）と、
   前記パワースイッチング素子の状態を監視して異常を検出するための異常検出部（１２）と、
   前記制御部に接続され、前記制御部との通信により前記制御部が有する情報の一部が格納される通信部（１３）と、を有し、
   前記通信部は、前記異常検出部により検出される前記パワースイッチング素子の状態に関する情報を、前記異常検出部と共有するとともに、前記制御部に対して前記情報を出力し、
   前記通信部は、前記パワースイッチング素子のスイッチング速度に関する情報を前記制御部と共有し、
   前記制御部は、前記通信部により入力されるべき前記パワースイッチング素子の状態に関する情報が遮断された場合において、前記情報が遮断されていない場合に較べて、前記パワースイッチング素子のスイッチング速度を低速にすることを特徴とする駆動装置。

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