JP6414440B2 - スイッチング素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を駆動する、スイッチング素子の駆動装置に関する。

ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子において短絡や過電流といった異常が生じると、スイッチング素子に過大な電流が流れ、スイッチング素子に過熱や破損などの不都合が生じうる。そこで、スイッチング素子の電流が所定の閾値を超えた時に、スイッチング素子をオフ状態に切り替えることで、スイッチング素子が過大な電流から保護されるようにしている。しかしスイッチング素子を遮断する場合にはサージ電圧が発生する。サージ電圧はスイッチング素子の遮断速度が早くなる程大きくなるため、サージ電圧の影響でスイッチング素子の耐圧が超えてしまうことによる不都合が懸念される。

そこで、従来よりスイッチング素子の遮断速度を制限することが行われている。具体的には、スイッチング素子の入出力端子間の印加電圧（コレクタ及びエミッタ間電圧）が大きくなるほど遮断速度を小さくする。これにより、入出力端子間の印加電圧が大きい場合にスイッチング素子を遮断することよるサージ電圧の増大が抑えられるようにしている（特許文献１参照）。

特開２０１４−１４０２８０号公報

ところで、スイッチング素子のオン駆動時には、ゲート電圧が所定のフルオン電圧値に上昇変化する。この際、ゲート電圧が比較的に小さい状態で異常が生じる場合と、ゲート電圧が比較的に大きい状態で異常が生じる場合とが考えられ、このうち、ゲート電圧が比較的に大きい状態で異常が生じる場合には、上述のようにスイッチング素子の遮断速度が制限されると、スイッチング素子がオフ状態とされるまでに更に電流が増大することに伴う不都合が生じうる。しかし従来技術においては、この点については考慮されておらず、スイッチング素子の遮断処理をより適切に実施するためには改善の余地があるといえる。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子に短絡又は過電流といった異常が生じた際のスイッチング素子の遮断処理をより適切に実施できるスイッチング素子の駆動装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明は、スイッチング素子（１１）の駆動電圧を検出する電圧検出手段（２２）と、前記スイッチング素子を介して流れる電流を検出する電流検出手段（２４）と、前記電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子に短絡又は過電流の異常が生じているか否かを判定する異常判定手段（２５）と、前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された際に前記スイッチング素子を強制的に遮断状態にする遮断手段（２６）と、前記異常判定手段により前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の前記駆動電圧の検出値に基づいて前記スイッチング素子を遮断状態とする際の遮断速度を設定する遮断速度設定手段（２６）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子に短絡又は過電流の異常が生じていると判定された時の駆動電圧に応じて、スイッチング素子の遮断速度を設定するようにした。この場合、スイッチング素子の異常発生時の状態に応じてより適切なる遮断処理を行うことができる。

インバータ装置の概略構成図。 スイッチング素子の駆動装置の説明図。 スイッチング素子の駆動装置の説明図。 スイッチング素子の駆動装置の動作の実行例を示す図。 スイッチング素子の駆動装置の動作の実行例を示す図。 スイッチング素子の駆動装置の動作の実行例を示す図。 変容例の異常判定処理の説明図。 制御装置による変容例の異常判定処理のフローチャート。

以下、本発明にかかるスイッチング素子の駆動装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明において、スイッチング素子の駆動装置は、車載主機としての回転機を備える車両に適用されている。

図１，図２に示すように、車載主機としてのモータジェネレータ１０は、図示しない車両の駆動輪に連結されている。モータジェネレータ１０に接続されたインバータＩＶは、スイッチング素子としての複数のＩＧＢＴ１１、各ＩＧＢＴ１１を駆動するゲート駆動装置１２を備えて構成されており、図示しない電源部からの供給電圧ＶＳの電力で駆動される。なお、各ＩＧＢＴ１１は、還流用のダイオード１３と電流センス用の回路を含んで個別のモジュールとして構成されている。なお図１のインバータＩＶは、三相ブリッジで接続された上アームの３つのＩＧＢＴ１１、下アームの３つのＩＧＢＴ１１から構成されている。

図２に示すように、ゲート駆動装置１２は、１チップ化された半導体集積回路であるゲート駆動ＩＣ２０、フォトカプラ１５等を備えており、ゲート駆動ＩＣ２０はフォトカプラ１５を介して制御装置１４と接続されている。制御装置１４は、ＩＧＢＴ１１のオン状態（駆動状態）とオフ状態（遮断状態）とを切り替えるＰＷＭ制御信号（以下、制御信号Ｄと称する）を出力するものであり、ゲート駆動ＩＣ２０は、制御装置１４から受信した制御信号Ｄに基づいて、ＩＧＢＴ１１の状態を切り替える。

また、本実施形態のゲート駆動ＩＣ２０は、ＩＧＢＴ１１のオンオフを切り替える他、ＩＧＢＴ１１に短絡又は過電流の異常が生じている場合には、制御信号Ｄに関わらず、ＩＧＢＴ１１を強制的にオフ状態に切り替える。

ゲート駆動ＩＣ２０は、ゲート駆動回路２１、ゲート電圧監視回路２２、ゲートクランプ回路２３、電流監視回路２４、異常検出回路２５、過電流保護回路２６を備えている。

ゲート駆動回路２１は、制御信号Ｄのレベルに応じてＩＧＢＴ１１のオンとオフとを切り替える。本実施形態のゲート駆動回路２１は、制御信号ＤがＬレベルの場合にＩＧＢＴ１１をオン状態とする。すなわち、開閉制御端子であるゲートＧに一定のゲート電流Ｉｇを供給することで、ゲート電圧ＶＧを上昇させこれによりＩＧＢＴ１１をオン状態にする。なお以下の説明において、ＩＧＢＴ１１がゲート電圧ＶＧの飽和領域でオンとなることをフルオン状態という。一方、制御信号ＤがＨレベルの場合にはＩＧＢＴ１１をオフ状態にする。この場合、ゲート電流Ｉｇの供給が停止される。

ゲート電圧監視回路２２は、ＩＧＢＴ１１のゲートＧにかかるゲート電圧ＶＧを検出する。ゲートクランプ回路２３は、ＩＧＢＴ１１がオン状態の際、ゲート電圧ＶＧの上昇時に一時的にゲート電圧ＶＧを所定のクランプ電圧Ｖｃ（制限電圧）以下に制限（クランプ）するクランプ処理を行うものであり、例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタ等を備えて構成されている。

ここでクランプ処理について説明すると、この処理はＩＧＢＴ１１のゲート電圧ＶＧをフルオン電圧（フルオン状態の電圧）まで上昇させる途中で、ゲート電圧ＶＧをフルオン電圧よりも低い電圧であるクランプ電圧にクランプする処理である。この処理によれば、ＩＧＢＴ１１がオフ状態に切り替えられるまでにＩＧＢＴ１１に流れるコレクタ電流Ｉｃを制限することができる。

電流監視回路２４は、ＩＧＢＴ１１の出力端子であるコレクタＣを介して流れるコレクタ電流Ｉｃを検出する。本実施形態の電流監視回路２４は、ＩＧＢＴ１１のセンス端子Ｓｔに接続されたセンス抵抗Ｒｓにかかる電圧（センス電圧）に基づいて、コレクタ電流Ｉｃを取得する。なお、電流監視回路２４は、センス電圧の変化量に基づき、コレクタ電流Ｉｃの変化量を取得するものであってもよい。

異常検出回路２５は、電流監視回路２４で取得されたコレクタ電流Ｉｃに基づいてＩＧＢＴ１１における短絡又は過電流に起因する異常の有無を判定する。すなわち、コレクタ電流Ｉｃが所定の閾値Ｉｔｈ以上に大きい場合にＩＧＢＴ１１は異常状態であると判定する。コレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈ未満の場合にＩＧＢＴ１１は正常状態であると判定する。なお閾値Ｉｔｈは、ＩＧＢＴ１１が正常の場合におけるコレクタ電流Ｉｃの最大値に基づいて設定されればよい。

過電流保護回路２６は、異常検出回路２５によってＩＧＢＴ１１が異常状態であると判定された時に、ＩＧＢＴ１１を強制的にオフ状態に切り替えるものであり、本実施形態では、異常判定時のゲート電圧ＶＧの大きさに応じて、ＩＧＢＴ１１を遮断する際の遮断速度を設定するものとしている。ここでは、ゲート電圧ＶＧが所定の第２閾値Ｖｔｈ以上であるか否かに応じて遮断速度を切り替える。なお、第２閾値Ｖｔｈは、ＩＧＢＴ１１のクランプ電圧とフルオン電圧との間の所定値に設定されればよい。

ここで、過電流保護回路２６による遮断速度の切り替えについて詳しく説明する。図３は過電流保護回路２６が備える遮断回路３０を示す図である。図３において、遮断回路３０は、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第１遮断速度とする第１遮断経路３１と、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第１遮断速度よりも大きい第２遮断速度とする第２遮断経路３２とを有している。第１遮断経路３１は、遮断用の抵抗体３１ａとスイッチング素子３１ｂとの直列接続体を備えている。第２遮断経路３２は、遮断用の抵抗体３２ａとスイッチング素子３２ｂとの直列接続体を備えている。

なお、ＩＧＢＴ１１のゲートＧに接続された抵抗体３１ａ及び抵抗体３２ａは、ゲートＧの遮断経路の抵抗値を高抵抗とするためのものであり、ここでは抵抗体３１ａよりも抵抗体３２ａの抵抗値の方が小さい。

以上の構成により、過電流保護回路２６は、異常検出回路２５により異常が検出された時のゲート電圧ＶＧが第２閾値Ｖｔｈ以上である場合には、第２遮断経路３２のスイッチング素子３２ｂをオンにする。この場合、抵抗体３２ａを介してゲートＧの電荷が比較的速やかに放電される。一方、ゲート電圧ＶＧが第２閾値Ｖｔｈ未満の場合には、第１遮断経路３１のスイッチング素子３１ｂをオンにする。この場合、抵抗体３１ａを介してゲートＧの電荷が比較的緩やかに放電される。

このように、ゲート電圧ＶＧが大きい場合、すなわち第２閾値Ｖｔｈ以上である場合に、ＩＧＢＴ１１が速やかに遮断される場合、ゲート電圧ＶＧが高いためにＩＧＢＴ１１が遮断されるまでに更に過電流が増大することを優先的に抑えることができる。一方、ゲート電圧ＶＧが小さい場合、すなわち第２閾値Ｖｔｈ未満の場合に、ＩＧＢＴ１１が緩やかに遮断される場合、ＩＧＢＴ１１の遮断に伴い発生するゲート電圧ＶＧの増大を優先的に抑えることができる。

次に上記処理の実行例を図４〜図６を用いて説明する。図４はＩＧＢＴ１１が正常の場合の例である。図５はＩＧＢＴ１１のクランプ動作前に短絡が生じている場合の例である。図６はＩＧＢＴ１１のクランプ動作後に短絡が生じる場合の例である。

図４の場合、時刻ｔ１で制御信号ＤがＬレベルとなると、ゲート電流Ｉｇの通電によってＩＧＢＴ１１のゲート電圧ＶＧ及びコレクタ電流Ｉｃが増加する。時刻ｔ２でゲート電圧ＶＧがクランプ電圧Ｖｃに達すると、ゲート電圧ＶＧがクランプ電圧Ｖｃに保持される。そして時刻ｔ３までゲート電圧ＶＧがクランプ電圧Ｖｃに保持された状態が継続された後、再度ゲート電圧ＶＧが上昇される。そして時刻ｔ４でゲート電圧ＶＧが所定の駆動電圧に達した際に、ＩＧＢＴ１１がフルオン状態となる。

図５の場合、時刻ｔ１１で制御信号ＤがＬレベルとなると、図４と同様にゲート電流Ｉｇの増加に伴ってＩＧＢＴ１１のゲート電圧ＶＧが増加する。この際、ＩＧＢＴ１１に短絡異常が生じているためにコレクタ電流Ｉｃは急上昇する。そして、時刻ｔ１２でコレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈに達すると、この時のゲート電圧ＶＧが第２閾値Ｖｔｈ未満であることで、第１遮断処理が実施される。この場合、ゲート電圧ＶＧが第１遮断速度で減少され、時刻ｔ１３から時間ΔＴ１経過後の時刻ｔ１４で、ＩＧＢＴ１１がオフ状態となる。

図６の場合、時刻ｔ２１で制御信号ＤがＬレベルとなると、図４と同様にゲート電流Ｉｇの増加に伴ってＩＧＢＴ１１のゲート電圧ＶＧ及びコレクタ電流Ｉｃが増加する。そして、時刻ｔ２２でゲート電圧ＶＧがクランプされた後、時刻ｔ２３で再びゲート電圧ＶＧの上昇が開始された後、時刻ｔ２４で短絡異常が発生すると、コレクタ電流Ｉｃが急増する。時刻ｔ２５でコレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈに達すると、この時のゲート電圧ＶＧが第２閾値Ｖｔｈ以上であることで、第２遮断処理が実施される。この場合、ゲート電圧ＶＧが第２遮断速度で減少される。そして時刻ｔ２５から所定時間ΔＴ２（＜ΔＴ１）の時刻ｔ２６で、ＩＧＢＴ１１がオフ状態となる。

上記によれば以下の優れた効果を奏することができる。

・ＩＧＢＴ等のスイッチング素子に短絡や過電流といった異常が生じた際、過大な電流からスイッチング素子を保護するためにスイッチング素子がオフに切り替えられるが、この際、サージ電圧が発生する。なおサージ電圧は、スイッチング素子をオフ状態に切り替える際の速度が大きくなる程増加する。そこで従来より、スイッチング素子の異常発生時に、スイッチング素子をオフ状態に切り替える遮断速度を制限する処理を実施することで、サージ電圧の増大による影響が抑えられるようにしている。しかし、スイッチング素子の駆動電圧が高い状態での異常発生時に、遮断速度を制限する処理が実施されると、スイッチング素子がオフ状態となるまでに、更に電流が増大するおそれがある。そこでスイッチング素子（ＩＧＢＴ１１）に短絡又は過電流の異常が生じていると判定された時の駆動電圧に応じて、スイッチング素子の遮断速度を設定するようにした。この場合、スイッチング素子の異常発生時の状態に応じてより適切なる遮断処理を行うことができる。

・ＩＧＢＴ１１に短絡又は過電流の異常が生じていると判定された時の駆動電圧の検出値が大きいほど、遮断速度を大きく設定するようにしたため、高い駆動電圧で異常が発生した際の過電流の増大を抑えることができる。

本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。なお以下の説明において上記と同じ構成には同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・第２閾値Ｖｔｈは、クランプ電圧ＶｃとＩＧＢＴ１１のフルオン電圧との間において複数設定してもよい。この場合、短絡異常が生じた時のゲート電圧ＶＧに応じて、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を設定する精度を高めることができる。

・クランプ電圧Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈに設定されていてもよい。この場合、過電流保護回路２６は、異常発生時のゲート電圧ＶＧがクランプ電圧よりも低い場合には、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第１遮断速度に設定し、異常発生時のゲート電圧ＶＧがクランプ電圧よりも高い場合には、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第２遮断速度に設定する。

・上記において、ゲート駆動装置１２がゲートクランプ回路２３を備えていない構成においても本実施形態を適用可能である。この場合、ゲート電圧ＶＧの取りうる電圧範囲（ＶＧ＝０〜フルオン電圧）の間に第２閾値Ｖｔｈが少なくとも１つ設定されればよい。例えば、第２閾値Ｖｔｈは、ゲート電圧ＶＧの取りうる電圧範囲の中央の値等に設定できる。

・図７の例に示すように、過電流保護回路２６は、短絡異常が生じた時のゲート電圧ＶＧと、ＩＧＢＴ１１の遮断速度との関係を示すマップに基づき、短絡異常が生じた時のゲート電圧ＶＧに応じて遮断速度をリニアに設定するものであってもよい。この場合、過電流保護回路２６は、異常判定時のゲート電圧ＶＧに応じて遮断速度を任意に設定できる構成のものが使用される。

・上記において、異常検出回路２５は、コレクタ電流Ｉｃと閾値Ｉｔｈとの比較により異常の有無を判定している。これ以外にも、異常検出回路２５は、コレクタ電流Ｉｃの変化量ΔＩｃ（増加量）に基づいて、異常状態を判定するものであってもよい。例えばこの場合には、コレクタ電流Ｉｃの変化量ΔＩｃが所定未満の場合に正常状態と判定し、コレクタ電流Ｉｃの変化量ΔＩＣが所定以上の場合に異常状態であると判定する。

・異常検出回路２５は、センス抵抗Ｒｓにより検出されるセンス電圧に基づいて、異常判定を実施するものであってもよい。この場合、センス電圧が所定値以上であるか否かに基づいて異常の有無を判定すればよい。

・ＩＧＢＴ１１の遮断処理は、制御装置１４からの指令信号に基づき実施してもよい。例えば、制御装置１４はゲート駆動ＩＣ２０からの信号を取り込むことで、以下の図８の例に示す処理を実施する。まず、制御信号ＤがＬレベルであるか否かを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１で否定判定した場合には処理を終了する。Ｓ１１で肯定判定した場合には、コレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈ以上であるか否かを判定する（Ｓ１２）。Ｓ１２でコレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈ未満であると判定した場合には処理を終了する。コレクタ電流Ｉｃが閾値Ｉｔｈ以上であると判定した場合には、その際のゲート電圧ＶＧが第２閾値Ｖｔｈ未満であるか否かを判定する（Ｓ１３）。Ｓ１３で、肯定判定した場合には、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第１遮断速度とする指令信号を出力する（Ｓ１４）。否定判定した場合には、ＩＧＢＴ１１の遮断速度を第２遮断速度とするための指令信号を出力する（Ｓ１５）。

２２…ゲート電圧監視回路、２４…電流監視回路、２５…異常検出回路、２６…過電流保護回路。

Claims (3)

1. スイッチング素子（１１）の駆動電圧を検出する電圧検出手段（２２）と、
   前記スイッチング素子を介して流れる電流を検出する電流検出手段（２４）と、
   前記電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子に短絡又は過電流の異常が生じているか否かを判定する異常判定手段（２５）と、
   前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された際に前記スイッチング素子を強制的に遮断状態にする遮断手段（２６）と、
   前記異常判定手段により前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の前記駆動電圧の検出値に基づいて前記スイッチング素子を遮断状態とする際の遮断速度を設定する遮断速度設定手段（２６）と、
   前記スイッチング素子の駆動電圧をフルオン電圧まで上昇させる途中で、当該駆動電圧を前記フルオン電圧よりも低いクランプ電圧にクランプするクランプ手段（２３）と、
   を備え、
   前記遮断速度設定手段は、前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の前記駆動電圧の検出値が所定の閾値未満の場合に、前記スイッチング素子の遮断速度を第１遮断速度に設定し、前記電圧の検出値が前記閾値以上の場合に、前記スイッチング素子の遮断速度を前記第１遮断速度よりも大きい第２遮断速度に設定し、
   前記閾値は、前記クランプ電圧と前記フルオン電圧との間に複数設定され、
   前記遮断速度設定手段は、前記電圧の検出値と複数の前記閾値とに応じて、前記スイッチング素子の遮断速度を設定することを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
2. スイッチング素子（１１）の駆動電圧を検出する電圧検出手段（２２）と、
   前記スイッチング素子を介して流れる電流を検出する電流検出手段（２４）と、
   前記電流の検出結果に基づいて前記スイッチング素子に短絡又は過電流の異常が生じているか否かを判定する異常判定手段（２５）と、
   前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された際に前記スイッチング素子を強制的に遮断状態にする遮断手段（２６）と、
   前記異常判定手段により前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の前記駆動電圧の検出値に基づいて前記スイッチング素子を遮断状態とする際の遮断速度を設定する遮断速度設定手段（２６）と、
   を備え、
   前記遮断速度設定手段は、前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の駆動電圧の検出値が大きいほど、前記駆動電圧の遮断速度を大きく、かつ、前記スイッチング素子に異常が生じていると判定された時の駆動電圧の検出値に応じて前記駆動電圧の遮断速度をリニアに設定することを特徴とするスイッチング素子の駆動装置。
3. 前記異常判定手段は、前記電流の検出値が所定の判定値を超える場合又は前記電流の検出値の変化速度が所定以上に速い場合に、前記スイッチング素子に異常が生じていると判定する請求項１又は２に記載のスイッチング素子の駆動装置。

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