JP6520171B2 - 電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路に関し、詳しくは、駆動回路の動作確認を行うための技術に関するものである。

図４は、電圧駆動型半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の駆動回路の従来技術を示しており、駆動回路の動作確認機能を備えたものである。
図４において、ＩＧＢＴ８は、ゲート（Ｇ）−エミッタ（Ｅ）間に一定値以上の電圧を印加するとオン状態となり、図示しない直流電源により主回路電流がコレクタ（Ｃ）からエミッタに向かって流れる。また、上記ゲート−エミッタ間電圧が一定値以下になると、ＩＧＢＴ８はオフ状態となり、主回路電流が遮断される。

すなわち、ＩＧＢＴ８をオンさせるには、駆動信号１を正電圧とすることにより、抵抗４を介して、オン駆動用のｎｐｎ型トランジスタ５のベースに電流を流し、トランジスタ５をオンさせる。これにより、ゲート駆動電源２から、トランジスタ５及び抵抗７を介してＩＧＢＴ８のゲートに正電圧を印加する。
また、ＩＧＢＴ８をオフさせるには、駆動信号１を負電圧とすることにより、抵抗４を介して、オフ駆動用のｐｎｐ型トランジスタ６のベースにオン時とは逆方向の電流を流し、トランジスタ６をオンさせる。これにより、ゲート駆動電源３から、トランジスタ６及び抵抗７を介してＩＧＢＴ８のゲートに負電圧を印加する。

上記のように、ＩＧＢＴ８のオン状態とオフ状態とを切り替えるためには、ゲート−エミッタ間に、順バイアス電圧または逆バイアス電圧が印加されることとなる。
ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に所定の電圧が印加されていること、言い換えればゲート駆動回路の動作の正常・異常は、例えば、シンクロスコープ３０等の専用の計測器を用いてゲート−エミッタ間の電圧波形を観測することにより確認している。

また、他の従来技術として、特許文献１に記載されたゲート駆動信号の健全性確認方法がある。
図５は、この従来技術が適用される電力変換システムの全体構成図である。図５において、１００は共通制御装置、１１０は制御切替コントロール回路、２００Ａ，２００Ｂは一方が稼働系、他方が待機系となる制御装置、２１０Ａ，２１０Ｂは制御回路、２２０Ａ，２２０Ｂは制御異常検出回路、３００は制御回路２１０Ａまたは２１０Ｂによって内部のＩＧＢＴがオン・オフ制御される電力変換装置である。

この従来技術では、制御回路２１０Ａ，２１０Ｂと電力変換装置３００との間で、電力変換装置３００内の同一のＩＧＢＴに対するゲート駆動信号／フィードバック信号ａ，ｂを光信号としてそれぞれ送受信し、稼働系の制御装置から送信されるゲート駆動信号等の異常を制御異常検出回路２２０Ａまたは２２０Ｂが検出した場合に、制御切替コントロール回路１１０により待機系の制御装置に切り替えている。

特許第５０３６４６６号公報（段落［００１７］〜［００３７］、図１，図２等）

図４の従来技術では、ゲート駆動回路の動作を確認するためにシンクロスコープ３０等の計測器を必要とし、また、その接続作業も煩雑である。更に、多数の半導体スイッチング素子及びゲート駆動回路を備えた大容量の半導体電力変換装置では、ゲート駆動回路の動作確認に長時間を要するという問題があった。

また、図５の従来技術では、制御装置だけでなくゲート駆動信号／フィードバック信号ａ，ｂの送受信回路や光伝送路等も冗長化されているため、回路構成や配線が複雑になると共に、断線等による故障要因も増加するという問題がある。
更に、この従来技術によれば、ゲート駆動信号の有無は確認可能であるが、駆動電圧の大きさが所定値に達しているか否かを確認できないので、例えば、所定値より低い駆動電圧によりＩＧＢＴの駆動が継続されて素子の発生損失が増加する等の異常を検出することが不可能であった。

そこで、本発明の解決課題は、専用の計測器を必要とせず、動作確認作業の長期化や回路構成等の複雑化を回避しつつ、駆動回路の動作の正常・異常、並びに、駆動電圧の大きさの適否を確認可能とした電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電圧駆動型半導体スイッチング素子の制御端子と出力端子との間に、駆動信号に応じて順バイアス電圧を印加することにより前記スイッチング素子をオン動作させ、かつ、前記駆動信号に応じて逆バイアス電圧を印加することにより前記スイッチング素子をオフ動作させる駆動回路において、
前記制御端子と前記出力端子との間に接続された動作確認部を備え、
前記動作確認部は、所定の閾値以上の前記順バイアス電圧が印加されたときに点灯する第１の発光素子と、所定の閾値以上の前記逆バイアス電圧が印加されたときに点灯し、かつ、前記第１の発光素子に対して逆並列に接続された第２の発光素子と、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路において、
前記動作確認部は、前記閾値としての降伏電圧を有する定電圧ダイオードと、前記定電圧ダイオードに直列に接続された前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、駆動回路の動作の正常・異常、更には、駆動電圧の大きさが所定値に達しているか否かを発光素子の点灯状態により視覚的に確認することができる。このため、駆動電圧波形を観測するための専用の計測器が不要であり、また、比較的簡単な回路構成や配線により短時間で動作確認を行うことが可能である。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 本発明の第３実施形態を示す回路図である。 従来技術を示す回路図である。 特許文献１に記載された電力変換システムの全体構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。この第１実施形態は、図４と同様に構成されたＩＧＢＴ８の駆動回路に、その動作の正常・異常を視覚的に確認可能とした第１，第２の動作確認部３０Ａ，３０Ｂを付加したものである。

まず、ＩＧＢＴ８の駆動回路は、ゲート駆動電源２，３の直列回路と、駆動電源２の正極と駆動電源３の負極との間に接続されたオン駆動用のｎｐｎ型トランジスタ５とオフ駆動用のｐｎｐ型トランジスタ６との直列回路と、トランジスタ５，６の共通接続されたベースに一端が接続された抵抗４と、トランジスタ５のエミッタ（トランジスタ６のコレクタ）と駆動対象であるＩＧＢＴ８のゲートとの間に接続された抵抗７と、によって構成されている。また、駆動電源２，３の直列接続点はＩＧＢＴ８のエミッタに接続されており、前記直列接続点と抵抗４の他端との間に、前記直列接続点の電位を０[Ｖ]とした正負電位を有するパルス状の駆動信号１が供給されるようになっている。なお、トランジスタ５，６の代わりに、他の半導体スイッチを用いても良い。
ここで、ＩＧＢＴ８のゲートは請求項における制御端子に相当し、ＩＧＢＴ８のエミッタは出力端子に相当する。

次に、第１，第２の動作確認部３０Ａ，３０Ｂの構成について説明する。
これらの動作確認部３０Ａ，３０Ｂは、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に、互いに並列に接続されている。

第１の動作確認部３０Ａは、ＩＧＢＴ８のゲートにアノードが接続されたダイオード１１と、ダイオード１１のカソードにアノードが接続された発光ダイオード１２と、発光ダイオード１２に並列に接続された抵抗１３と、発光ダイオード１２のカソードに一端が接続された抵抗１４と、抵抗１４の他端にカソードが接続されてアノードがＩＧＢＴ８のエミッタに接続された定電圧ダイオード１５と、から構成されている。
第１の動作確認部３０Ａを構成する各部品の端子の向きが変わらなければ、直列に接続される各部品の接続順序は上記の例に何ら限定されない。

また、第２の動作確認部３０Ｂは、ＩＧＢＴ８のゲートにカソードが接続されたダイオード１６と、ダイオード１６のアノードにカソードが接続された発光ダイオード１７と、発光ダイオード１７に並列に接続された抵抗１８と、発光ダイオード１７のアノードに一端が接続された抵抗１９と、抵抗１９の他端にアノードが接続されてカソードがＩＧＢＴ８のエミッタに接続された定電圧ダイオード２０と、から構成されている。
この第２の動作確認部３０Ｂについても、各部品の端子の向きが変わらなければ、直列に接続される各部品の接続順序は上記の例に何ら限定されない。

次に、この第１実施形態の動作を説明する。なお、以下の説明において、各部品による電圧降下は無視するものとする。
駆動信号１により、駆動電源２及びトランジスタ５を介してＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に順バイアス電圧が印加され、その電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧を超えると、第１の動作確認部３０Ａに電流が流れて発光ダイオード１２が点灯する。このため、駆動回路の動作によってＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に所定の順バイアス電圧が印加されたことを視覚的に確認することができる。
ダイオード１１及び抵抗１３は、ゲート−エミッタ間に逆バイアス電圧が印加された時に発光ダイオード１２を保護するためのものであり、抵抗１４は順バイアス電圧が印加された時の電流を制限するためのものである。

また、駆動信号１により、駆動電源３及びトランジスタ６を介してＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に逆バイアス電圧が印加され、その電圧が定電圧ダイオード２０の降伏電圧を超えると、第２の動作確認部３０Ｂに電流が流れて発光ダイオード１７が点灯する。このため、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に所定の逆バイアス電圧が印加されたことを視覚的に確認することができる。
ダイオード１６及び抵抗１８は、ゲート−エミッタ間に順バイアス電圧が印加された時に発光ダイオード１７を保護するためのものであり、抵抗１９は逆バイアス電圧が印加された時の電流を制限するためのものである。

上記のように、本実施形態によれば、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に順バイアス電圧または逆バイアス電圧が印加されたことを発光ダイオード１２，１７の点灯状態によって判断することができ、駆動信号１や駆動電源２，３及びトランジスタ５，６等を含む駆動回路の正常・異常を視覚的に確認することが可能である。

次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図である。
第２実施形態において、ＩＧＢＴ８の駆動回路は第１実施形態と同様であり、第１実施形態との相違点は、第３の動作確認部３０Ｃの構成が前述した第１，第２の動作確認部３０Ａ，３０Ｂとは異なる点である。

すなわち、図２における第３の動作確認部３０Ｃは、ＩＧＢＴ８のゲートにアノードが接続された発光ダイオード１２と、この発光ダイオード１２に逆並列に接続された発光ダイオード１７と、発光ダイオード１２のカソードに一端が接続された抵抗１４と、抵抗１４の他端にカソードが接続された定電圧ダイオード１５と、この定電圧ダイオード１５のアノードにアノードが接続されてそのカソードがＩＧＢＴ８のエミッタに接続された定電圧ダイオード２０と、から構成されている。
この第３の動作確認部３０Ｃについても、各部品の端子の向きが変わらなければ、各部品の接続順序は上記の例に何ら限定されない。

次いで、第２実施形態の動作を説明する。
駆動信号１により、駆動電源２及びトランジスタ５を介してＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に順バイアス電圧が印加され、その電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧を超えると、発光ダイオード１２が点灯する。このため、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に所定の順バイアス電圧が印加されたことを視覚的に確認することができる。

また、駆動信号１により、駆動電源３及びトランジスタ６を介してＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に逆バイアス電圧が印加され、その電圧が定電圧ダイオード２０の降伏電圧を超えると、発光ダイオード１７が点灯する。このため、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に所定の逆バイアス電圧が印加されたことを視覚的に確認することができる。
なお、抵抗１４は、順バイアス電圧または逆バイアス電圧の印加時における電流を制限するためのものである。

この第２実施形態によれば、第１実施形態よりも部品数を削減することができ、コストの低減に寄与することができる。

次に、図３は本発明の第３実施形態を示す回路図である。
図３において、３０Ｄは第４の動作確認部であり、図２における第３の動作確認部３０Ｃとの相違点は、定電圧ダイオード２０のカソードとＩＧＢＴ８のエミッタとの間に、コンデンサ２１が接続されている点である。

この第３実施形態において、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間電圧が逆バイアス状態から順バイアス状態に変化した場合、順バイアス電圧が定電圧ダイオード１５の降伏電圧を超えると発光ダイオード１２を介してコンデンサ２１が充電され、この充電電流により発光ダイオード１２が点灯すると共に、充電が完了すると電流が流れなくなる。また、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間電圧が順バイアス状態から逆バイアス状態に変化した場合、逆バイアス電圧が定電圧ダイオード２０の降伏電圧を超えると発光ダイオード１７を介してコンデンサ２１が放電し、更にコンデンサ２１が逆方向に充電される。よって、この間の放電電流及び充電電流により発光ダイオード１７が点灯し、コンデンサ２１の逆方向の充電が完了すると電流が流れなくなる。

従って、ＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に順バイアス電圧または逆バイアス電圧が印加される都度、発光ダイオード１２，１７が交互に点灯することになる。
これにより、本実施形態によれば、駆動信号１の正常・異常、つまり、正負電位を交互に繰り返すパルス状の駆動信号１がＩＧＢＴ８のゲート−エミッタ間に連続的に印加されていることを視覚的に確認することができる。

本発明は、上述したＩＧＢＴ以外に、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor）等の電圧駆動型半導体スイッチング素子に対しても適用可能である。

１：駆動信号
２，３：駆動用電源
４，７，１３，１４，１８，１９：抵抗
５，６：トランジスタ
８：半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
１１，１６：ダイオード
１２，１７：発光ダイオード
１５，２０：定電圧ダイオード
２１：コンデンサ
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ：動作確認部

Claims (2)

1. 電圧駆動型半導体スイッチング素子の制御端子と出力端子との間に、駆動信号に応じて順バイアス電圧を印加することにより前記スイッチング素子をオン動作させ、かつ、前記駆動信号に応じて逆バイアス電圧を印加することにより前記スイッチング素子をオフ動作させる駆動回路において、
   前記制御端子と前記出力端子との間に接続された動作確認部を備え、
   前記動作確認部は、
   所定の閾値以上の前記順バイアス電圧が印加されたときに点灯する第１の発光素子と、所定の閾値以上の前記逆バイアス電圧が印加されたときに点灯し、かつ、前記第１の発光素子に対して逆並列に接続された第２の発光素子と、を有することを特徴とする、電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路。
2. 請求項１に記載した電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路において、
   前記動作確認部は、
   前記閾値としての降伏電圧を有する定電圧ダイオードと、前記定電圧ダイオードに直列に接続された前記第１の発光素子及び前記第２の発光素子と、を備えたことを特徴とする、電圧駆動型半導体スイッチング素子の駆動回路。

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