JP6615385B2 - ゲート駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体スイッチング素子にゲート駆動電力およびゲート信号を供給するゲート駆動装置に関するものである。

近年、省電力化等の要求に応じてさまざまな電気機器にインバータ回路等の電力変換装置が用いられている。これらの電力変換装置に用いられる半導体スイッチング素子をオンまたはオフさせるためにゲート駆動装置が用いられる。ゲート駆動装置は、制御回路からの制御信号に応じて、半導体スイッチング素子をオンまたはオフに駆動させるゲート信号を半導体スイッチング素子に供給することにより制御する。入力側の回路と出力側の回路との間の誤動作防止等の観点から絶縁型のゲート駆動回路が用いられるが、このような絶縁型のゲート駆動回路として、電磁界共鳴結合でゲート駆動電力とゲートのオンオフ信号を非接触で伝送する技術が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１５／０２９３６３号

上述した従来のゲート駆動装置では、ゲート駆動電力、ゲート信号のオン、および、ゲート信号のオフのそれぞれに送電用の共振結合器が必要であり、回路サイズが大型化する課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ゲート駆動電力、ゲートオンおよびオフ信号を非接触で送ることができ、サイズの小型化が実現可能なゲート駆動装置を得ることを目的とする。

本発明のゲート駆動装置は、半導体スイッチング素子に対して駆動信号を送信するゲート駆動装置であって、基本波成分と、それぞれ周波数が異なる複数の高調波成分とを含む高周波電力を供給するインバータ回路と、インバータ回路に接続され、インバータ回路から出力された高周波電力を送電する送電回路と、送電回路より送電された高周波電力の基本波成分と、複数の高調波成分をそれぞれ受電する受電回路と、受電回路により受電された高周波電力の複数の高調波成分に基づいて半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るゲート駆動装置では、ゲート電力とゲートオンオフ信号を非接触で送ることができ、かつサイズの小型化が可能となる。

本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置と周辺との接続構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置のインバータ回路の出力電圧矩形波を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置のインバータ回路の出力電圧矩形波の高調波成分とδの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置における各部の波形とオンオフの遷移を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るゲート駆動装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係るゲート駆動装置の構成を示すブロック図である。 発明の実施の形態２に係るゲート駆動装置のオンオフ遷移時間を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置について、図面を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係るゲート駆動装置の基本構成を示すブロック図である。図１において、ゲート駆動装置は、送電回路１００、ゲート駆動電力受電回路２００、ｍ次高調波受電回路３００、ｎ次高調波受電回路４００を備えている。ここで、ｍ，ｎは１以上の整数であり、ｍ≠ｎである。また、ゲート駆動装置は、図１では図示しない半導体スイッチング素子に接続されており、半導体スイッチング素子のドライブ回路に駆動信号を供給する。

図１において、送電回路１００は、インバータ回路１０１と送電コイル１０２により構成されている。インバータ回路１０１は、図１には図示しない電源装置から入力された電力を電力変換し、基本波成分と、複数の高調波成分を含む高周波電力を出力する。なお、ここでは高周波電力は、複数の周波数成分を含む交流電力を指すものとする。ここで、高周波電力の基本波成分は、半導体スイッチング素子に対するゲート駆動電力の供給に寄与する成分であり、インバータ回路１０１の駆動周波数と同じ周波数とする。また、複数の高調波成分は、半導体スイッチング素子のオン／オフ制御に寄与する成分であり、インバータ回路１０１の駆動周波数の高次の周波数、すなわち、インバータ回路１０１の駆動周波数の整数倍の周波数となる。送電コイル１０２は、インバータ回路１０１の後段に接続され、インバータ回路１０１より出力された高周波電力をゲート駆動電力受電回路２００、ｍ次高調波受電回路３００、ｎ次高調波受電回路４００に対して送電する。

ゲート駆動電力受電回路２００は、基本波を受電する基本波受電回路であり、第１の受電コイル２０１、第１のコンデンサ２０２、整流回路２０３、ゲート駆動電源回路２０４により構成されている。第１の受電コイル２０１は、送電コイル１０２から送電された高周波電力の基本波成分を受電する。すなわち、第１の受電コイル２０１は、インバータ回路１０１の駆動周波数で共振するように設定されている。なお、第１の受電コイル２０１は、少なくとも基本波成分を受電できればよく、その他の高調波成分を受電するものであってもよい。第１のコンデンサ２０２は、第１の受電コイル２０１に対し並列に接続され、上述のように第１の受電コイル２０１が基本波成分で共振するようにその容量値が設定されている。整流回路２０３は、第１のコンデンサ２０２の後段に接続され、第１の受電コイル２０１により受電された高周波電力を整流する。ゲート駆動電源回路２０４は、整流回路２０３の後段に接続され、図１では図示しない半導体スイッチング素子のゲート回路にゲート信号を供給する。

ｍ次高調波受電回路３００は、第２の受電コイル３０１、第２のコンデンサ３０２、整流回路３０３により構成されている。ｍ次高調波受電回路３００は、送電コイル１０２から送信される高周波電力の周波数成分のうちｍ次高調波成分を受信可能な回路である。すなわち、第２の受電コイル３０１および第２のコンデンサは、インバータ回路１０１の駆動周波数のｍ次高調波と共振する一方、後述するｎ次高調波とは共振しないように設定されている。第２のコンデンサ３０２は、第２の受電コイル３０１の後段に接続され、第２の受電コイル３０１と合わせて共振回路を構成している。整流回路３０３は、第２のコンデンサ３０２に接続され、第２の受電コイル３０１により受電された高周波電力を直流化し、出力端子より出力する。ここで、第２の受電コイル３０１と第２のコンデンサ３０２はインバータ回路１０１の駆動周波数のｍ次高調波で共振するよう設定されている。

ｎ次高調波受電回路４００は、ｍ次高調波受電回路３００と同様に、第３の受電コイル４０１、第３のコンデンサ４０２、整流回路４０３により構成されている。ｎ次高調波受電回路４００は、送電コイル１０２から送信される高周波電力のうちｎ次の高調波成分を受信可能な回路である。すなわち、第３の受電コイル４０１は、インバータ回路１０１の駆動周波数のｎ次高調波と共振する一方、ｍ次高調波とは共振しないように設定されている。第３のコンデンサ４０２は、第３の受電コイル４０１の後段に接続され、第３の受電コイル４０１と合わせて共振回路を構成しており、上述のように第３の受電コイル４０１が、ｎ次高調波で共振するようにその容量値が設定されている。整流回路４０３は、第３のコンデンサ４０２に接続され、第３の受電コイルにより受電された高周波電力を直流化し、出力端子より出力する。ここで、第３の受電コイル４０１と第３のコンデンサ４０２はインバータ回路１０１の駆動周波数のｎ次高調波で共振するよう設定されている。

オンオフ判定用コンパレータ５００は、一方の入力端がｍ次高調波受電回路３００の出力端に接続され、他方の入力端がｎ次高調波受電回路４００の出力端に接続されており、各受電回路からの出力（例えば電圧）の大きさを比較し、出力の大きい方を出力する。

なお、本実施の形態におけるゲート駆動装置の送電回路１００は、インバータ回路１０１と送電コイル１０２が直接接続された構成について示したが、図２に示すように、送電コイル１０２と直列にコンデンサ１０３が接続された構成としてもよい。また、図１および図２では、ｍ次高調波受電回路３００の出力端の低電位側と、ｎ次高調波受電回路４００の出力端の低電位側の出力端が同電位となるように接続されているが、図３に示すようにｍ次高調波受電回路３００の出力の絶対値と、ｎ次高調波受電回路４００の出力の絶対値を比較する構成としてもよい。図３に示すゲート駆動装置の構成では、ｍ次高調波受電回路３００の出力端に絶縁アンプ３０４が接続され、ｎ次高調波受電回路４００の出力端に絶縁アンプ４０４が接続される。また、絶縁アンプ３０４と絶縁アンプ４０４の出力がオンオフ判定用コンパレータの入力端に接続されている。

本構成が実施される際の、周辺の接続構成を図４に示す。インバータ回路１０１は直流電圧源８０１に接続され、オンオフ判定用コンパレータ５００の出力は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体スイッチング素子８０２のドライブ回路８０３に接続される。ドライブ回路８０３は、コンパレータ５００からの出力に基づいて、半導体スイッチング素子８０２の駆動信号を生成する制御回路である。また、ゲート駆動電源回路２０４の出力はドライブ回路８０３に接続される。

次に、本実施の形態に係るゲート駆動装置の動作について説明する。まず、直流電源より直流電力が入力されたインバータ回路１０１において、交流電力に変換し、出力端子より出力される。インバータ回路１０１より出力される電圧矩形波と、その高調波成分について説明する。インバータ回路１０１からは図５に示すような矩形波が出力される。インバータ回路１０１の入力に印加される電源電圧をＥ、インバータ回路１０１より電圧Ｅが出力される期間をδ［ｄｅｇ］、角周波数をωとすると、インバータ回路１０１からの出力電圧矩形波は以下の数式（１）で表される。

式（１）より、インバータ回路１０１から出力される電圧矩形波の周波数成分はインバータ回路の駆動周波数（基本波周波数）ｆ_ｉｎｖ(=ω/2π)の他に、奇数次の高調波成分を含むことがわかる。また、この奇数次の高調波成分はインバータの電圧Ｅが出力される期間δによって制御することができ、特定のδにおいて特定の高調波成分が０となることがわかる。図６に、式（１）より求まるδ［ｄｅｇ］と高調波成分振幅の相対比較を示す。例えばδ=１２０°のとき、３次高調波成分が０となる。

次に、送電回路１００からゲート駆動電力受電回路２００への電力伝送について説明する。直流電圧源８０１から送電回路１００に入力された電力は、インバータ回路１０１の駆動周波数成分ｆ_ｉｎｖにより、交流電力に変換され、送電コイル１０２に入力される。送電コイル１０２に基本波周波数ｆ_ｉｎｖで電流をながすことにより、送電コイル１０２周辺に基本波周波数ｆ_ｉｎｖの高周波磁界が生じ、高周波磁界が第１の受電コイル２０１に鎖交することで、第１の受電コイル２０１には基本波周波数ｆ_ｉｎｖの誘導起電力が生じ、電力が非接触で伝送される。第１の受電コイル２０１により受電された高周波電力は、整流回路２０３により整流され、ゲート駆動電源回路２０４に電力が供給される。

半導体スイッチング素子８０２のゲートに対し、オン信号を送る場合の動作について、図を用いて説明する。図７は、各部の波形とオンオフの遷移を示す図である。ゲートにオン信号を送る場合には、ｍ次高調波成分が０となるδ=θ_ｍにインバータ回路１０１の矩形波電圧を制御する。このとき、送電コイル１０２の周辺に生じる高周波磁界にはインバータ回路１０１の駆動周波数成分ｆ_ｉｎｖと、ｍ次高調波成分を除く高調波成分が存在している。この高周波電力の基本波成分である駆動周波数成分により、送電コイル１０２からゲート駆動電力受電回路２００に対してゲート駆動電力が供給される。またｎ次高調波成分により送電コイル１０２からｎ次高調波受電回路４００に電力が供給される。一方、ｍ次高調波成分が０のため、ｍ次高調波受電回路３００に伝送される電力は０あるいは、ｎ次高調波受電回路４００に伝送される電力に比べて小さくなる。

図７における２段目の波形はｍ次高調波受電回路３００の出力と、ｎ次高調波受電回路４００の出力を示したものである。ｍ次高調波が０となるδで動作させた期間においては、ｎ次高調波受電回路４００からの出力が、ｍ次高調波受電回路３００からの出力よりも大きくなる。ｍ次高調波受電回路３００の出力端とｎ次高調波受電回路４００の出力端は、オンオフ判定用コンパレータ５００に接続されており、ｍ次高調波受電回路３００の出力とｎ次高調波受電回路４００の出力の大小が比較され、ｎ次高調波受電回路４００の出力がｍ次高調波受電回路３００の出力よりも高いので、オンオフ判定用コンパレータの出力からはＨｉ（オン）が出力される。図７の３段目の波形は、このオンオフ判定用コンパレータの出力を示したものである。

次に、半導体スイッチング素子８０２のゲートにオフ信号を送る場合の動作について説明する。ゲートにオフ信号を送る場合には、ｎ次高調波成分が０となるδ＝θ_ｎにインバータ回路１０１の矩形波電圧を制御する。このとき、送電コイル１０２の周辺に生じる高周波磁界はインバータ回路１０１の駆動周波数成分ｆ_ｉｎｖと、ｎ次高調波成分を除く高調波成分である。オン信号送信時と同様に、高周波電力の基本波成分である駆動周波数成分により、送電コイル１０２からゲート駆動電力受電回路２００に対してゲート駆動電力が供給される。また、ｍ次高調波成分により送電コイル１０２からｍ次高調波受電回路３００に電力が供給される。一方、ｎ次高調波成分がほぼ０となるため、ｎ次高調波受電回路４００に伝送される電力は０あるいは、ｍ次高調波受電回路３００に伝送される電力に比べて小さくなる。ｍ次高調波受電回路３００の出力とｎ次高調波受電回路４００の出力が比較され、ｍ次高調波受電回路３００の出力がｎ次高調波受電回路４００の出力よりも高いので、オンオフ判定用コンパレータ５００の出力からはＬｏｗ（オフ）が出力される。図７の３段目の波形の中心から右側がオフ状態への遷移を示している。これらの動作を行うことにより、ゲート駆動電力とゲートのオン信号とオフ信号を非接触で伝送できる。

本発明の実施の形態１に係るゲート駆動装置の効果について説明する。本実施の形態に係るゲート駆動装置によれば、ゲート駆動電力とゲートのオン信号とオフ信号を１つの送電コイルで送ることができ、また、変調回路が不要となることから、非接触送電を用いたゲート駆動装置を小型化することができる。また、オン信号とオフ信号は、インバータ回路１０１の矩形波電圧の波形によって制御が可能であり、別に信号重畳用の回路や、処理が必要とならないため低コスト化が可能となる。また、ｎ次高調波受電回路とｍ次受高調波電回路の出力を比較して、ゲートのオンオフを決定する構成であり、それぞれの回路が受電する電力の絶対値が変動しても、オンオフの判定をすることが可能である。従って送電コイルと受電回路間の相対位置がずれたとしても支障なく、ゲート信号を伝送することが出来る。このため位置設計の自由度を上げることが出来る。また同様の理由により送電中の位置ずれも許容することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２に示すゲート駆動装置では、実施の形態１において示したゲート駆動装置に加え、過電流による破損の防止手段を設けた構成について示す。図８に、実施の形態２に係るゲート駆動装置の構成を示す。図８において、図１または図４と同一符号が付された構成要素は、図１または図４に示す構成要素と同一もしくは相当のものを示しており、説明を省略する。

図８に示すゲート駆動装置では、ｎ次高調波受電回路４００の出力端に高速遮断用スイッチング素子６００が接続されている。また、その高速遮断用スイッチング素子６００のゲートあるいはベースは、半導体スイッチング素子８０２に流れる電流を監視する過電流検出回路７００に接続されている。この過電流検出回路７００は、シャント抵抗で構成されたものでもよいし、カレントトランスで構成されたものでも良い。半導体スイッチング素子８０２に流れる電流が、過電流となったとき、すなわち、予め設定した電流値を超えた際に信号を出力できれば特にその構成を限定しない。

次に、実施の形態２に係るゲート駆動装置の動作を説明する。ゲート駆動電力を送る動作、およびオン／オフ信号を送る動作については、実施の形態１に記載の場合と同様であり、説明を省略する。

半導体スイッチング素子８０２を駆動する際には、この半導体スイッチング素子８０２に過電流が流れて、半導体スイッチング素子８０２が破損する場合がある。そこで、この過電流による破損を防止する手段が必要となる。半導体スイッチング素子８０２としてＩＧＢＴを用いた場合を例にとれば、図８に示すゲート駆動装置では、ＩＧＢＴのエミッタ端子に過電流検出回路７００を備えた構成となっている。過電流検出回路７００は、過電流を検出した場合、ｍ次高調波受電回路３００の出力端に接続された高速遮断用スイッチング素子６００に信号を送信し、高速遮断用スイッチング素子６００はオン状態となり、ｎ次高調波受電回路４００の出力電圧はＬｏｗになる。この動作を行うことで、送電側のオフ信号を待つことなく、過電流を検出直後にゲート信号をオフとすることができ、半導体スイッチング素子８０２の破壊を防ぐことが可能となる。

また、ここでは、ｎ次高調波受電回路４００に高速遮断用スイッチング素子６００を設けた構成について示したが、図９に示すように、オンオフ判定用コンパレータ５００の出力端に高速遮断用スイッチング素子６００が接続された構成でも良い。この場合、過電流検出回路７００において、過電流を検出した場合、高速遮断用スイッチング素子６００をオフ状態に切り替えることにより、過電流を検出直後にゲート信号をオフとすることができ、半導体スイッチング素子８０２の破壊を防ぐことが可能となる。

次に、本実施の形態に係るゲート駆動装置による効果について説明する。本発明の実施の形態２に係るゲート駆動装置では、ゲートのオンオフ状態が遷移するまでに、一定の時間経過が必要となる。図１０に、オンからオフへの遷移時間を示す。ゲート信号をオンからオフにする場合、インバータ回路１０１の出力矩形波電圧のδをｍ次高調波が０になるδ=θ_ｍから、ｎ次高調波成分が０になるδ=θ_ｎに変更する。このとき、インバータ回路１０１の矩形波電圧波形の変更に対して、ｍ次高調波受電回路３００の出力は一定時間経過後にＨｉとなり、ｎ次高調波受電回路４００も一定時間経過後にLowとなり、その結果オンオフ判定用コンパレータの出力がＨｉからＬｏｗに遷移し、ゲートはオフとなる。上述のように送電側からのオフ指令に対して、受電側の回路の反応時間にずれがあるため、過電流検出からのゲートオフが間に合わない可能性が生じる。しかし、本発明では、オン状態でもオフ状態でも常にゲート駆動電力は供給されているため、過電流検出とゲートオフは、送電側を介さずに、受電側だけで高速に行うことが出来る。

１００ 送電回路、１０１ インバータ回路、１０２ 送電コイル、１０３ コンデンサ、２００ ゲート駆動電力受電回路（基本波受電回路）、２０１ 第１の受電コイル、２０２０ 第１のコンデンサ、２０３ 整流回路、２０４ ゲート駆動電源回路、３００ ｍ次高調波受電回路、３０１ 第２の受電コイル、３０２ 第２のコンデンサ、３０３ 整流回路、４００ ｎ次高調波受電回路、４０１ 第３の受電コイル、４０２ 第３のコンデンサ、４０３ 整流回路、５００ コンパレータ、６００ 高速遮断用スイッチング素子、７００ 過電流検出回路、８０１ 直流電圧源、８０２ 半導体スイッチング素子、８０３ ドライブ回路

Claims (7)

1. 半導体スイッチング素子に対して駆動信号を送信するゲート駆動装置であって、
   基本波成分と、それぞれ周波数が異なる複数の高調波成分とを含む高周波電力を供給するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に接続され、前記インバータ回路から出力された前記高周波電力を送電する送電回路と、
   前記送電回路より送電された前記高周波電力の前記基本波成分および前記複数の高調波成分をそれぞれ受電する受電回路と、
   前記受電回路により受電された前記高周波電力の複数の高調波成分に基づいて前記半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する制御回路と、
   を備えることを特徴とするゲート駆動装置。
2. 前記インバータ回路は、前記基本波成分としての前記インバータ回路の駆動周波数成分と、ｍおよびｎをそれぞれ異なる１以上の整数とした場合、前記複数の高調波成分としての前記インバータ回路の駆動周波数のｍ次高調波成分および前記インバータ回路の駆動周波数のｎ次高調波成分と、を含む高周波電力を供給可能であり、
   前記受電回路は、
   基本波周波数で共振するように設定された第１の受電コイルおよび第１のコンデンサを有する基本波受電回路と、
   前記インバータ回路の駆動周波数のｍ次高調波で共振するように設定された第２の受電コイルおよび第２のコンデンサを有するｍ次高調波受電回路と、
   前記インバータ回路の駆動周波数のｎ次高調波で共振するように設定された第３の受電コイルおよび第３のコンデンサを有するｎ次高調波受電回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記ｍ次高調波受電回路および前記ｎ次高調波受電回路により受信された高周波電力の電圧を比較するコンパレータを備えるとともに、前記コンパレータの比較結果に基づいて前記半導体スイッチング素子のオンまたはオフを制御する前記駆動信号を生成すること、
   を特徴とする請求項１記載のゲート駆動装置。
3. 前記インバータ回路は、
   前記半導体スイッチング素子をオンに制御する場合、出力する高周波電力の前記ｍ次高調波成分が０となるように予め定められた電圧を出力する期間を制御し、
   前記半導体スイッチング素子をオフに制御する場合、出力する高周波電力の前記ｎ次高調波成分が０となるように予め定められた電圧を出力する期間を制御すること、
   を特徴とする請求項２記載のゲート駆動装置。
4. 前記ｍ次高調波受電回路および前記ｎ次高調波受電回路は、それぞれ整流回路を備えており、
   前記ｍ次高調波受電回路の整流回路出力端の一方と前記ｎ次高調波受電回路の整流回路出力端の一方とが同電位となるように接続されたこと、
   を特徴とする請求項３記載のゲート駆動装置。
5. 高速遮断用スイッチをさらに備えており、前記高速遮断用スイッチは、前記ｎ次高調波受電回路の整流回路出力端に接続されていること、
   を特徴とする請求項４記載のゲート駆動装置。
6. 高速遮断用スイッチをさらに備えており、前記高速遮断用スイッチは、前記コンパレータの出力端に接続されていること、
   を特徴とする請求項２記載のゲート駆動装置。
7. 前記半導体スイッチング素子の過電流検出回路をさらに備え、
   前記過電流検出回路の出力が高速遮断用スイッチのゲート、あるいはベースに接続されたこと、
   を特徴とする請求項５または６のいずれかに記載のゲート駆動装置。

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