JP7471426B2 - 電力用半導体素子の駆動制御回路、電力用半導体モジュール、および電力変換装置 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。
駆動器80は、トランジスタ5とトランジスタ6とを備える。
図2は、ゲート電流Igとゲート電荷量Qgとの関係に基づくアーム短絡の検出原理を説明するための図である。アーム短絡では、電力用半導体素子1と、電力用半導体素子1とは相補的に動作する逆アームの電力用半導体素子とが同時にオン状態となる。
ゲート電流用第1の比較器102は、電流センサ8の出力信号がゲート電流下限基準値104(=Vref_ig1)以上のときに、ハイレベルの信号を出力する。ゲート電流用第2の比較器10は、電流センサ8の出力信号がゲート電流上限基準値14(=Vref_ig2)以下のときに、ハイレベルの信号を出力する。論理演算器107は、ゲート電流用第1の比較器102の出力信号と、ゲート電流用第2の比較器10の出力信号との論理積を出力するため、電流センサ8の出力信号がゲート電流下限基準値104(=Vref_ig1)以上、かつ、ゲート電流上限基準値14(=Vref_ig2)以下のときに、ハイレベルの信号を出力する。
ゲート電荷量用第1の比較器12は、ゲート電荷量演算器9の出力信号がゲート電荷量下限基準値15(=Vref_q1)以上のときに、ハイレベルの信号を出力する。ゲート電荷量用第2の比較器13は、ゲート電荷量演算器9の出力信号がゲート電荷量上限基準値16(=Vref_q2)以下のときに、ハイレベルの信号を出力する。論理演算器17は、ゲート電荷量用第1の比較器12の出力信号とゲート電荷量用第2の比較器13の出力信号との論理積を出力するため、ゲート電荷量演算器9の出力信号がゲート電荷量下限基準値15(=Vref_q1)以上、かつ、ゲート電荷量上限基準値16(=Vref_q2)以下のときに、ハイレベルの信号を出力する。
本実施の形態のゲート電流の検出方法は、実施の形態1のゲート電流の検出方法と相違する。図3は、実施の形態2の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図3の実施の形態2の電力用半導体素子の駆動制御回路が図1の実施の形態1の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態2の電力用半導体素子の駆動制御回路は、駆動器80の代わりに、駆動器80aを備え、短絡検出器300の代わりに短絡検出器300aを備える点である。
オンスイッチ回路19は、正ゲート電圧源3とトランジスタ5とオンゲート抵抗7aとを備える。オフスイッチ回路20は、基準電位4とトランジスタ6とオフゲート抵抗7bとを備える。正ゲート電圧源3と、トランジスタ5と、オンゲート抵抗7aと、オフゲート抵抗7bと、トランジスタ6と、基準電位4とが直列に接続される。
本実施の形態のゲート電流の検出方法は、実施の形態1のゲート電流の検出方法と相違する。図4は、実施の形態3の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図4の実施の形態3の電力用半導体素子の駆動制御回路が図1の実施の形態1の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態3の電力用半導体素子の駆動制御回路は、電流センサ8の代わりに、差動増幅器21を備える点である。
実施の形態4.
図5は、実施の形態4の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図5の実施の形態4の電力用半導体素子の駆動制御回路が図3の実施の形態2の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態4の電力用半導体素子の駆動制御回路は、電流センサ8の代わりに、差動増幅器21を備える。
図6は、実施の形態5の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図6の実施の形態5の電力用半導体素子の駆動制御回路が図4の実施の形態3の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態5の電力用半導体素子の駆動制御回路は、保護回路400を備える点である。
ラッチ回路22は、アーム短絡検出用論理演算器18の出力信号がロウレベルの信号からハイレベルの信号へと変化した際にハイレベルの信号を保持する。保持された出力信号は、反転回路23へ送られる。反転回路23は、ラッチ回路22の出力信号のレベルを反転する。
図7は、実施の形態6の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図7の実施の形態6の電力用半導体素子の駆動制御回路が図4の実施の形態3の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態6の電力用半導体素子の駆動制御回路は、フィルタ25を備える。
本実施の形態では、実施の形態3と同様に、差動増幅器21が、電力用半導体素子1の制御電極に接続される抵抗7の両端の電圧を検出することによって、電力用半導体素子1のゲート電流に相当する電気量を検出するものとしたが、これに限定されるものではない。実施の形態1および2と同様に、電流センサ8によってゲート電流に相当する電気量を検出してもよい。あるいは、実施の形態4と同様に、オンゲート抵抗7aの両端の電圧を検出することによって、電力用半導体素子1のゲート電流に相当する電気量を検出するものとしてもよい。実施の形態5と同様に、アーム短絡状態が検出されたときに、保護回路400によって、電力用半導体素子1を遮断状態に遷移させるものとしてもよい。
図8は、実施の形態7の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図8の実施の形態7の電力用半導体素子の駆動制御回路が図4の実施の形態3の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態7の電力用半導体素子の駆動制御回路は、短絡検出器300に代えて、短絡検出器300bを備える点である。
図9は、実施の形態8の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図9の実施の形態8の電力用半導体素子の駆動制御回路が図4の実施の形態3の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態8の電力用半導体素子の駆動制御回路は、短絡検出器300の代わりに、短絡検出器300cを備える。
図10は、実施の形態9の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図10の実施の形態9の電力用半導体素子の駆動制御回路が図4の実施の形態3の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態9の電力用半導体素子の駆動制御回路は、初期化演算器26を備える点である。
上記の実施形態において、短絡状態としてアーム短絡について説明したが、短絡状態にはアーム短絡の他に、電力用半導体素子1と接続されるモータ等の負荷が短絡状態となる負荷短絡がある。負荷短絡時には、通常のターンオン動作時と同様に電力用半導体素子1の正極側電極と負極側電極間の電圧(ドレイン・ソース間電圧)はオン電圧まで低下した後、ドレイン電流が急激に増加するとともにドレイン・ソース間電圧は上昇する。ドレイン・ソース間電圧の上昇に伴い、ドレイン・ゲート間容量(帰還容量)は小さくなり、電力用半導体素子1のドレイン端子からゲート端子を介して駆動器80へと電流が流れるため、ゲート電流Igはマイナスに転じ、ゲート電荷量Qgは減少する。
図13は、実施の形態11の電力用半導体素子の駆動制御回路を示す図である。図13の実施の形態11の電力用半導体素子の駆動制御回路が図1の実施の形態1の電力用半導体素子1と相違する点は、実施の形態11の電力用半導体素子の駆動制御回路は、さらに、実施の形態10と同様のゲート電流用第3の比較器50と、負荷短絡検出用論理演算器56とを備える。さらに、実施の形態11の電力用半導体素子の駆動制御回路は、短絡判定器118を備える。
本実施の形態は、上述した実施の形態の電力用半導体素子1および駆動制御回路を電力変換装置に適用したものである。本開示は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下では、実施の形態として、三相のインバータに本開示を適用した場合について説明する。
この電力変換システムは、電源700、電力変換装置800、および負荷900を備える。電源700は、電力変換装置800に直流電力を供給する直流電源である。電源700は種々のもので構成することが可能である。たとえば、電源700は、直流系統、太陽電池、蓄電池、交流系統に接続された整流回路、またはAC/DCコンバータで構成することとしてもよい。電源700を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するDC/DCコンバータによって構成することとしてもよい。
主変換回路801は、電力用半導体モジュール802を備える。電力用半導体モジュール802は、スイッチング素子である電力用半導体素子1と還流ダイオードとを備える(図示せず)。スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源700から供給される直流電力が交流電力に変換され、負荷900に供給される。電力用半導体モジュール802の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる電力用半導体モジュール802は、2レベルの三相フルブリッジ回路であり、6つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された6つの還流ダイオードから構成される2レベルの三相フルブリッジ回路である。6つのスイッチング素子は2つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相(U相、V相、W相)を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路801の3つの出力端子は、負荷900に接続される。
Claims (16)
- 制御電極と正極側電極と負極側電極とを有する電力用半導体素子の駆動制御回路であって、
前記制御電極と前記負極側電極の間に印加される電圧を遷移させることによって前記電力用半導体素子を駆動する駆動器と、
前記駆動器と前記制御電極との間に流れるゲート電流を検出するゲート電流検出器と、
前記検出したゲート電流量に基づいて、前記電力用半導体素子に供給されるゲート電荷量を算出するゲート電荷量演算器と、
前記ゲート電流の大きさおよび前記ゲート電荷量の大きさに基づいて、アーム短絡または負荷短絡を検出する短絡検出器と、
を備え、
前記短絡検出器は、
前記ゲート電流の大きさと、少なくとも1つの基準値とを比較するゲート電流判定器と、
前記ゲート電荷量の大きさと、少なくとも1つの基準値とを比較するゲート電荷量判定器と、
前記ゲート電流判定器の出力信号と前記ゲート電荷量判定器の出力信号との論理演算を実行する短絡検出用論理演算器とを含む、電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流検出器は、前記駆動器と前記制御電極との間の配線に流れる電流の大きさを検出し、
前記ゲート電流判定器は、
前記ゲート電流の大きさと、0よりも大きな値であるゲート電流下限基準値とを比較するゲート電流用第1の比較器と、
前記ゲート電流の大きさと、ゲート電流上限基準値とを比較するゲート電流用第2の比較器と、
前記ゲート電流用第1の比較器の出力信号と前記ゲート電流用第2の比較器の出力信号との論理演算を実行するゲート電流用論理演算器とを含み、
前記ゲート電荷量判定器は、
前記ゲート電荷量の大きさと、ゲート電荷量下限基準値とを比較するゲート電荷量用第1の比較器と、
前記ゲート電荷量の大きさと、ゲート電荷量上限基準値とを比較するゲート電荷量用第2の比較器と、
前記ゲート電荷量用第1の比較器の出力信号と前記ゲート電荷量用第2の比較器の出力信号との論理演算を実行するゲート電荷量用論理演算器とを含み、
前記短絡検出用論理演算器は、前記ゲート電流用論理演算器の出力信号と前記ゲート電荷量用論理演算器の出力信号との論理演算によって、前記電力用半導体素子の短絡状態を検出する、
請求項1記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記駆動器は、直列に接続された正ゲート電圧源と、第1のトランジスタと、オンゲート抵抗と、オフゲート抵抗と、第2のトランジスタと、基準電位とを含み、前記オンゲート抵抗と前記オフゲート抵抗との間のノードが前記電力用半導体素子の制御電極と接続し、
前記ゲート電流検出器は、前記第1のトランジスタから前記オンゲート抵抗に流れる電流の大きさを検出し、
前記ゲート電流判定器は、
前記ゲート電流の大きさと、ゲート電流上限基準値とを比較するゲート電流用第2の比較器を含み、
前記ゲート電荷量判定器は、
前記ゲート電荷量の大きさと、ゲート電荷量下限基準値とを比較するゲート電荷量用第1の比較器と、
前記ゲート電荷量の大きさと、ゲート電荷量上限基準値とを比較するゲート電荷量用第2の比較器と、
前記ゲート電荷量用第1の比較器の出力信号と前記ゲート電荷量用第2の比較器の出力信号との論理演算を実行するゲート電荷量用論理演算器とを含み、
前記短絡検出用論理演算器は、前記ゲート電流用第2の比較器の出力信号と前記ゲート電荷量用論理演算器の出力信号との論理演算によって、前記電力用半導体素子の短絡状態を検出する、
請求項1記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流上限基準値は、通常のスイッチング動作時のミラー期間中におけるゲート電流の値よりも小さな値であり、
前記ゲート電荷量下限基準値は、通常のスイッチング動作時のゲート電流がピーク値におけるゲート電荷量よりも大きな値であり、
前記ゲート電荷量上限基準値は、通常のスイッチング動作時のミラー期間終了時におけるゲート電荷量よりも小さな値である、
請求項2または3記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流上限基準値は、温度に応じて変化するように設定され、
前記ゲート電荷量下限基準値、および前記ゲート電荷量上限基準値は、前記電力用半導体素子の正極側電極と負極側電極との間に印加される電圧に応じて変化するように設定される、請求項2または3記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流検出器は、前記駆動器と前記制御電極との間の配線に流れる電流の大きさを検出し、
前記ゲート電流判定器は、
前記ゲート電流の大きさと、ゲート電流上限基準値とを比較するゲート電流用第3の比較器を含み、
前記ゲート電荷量判定器は、
前記ゲート電荷量の大きさと、ゲート電荷量下限基準値とを比較するゲート電荷量用第1の比較器を含み、
前記ゲート電流上限基準値は、0よりも小さな値であり、
前記ゲート電荷量下限基準値は、通常のスイッチング動作時のゲート電流がピーク値におけるゲート電荷量よりも大きな値であり、
前記短絡検出用論理演算器は、前記ゲート電流用第3の比較器の出力信号および前記ゲート電荷量用第1の比較器の出力信号に基づいて、前記電力用半導体素子の短絡状態を検出する、
請求項1記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記短絡検出器は、さらに、
前記ゲート電流の大きさと、0よりも小さな値である別のゲート電流上限基準値とを比較するゲート電流用第3の比較器と、
前記ゲート電流用第3の比較器の出力信号と、前記ゲート電荷量用第1の比較器の出力信号との論理演算とによって、前記電力用半導体素子の短絡状態を検出する負荷短絡検出用論理演算器とを含む、
請求項2~5のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流検出器は、電流センサである、
請求項2~7のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記駆動器と前記制御電極との間の配線に設けられた抵抗を備え、
前記ゲート電流検出器は、前記抵抗の両端の電圧を検出する差動増幅器である、
請求項2に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流検出器は、前記オンゲート抵抗の両端の電圧を検出する差動増幅器である、
請求項3に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電流検出器の出力信号の波形を所定の時定数で整形するフィルタを備え、前記フィルタの出力信号は、前記ゲート電荷量演算器および前記短絡検出器に送られる、
請求項1~10のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記駆動器に前記電力用半導体素子をターンオンさせる指令またはターンオフさせる指令を出力する指令器と、
前記短絡検出器によって、アーム短絡または負荷短絡が検出されたときには、前記指令器の指令に関わらず、前記駆動器に前記電力用半導体素子をターンオフさせる指令を出力する保護回路を備える、
請求項1~11のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記ゲート電荷量演算器の出力信号を初期化するための演算器を備える、
請求項1~12のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 前記電力用半導体素子は、Si-IGBT、RC-IGBT、SiC-MOSFET、GaNトランジスタ、およびGa2O3トランジスタのうちのいずれかである、
請求項1~13のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路。 - 請求項1~14のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動制御回路と、
前記電力用半導体素子と、
を備えた電力用半導体モジュール。 - 請求項15記載の電力用半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
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