JPH06152353A

JPH06152353A - 絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの過電流保護方式

Info

Publication number: JPH06152353A
Application number: JP4295782A
Authority: JP
Inventors: Takuya Hatakeyama; 卓也畠山
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1994-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁ゲート形バイポーラトランジスタで過電
流保護時に行われるソフト遮断動作を緩やかに行うこと
によって、印加される過電圧を抑制し、素子を破壊する
ことなく確実な過電流保護の動作を確立する。【構成】絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの過電
流流通時、ゲート−エミッタ間電圧をコンデンサと抵抗
の時定数に基づいて緩やかに降下させることで電流をソ
フト遮断する絶縁ゲート形バイポーラトランジスタで過
電流保護方式において、絶縁ゲート形バイポーラトラン
ジスタの電流が十分低下した時点で前記コンデンサを別
の抵抗を介して放電することにより、ゲート−エミッタ
間電圧の降下具合を早める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインバータやコンバータ
等の電力変換回路に用いられる、絶縁ゲート形バイポー
ラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor;
以下IGBTと略称する）の過電流保護方式に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】IGBTは酸化金属半導体電界効果トランジ
スタ(MOSFET)と、バイポーラトランジスタを複合化した
電力用半導体素子であり、前者の高速性と駆動の簡略
性、後者の高耐圧大電流とを兼ね備えている。その特徴
から、制御性の向上、出力の高性能化、装置小型化等の
要求がある電力変換回路に広く用いられるようになって
きた。

【０００３】図３に一般的なIGBT駆動回路を示し、IGBT
と駆動回路動作について説明する。図３において、１は
IGBTであり、駆動回路２はゲート抵抗11、直流電源31,
32、トランジスタ41, 42及びベース増幅器５から成って
いる。

【０００４】IGBTはコレクタ端子（以下Ｃと略称する）
とゲート端子（以下Ｇと略称する）及びエミッタ端子
（以下Ｅと略称する）の３端子を有し、ＧＥ間をＧ側が
正となるよう充電することによりＣＥ間がオンし、反対
にＧ側が負となるように充電することでＣＥ間がオフと
なる、いわゆる電圧駆動形素子である。これに従って、
駆動回路２では、制御入力信号をベース増幅器５によっ
て増幅し、トランジスタ41をオンすることでゲート抵抗
11を介してIGBTのＧＥ間を正電圧に充電し、IGBTのＣＥ
間をオンする。逆にトランジスタ42をオンさせることで
ＧＥ間を負電圧に充電し、IGBTをオフすることが行われ
る。

【０００５】通常IGBTのＧＥ間の充電は数百nsで行わ
れ、IGBTのオンオフ動作は１μs 程度の短時間で終了す
る。

【０００６】図４にIGBTを使った単相電圧形インバータ
回路を示す。直流電源33に配線インダクタンス14を介し
てIGBT4a〜4dからなる直列体401, 402が接続され、IGBT
直列体の中点を出力端とした形態となっており、IGBTの
直列体にはスナバ回路501 が接続されている。

【０００７】一般的には上記で説明したようなIGBTの高
速オンオフ動作を、IGBT4a, 4d及び4b, 4cの組で交互に
行うことで、出力端子Ｕ，Ｖ間に交流電圧を出力するこ
とが行われる。

【０００８】ここで、一般に電力変換回路では、負荷短
絡や誤動作等の原因によって、内部に使用されている半
導体素子に過大な電流が流れる場合にも、その半導体素
子を破壊すること無く安全に回路を制御することが要求
される。

【０００９】図４に示した単相電圧形インバータにおい
て、IGBT4a, 4dがオンしている時、出力端子Ｕ，Ｖ間で
短絡事故が起こった場合、（ケ）に示すような経路で電
流が流れる。この時、直流電源33が短絡されることにな
り、流れる電流は一般にIGBTの定格電流の数倍から十倍
程度まで流れる。IGBTは短時間の過電流耐量が極めて高
いので、定格電流の十倍程度の電流が流れること（一般
には10μs 以内）自体は、IGBT素子破壊を招く直接的な
原因にはなりにくい。しかし、この過大電流が流れ続け
れば、損失により素子内部が発熱し、いずれ破壊に至
る。従って、IGBTに流れている電流を遮断することが必
要となってくる。

【００１０】ここで、IGBTが高速動作であるが故に流れ
ている過大な電流を極めて短時間に遮断することが重大
な問題となる。

【００１１】図４に示すように、直流電源33からIGBTの
直列体401, 402までには、配線インダクタンス14が存在
する。例えば、IGBT4a, 4dがオンしている期間に負荷短
絡事故等で、（ケ）に示すような経路で電流が流れた
時、IGBT4aが高速なオフ動作をして過大な電流を遮断し
た場合、無論配線インダクタンス14に流れていた電流も
急速に遮断されることになる。すると、配線インダクタ
ンス14に蓄積されていたエネルギーによる過電圧が両端
に発生するが、これはとりもなおさずIGBT4aに印加され
ることになる。過電圧に関してはIGBTに限らず半導体素
子はあまり裕度が無く、少しでも定格電圧を越えると素
子破壊に至ることが多い。無論高速動作が可能であるIG
BTに関しては、過電圧による素子破壊の危険性がより高
くなる。

【００１２】また、図５にIGBT短絡動作時の安全動作領
域のカーブの代表例を示す。これはIGBTが発熱により破
壊しないためには、ＣＥ間電圧−ＣＥ間電流軌跡カーブ
内に入れる必要があると設定された特性カーブである。
定格電流を越える領域から、IGBTに印加できる電圧は定
格電圧より低下してくる。

【００１３】従って、特に過大な電流が流れている領域
で、前記のように配線インダクタンスによる電圧がIGBT
に印加されるのは、安全動作領域を越え素子が破壊する
可能性が高くなる。

【００１４】このような半導体素子の過電圧抑制方法と
して、図４に示すコンデンサ13、抵抗91、ダイオード15
よりなるスナバ回路501 があり、一般にコンデンサ13の
容量が大きければ過電圧抑制効果が高くなることが知ら
れている。しかし、負荷短絡事故等の稀にしか起こらな
い過電流保護動作のためだけに、スナバ回路コンデンサ
の容量を大きくすることは、不経済で且つスペース的に
も無駄なことになる。

【００１５】従って、IGBTを用いた電力変換回路におい
ては、IGBTが高速動作が可能であるが故に、以下に示す
過電流通流時の保護動作を行うのが一般的である。

【００１６】図６に過電流保護回路付き駆動回路の概念
図を示す。図６において、７はアンド回路、６は遅延オ
フ信号発生回路である。IGBTが定格電流程度の通常電流
をオンオフする際には、前記したように、制御入力信号
に応じてＧＥ間電圧を急速に正負電圧に充電することに
よって高速動作を行う。

【００１７】一方、事故等によりＣＥ間を過大な電流が
流れると、ＣＥ間電圧もそれに応じて上昇する。ＣＥ間
電圧がある電圧（定格電流の通流時より十分大きい値）
以上で、なお且つ制御入力信号がIGBTのオン状態を要求
している条件をアンド回路７においてとり、IGBTが過電
流通流状態であると判断して遮断動作に入る。この時
に、遅延オフ信号発生回路６によって立ち下がりを緩や
かにしたオフ信号をベース増幅回路５に送り、トランジ
スタ41を緩やかにオフし、トランジスタ42を緩やかにオ
ンすることによって、ＧＥ間電圧を緩やかに負電圧側に
充電することが行われる。

【００１８】ここで、図７にIGBTのＧＥ間電圧に対する
ＣＥ電流の特性、いわゆる伝達特性を示す。図７に示す
ように、IGBTに流れるＣＥ電流はＧＥ間電圧によって一
義的に決定されることが分かる。

【００１９】従って、図８に示すように、ＧＥ間電圧
（ハ）を緩やかに低下させることによって、ＣＥ電流
（イ）を緩やかに遮断する（以下ソフト遮断と称する）
動作が可能となるのである。

【００２０】このソフト遮断がなされることにより、図
４に示したような回路においては、配線インダクタンス
14に流れる電流変化率も小さくなるので、発生する過電
圧も降下し、結果としてIGBTの過電流遮断により印加さ
れるＣＥ間の電圧を減少させることが可能となる。

【００２１】また、図６に示したように、ソフト遮断動
作時のＧＥ間電圧の低下具合を決める遅延オフ信号発生
回路６においては、抵抗とコンデンサを用いてその放電
時定数で決定する方法が簡略なので一般に良く用いられ
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、重要な
問題となる配線インダクタンスは極力小さくすることが
好ましい。しかし、大電力の電力変換回路にIGBTを適用
しようとした場合、電流容量が増加するので、配線構造
等を工夫し低インダクタンス化を図る必要があることは
いうまでもない。それでも、扱う電力が大きくなるにつ
れ構造物が大きく重くなり、製作上の問題等により配線
インダクタンスの低減にも限界が生じてくる。すると、
小容量装置で比較的配線インダクタンスが小さく抑えら
れている回路と同じようなソフト遮断を行っていたので
は、配線インダクタンスによる過大電圧が大きくなる等
の問題が生じてくる。

【００２３】そこで図９の点線のように、過電流保護動
作のＧＥ間電圧の低下具合をより緩やかにし、ＣＥ電流
をより緩やかなソフト遮断とすることによって、配線イ
ンダクタンスの過電圧を抑制することが考えられる。前
記した図７により、ＣＥ電流はＧＥ間電圧により決ま
り、ＧＥ間電圧を緩やかにするだけ、ＣＥ電流遮断具合
も緩やかになることは明白である。従って、配線インダ
クタンスの電流変化率も小さくなり、結果的に過電圧も
抑制することが可能となる。

【００２４】しかし、ＧＥ間電圧の低下具合をあまり緩
やかにし過ぎると、また新たな問題が生じてくる。

【００２５】第１の問題は、ＧＥ間電圧の低下を緩やか
にし過ぎると、過電流が遮断されず流れ続けることにあ
る。前記したように、過電流の制限時間は一般に10μs
以下と言われており、これを越えてしまうと過大な損失
を発生することにより、素子が過熱し破壊に至る場合が
ある。

【００２６】第２の問題としては、ＧＥ間電圧に異常振
動が生じる場合があることがあげられる。前記したよう
に、IGBTはMOSFETとバイポーラトランジスタの複合素子
であり、ＧＥ間は等価的にコンデンサであると考えら
れ、基本的に極めて高インピーダンスである。またソフ
ト遮断時、駆動回路の出力段のトランジスタには、オン
オフ充電用共に電圧が印加されるような不安定な状態と
なる。

【００２７】これらと駆動回路の配線状態等の要因で、
ＧＥ間電圧の低下具合を緩やかにしていくと、図10に示
すようにＧＥ間電圧が高周波振動を起こし、このＧＥ間
電圧の振動現象によってＣＥ電流が流れる場合がある。
この振動現象はＧＥ間電圧がIGBTのしきい電圧付近に停
滞する場合、特に起こり易くなる傾向がある。

【００２８】そして、この発振現象が長く続くと、瞬間
的な損失が過大となり、IGBT素子を破壊に至らしめる危
険性が極めて高くなる。

【００２９】これらの問題を解決するために、ソフト遮
断動作開始後一定期間をおいて、例えば図６に示す駆動
回路において制御入力にオフ信号を加える等を行い、図
３で説明したような通常のオフ動作を行う方法が考えら
れる。

【００３０】図11にこの時の動作波形を示す。図11にお
いて、時刻T0でソフト遮断動作が開始し、ＣＥ間電圧
（ロ）が上昇する。時刻T1において、ＣＥ電流（イ）が
流れている状態で通常のオフ動作を行い、ＧＥ間電圧
（ハ）が負電圧側に高速充電されＣＥ電流が遮断され
る。

【００３１】ここで、前記したように通常のオフ動作は
極めて高速に行われ、従って配線インダクタンスに発生
する過電圧も大きなものとなる。この場合、通常遮断さ
れるまでのソフト遮断動作具合から、スナバ回路等の設
計を行っていた場合、IGBTが過電圧によって破壊される
可能性が高くなる。そこで、必然的にスナバ回路の大型
化が余儀無くされていた。

【００３２】

【課題を解決するための手段】抵抗とコンデンサで決定
された時定数によって、ゲート−エミッタ間電圧を緩や
かに低下させ、電流を緩やかに遮断することで行われる
IGBTの過電流保護方式において、遮断動作開始後一定時
間をおいて前記コンデンサを放電させ、ゲート−エミッ
タ間電圧の低下具合を速めることを特徴とする。

【００３３】

【作用】抵抗とコンデンサで決定される時定数によっ
て、ゲート−エミッタ間電圧を緩やかに低下させ、電流
を緩やかに遮断することで行われるIGBTの過電流保護方
式において、遮断動作開始後一定時間をおいて前記コン
デンサを放電させ、ゲート−エミッタ間電圧の低下具合
を速めることによって、ＣＥ電流遮断時のＧＥ間電圧低
下具合をより緩やかにすることができる。その結果、配
線インダクタンス等の影響でＣＥ間に印加される過電圧
を抑制することができ、スナバ回路を小型化することが
可能となる。

【００３４】そして、一定時間後にＧＥ間電圧をしきい
電圧以下まで低下させることによって、過電流が通流す
る時間を短くすることができる。

【００３５】また、駆動回路の出力が不安定な期間を速
やかに過ぎることから，ＧＥ間電圧の高周波振動も防止
することが可能となる。

【００３６】以上のように、本方式によれば、IGBTの確
実な過電流保護動作を得ることができる。

【００３７】

【実施例】図１に本発明によるIGBTの過電流保護方式の
一例を示し、その動作について説明する。図１におい
て、８はアンド回路７の出力を一定時間遅らせるための
遅延回路、10はスイッチ素子、９は放電用の抵抗であ
る。

【００３８】図１において、制御入力信号とコレクタ−
エミッタ間電圧の関係より、アンド回路７がIGBT１の過
電流通流状態を判断し、ＧＥ間電圧を緩やかに低下させ
てソフト遮断動作に入る。この時、アンド回路７が出す
信号（以下、過電流状態信号と称する）に、遅延回路８
で適当な遅れ時間を設けてスイッチ素子10をオンさせ
る。このことにより、ＧＥ間電圧の低下具合を決定して
いる遅延オフ信号発生回路６内部のコンデンサを、放電
抵抗９を介して放電させる。この結果、ソフト遮断動作
に入ってから一定時間経過後、ＧＥ間電圧の低下具合が
早まる動作が得られる。

【００３９】各部の波形例を図２に示す。図８と比較す
ると良く分かるが、TS1 の時点から始まるソフト遮断動
作中、TS2 まではＧＥ間電圧（ハ）の低下具合は極めて
緩やかとなり、ＣＥ電流（イ）の遮断具合も遅くなるこ
とが分かる。

【００４０】次にTS2 において、ＧＥ間電圧の低下具合
を速くすることにより、比較的急速にしかも滑らかにＣ
Ｅ電流を零まで遮断できることが分かる。

【００４１】この一連の動作の中で、ソフト遮断に入っ
た直後のＧＥ間電圧の低下具合を、極めて緩やかに行う
ことによって、ＣＥ電流をより緩やかに遮断することが
可能となる。電流の急激な変化が抑制されるほど、前記
したような配線インダクタンス等の影響による、ＣＥ間
の過電圧も小さく抑えることができる。

【００４２】従って、過電圧抑制に必要なスナバ回路の
小型化を図ることが可能となる。また前記した安全動作
領域の問題に関しても、ＣＥ間電圧が抑えられることか
ら、余裕のある動作をさせることが期待できる。

【００４３】そして、ＧＥ間電圧を極端に緩やかにする
ことより、ＣＥ電流がいつまでも流れ続けるような不具
合があることは前記したが、本方式によれば、ソフト遮
断動作に入ってから一定時間経過後、ＧＥ間電圧の低下
具合を比較的速くして、ＧＥ間電圧を負電圧に充電する
ことにより、ＣＥ電流が零まで遮断されるために解消で
きる。また、ＧＥ間電圧が異常発振する現象について
も、ＧＥ間電圧がIGBTのしきい電圧付近を短時間で通過
することによって防止することが可能である。

【００４４】また、図２によれば、ＧＥ間電圧が比較的
急に低下するTS2 以降に、ＣＥ電流（イ）の遮断がそれ
までより速くなり、図11で説明したようなＣＥ間電圧
（ロ）が上昇する現象が見られる。

【００４５】しかし、TS2 以降の動作も、図11で説明し
たような高速動作ではなく、あくまでもソフト遮断であ
り、ＣＥ間電圧の上昇も緩やかなものとすることができ
る。従って、TS2 以降の遮断時に発生する過電圧を抑制
する意味でのスナバ回路を小型化することができる。し
かも、ＣＥ電流が比較的小さくなった状態でＧＥ間電圧
の低下を速めることにより、図５に示した安全動作領域
のカーブから見てＣＥ間電圧に関して余裕のある動作領
域とすることが可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上のように本方式によれば、IGBTのＣ
Ｅ電流を極めて緩やかにソフト遮断することが可能とな
り、ＣＥ間の過電圧を制御することが可能である。その
結果、スナバ回路の小型化等の効果がもたらされ、且つ
ソフト遮断が緩やか過ぎることによる問題もクリヤでき
ることから、確実で信頼性の高いIGBTの過電流保護動作
を行うことが可能になる。

【００４７】本過電流保護方式を用いて、300A-1200Vの
IGBTを８個並列にしたインバータ回路において直流短絡
動作を行い試験したところ、直流電圧800V短絡電流20kA
に達する状態においてもIGBTを破壊することなく保護動
作ができることがわかり、本過電流保護方式の有用性が
確認できた。

【００４８】コンデンサを放電させることは、ゲート−
エミッタ間電圧の低下具合を速める方法の一例であっ
て、ゲート−エミッタ間電圧の低下具合を速める方法
は、その他のいかなる方法であってもよく、ゲート−エ
ミッタ間電圧を緩やかに低下させて、電流を緩やかに遮
断することで行われる絶縁ゲート形バイポーラトランジ
スタの過電流保護方式において、遮断動作開始後一定時
間をおいてゲート−エミッタ間電圧の低下具合を速める
ことが有効であることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるIGBT過電流保護方式を実現する回
路構成の一例を示す図である。

【図２】本発明の方式の動作を説明する各部波形図であ
る。

【図３】一般的なIGBTの駆動回路図である。

【図４】電圧形インバータ回路の一例を示す図である。

【図５】IGBTの代表的な安全動作領域を示す図である。

【図６】従来のIGBT過電流保護方式を実現する回路構成
の一例を示す図である。

【図７】図６の動作を説明するためのIGBTのＧＥ間電圧
に対するＣＥ電流の特性を示す図である。

【図８】図６の動作を説明するための各部波形図であ
る。

【図９】図６の動作を説明するためのＣＥ電流とＧＥ間
電圧との波形図である。

【図１０】図６の不具合動作の一例を示すＣＥ電流とＧ
Ｅ間電圧との波形図である。

【図１１】図６の不具合動作の一例を示すＣＥ電流とＧ
Ｅ間電圧との波形図である。

【符号の説明】

１ IGBT ２ IGBTの駆動回路 31, 32, 33 直流電源 41, 42 トランジスタ５ベース増幅回路６遅延オフ信号発生回路７アンド回路８遅延回路９，91 抵抗 10 スイッチ素子 11 ゲート抵抗 12 負荷抵抗 13 コンデンサ 14 配線インダクタンス 15 ダイオード 401, 402 IGBTの直列体 501 スナバ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗とコンデンサで決定された時定数に
よってゲート−エミッタ間電圧を緩やかに低下させ、電
流を緩やかに遮断することで行われる絶縁ゲート形バイ
ポーラトランジスタの過電流保護方式において、遮断動
作開始後一定時間をおいて前記コンデンサを放電させ、
ゲート−エミッタ間電圧の低下具合を速めることを特徴
とする、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタの過電流
保護方式。
【請求項２】ゲート−エミッタ間電圧を緩やかに低下
させ、電流を緩やかに遮断することで行われる絶縁ゲー
ト形バイポーラトランジスタの過電流保護方式におい
て、遮断動作開始後一定時間をおいてゲート−エミッタ
間電圧の低下具合を速めることを特徴とする、絶縁ゲー
ト形バイポーラトランジスタの過電流保護方式。