JPH08335862A - スイッチ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短絡条件中の過電圧によるデバイスの破壊の
可能性を排除する。 【解決手段】 半導体パワースイッチのための駆動回路
１２は、高電圧パルスをＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポ
ーラ・トランジスタ）１０のゲートＧに供給する。短絡
回路過電流検出器２４により、ＩＧＢＴのエミッターに
対するコレクターＣの電圧をモニターする。ＩＧＢＴの
コレクターでの電圧が、ＩＧＢＴがターン・オンされる
とき降下しない場合、ＩＧＢＴ駆動回路は、短絡を検出
し、駆動回路内の線形積分器２０を起動する。線形積分
器は、ＩＧＢＴのゲートの電圧を静かに傾斜を有して低
下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パワースイ
ッチのための駆動回路に関する。いずれのタイプの半導
体パワースイッチに対しても適合し得るが、本発明は、
特に絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ用のゲート
駆動回路に有用である。

【０００２】

【従来の技術】遠心力利用の冷房機（ｃｅｎｔｒｉｆｕ
ｇａｌ ｃｈｉｌｌｅｒ）（以下「遠心型冷房機」とい
う。）のようなエア・コンデショナは、羽根車を回転さ
せるためモーターを要する。モーターは、例えば、１５
０乃至９００馬力の３相誘導電動機であり得る。かかる
モーターは交流（ＡＣ）で作動する。一般的に、モータ
ーは、それを固定速度で回転させる４６０Ｖ電力線のよ
うな標準ＡＣ電力線に直接接続される。遠心型冷房機を
駆動するモーターは常に同じ速度で回転しているので、
モーターは、時に、冷却するのに実際に必要であるより
早く回転するかも知れない。これは、次にコンプレッサ
の効率を低減させる。こうして、固定速度の遠心型冷房
機は常に最適の効率で動作するわけではない。遠心型冷
房機内のコンプレッサの速度を変えることにより、遠心
型冷房機の効率は、固定速度の動作と比較して実質的に
増大される。誘導電動機の速度は、それに印加される交
流電圧の周波数を変えることにより変え得る。商業的実
用は、通常６０ヘルツの固定周波数で電圧を単に提供す
る。典型的には、誘導電動機の速度を変えるため、ユー
ティリティー会社により提供される６０ヘルツのＡＣ電
圧が、固定された極性（ＤＣ）の電圧に変換される。次
に、固体パワースイッチング装置は、該ＤＣ電圧をＡＣ
電圧に変換し、該ＡＣ電圧を電動機に印加する。該スイ
ッチのスイッチング速度を変えるならば、ＡＣ電圧の周
波数と大きさとを変化させ得て、電動機の速度は変わる
であろう。

【０００３】半導体スイッチは、高電流と高電圧とを制
御するための信頼できる高速度の手段を提供する。しか
しながら、半導体スイッチは、電流容量と耐電圧能力と
に関して制限を有する。絶縁ゲート・バイポーラ・トラ
ンジスタ（ＩＧＢＴ）は、高電圧半導体スイッチであ
る。従って、ＩＧＢＴは、高電圧の早いスイッチングを
要する用途に有用である。ＩＧＢＴは、通常コレクタ
ー、エミッター及びゲートを含む。ＩＧＢＴは、ゲート
に印加された電圧に応答して電流をコレクターとエミッ
ターとの間でスイッチングする。特別の駆動回路が、駆
動電圧をＩＧＢＴのゲートに印加する。かかる回路は、
通常、低電圧の小信号パルスを、ＩＧＢＴのゲートを駆
動するための高電圧で低インピーダンス出力パルスに変
換する。早いスイッチングを保証するため、駆動回路
は、ＩＧＢＴのゲートが必要とする電流を正確に送らな
ければならない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高電圧・高電流のスイ
ッチとして用いられるＩＧＢＴは、別のＩＧＢＴがゲー
ト・オンされるならば、バッテリーあるいは電源の両端
間に短絡をもたらし得る破壊を時々生じる。更に、偶然
の短絡は、誤って可変速度駆動装置の出力端子間に与え
られるかも知れない。かかる短絡は、電流の流れの経路
を取り除くための手段が設けられていないならば、半導
体パワースイッチや他の回路素子を急速に破壊させるこ
とができる大きな電流を生じるであろう。電源とそれに
関連する回路とを保護するため、ＩＧＢＴの短絡条件を
迅速に検出し、ＩＧＢＴのゲートに印加された電圧を低
減してＩＧＢＴをターン・オフすることが望ましい。こ
うして、短絡条件の下で、ゲート電圧は、例えば、抵抗
を介してのキャパシターの指数関数的放電により制御さ
れ得る。この変化の速度は、ＩＧＢＴがその活性領域を
通って遷移するので非常に急峻であり、急速に変わるゲ
ート電圧によりＩＧＢＴのコレクター電流が対応して急
速に変わる。パワー回路の漂遊インダクタンスのため、
コレクター−エミッター間の過渡高電圧が生じ得る。

【０００５】しかしながら、本発明の発明者は、ＩＧＢ
Ｔのゲートに印加される電圧の変化速度が低減されるな
らば、ＩＧＢＴにおける電流の変化速度も低減し、漂遊
インダクタンスに発生する過渡電圧を著しく低減して、
短絡条件中の過電圧によるデバイスの破壊の可能性を排
除することを明確に理解した。従って、本発明は、関連
技術の制限及び不都合による１つ以上の上記課題を実質
的に除去する駆動回路を指向するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の利点及び目的
は、一部分以下の記載で述べられ、また一部分該記載か
ら明らかとなり、あるいは本発明の実施により知り得
る。本発明の利点及び目的は、特許請求の範囲において
特に指摘される要素及び組み合わせにより実現され、達
成されるであろう。

【０００７】ここに具体化され広く記載される本発明の
利点を達成するため、また本発明の目的に従って、本発
明はスイッチ駆動回路を備える。該スイッチは制御端子
と切り替え可能な電流路とを有する。駆動回路は電圧を
制御端子に供給する。駆動回路は、電流路に接続され短
絡条件を検出する手段と、短絡が検出されたとき短絡条
件を検出する前記手段に応答して制御端子の電圧を直線
状の傾斜を有して低下させる手段とを有する。上記の総
体的な記載及び以下の詳細な記載は、例示及び説明のみ
であり、特許請求の範囲において規定される本発明の制
限するものではないことを理解すべきである。

【０００８】

【発明の実施の形態】この明細書に組み込まれその一部
を構成する添付の図面は、本発明の一つの実施形態を図
示し、この記載と共に本発明の原理を説明するため役立
つものである。絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ
（ＩＧＢＴ）駆動回路は、高電圧パルスをＩＧＢＴのエ
ミッターに対してそのゲートに供給する。駆動回路はま
た、ＩＧＢＴのエミッターに対するそのコレクターの電
圧をモニターする。ＩＧＢＴのコレクターの電圧が、Ｉ
ＧＢＴがゲート・オンされた後の所与の期間内に所与の
レベルに降下しない場合、ＩＧＢＴ駆動回路は、短絡が
生じたことを決定し、駆動回路内の線形積分器を起動す
る。線形積分器は、ＩＧＢＴのゲートの電圧を静かに傾
斜を有して低下させる。ゲート電圧を傾斜を有して低下
させることは、ＩＧＢＴ内のコレクターからエミッター
への電流の大きな変化を防止する。パワー回路の漂遊イ
ンダクタンス内の大きな電流変化は、ＩＧＢＴを破壊し
得る大きな電圧スパイクを発生し得る。その例示が添付
の図面に図示されている本発明の好適な本実施形態が詳
細に言及されるであろう。可能な場合はどこでも、同一
の参照番号が、同一あるいは類似の構成要素を言及する
ため、図面を通して用いられるであろう。

【０００９】本発明の駆動回路の例示的実施形態が、図
１に示され、総体的に参照番号１２により示される。駆
動回路１２はＩＧＢＴ１０を駆動する。ＩＧＢＴ１０
は、エミッターＥ、コレクターＣ及びゲートＧを含む。
低電圧から高電圧へのインターフェース（以下「低電圧
／高電圧インターフェース」という。）１４は、入力パ
ルスを、入力ノード即ち端子Ｉで受け取り、低電圧入力
パルスを高電圧に変換する。低電圧／高電圧インターフ
ェース１４の高電圧の出力は、カッド（ｑｕａｄ）・ダ
ーリントン出力段１６を介してゲート及びエミッター抵
抗器１８に供給される。ゲート及びエミッター抵抗器１
８のうちの１つのゲート抵抗器が、カッド・ダーリント
ン出力段１６をＩＧＢＴ１０のゲートＧに接続する。

【００１０】カッド・ダーリントン出力段１６は、低電
圧／高電圧インターフェース１４から受け取られた電流
及び電圧のレベルを上昇（ステップアップ）させる。カ
ッド・ダーリントン出力段１６の入力は、ミリアンペア
で測定され、一方その出力はアンペアで測定される。こ
うして、カッド・ダーリントン出力段１６は、高電流出
力パルスをゲート及びエミッター抵抗器１８のうちのゲ
ート抵抗器を介してＩＧＢＴのゲートＧに送る。

【００１１】ＩＧＢＴ１０の一つのみが図１に示されて
いるが、駆動回路１２は、２以上のＩＧＢＴ１０を駆動
し得て、好適には４つのＩＧＢＴ１０を駆動する。４つ
のＩＧＢＴ１０は、スイッチング容量を増大するため並
列に接続され得る。こうして、ゲート及びエミッター抵
抗器１８は、好適には、４つの１０オームの抵抗器と４
つの１オームの抵抗器とを含む。

【００１２】短絡過電流検出器２４は、ＩＧＢＴ１０の
コレクターＣの電圧をモニターして短絡が発生したかを
決定する。ＩＧＢＴ１０が正常動作中オン・オフしてい
る場合、コレクター電圧は、スイッチがターン・オンさ
れるとき降下する。短絡過電流検出器２４はまた、低電
圧／高電圧インターフェース１４に接続され、そのため
短絡過電流検出器２４は、ＩＧＢＴ１０がオン・オフさ
れることを指令されるときを感知する。コレクター電圧
が、ＩＧＢＴ１０がターン・オンされる所与の期間内に
所与のしきい値より下に降下しない場合、あるいは、コ
レクター電圧が、ＩＧＢＴ１０がオンであることを指令
された後所与のしきい値より上へ上昇する場合、短絡過
電流検出器２４は短絡を検出する。短絡が検出される
と、短絡過電流検出器２４は、出力信号をワンショット
２２に送る。次いで、ワンショット２２は、線形積分器
２０のクランプを解放するパルスを発生する。

【００１３】線形積分器２０は、ダイオード２６を介し
てカッド・ダーリントン出力段１６の入力に接続されて
いる。短絡が検出されると、線形積分器２０は、ワンシ
ョット２２からのパルスを受け取る。そのパルスを受け
取ると、線形積分器２０は傾斜を有して低下し始める。
カッド・ダーリントン出力段１６の入力は、線形積分器
２０の出力電圧に続いて、ダイオード２６を経由して線
形積分器２０の電圧レベルより１ダイオード降下分
（０．６ボルト）高いレベルにおいて傾斜を有して低下
する。

【００１４】図２及び図３は、時間の関数としての端子
Ｇ及びＥ間の出力電圧パルスを示す。図２は、ＩＧＢＴ
の駆動回路１２の正常動作のタイミング図を示す。正常
の出力波形２７は、１５ボルトの実質的に矩形のパルス
である。図３は、駆動回路１２がＩＧＢＴをゲート・オ
ンして短絡にするときの時間の関数としての端子Ｇ及び
Ｅ間の出力電圧パルスを示す。ゲート電圧２８が線形積
分器２０により線形の傾斜を有して低下することが図３
で明らかである。駆動回路１２により、デバイス出力端
子間の短絡が迅速に検出され、ＩＧＢＴのゲートへの入
力電圧が傾斜を有して低下させられ、急にはカットオフ
されない。Ｇ−Ｅ間電圧の変化速度は、ＩＧＢＴの線形
領域にわたって一定であり、ターン・オフ時のコレクタ
ー−エミッター間過渡電圧の低減をもたらす。こうし
て、回路漂遊インダクタンス内の急速な電流変化による
電圧スパイクが防止される。

【００１５】図３に示される線形の傾斜を有して低下さ
せることの代替として、駆動回路は、短絡が検出される
と同時にゲート電圧が線形の傾斜を有して低下すること
がその後に続く初期のステップ状の変化の低減を組み込
み得る。ステップ状の変化の低減は、短絡条件の下での
ＩＧＢＴにより導出される電流の初期値を迅速に低下さ
せる。しかしながら、電圧のステップの大きさは、線形
の傾斜を有して低下させる前に大きな電圧スパイクの発
生を回避する程度に小さいものである。

【００１６】図４、図５及び図６は、図１に示される駆
動回路の一実施形態の詳細な概略図を示す。図４、図５
及び図６における抵抗器は、偶数の参照番号３０〜１０
０により指示されている。本発明の一実施形態におい
て、抵抗器は、以下の表１に示されるような抵抗値を有
し得る。

【表１】 参照番号 オーム単位の抵抗 ワット単位の電力 ３０ ３６０ ０．２５ ３２ ２．４Ｋ ０．２５ ３４ ２．４Ｋ ０．２５ ３６ ２２０ ０．２５ ３８ ９１ ０．２５ ４０ ６．８Ｋ ０．２５ ４２ ３Ｋ ０．２５ ４４ １０ ０．２５ ４６ １．２１Ｋ ０．２５ ４８ １Ｋ ０．５０ ５０ １．９１Ｋ ０．２５ ５２ １０ ０．２５ ５４ ５．１Ｋ ０．２５ ５６ １０ ０．２５ ５８ １．３３Ｋ ０．２５ ６０ １０Ｋ ０．２５ ６２ ５１ ０．２５ ６４ ３Ｋ ０．２５ ６６ ４．３Ｋ ０．２５ ６８ ３Ｋ ０．２５ ７０ １Ｋ ０．２５ ７２ １０Ｋ ０．２５ ７４ １．０ ０．２５ ７６ １０ ０．２５ ７８ １．０ ０．２５ ８０ １０ ０．２５ ８２ １．０ ０．２５ ８４ １０ ０．２５ ８６ １．０ ０．２５ ８８ １０ ０．２５ ９０ ５１０Ｋ ０．２５ ９２ １００ ０．２５ ９４ ５．１ ０．２５ ９６ ２００ ０．２５ ９８ １００Ｋ ０．２５ １００ １００Ｋ ０．２５ 図４、図５及び図６のキャパシターは、偶数の参照番号
１０２〜１３４により指示されている。一実施形態にお
いて、コンデンサは、以下の表２に示されるような容量
値を有し得る。

【表２】 参照番号 容量 電圧定格 １０２ ０．１ ５０Ｖ １０４ ２２ ３５ １０６ ０．１ ５０ １０８ ０．１ ５０ １１０ ２２００ｐＦ ５０ １１２ １８００ｐＦ ５０ １１４ ２２００ｐＦ ５０ １１６ ２２ ３５ １１８ ２２ ３５ １２０ ０．１ ５０ １２２ １５００ｐＦ ５０ １２４ ０．１ ５０ １２６ ４７０ ３５ １２８ １０００ ２５ １３０ ０．１ ５０ １３２ １５００ｐＦ ５０ １３４ ０．２２ ５０ 接地電圧ＳＧＮＤとＰＧＮＤとは、最後にゲート駆動電
源で共に結合される別々の接地基準（信号接地と電力接
地）である。

【００１７】図４に示されるように、低電圧／高電圧イ
ンターフェース１４は、図１に示される端子Ｉに対応す
る入力端子１３６及び１３８と、共に接続された、光結
合器１４０、電圧比較器１４２及び駆動信号トランジス
タ１４４とを含む。例えば、ナショナル・セミコンダク
タ社（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
Ｃｏｒｐ．）からのモデルＮｏ．ＬＭ３９３のような
商業的に入手可能な電圧比較器を電圧比較器１４２のた
めに用い得る。入力端子１３６及び１３８で入力電圧を
受け取り、該入力電圧は抵抗器３０及び３２を介して光
結合器１４０に供給される。次いで、オン／オフパルス
が、電圧比較器１４２を介して駆動信号トランジスタ１
４４に供給される。光結合器１４０は２つの目的にかな
う。光結合器１４０は、端子３／２と端子８／７／６／
５との間の電圧分離を行い、オン／オフ・ゲーティング
信号を電圧比較器１４２に結合させる。

【００１８】駆動信号トランジスタ１４４がターン・オ
フされると、線形積分器２０が付勢されていないとすれ
ば、駆動信号トランジスタ１４４の出力は、ダイオード
１４６を逆バイアスし、端子１４８は＋２０ボルトに抵
抗器６４（図５）を介して引っ張られる。図４に示され
る端子１４８は、図５に示される端子１４８と接続され
ている。駆動信号トランジスタ１４４の出力は、図５に
示される電界効果トランジスタ１５２のゲートに現れ
る。端子１４８の正の電圧パルスが、電界効果トランジ
スタ１５２をターン・オンさせ、電流が発光ダイオード
１５３及び抵抗器６６を介して流れることを可能にす
る。電界効果トランジスタ１５２がターン・オンする
と、カッド・ダーリントン出力段１６内のｐｎｐトラン
ジスタが、付勢され、Ｇ−Ｅ端子電圧を−５ボルトレベ
ルに遷移させる。

【００１９】図５に示されるように、カッド・ダーリン
トン出力段１６は、偶数の参照番号１５４〜１６０によ
り指示される４つのバイポーラ・ダーリントン・トラン
ジスタを含む。ダーリントンｎｐｎトランジスタ１５４
は、ダーリントンｐｎｐバイポーラ・トランジスタ１５
６と共にプッシュプル・フォロワーを構成する。同様
に、ダーリントン接続されたｎｐｎバイポーラ・トラン
ジスタ１５８は、ダーリントンｐｎｐバイポーラ・トラ
ンジスタ１６０とプッシュプル・フォロワーを構成す
る。カッド・ダーリントン出力段１６は、ゲート及びエ
ミッター抵抗器１８のうちのゲート抵抗器に印加される
電流を増大（ステップアップ）する。代替実施形態にお
いて、カッド・ダーリントン出力段１６は、所望の電流
駆動能力に応じて、単一のｎｐｎ／ｐｎｐエミッター・
フォロワー対、単一のｎｐｎダーリントン／ｐｎｐダー
リントン対、あるいは他の回路と置換し得る。ゲート抵
抗器７６、８０、８４及び８８は、カッド・ダーリント
ン出力段１６を４つの並列のＩＧＢＴのゲートに接続す
る。図５に示される抵抗器７４、７８、８２及び８６
は、４つの並列のＩＧＢＴのエミッターに接続してい
る。

【００２０】図４に示されるように、短絡過電流検出器
２４は、電界効果トランジスタ１７５及び１７６と、電
圧比較器１７２とを含む。例えば、ナショナル・セミコ
ンダクタ社からのモデルＮｏ．ＬＭ３９３のような商業
的に入手可能な電圧比較器を電圧比較器１７２のために
用い得る。電界効果トランジスタ１７５のドレインが電
圧比較器１７２の非反転端子に接続され、一方電界効果
トランジスタ１７６のドレインが電圧比較器１７２の反
転端子に接続されている。電圧比較器１７２の出力は、
端子１７４に接続されている。抵抗器４８は２０ボルト
の電位を電界効果トランジスタ１７５のソースに接続
し、一方抵抗器４６は２０ボルトの電位を電界効果トラ
ンジスタ１７６のソースに接続する。電界効果トランジ
スタ１７５及び１７６のゲートは、駆動信号トランジス
タ１４４に接続されている。

【００２１】短絡過電流検出器２４は、ＩＧＢＴ１０の
コレクターＣに接続されている。短絡過電流検出器２４
は、ＩＧＢＴ１０のコレクターＣの電圧をモニターして
短絡が発生したかを決定する。端子Ｃの電圧が降下する
と、ダイオード１７０は、それと共に電圧比較器１７２
の演算増幅器の非反転端子を引き下げ、該非反転端子の
電圧は、その電圧比較器１７２の演算増幅器の反転端子
の電圧より低く降下する。非反転端子の電圧が降下しな
い場合、電圧比較器１７２は状態を変え、出力を端子１
７４に送る。

【００２２】電界効果トランジスタ１７５及び１７６
は、短絡過電流検出器２４に対してオン・オフスイッチ
として作用する。電圧比較器１７２の短絡感知機能を不
動作にするＩＧＢＴがゲート・オフされると、駆動信号
トランジスタ１４４の出力が電界効果トランジスタ１７
５及び１７６をターン・オンする。キャパシター１１
０、１１２及び１１４は、ＩＧＢＴのゲート・オンと過
電流検出器の動作可能状態との間の時間遅延を決定す
る。抵抗器４０及び５０は電圧分割器を形成し、該電圧
分割器は、過電流検出器を開始（ｓｅｔ ｏｆｆ）させ
るのを避けるためコレクター端子がそれより下に降下し
なければならないそのしきい値レベルを決定する。図４
に示される端子１７４は、図６に示される端子１７４に
接続されている。

【００２３】図６に示されるように、ワンショット２２
は、電圧比較器１７２の出力を端子１７４で受け取る。
端子１７４は電界効果トランジスタ１７８のゲートに接
続されており、電界効果トランジスタ１７８のドレイン
は電圧比較器１８０の反転端子に接続されている。例え
ば、ナショナル・セミコンダクタ社からのモデルＮｏ．
ＬＭ３１１のような商業的に入手可能な電圧比較器を電
圧比較器１８０のために用い得る。短絡が検出されるな
らば、ワンショット２２はパルスを端子１８２に出力す
る。図６に示される端子１８２は、図５に示される線形
積分器２０の端子１８２に接続されている。

【００２４】図６に示されるワンショット２２はまた、
下位電圧センサー１８４と、高電圧から低電圧へのイン
ターフェース（以下「高電圧／低電圧インターフェー
ス」という。）１８６とに接続されている。高電圧／低
電圧インターフェース１８６は、ワンショットの出力を
受け取り、短絡条件の回路の入力を警告する。下位電圧
センサー１８４は、ＩＧＢＴ駆動回路の電源をモニター
する。

【００２５】図５に示されるように、線形積分器２０
は、演算増幅器１８８とフィードバック回路とを含む。
例えば、テキサス・インストルメンツ社（Ｔｅｘａｓ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｃｏｒｐ．）からのモデルＮ
ｏ．ＴＬ０８１のような商業的に入手可能な演算増幅器
を演算増幅器１８８のために用い得る。フィードバック
回路は、並列に接続された抵抗器６２、コンデンサ１２
２及びツェナーダイオード１９２を含む。線形積分器２
０の入力端子１８２は、フィードバック回路の電界効果
トランジスタ１９０のゲートに接続されている。

【００２６】電界効果トランジスタ１９０は、常態では
ターン・オンされており、抵抗器６２をキャパシター１
２２に対して並列接続させているが、短絡に応答したワ
ンショット２２からの端子１８２上のパルスは、電界効
果トランジスタ１９０をターン・オフする。電界効果ト
ランジスタ１９０がターン・オフすると、演算増幅器１
８８の出力は、抵抗器５８及びコンデンサ１２２により
設定される率で線形の傾斜を有して低下することを開始
させる。カッド・ダーリントン出力段１６の抵抗器７０
における入力は、ダイオード２６を介して演算増幅器１
８８の出力電圧より１ダイオード降下分（０．６ボル
ト）高いレベルで傾斜を有して低下する。

【００２７】こうして、ＩＧＢＴのゲート電圧は、線形
積分器２０が直線状の傾斜を有して低下することにより
制御される。ゲート電圧の放電速度はＩＧＢＴの線形領
域を通して一定であり、漂遊インダクタンスによるＩＧ
ＢＴにかかる過渡電圧と、電流の高い変化率とが回避さ
れる。

【００２８】ゲート電圧の放電の変化の線形率は、線形
積分器２０に用いられる特定の容量及び抵抗値を調整す
ることにより調整可能である。該ゲート電圧の放電の変
化の線形率を設定する際に考慮する要因は、ＩＧＢＴの
特性、ＩＧＢＴを中に配置するパワー回路の寄生コンダ
クタンス及びインダクタンス、受け入れ可能と見做され
る短絡の下での電圧のオーバーシュートのレベルを含
む。

【００２９】本発明の好適な実施形態において、上記の
変化率はマイクロ秒当たり２ボルトである。線形積分器
２０の抵抗器５８及びキャパシター１２２が傾斜を有し
て低下する速度を決定する。抵抗器５８の両端間の電圧
は、抵抗器５８を通る電流を決定し、次いで該電流は、
電界効果トランジスタ１９０がターン・オフするとコン
デンサ１２２を介して流れる。上記の変化率は、以下の
ように計算される。

【００３０】ｉ＝Ｃ（ｄｖ／ｄｔ）が生じ、ｄｖ／ｄｔ
＝ｉ／Ｃとなる。

【００３１】ここで、ｉは電流であり、Ｃは容量であ
り、ｄｖ／ｄｔは時間の関数としての電圧の変化であ
る。

【００３２】この実施形態において、 ｉ＝−（２４Ｖ−２０Ｖ）／１．３３ｋ＝３ｍＡ であり、 ｄｖ／ｄｔ＝−３ｍＡ／１５００ｐＦ＝−２Ｖ／μｓｅｃ である。

【００３３】駆動回路は、１２００ボルト及び２００ア
ンペアの定格の４つのＩＧＢＴを駆動する。パワー回路
の寄生インダクタンスが５０ｎＨより小さい場合、１２
００Ｖ電源間に直接配置されるとき、かかるＩＧＢＴは
１０マイクロ秒の「オン」時間に耐える定格である。各
ＩＧＢＴが＋１５ボルトのゲート電圧で導通することが
できる電流のレベルは、典型的には定格値の１０倍の仕
様である。これらの値は、各２００ ＡＭＰ ＩＧＢＴ
の耐エネルギーが （１２００Ｖ）（２００Ａ）（１０）（１０μｓｅｃ）＝２４ジュール であることを指示する。

【００３４】こうして、駆動回路１２は、短絡条件を検
出し、上記のエネルギーを２４ジュールより小さく制限
するため十分短い時間に、ゲート電圧をＩＧＢＴの導通
しきい値レベルより低くすべきである。導通時間の持続
時間は、１０マイクロ秒より小さいことが好ましい。こ
の時間は、該エネルギーが２４ジュールより下に低減す
るならば、拡張され得る。短絡エネルギーと傾斜を有し
て低下する持続時間とのトレードオフは、短絡条件中の
パワーデバイスのピーク接合温度の関数である。

【００３５】本駆動回路の好適実施形態は、短絡を検出
するのに典型的に３．８マイクロ秒かかる。最大検出時
間が４．６マイクロ秒で、耐久時間が１０マイクロ秒で
あるとすると、線形の傾斜を有して低下する時間は５．
４マイクロ秒であることが好ましい。デバイスの通常の
ターン・オンに対する正のゲート駆動レベルは典型的に
＋１５ボルトであり、ＩＧＢＴのゲートの典型的な導通
しきい値は１０ボルトである。これは、 （１５Ｖ−１０Ｖ）／５．４μｓｅｃ＝−０．９２６Ｖ／μｓｅｃ の許容できる傾斜を有する短絡条件中における低下速度
を生じる。こうして、−２Ｖ／μｓｅｃの実際の傾斜を
有しての低下速度は、−０．９２６Ｖ／μｓｅｃの受け
入れ可能な速度より早い。

【００３６】駆動回路の応用は、遠心型冷房機における
モーターのような誘導電動機のためのインバーターを含
む。前述したように、駆動回路１２は４つのＩＧＢＴを
駆動することが好ましい。４つのＩＧＢＴは、単一のＩ
ＧＢＴの４倍の電圧と電力とを扱うため並列に接続され
得る。駆動回路はまた、上側ゲート駆動回路と下側ゲー
ト駆動回路とを対にした複数の対に構成することが好ま
しい。こうして、駆動回路の各対は全部で８個のＩＧＢ
Ｔを駆動し、該８個のＩＧＢＴの各々はＡＣモーターの
１つの極に接続される。この構成を有する３相ＡＣモー
ターは、２４個のＩＧＢＴを要する。

【００３７】図７を参照すると、複数の絶縁ゲート・バ
イポーラ・トランジスタ１０は、交流誘導電動機１９４
を駆動し得る。図７において、各ＩＧＢＴ１０は、例え
ば４つの並列接続された多数のＩＧＢＴを実際に備え得
る。ＩＧＢＴ１０は、対で、入力ＤＣ電圧線間に接続さ
れている。ゲート駆動回路１２は、ＩＧＢＴの各対のゲ
ートに接続されている。駆動回路１２は、交流誘導電動
機１９４を種々の速度で回転させるためＩＧＢＴを種々
の速度に切り替えることができる。速度可変の交流誘導
電動機１９４は、遠心型冷房機ユニットの羽根車を駆動
し得る。

【００３８】交流駆動ソース１９８は、ＡＣ電圧を、ダ
イオード整流器あるいはシリコン制御整流器（ＳＣＲ）
２００に供給する。整流器２００は、入力ＡＣ電圧をＤ
Ｃ電圧に変換する。ＤＣ電圧は、一対のインダクター２
０２とコンデンサ２０４とを介して出力される。コンデ
ンサ及びインダクターは、整流されたＡＣ電圧を平滑な
ＤＣレベルになるようフィルタリングする。

【００３９】駆動回路１２は、インバーター・ロジック
１９８により発生された低レベル信号を、ＩＧＢＴパワ
ースイッチ１０をオン及びオフにゲートすることができ
るレベルに変換する。適切な要領でＩＧＢＴパワースイ
ッチ１０をオン及びオフにゲートすることにより、整流
器２００、インダクター２０２及びフィルター・コンデ
ンサ２０４により供給されるＤＣ電圧は、周波数と大き
さの双方を変え得るＡＣ電圧に戻すよう変換される。次
いで、この可変出力電圧／周波数ソースは、コンプレッ
サを所与の速度で作動するのに適切な周波数と電圧とで
交流誘導電動機１９４を駆動する。種々の変更と変形と
が、本発明の範囲と精神から離れることなく本発明の駆
動回路においてこの駆動回路の構成においてなすことが
できることが当業者には明らかであろう。

【００４０】例えば、本発明の一つの局面によれば、指
数関数のＲ−Ｃ放電の代わりに短絡の直線状の傾斜を有
しての低下を提供するため、例えば、フジ（Ｆｕｊｉ）
のＥＸＢ８４１のような既知の駆動回路を変更すること
ができる。更に、本発明をＩＧＢＴ駆動回路に関して記
述したが、短絡が検出されると同時に直線状の傾斜をも
って低下する駆動回路を、ＭＯＳＦＥＴあるいはＭＣＴ
のような他の電圧制御パワースイッチのために用い得
る。大部分のスイッチは、第１の端子と第２の端子との
間の切り替え可能な電流路と、制御端子とを有する。例
えば、トランジスタの制御端子は、ゲートあるいはベー
スであり得る。本発明の他の実施形態は、当業者にはこ
こに開示された本発明の明細及び実施を考慮することか
ら明らかであろう。明細及び事例は例示のみとして考慮
されることを意図し、本発明の真の範囲及び精神が頭書
の特許請求の範囲により指示される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるＩＧＢＴ及び駆動回
路のブロック図を示す。

【図２】正常の動作条件の下における図１に示される駆
動回路の時間と共に変わる電圧出力の図である。

【図３】短絡動作条件の下における図１に示される駆動
回路の時間と共に変わる電圧出力の図である。

【図４】図１に示される駆動回路に用い得る低電圧／高
電圧インターフェース及び短絡過電流検出器の一実施形
態の概略回路図である。

【図５】図１に示される駆動回路に用い得る線形積分
器、カッド・ダーリントン出力段、及びゲート及びエミ
ッター抵抗器の一実施形態の概略回路図である。

【図６】図１に示されるＩＧＢＴゲート駆動回路に用い
得るワンショットの一実施形態の概略回路図である。

【図７】駆動回路、６個のＩＧＢＴ及びモーターの概略
図である。

【符号の説明】

１０：ＩＧＢＴパワースイッチ １２：駆動回路 １４：低電圧／高電圧インターフェース １６：クワッド・ダーリントン出力段 １８：ゲート及びエミッター抵抗器 ２０：線形積分器 ２２：ワンショット ２４：短絡回路過電流検出器 １８４：不足電圧センサー １８６：高電圧／低電圧インターフェース １９４：交流誘導電動機 １９８：交流駆動ソース ２００：整流器 ２０４：フィルター・コンデンサ ２０６：インバータ・ロジック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド・エル・トーリンガー アメリカ合衆国ペンシルバニア州17405, ヨーク，コヴェントリー・コート 3625 (72)発明者 フランク・イー・ウィルス アメリカ合衆国ペンシルバニア州17405, ヨーク，キングストン・ロード 3355

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御端子と切り替え可能な電流路とを有
   するスイッチの当該制御端子に電圧を供給するスイッチ
   駆動回路において、 前記制御端子に接続され電圧を供給する手段と、 前記電流路に接続され短絡条件を検出する手段と、 検出された短絡条件に応答して前記制御端子の電圧を線
   形の傾斜を有して低下させる手段とを備えるスイッチ駆
   動回路。
2. 【請求項２】 線形の傾斜を有して低下させる前記手段
   は、線形積分器を備える請求項１記載のスイッチ駆動回
   路。
3. 【請求項３】 短絡条件を検出する前記手段は、電圧比
   較器を備える請求項２記載のスイッチ駆動回路。
4. 【請求項４】 前記スイッチは絶縁ゲート・バイポーラ
   ・トランジスタを備え、前記制御端子は前記絶縁ゲート
   ・バイポーラ・トランジスタのゲートを備える請求項１
   記載のスイッチ駆動回路。
5. 【請求項５】 前記スイッチは絶縁ゲート・バイポーラ
   ・トランジスタを備え、前記制御端子は前記絶縁ゲート
   ・バイポーラ・トランジスタのゲートを備える請求項３
   記載のスイッチ駆動回路。
6. 【請求項６】 電圧を供給する前記手段は、 入力ノードに接続され低電圧を高電圧に変換する低電圧
   ／高電圧変換器と、 前記低電圧／高電圧変換器に接続されたカッド・ダーリ
   ントン出力段と、 前記カッド・ダーリントン出力段と前記制御端子との間
   に接続された少なくとも１つの抵抗器とを備える請求項
   ５記載のスイッチ駆動回路。
7. 【請求項７】 ゲート、コレクター及びエミッターを有
   する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタの当該ゲー
   トに電圧を供給する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジ
   スタ駆動回路において、 前記ゲートに接続され電圧を供給する手段と、 前記コレクターに接続され短絡条件を検出する手段と、 短絡が検出されたとき短絡条件を検出する前記手段に応
   答して前記ゲートの電圧を線形の傾斜を有して低下させ
   る手段とを備える絶縁ゲート・バイポーラ・トランジス
   タ駆動回路。
8. 【請求項８】 線形の傾斜を有して低下させる前記手段
   は、線形積分器を備える請求項７記載の絶縁ゲート・バ
   イポーラ・トランジスタ駆動回路。
9. 【請求項９】 短絡条件を検出する前記手段は、電圧比
   較器を備える請求項８記載の絶縁ゲート・バイポーラ・
   トランジスタ駆動回路。
10. 【請求項１０】 電圧を供給する前記手段は、 入力ノードに接続され低電圧を高電圧に変換する低電圧
    ／高電圧変換器と、 前記低電圧／高電圧変換器に接続されたカッド・ダーリ
    ントン出力段と、 前記カッド・ダーリントン出力段と前記ゲートとの間に
    接続されたゲート抵抗器とを備える請求項９記載の絶縁
    ゲート・バイポーラ・トランジスタ駆動回路。
11. 【請求項１１】 各々がゲート、コレクター及びエミッ
    ターを有する複数の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジ
    スタであって、前記コレクター及び前記エミッターのう
    ちの一つがモーターのステーター巻線に接続されている
    複数の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタと、 電圧を前記ゲートに供給する絶縁ゲート・バイポーラ・
    トランジスタ駆動回路とを備え、 当該絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ駆動回路
    は、 前記ゲートに接続され電圧を供給する手段と、 前記コレクターに接続され短絡条件を検出する手段と、 短絡が検出されたとき短絡条件を検出する前記手段に応
    答して前記ゲートの電圧を線形の傾斜を有して低下させ
    る手段とを備えるモーター用可変速度駆動回路。
12. 【請求項１２】 短絡条件を検出する前記手段は、電圧
    比較器を備える請求項１１記載のモーター用可変速度駆
    動回路。
13. 【請求項１３】 線形の傾斜を有して低下させる前記手
    段は、線形積分器を備える請求項１２記載のモーター用
    可変速度駆動回路。
14. 【請求項１４】 電圧を供給する前記手段は、 入力ノードに接続され低電圧を高電圧に変換する低電圧
    ／高電圧変換器と、 前記低電圧／高電圧変換器に接続されたカッド・ダーリ
    ントン出力段と、 前記カッド・ダーリントン出力段と前記ゲートとの間に
    接続されたゲート抵抗器とを備える請求項１３記載のモ
    ーター用可変速度駆動回路。
15. 【請求項１５】 ゲート、コレクター及びエミッターを
    有する絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタを駆動す
    る方法において、 電圧を前記ゲートに供給するステップと、 前記コレクターの電圧を検出するステップと、 前記コレクターの電圧が降下しない場合短絡条件を検出
    するステップと、 短絡が検出されたとき前記ゲートの電圧を線形の傾斜を
    有して低下させるステップとを備える方法。