JPWO2019207847A1 - 電力用半導体素子の駆動装置 - Google Patents
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Abstract
複数の駆動回路(110,210)は、並列接続された複数の電力用半導体素子(100,200)をそれぞれ駆動する。各駆動回路は、制御指令部(112)と、電流検出器(111)と、微分器(113)と、積分器(115)とを含む。電流検出器(111)は、制御指令部(112)がターンオン指令を出力してから電力用半導体素子のゲート端子に流入するゲート電流を検出する。微分器(113)は電流検出器(111)により検出されたゲート電流を時間微分する。積分器(115)は電流検出器(111)により検出されたゲート電流を時間積分する。判定器(1000)は、各駆動回路における微分値および積分値に基づいて、複数の電力用半導体素子のいずれかが過電流状態か否かを判定する。
Description
本開示は、電力用半導体素子の駆動装置に関し、より特定的には、並列接続された複数の電力用半導体素子の過電流状態を検出する機能を備えた駆動装置に関する。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等の電力用半導体素子を用いた電力変換器においては、所望の電力容量を確保するために、複数の電力用半導体素子を並列に接続することによる大容量化が行なわれている。複数の電力用半導体素子の間で電流を均等に分担して流すことで、大電流の取り扱いを可能としている。
しかしながら、上記構成において、複数の電力用半導体素子のうちいずれかの電力用半導体素子に電流が集中する過電流状態となると、当該素子が熱破壊に至る可能性がある。したがって、並列接続された複数の電力用半導体素子を駆動する駆動装置においては、電力用半導体素子の過電流状態を検出し、熱破壊から電力用半導体素子を保護する機能が必要とされる。
例えば、特開2017−70051号公報(特許文献1)には、並列接続された複数のIGBTを駆動する駆動装置において、IGBTのエミッタ電流(主電流)を検出する電流検出器を設け、この電流検出器による検出値に基づいて過電流であるか否かを判定する構成が示されている。
しかしながら、特許文献1に記載される駆動装置においては、電力用半導体素子の主電流を検出するための電流検出器を具備することが必要となる。このような電流検出器としては、主電流相当の大きな電流を検出できることが求められるため、必然的に大型かつ高コストな電流計を用いることになる。そのため、駆動装置全体が大型化するとともに、装置コストの上昇に繋がることが懸念される。
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構成で並列接続された複数の電力用半導体素子の過電流状態を検出することができる電力用半導体素子の駆動装置を提供することである。
本開示に係る電力用半導体素子の駆動装置は、並列接続された複数の電力用半導体素子を駆動するように構成される。複数の電力用半導体素子の各々は、第1の端子、第2の端子およびゲート端子を有している。駆動装置は、複数の電力用半導体素子をそれぞれ駆動する複数の駆動回路を備える。複数の駆動回路の各々は、制御指令部と、電流検出器と、微分器と、積分器とを含む。制御指令部は、対応する電力用半導体素子のターンオン指令を出力する。電流検出器は、制御指令部がターンオン指令を出力してから電力用半導体素子のゲート端子に流入するゲート電流を検出する。微分器は、電流検出器により検出されたゲート電流を時間微分する。積分器は、電流検出器により検出されたゲート電流を時間積分する。駆動装置は、判定器をさらに備える。判定器は、各複数の駆動回路における微分器による微分値および積分器による積分値に基づいて、複数の電力用半導体素子のいずれかが過電流状態か否かを判定するように構成される。
本開示によれば、簡易な構成で並列接続された複数の電力用半導体素子の過電流状態を検出することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的には繰返さないものとする。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力用半導体素子およびその駆動装置の構成を示す図である。図1では、並列接続された2個の電力用半導体素子100,200を駆動する駆動装置を例示する。並列接続される電力用半導体素子の個数は複数であればよく、3個以上であってもよい。また、電力用半導体素子は、ディスクリート形状およびモジュール形状のいずれであってもよい。
図1は、実施の形態1に係る電力用半導体素子およびその駆動装置の構成を示す図である。図1では、並列接続された2個の電力用半導体素子100,200を駆動する駆動装置を例示する。並列接続される電力用半導体素子の個数は複数であればよく、3個以上であってもよい。また、電力用半導体素子は、ディスクリート形状およびモジュール形状のいずれであってもよい。
電力用半導体素子100,200は同じ構造を有するため、理想的には外部から入力される指令に応答して、同じタイミングで導通および遮断する。電力用半導体素子100,200が同じタイミングで導通状態となることで、電力用半導体素子100,200に電力変換器に流れる電流を均等に分担させることができる。
しかしながら、製造ばらつき等に起因して、電力用半導体素子100,200の間で導通および遮断のタイミングにずれが生じることがある。導通タイミングにずれが生じた場合、電力用半導体素子100,200の一方のみが導通状態となるため、この電力用半導体素子に電流が集中して流れる過電流状態となり、結果的に当該電力用半導体素子が熱破壊することが懸念される。
本実施の形態1に係る駆動装置1は、並列接続された電力用半導体素子100,200の過電流状態を検出する機能を具備することで、電力用半導体素子100,200を過電流状態から保護するものである。
なお、図1では、電力用半導体素子100,200としてMOSFETを例示しているが、必ずしもMOSFETに限定されるものではなく、IGBTなどの自己消弧型半導体素子であってもよい。電力用半導体素子100,200は、直流電力を交流電力に変換する逆変換器、交流電力を直流電力に変換する順変換器などの電力変換器に含まれている。
また、電力用半導体素子100,200を構成する材料はシリコンに限定されるものではなく、ワイドバンドギャップ半導体(例えば、炭化珪素、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンド等)であってもよい。
電力用半導体素子100は、ドレイン端子100d、ソース端子100sおよびゲート端子100gを有する。電力用半導体素子200は、ドレイン端子200d、ソース端子200sおよびゲート端子200gを有する。
ドレイン端子100d,200dは「第1の端子」の一実施例に対応し、ソース端子100s,200sは「第2の端子」の一実施例に対応する。ドレイン端子100d,200dにはそれぞれ、ソース端子100s,100sよりも高い電圧が印加されている。
ゲート端子100gは駆動回路110に接続されており、駆動回路110から制御指令(ゲート指令)を受ける。ゲート端子200gは駆動回路210に接続されており、駆動回路210から制御指令(ゲート指令)を受ける。
図1を参照して、駆動装置1は、並列接続された電力用半導体素子100,200を駆動させる装置であって、駆動回路110,210と、判定器1000とを備える。駆動装置1は、後述するように、電力用半導体素子100,200の過電流状態を検出する機能を備えている。
駆動回路110は、電力用半導体素子100を駆動させる回路であって、ゲート電流検出部111、制御指令部112、微分器113、第1の比較器114、積分器115、第2の比較器116、および論理演算器117を含む。
制御指令部112は、外部からオン指令が入力されると、電力用半導体素子100を導通状態(オン状態)に遷移(以下、「ターンオン」という)させるゲート指令(ターンオン指令)を電力用半導体素子100のゲート端子100gに出力する。これにより、電力用半導体素子100がターンオンし、導通状態となる。
制御指令部112は、外部からオフ指令が入力されると、電力用半導体素子100を遮断状態(オフ状態)に遷移(以下、「ターンオフ」という)させるゲート指令(ターンオフ指令)を電力用半導体素子100のゲート端子100gに出力する。これにより、電力用半導体素子100がターンオフし、遮断状態となる。
ゲート電流検出部111は、制御指令部112からターンオン指令を受けてから電力用半導体素子100のゲート端子100gに流入するゲート電流igを検出する。ゲート電流検出部111には一般的な電流計を用いることができる。ゲート電流検出部111は、検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを示す信号を出力する。ゲート電流検出部111は「電流検出器」の一実施例に対応する。
微分器113は、ゲート電流検出部111で検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを時間微分し、微分値Dを出力する。微分値Dは電圧Eを用いて、D=dE/dtで表される。微分値Dは、ゲート電流igを時間微分した微分値dig/dtに比例する。したがって、微分値Dは、実質的に、ゲート電流igの時間変化の傾きを表している。
第1の比較器114は、微分器113による微分値Dと、第1の基準値REF1とを比較して、比較結果を表す信号S11を出力する。第1の基準値REF1は0に設定されている。微分値Dが第1の基準値REF1よりも大きい場合(すなわち、D>0の場合)、信号S11は「H(論理ハイ)」レベルとなる。一方、微分値Dが第1の基準値REF1以下の場合(すなわち、D≦0の場合)、信号S11は「L(論理ロー)」レベルとなる。
積分器115は、ゲート電流検出部111で検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを時間積分し、積分値Iを出力する。積分値Iは電圧Eを用いて、I=∫Edtで表される。
ここで、電力用半導体素子100のゲート端子100gに流入するゲート電流igと、ゲート端子100gおよびソース端子100s間に印加されるゲート電圧Vgsとの間には、次式(1)の関係が成り立っている。
Vgs=1/Cgs・∫ig(t)dt …(1)
ただし、Cgsは電力用半導体素子100のゲート端子100gおよびソース端子100s間に発生する寄生容量成分(すなわち、ゲート・ソース間容量)を示す。
Vgs=1/Cgs・∫ig(t)dt …(1)
ただし、Cgsは電力用半導体素子100のゲート端子100gおよびソース端子100s間に発生する寄生容量成分(すなわち、ゲート・ソース間容量)を示す。
積分値Iは、ゲート電流igを時間積分した積分値∫ig(t)dtに比例する。したがって、式(1)より、積分値Iはゲート電圧Vgsに比例する。
第2の比較器116は、積分器115による積分値Iと、第2の基準値REF2とを比較して、比較結果を表す信号S12を出力する。第2の基準値REF2は0より大きい値であって、例えば、0より大きくかつ電力用半導体素子100のミラー電圧よりも小さい値に設定されている。積分値Iが第2の基準値REF2よりも大きい場合(すなわち、I>REF2の場合)、信号S12は「H」レベルとなる。一方、積分値Iが第2の基準値REF2以下の場合(すなわち、I≦REF2の場合)、信号S12は「L」レベルとなる。
論理演算器117は、第1の比較器114が出力する信号S11と第2の比較器116が出力する信号S12との論理積を演算する。論理演算器117は、論理積を表す信号SS100を出力する。信号SS100は、信号S11,S12がともに「H」レベルのときに「H」となり、信号S11および信号S12の少なくとも一方が「L」レベルのときに「L」レベルとなる。
すなわち、微分値D>0であり、かつ、積分値I>REF2の場合、信号SS100は「H」レベルとなる。一方、微分値D≦0または積分値I≦REF2の場合、信号SS100は「L」レベルとなる。論理演算器117は、信号SS100を判定器1000へ出力する。
駆動回路210は、電力用半導体素子200を駆動させる回路であって、ゲート電流検出部211、制御指令部212、微分器213、第1の比較器214、積分器215、第2の比較器216、および論理演算器217を含む。駆動回路210は基本的な構成が駆動回路110と同じである。
すなわち、制御指令部212は、外部からオン指令が入力されると、電力用半導体素子200のターンオン指令を電力用半導体素子200のゲート端子200gに出力する。一方、制御指令部112は、外部からオフ指令が入力されると、ターンオフ指令を電力用半導体素子200のゲート端子200gへ出力する。
ゲート電流検出部211は、制御指令部212からターンオン指令を受けてから電力用半導体素子200のゲート端子200gに流入するゲート電流igを検出する。ゲート電流検出部211は、検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを示す信号を出力する。
微分器213は、ゲート電流検出部211で検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを時間微分し、微分値Dを出力する。第1の比較器214は、微分器213による微分値Dと、第1の基準値REF1(=0)とを比較して、比較結果を表す信号S21を出力する。
積分器215は、ゲート電流検出部211で検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを時間積分し、積分値Iを出力する。第2の比較器216は、積分器215による積分値Iと、第2の基準値REF2とを比較して、比較結果を表す信号S22を出力する。
論理演算器217は、第1の比較器214が出力する信号S21と第2の比較器216が出力する信号S22との論理積を演算し、論理積を表す信号SS200を出力する。信号SS200は、信号S21,S22がともに「H」レベルのとき、すなわち、微分値D>0であり、かつ、積分値I>REF2のときに「H」となり、信号S21および信号S22の少なくとも一方が「L」レベルのとき、すなわち、微分値D≦0または積分値I≦REF2のときに「L」レベルとなる。論理演算器217は、信号SS200を判定器1000へ出力する。
判定器1000は、駆動回路110の論理演算器117が出力する信号SS100と、駆動回路210の論理演算器217が出力する信号SS200とに基づいて、電力用半導体素子100,200のいずれかが過電流状態であるか否かを判定する。判定器1000は、判定結果を示す信号S1000を制御指令部112,212へ出力する。判定器1000の動作については後述する。
次に、実施の形態1に係る電力用半導体素子の駆動装置1の動作について説明する。
最初に、図2を用いて、電力用半導体素子100の駆動回路110の動作を説明する。なお、電力用半導体素子200の駆動回路210の動作は、図2に示す駆動回路110の動作と同様である。
最初に、図2を用いて、電力用半導体素子100の駆動回路110の動作を説明する。なお、電力用半導体素子200の駆動回路210の動作は、図2に示す駆動回路110の動作と同様である。
図2は、電力用半導体素子100のターンオン動作時における駆動回路110の動作を示す波形図である。図2では、上から順番に、電力用半導体素子100のゲート電流ig、微分器113による微分値D、第1の比較器114の出力信号S11、積分器115による積分値I、第2の比較器116の出力信号S12、および論理演算器117の出力信号SS100の波形が示されている。なお、ゲート電流igはゲート端子100gに流入する向きを正方向と定義する。
図2に示すように、時刻t0にてターンオン指令が電力用半導体素子100のゲート端子100gに入力されると、ゲート電流igは徐々に増加する。ゲート電流igは、時刻t0より後の時刻t1で減少に転じると、さらに後の時刻t3にて再び上昇する。その後、時刻t4で再び減少に転じると、徐々に0にまで減少する。すなわち、ゲート電流igの時間波形には、時刻t1,t4にて極大点が現われ、かつ、この2つの極大点に挟まれるように、時刻t3にて極小点が現われる。
ここで、図2に示したゲート電流igの時間波形を、ターンオン動作時の電力用半導体素子100の振る舞いに照らし合わせる。
電力用半導体素子100を構成するMOSFETにおいて、ゲート端子100gを基準として発生する容量は、ゲート端子100gおよびソース端子100s間に発生する寄生容量成分(以下、「ゲート・ソース間容量Cgs」という)と、ゲート端子100gおよびドレイン端子100d間に発生する寄生容量成分(以下、「ゲート・ドレイン間容量Cgd」という)とがある。ゲート・ドレイン間容量Cgdは、MOSFETにおける帰還容量に相当する。ゲート・ドレイン間容量Cgdおよびゲート・ソース間容量Cgsは、ゲート端子100gを基準で見ると並列接続となっている。
時刻t0でゲート端子100gにターンオン指令が入力されると、ゲート電流igは、最初にゲート・ソース間容量Cgsを充電する。なお、ゲート・ソース間容量Cgsが充電されることで、ゲート電圧Vgsは徐々に上昇する。ゲート電圧Vgsが閾値電圧を超えると、電力用半導体素子100はオンし始める。ゲート電流igの最初の極大点(時刻t1)は、ゲート・ソース間容量Cgsを充電している状態を表している。
電力用半導体素子100がオンになると、ドレイン端子100dおよびソース端子100s間に電流が流れ始め、ドレイン端子100dの電圧が下がり始める。ゲート電流igのほとんどがゲート・ドレイン間容量Cgdを流れ、ゲート・ソース間容量Cgsには電流が流れないため、ゲート電圧Vgsは上昇せずに一定の状態を維持する。このゲート電圧Vgsが一定になる期間は「ミラー期間」と呼ばれる。また、この一定の電圧値は「ミラー電圧」と呼ばれる。ゲート電流igの極小点(時刻t3)は、ゲート電流igがゲート・ドレイン間容量Cgdを流れている状態を表している。言い換えれば、ゲート電流igの極小点は、電力用半導体素子100のミラー期間を表している。
上述したように、このゲート電流igが極小となるタイミングでは、電力用半導体素子100のドレイン端子100dおよびソース端子100sが導通状態となり、電流が流れ始める。本実施の形態に係る駆動回路110は、後述するように、このゲート電流igが極小となるタイミングを検知することにより、電力用半導体素子100のミラー期間を検知するように構成される。駆動回路1110は、電力用半導体素子100のミラー期間を検知することで、電力用半導体素子100が導通状態となるタイミングを検知することができる。
なお、時刻t3以降、ゲート電流igは再びゲート・ソース間容量Cgsを充電するため、ゲート電圧Vgsがゲート駆動電源電圧まで上昇する。その後、ゲート電流igは徐々に減少し、最終的に0に収束する。
図2において、微分値Dはゲート電流igの時間変化の傾きを表している。ゲート電流igが増加しているとき微分値Dは正の値となり、ゲート電流igが減少しているとき微分値Dは負の値となる。図2の例では、時刻t0以降、微分値Dは正の値を示しているが、時刻t1にて負の値に転じる。この時刻t1はゲート電流igの最初の極大点に対応している。
その後の時刻t3において、微分値Dは負の値から再び正の値となる。この時刻t3はゲート電流igの極小点に対応している。微分値Dはさらに、時刻t4で再び負の値に転じた後、徐々に0に向かって収束する。時刻t4はゲート電流igの2番目の極大点に対応している。
このように、微分値Dはゲート電流igの極大点および極小点において0の値をとる。第1の比較器114の出力信号S11は、微分値D>0(=REF1)のときにHレベルとなり、微分値D≦0のときにLレベルとなる。したがって、微分値Dが極大点となる時刻t1,t4で信号S11はHレベルからLレベルに遷移する。また、微分値Dが極小点となる時刻t3で信号S11はLレベルからHレベルに遷移する。
これに対して、積分値Iは、ゲート電流igの波形の時間積分であるため、時刻t0を起点として増加する増加関数となる。積分値Iは、最初の極大点のタイミング(時刻t1)以降、増加率(積分値Iの波形の傾きに相当)が緩やかとなる。なお、極小点のタイミング(時刻t3)近傍において、積分値Iは一定の状態を維持している。
上述したように、積分値Iはゲート電圧Vgsに比例しているため、積分値Iの波形には、ゲート電圧Vgsが一定の状態になる期間でありミラー期間が反映される。なお、ミラー期間の長さは、ゲート・ドレイン間容量Cgdによって決まる。ゲート・ドレイン間容量Cgdが小さくなるとミラー期間が短くなり、ゲート・ドレイン間容量Cgdが大きくなるとミラー期間が長くなる。このミラー期間の終了後、積分値Iの増加率は再び増加し、2番目の極大点のタイミング(時刻t4)を経過した後において一定値に収束する。
このように積分値Iは増加関数であることから、積分値Iが第2の基準値REF2を超えたタイミング(時刻t2)にて、第2の比較器116の出力信号S12はLレベルからHレベルに遷移することになる。
なお、第2の基準値REF2は、図2に示すように、0より大きくかつミラー電圧未満の値に設定することが好ましい。より好ましくは、第2の基準値REF2は、電力用半導体素子100の閾値電圧以上であってミラー電圧未満の値に設定する。このようにすると、図2に示すように、ゲート電流igが最初の極大点となるタイミング(時刻t1)と極小点となるタイミング(時刻t3)とに挟まれたタイミング(時刻t2)において、信号S12をHレベルに遷移させることができる。
論理演算器117の出力信号SS100は、第1の比較器114の出力信号S11と第2の比較器116の出力信号S12との論理積を示す信号であって、信号S11およびS12がともにHレベルとなるときにHレベルを示す。したがって、図2に示すように、信号SS100は、ゲート電流igの極小点のタイミング(時刻t3)から2番目の極大点のタイミング(時刻t4)までの期間、Hレベルとなる。
このように、信号SS100は、ゲート電流igが極小となるタイミング、すなわち、電力用半導体素子100のドレイン端子100dおよびソース端子100sが導通状態となり、電流が流れ始めるタイミングでLレベルからHレベルに遷移する信号である。したがって、論理演算器117の出力信号SS100がHレベルに遷移するタイミングを検知することで、電力用半導体素子100が導通状態となるタイミングを検知することができる。信号SS100は「検知信号」の一実施例に対応する。
図1に戻って、駆動回路110の論理演算器117の出力信号SS100、および駆動回路200の論理演算器217の出力信号SS200は、判定器1000に入力される。図2で説明したように、信号SS100は、電力用半導体素子100が導通状態となるタイミングでHレベルに遷移する信号である。同様に、信号SS200は、電力用半導体素子200が導通状態となるタイミングでHレベルに遷移する信号である。
判定器1000は、信号SS100と信号SS200とを比較することにより、電力用半導体素子100,200のいずれかが過電流状態か否かを判定する。具体的には、判定器1000は、信号SS100と信号SS200との間で、信号がLレベルからHレベルに遷移するタイミングの時間差に基づいて、電力用半導体素子100,200のいずれかが過電流状態か否かを判定する。
図3Aおよび図3Bは、判定器1000における判定動作を説明するための図である。図3Aおよび図3Bでは、電力用半導体素子100,200のゲート端子にターンオン指令が入力された時刻t0から、最初に、信号SS100がHレベルに遷移した場合を想定する。
図3Aを参照して、判定器1000は、信号SS100がHレベルに遷移した時刻t11を記憶する。そして、判定器1000は、記憶した時刻t11から閾値時間ΔTthが経過する時刻txまで、信号SS200がLレベルからHレベルに遷移することを待つ。時刻txまでに信号SS200がHレベルに遷移すれば、判定器1000は、電力用半導体素子100,200がともに過電流状態ではないと判定する。判定器1000は、電力用半導体素子100,200が正常であることを示す「L」レベルの信号S1000を出力する。
判定器1000の出力信号S1000は、駆動回路110の制御指令部112および駆動回路210の制御指令部212に入力される。制御指令部112,212の各々は、判定器1000から「L」レベルの信号S1000を受けると、対応する電力用半導体素子をオン状態に保持する。そして、外部からオフ指令が入力されると、ターンオフ指令を対応する電力用半導体素子のゲート端子へ出力する。
これに対して、図3Bに示すように、記憶した時刻t11から閾値時間ΔTthが経過した時刻txにおいて未だ信号SS200がHレベルに遷移していない場合には、判定器1000は、電力用半導体素子100が過電流状態であると判定する。判定器1000は、電力用半導体素子100が過電流状態であることを示す「H」レベルの信号S1000を出力する。
制御指令部112,212の各々は、判定器1000から「H」レベルの信号S1000を受けると、対応する電力用半導体素子を遮断するために、電力用半導体素子のゲート端子に対してターンオフ指令を出力する。これにより、電力用半導体素子100,200はともにオフ状態となる。
なお、電力用半導体素子100,200のゲート端子にターンオン指令が入力された時刻から最初に信号SS200がHレベルに遷移した場合においても、同様の方法によって、信号SS200がHレベルに遷移するタイミングと信号SS100がHレベルに遷移するタイミングとの時間差に基づいて、電力用半導体素子100,200が過電流状態か否かを判定することができる。
以上説明したように、実施の形態1に係る駆動装置1によれば、並列接続された複数の電力用半導体素子をそれぞれ駆動する複数の駆動回路の各々は、対応する電力用半導体素子のゲート電流igに基づいて当該電力用半導体素子のミラー期間を検知することにより、当該電力用半導体素子が導通状態となるタイミングを検知することができる。そして、各駆動回路により検知された各電力用半導体素子が導通状態となるタイミングを比較することにより、複数の電力用半導体素子の過電流状態を検出することができる。この結果、簡易な構成で並列接続された複数の電力用半導体素子の過電流状態を検出することができる。
実施の形態2.
実施の形態2では、本実施の形態に係る駆動回路110,210の他の構成例について説明する。なお、図4では、電力用半導体素子100の駆動回路110Aのみが示されているが、電力用半導体素子200の駆動回路210にも適用され得る。
実施の形態2では、本実施の形態に係る駆動回路110,210の他の構成例について説明する。なお、図4では、電力用半導体素子100の駆動回路110Aのみが示されているが、電力用半導体素子200の駆動回路210にも適用され得る。
図4を参照して、駆動回路110Aは、電力用半導体素子100を駆動させる回路であって、ゲート電流検出部311、制御指令部112、微分器113、第1の比較器114、積分器115、第2の比較器116、および論理演算器117を含む。駆動回路110Aは、図1に示した駆動回路110と比較して、ゲート電流検出部111に代えて、ゲート電流検出部311を備える点が異なる。駆動回路110Aのその他の部分の構成は図1の駆動回路110と同じであるため、詳細な説明は繰返さない。
ゲート電流検出部311は、抵抗素子3111、電圧検出器3112および演算器3113を含む。ゲート電流検出部311は「電流検出器」の一実施例に対応する。
抵抗素子3111は、制御指令部112の出力端子および電力用半導体素子100のゲート端子100gの間に電気的に接続される。制御指令部112からターンオン指令を受けてゲート端子100gにゲート電流igが流入すると、抵抗素子3111の端子間には、抵抗素子3111の抵抗値Rにゲート電流igを乗じた大きさの電圧が生じる。
電圧検出器3112は、抵抗素子3111の端子間電圧E1を検出する。電圧検出器3112には一般的な電圧計を用いることができる。電圧検出器3112は、検出された電圧を示す信号E1を出力する。
演算器3113は、電圧検出器3112による検出値E1を抵抗素子3111の抵抗値Rで除することにより、ゲート電流igを算出する。演算器3113は、検出されたゲート電流igに応じた電圧Eを示す信号を出力する。
実施の形態1で説明したように、微分器113および第1の比較器114は、ゲート電流igに応じた電圧Eを時間微分した微分値Dと第1の基準値REF1(=0)とを比較して、比較結果を表す信号S11を出力する。積分器115および第2の比較器116は、電圧Eを時間積分した積分値Iと第2の基準値REF2とを比較して、比較結果を表す信号S12を出力する。論理演算器117は、第1の比較器114の出力信号S11と第2の比較器116の出力信号S12との論理積を表す信号SS1000を出力する。信号SS1000は、電力用半導体素子100が導通状態となるタイミングでLレベルからHレベルに遷移する信号である。
したがって、実施の形態2に係る駆動装置1においても、並列接続される電力用半導体素子100,200の各々の駆動回路110Aは、対応する電力用半導体素子のゲート電流igの微分値Dおよび積分値Eに基づいて、当該電力用半導体素子のミラー期間を検知することにより、当該電力用半導体素子が導通状態となるタイミングを検知することができる。そして、各駆動回路により検知された各電力用半導体素子が導通状態となるタイミングの時間差に基づいて、電力用半導体素子100,200の過電流状態を検出することができる。したがって、簡易な構成で電力用半導体素子100,200の過電流状態を検出することができる。
実施の形態3.
図1および図4に示した駆動回路110,110Aにおいて、積分器115は、上記式(1)を用いることにより、ゲート電流igを時間積分した積分値をゲート・ソース間容量Cgsで除算した値に基づいて、ゲート電圧Vgsを算出することができる。
図1および図4に示した駆動回路110,110Aにおいて、積分器115は、上記式(1)を用いることにより、ゲート電流igを時間積分した積分値をゲート・ソース間容量Cgsで除算した値に基づいて、ゲート電圧Vgsを算出することができる。
ここで、ゲート・ソース間容量Cgsは、ゲート電圧Vgsに依存することが知られている。図5に、MOSFETのゲート・ソース間容量Cgsのゲート電圧Vgs依存性の一例を示す。図5を参照して、ゲート・ソース間容量Cgsは、ゲート電圧Vgsが0V近傍を最小値として、ゲート電圧Vgsの絶対値が大きくなるにつれて容量値が大きくなる特性を有している。そのため、式(1)中のCgsを固定値とした場合、ゲート電圧Vgsの演算値と実際のゲート電圧Vgsとの間にずれが生じてしまうことが懸念される。
そこで、式(1)中のCgsをゲート電圧Vgsの関数として扱うことで、ゲート電圧Vgsの演算精度を向上させることができる。ゲート電圧Vgsの演算精度が高められることで、電力用半導体素子のミラー期間の検知精度を高めることができる。したがって、電力用半導体素子100,200の過電流状態を精度良く検出することが可能となる。
実施の形態4.
上述した実施の形態1では、並列接続される2個の電力用半導体素子100,200を駆動する駆動装置1の構成例について説明したが、本開示に係る駆動装置1は、図6に示すような、並列接続されるN個(Nは2以上の整数)の電力用半導体素子を駆動する駆動装置に対して適用することが可能である。
上述した実施の形態1では、並列接続される2個の電力用半導体素子100,200を駆動する駆動装置1の構成例について説明したが、本開示に係る駆動装置1は、図6に示すような、並列接続されるN個(Nは2以上の整数)の電力用半導体素子を駆動する駆動装置に対して適用することが可能である。
図6は、実施の形態4に係る電力用半導体素子の駆動装置の構成を示す図である。図6を参照して、実施の形態4に係る駆動装置1は、N個の電力用半導体素子100〜N00をそれぞれ駆動するN個の駆動回路110〜N10を備える。
N個の駆動回路110〜N10は共通の構成を有しており、対応する電力用半導体素子のゲート電流igの微分値Dおよび積分値Iに基づいて、信号SS100〜SSN00をそれぞれ出力するように構成される。
判定器1000は、駆動回路110〜N10から信号SS100〜SSN00をそれぞれ受けると、信号SS100〜SSN00を比較することにより、電力用半導体素子100〜N00のいずれかが過電流状態か否かを判定する。具体的には、判定器1000は、信号SS100〜SSN00について、信号がLレベルからHレベルに遷移するタイミングを比較する。
図7は、判定器1000における判定動作を説明するための図である。図7では、電力用半導体素子100〜N00のゲート端子にターンオン指令が入力された時刻t0から、最初に、信号SS100がHレベルに遷移した場合を想定する。
判定器1000は、信号SS100がHレベルに遷移した時刻t11を記憶する。そして、判定器1000は、記憶した時刻t11から閾値時間ΔTthが経過する時刻txまでの間、残りの(N−1)個の信号SS200〜SSN00がHレベルに遷移することを待つ。
時刻txまでに(N−1)個の信号SS200〜SSN00が全てHレベルに遷移した場合、判定器1000は、電力用半導体素子100〜N00が過電流状態ではないと判定し、電力用半導体素子100〜N00が正常であることを示す「L」レベルの信号S1000を出力する。判定器1000の出力信号S1000は、駆動回路110〜N00の各々の制御指令部に入力される。各制御指令部は、判定器1000から「L」レベルの信号S1000を受けると、対応する電力用半導体素子をオン状態に保持する。そして、外部からオフ指令が入力されると、ターンオフ指令を対応する電力用半導体素子のゲート端子へ出力する。
これに対して、図7に示すように、記憶した時刻t11から閾値時間ΔTthが経過した時刻txにおいて、(N−1)個の信号SS200〜SSN00のうち少なくとも1つがHレベルに遷移していない場合、言い換えれば、時刻txにおいて信号SS100〜SSN00の全てがHレベルに遷移していない場合には、判定器1000は、電力用半導体素子100〜N00が過電流状態であると判定し、電力用半導体素子100〜N00が過電流状態であることを示す「H」レベルの信号S1000を出力する。各制御指令部は、判定器1000から「H」レベルの信号S1000を受けると、対応する電力用半導体素子を遮断するために、電力用半導体素子のゲート端子に対してターンオフ指令を出力する。これにより、電力用半導体素子100〜N00は全てオフ状態となる。
本実施の形態4に係る駆動装置1によれば、並列接続されるN個の電力用半導体素子の各々が導通状態となるタイミングを、ゲート電流igに基づいて簡易な構成で検知することができるため、電力変換器の大容量化に伴なって並列接続される電力用半導体素子の個数が増大した場合においても、駆動装置が大型化および高コスト化することを抑制することができる。
本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 駆動装置、100,200 電力用半導体素子、100d,200d ドレイン端子、100s,200s ソース端子、100g,200g ゲート端子、110,110A,210 駆動回路、111,311 ゲート電圧検出部、113,213 微分器、114,214 第1の比較器、115,215 積分器、116,216 第2の比較器、117,217 論理演算器、1000 判定器、112,212 制御指令部、3111 抵抗素子、3112 電圧検出器、3113 演算器、REF1 第1の基準値、REF2 第2の基準値、D 微分値、I 積分値。
Claims (8)
- 並列接続された複数の電力用半導体素子を駆動する駆動装置であって、
前記複数の電力用半導体素子の各々は、第1の端子、第2の端子およびゲート端子を有しており、
前記複数の電力用半導体素子をそれぞれ駆動する複数の駆動回路を備え、
前記複数の駆動回路の各々は、
対応する電力用半導体素子のターンオン指令を出力する制御指令部と、
前記制御指令部が前記ターンオン指令を出力してから前記電力用半導体素子の前記ゲート端子に流入するゲート電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された前記ゲート電流を時間微分する微分器と、
前記電流検出器により検出された前記ゲート電流を時間積分する積分器とを含み、
各前記複数の駆動回路における前記微分器による微分値および前記積分器による積分値に基づいて、前記複数の電力用半導体素子のいずれかが過電流状態か否かを判定する判定器をさらに備える、電力用半導体素子の駆動装置。 - 各前記複数の駆動回路は、前記微分器による微分値および前記積分器による積分値に基づいて、前記電力用半導体素子の前記第1の端子および前記第2の端子間が導通するタイミングを検知して、検知信号を出力するように構成され、
前記判定器は、各前記複数の駆動回路から出力される前記検知信号に基づいて、前記複数の電力用半導体素子のいずれかが過電流状態か否かを判定する、請求項1に記載の電力用半導体素子の駆動装置。 - 各前記複数の駆動回路は、前記微分器による微分値および前記積分器による積分値に基づいて、前記電力用半導体素子のミラー期間を検知する、請求項2に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
- 各前記複数の駆動回路は、前記積分器による積分値が基準値より大きく、かつ、前記微分器による微分値が負から正となるタイミングに基づいて、前記ミラー期間を検知する、請求項3に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
- 前記判定器は、前記複数の駆動回路間における前記検知信号の時間差に基づいて、前記複数の電力用半導体素子のいずれかが過電流状態か否かを判定する、請求項2から4のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
- 前記判定器は、前記複数の駆動回路のうち最初の駆動回路の前記検知信号を受信した時刻から閾値時間が経過した時点において前記複数の駆動回路の全ての前記検知信号の受信が完了していない場合、前記過電流状態と判定する、請求項5に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
- 前記積分器は、前記電流検出器により検出された前記ゲート電流を時間積分した積分値を前記ゲート端子および前記第2の端子間の容量で除算した値に基づいて、前記電力用半導体素子のゲート電圧を算出する、請求項1から6のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
- 前記積分器は、前記ゲート端子および前記第2の端子間の容量を、前記電力用半導体素子のゲート電圧の関数として扱う、請求項7に記載の電力用半導体素子の駆動装置。
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