(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧駆動形半導体デバイスから構成される電力変換装置であって、該半導体デバイスをオン・オフさせるゲート駆動回路において、
前記半導体デバイスのソース端子又はエミッタ端子に、負極側端子又は中間電位端子を接続したゲート電源と、
抵抗とトランジスタの直列回路を複数組並列接続した第１並列回路と、
抵抗とトランジスタの直列回路を複数組並列接続した第２並列回路と、
前記半導体デバイスをオン・オフさせる外部からの指令信号と、前記第１並列回路及び第２並列回路それぞれを構成するいずれか１個又は複数個のトランジスタを選択する外部からの選択信号とに基づき、当該するそれぞれのトランジスタにベース信号を与える指令選択回路とを備え、
前記第１並列回路を前記ゲート電源の正極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続し、前記第２並列回路を該ゲート電源の負極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続したことを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項２】
電圧駆動形半導体デバイスから構成される電力変換装置であって、該半導体デバイスをオン・オフさせるゲート駆動回路において、
前記半導体デバイスのソース端子又はエミッタ端子に、負極側端子又は中間電位端子を接続したゲート電源と、
抵抗とスイッチ素子の並列回路を複数組直列接続した回路に第１トランジスタを直列接続した第１直列回路と、
抵抗とスイッチ素子の並列回路を複数組直列した回路に第２トランジスタを直列接続した第２直列回路と、
前記半導体デバイスをオン・オフさせる外部からの指令信号に基づき前記第１トランジスタ及び第２トランジスタにベース信号を与え、前記第１直列回路及び第２直列回路の並列回路それぞれを構成するいずれか１個又は複数個のスイッチ素子を選択する外部からの選択信号に基づきそれぞれのスイッチ素子をオン又はオフさせる指令・選択回路とを備え、
前記第１直列回路を前記ゲート電源の正極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続し、前記第２直列回路を該ゲート電源の負極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続したことを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置のゲート駆動回路において、
前記電力変換装置の出力電流又は出力電力又は前記半導体デバイスの温度の内少なくともいずれか１つの検出値に基づいて、前記選択信号を演算する選択信号演算回路を付加したことを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータなどの電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体デバイスのゲート駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、この種の電力変換装置として、代表的なインバータのブロック構成図である。
図７において、１は商用電源、２はインバータ１０の負荷であり、インバータ１０は、商用電源１の交流を直流に変換する整流器１１と、整流器１１の出力の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１２と、平滑コンデンサ１２の両端の直流電圧を所望の電圧・周波数の交流電圧に変換するインバータ主回路１３と、インバータ主回路１３を構成する電圧駆動形半導体デバイスとしての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、単にＩＧＢＴと称する）をオン・オフさせるゲート信号を生成するゲート駆動回路１４と、ゲート駆動回路１４にＩＧＢＴをオン・オフさせる指令信号を出力するインバータ制御回路１５とから構成されている。
【０００３】
図８は、インバータ主回路１３を構成するＩＧＢＴの１素子当たりのゲート駆動回路の詳細回路構成図である。
図８において、２１はインバータ制御回路１５からの前記指令信号を、例えばホトカプラなどでインバータ主回路１３から絶縁して伝達する絶縁回路、２２は絶縁された指令信号からトランジスタ２３，２４のベース信号を生成する増幅器である。
【０００４】
また、２５はオン用ゲート抵抗、２６はオフ用ゲート抵抗であり、前記指令信号に基づきトランジスタ２３，２４が交互にオン・オフすることにより、オン用ゲート抵抗２５はトランジスタ２３がオンしたときにゲート電源２７からインバータ主回路１３のＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量を充電する際の充電抵抗の作用をし、この充電によりＩＧＢＴ１３ａがオンし、又オフ用ゲート抵抗２６はトランジスタ２４がオンしたときにＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量に蓄積された電荷を放電する際の放電抵抗の作用をし、この放電によりＩＧＢＴ１３ａはオフする。
【０００５】
図８に示したゲート駆動回路において、オン用ゲート抵抗及びオフ用ゲート抵抗と１ＧＢＴのスイッチング特性との関係は、例えばそれぞれの抵抗値を大きくするとＩＧＢＴのスイッチングが緩やかになり、その結果、該ＩＧＢＴの発生損失が大きくなるが、該ＩＧＢＴからアースへの漏れ電流は減り、該ＩＧＢＴからの発生ノイズが減少し、又それぞれの抵抗値を小さくすると、上述とは逆の特性になり逆の効果が得られることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の電力変換装置のゲート駆動回路では、オン用ゲート抵抗，オフ用ゲート抵抗ともに１種類ずつであり、それぞれの抵抗値によりＩＧＢＴのスイッチング特性が一義的に決定され、このインバータをユーザ側でＩＧＢＴのスイッチング特性を変更して、例えば該ＩＧＢＴからの発生ノイズをより減少させることなどが困難であった。
【０００７】
即ちこの発明の目的は、ユーザの個々の設置環境、運転条件（例えばＩＧＢＴのスイッチングを急峻にして該ＩＧＢＴの発生損失を減少させ、効率を良くすること、又はＩＧＢＴのスイッチングを緩やかにして該ＩＧＢＴからの発生ノイズを減少させ、外部機器の誤動作を防止することなど）に、所定の範囲内で適合させることを可能にした電力変換装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
電圧駆動形半導体デバイスから構成される電力変換装置であって、該半導体デバイスをオン・オフさせるゲート駆動回路において、
この第１の発明は、前記半導体デバイスのソース端子又はエミッタ端子に、負極側端子又は中間電位端子を接続したゲート電源と、抵抗とトランジスタの直列回路を複数組並列接続した第１並列回路と、抵抗とトランジスタの直列回路を複数組並列接続した第２並列回路と、前記半導体デバイスをオン・オフさせる外部からの指令信号と、前記第１並列回路及び第２並列回路それぞれを構成するいずれか１個又は複数個のトランジスタを選択する外部からの選択信号とに基づき、当該するそれぞれのトランジスタにベース信号を与える指令選択回路とを備え、前記第１並列回路を前記ゲート電源の正極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続し、前記第２並列回路を該ゲート電源の負極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続し、
又、第２の発明は、前記半導体デバイスのソース端子又はエミッタ端子に、負極側端子又は中間電位端子を接続したゲート電源と、抵抗とスイッチ素子の並列回路を複数組直列接続した回路に第１トランジスタを直列接続した第１直列回路と、抵抗とスイッチ素子の並列回路を複数組直列接続した回路に第２トランジスタを直列接続した第２直列回路と、前記半導体デバイスをオン・オフさせる外部からの指令信号に基づき前記第１トランジスタ及び第２トランジスタにベース信号を与え、前記第１直列回路及び第２直列回路の並列回路それぞれを構成するいずれか１個又は複数個のスイッチ素子を選択する外部からの選択信号に基づきそれぞれのスイッチ素子をオン又はオフさせる指令・選択回路とを備え、前記第１直列回路を前記ゲート電源の正極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続し、前記第２直列回路を該ゲート電源の負極側端子と前記半導体デバイスのゲート端子との間に接続する。
【０００９】
さらに第３の発明は前記第１又は第２の発明において、前記電力変換装置の出力電流又は出力電力又は前記半導体デバイスの温度の内少なくともいずれか１つの検出値に基づいて、前記選択信号を演算する選択信号演算回路を付加する。
この発明によれば、ユーザ側からの要望若しくは、電力変換装置内部での検出値あるいは演算結果に基づいた選択信号によるオン又はオフ用ゲート抵抗で、電力変換装置を構成する電圧制御形半導体デバイスのゲート端子とソース端子又はエミッタ端子間の容量に充放電を行い、この充放電により該半導体デバイスがスイッチングされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施例を示す電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図であり、例えば図７に示したインバータ主回路１３を構成するＩＧＢＴの１素子当たりのゲート駆動回路に適用される。
図１において、３１はインバータ制御回路など外部からの指令信号と選択信号とを、例えばホトカプラなどでインバータ主回路１３から絶縁して伝達する絶縁回路、３２は絶縁された指令信号と選択信号とからトランジスタ３３〜４０それぞれのベース信号（Ａ０  〜Ａ３  ，Ｂ０  〜Ｂ３  ）を生成する指令選択回路である。また、４１〜４４はオン用ゲート抵抗、４５〜４８はオフ用ゲート抵抗、４９は図８に示したゲート電源２７と同様のゲート電源である。
【００１１】
図１に示した実施例では、オン用ゲート抵抗値及びオフ用ゲート抵抗値ともに４種類の異なった値をオン用ゲート抵抗４１〜４４とオフ用ゲート抵抗４５〜４８とからそれぞれ選択できるようにし、また、トランジスタ３３〜３６とオン用ゲート抵抗４１〜４４とはこの発明の第１並列回路に相当し、トランジスタ３７〜４０とオフ用ゲート抵抗４５〜４８とはこの発明の第２並列回路に相当する。
【００１２】
図２は、図１に示した指令選択回路３２の詳細回路構成図である。
この指令選択回路３２では、選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  の絶縁回路３１を介した選択信号を例えば２進−４進デコータ素子からなるデコータ３２ａにより変換し、この変換値と絶縁回路３１を介した指令信号とを１組のインバータ素子と８組のアンド素子と４組の増幅器と４組の反転増幅器とからなるベース駆動回路３２ｂにより、トランジスタ３３〜４０それぞれのベース信号（Ａ０  〜Ａ３  ，Ｂ０  〜Ｂ３  ）を生成している。
【００１３】
図２の指令選択回路３２の動作を、図３に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明をする。
選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  それぞれが論理“Ｈ”信号か論理“Ｌ”信号かによりデコータ３２ａにより４通りに変換する。例えば図３（イ）では選択信号ＳＡ  が論理“Ｈ”信号、図３（ロ）では選択信号ＳＢ  が論理“Ｌ”信号状態なのでベース信号Ａ１  ，Ｂ１  が選択され、図３（ハ）に示す指令信号に基づいてトランジスタ３４とトランジスタ３８とにベース信号を与え、このベース信号に基づいてトランジスタ３４とトランジスタ３８とが交互にオン・オフし、図３（ニ）に示すようにオン用ゲート抵抗４２はトランジスタ３４がオンしたときにゲート電源４９からインバータ主回路１３のＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量を充電する際の充電抵抗の作用をし、この充電によりＩＧＢＴ１３ａがオンし、又オフ用ゲート抵抗４６はトランジスタ３８がオンしたときにＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量に蓄積された電荷を放電する際の放電抵抗の作用をし、この放電によりＩＧＢＴ１３ａはオフする。
【００１４】
例えば、オン用ゲート抵抗４１の抵抗値＜・・・＜オン用ゲート抵抗４４の抵抗値、同様にオフ用ゲート抵抗４５の抵抗値＜・・・＜オフ用ゲート抵抗４８の抵抗値と設定することにより、選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  それぞれが論理“Ｈ”信号か論理“Ｌ”信号かによりいずれかのオン用ゲート抵抗とオフ用ゲート抵抗を選択でき、さらに図示しないが、オン用ゲート抵抗とオフ用ゲート抵抗とをそれぞれ任意の複数個を選択して、それぞれに対応するトランジスタを指令信号に基づいてオン・オフさせることも可能である。また、この実施例ではそれぞれ４組の抵抗とトランジスタによる構成を示しているが、オン用，オフ用互いに異なった複数組の構成でもよい。
【００１５】
図４は、この発明の第２の実施例を示す電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図であり、例えば図７に示したインバータ主回路１３を構成するＩＧＢＴの１素子当たりのゲート駆動回路に適用され、図１，図２に示したこの発明の第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
図４において、指令・選択回路５１は絶縁回路３１で絶縁された指令信号からトランジスタ５２，５３それぞれのベース信号（Ａ，Ｂ）と、絶縁回路３１で絶縁された選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  からスイッチ素子５４〜６１にオン・オフさせる制御信号（Ｓ０  〜Ｓ３  ）とを出力する。また、６２〜６５はオン用ゲート抵抗、６６〜６９はオフ用ゲート抵抗である。
【００１６】
なお図４に示したスイッチ素子５４〜６１としては、トランジスタ，アナログスイッチ，リードリレーなどが適当である。
図４に示した実施例では、オン用ゲート抵抗値及びオフ用ゲート抵抗値ともに４種類の異なった値をオン用ゲート抵抗６２〜６５の直列接続回路とオフ用ゲート抵抗６６〜６９の直列接続回路とからそれぞれ選択できるようにし、また、トランジスタ５２とオン用ゲート抵抗６２〜６５とスイッチ素子５４〜５７とはこの発明の第１直列回路に相当し、トランジスタ５３とオフ用ゲート抵抗６６〜６９とスイッチ素子５８〜６１とはこの発明の第２直列回路に相当する。
【００１７】
図５は、図４に示した指令・選択回路４１の詳細回路構成図である。
この指令・選択回路５１では、選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  の絶縁回路３１を介した選択信号をデコータ５１ａにより変換し、この変換値により制御信号（Ｓ０  〜Ｓ３  ）を出力し、絶縁回路３１を介した指令信号をインバータ素子と増幅器と反転増幅器とからなるベース駆動回路５１ｂによりトランジスタ５２，５３のベース信号を生成している。
【００１８】
図５に示した指令・選択回路５１の動作を以下に説明をする。
選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  それぞれが論理“Ｈ”信号か論理“Ｌ”信号かによりデコータ３２ａにより４通りに変換する。例えば選択信号ＳＡ  が論理“Ｌ”信号、選択信号ＳＢ  が論理“Ｈ”信号のときには制御信号Ｓ２  が選択され、スイッチ素子５６，６０が開放し、残りのスイッチ素子は短絡状態となる。この状態で前記指令信号に基づいてトランジスタ５２とトランジスタ５３とにベース信号を与え、このベース信号に基づいてトランジスタ５２とトランジスタ５３とが交互にオン・オフし、オン用ゲート抵抗６４はトランジスタ５２がオンしたときにゲート電源４９からインバータ主回路１３のＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量を充電する際の充電抵抗の作用をし、この充電によりＩＧＢＴ１３ａがオンし、又オフ用ゲート抵抗６８はトランジスタ５３がオンしたときにＩＧＢＴ１３ａのゲート−エミッタ間の容量に蓄積された電荷を放電する際の放電抵抗の作用をし、この放電によりＩＧＢＴ１３ａはオフする。
【００１９】
例えば、オン用ゲート抵抗６２の抵抗値＜・・・＜オン用ゲート抵抗６５の抵抗値、同様にオフ用ゲート抵抗６６の抵抗値＜・・・＜オフ用ゲート抵抗６９の抵抗値と設定することにより、選択信号ＳＡ  ，ＳＢ  それぞれが論理“Ｈ”信号か論理“Ｌ”信号かによりいずれかのオン用ゲート抵抗とオフ用ゲート抵抗を選択でき、さらに図示しないがスイッチ素子を任意の複数個を選択するようにＳ０  〜Ｓ３  を出力することも可能である。また、この実施例ではそれぞれ４組の抵抗とスイッチ素子による構成を示しているが、オン用，オフ用互いに異なった複数組の構成でもよい。
【００２０】
図６は、この発明の第３の実施例を示すゲート駆動装置の部分回路構成図であり、図１又は図３に示したゲート駆動回路に付加され、指令信号を出力する指令信号演算回路の回路構成図である。
図６に示した指令信号演算回路７１では、図７に示したインバータ主回路１３の冷却フィンの温度を検知し、この検出値が判定値を越えたか否かをコンパレータ７１ａで比較し、検出値が判定値を越えたときには、それまでのオン用ゲート抵抗及びオフ用ゲート抵抗からオン用ゲート抵抗及びオフ用ゲート抵抗それぞれの抵抗値が小さくなるように選択信号を出力する切替回路７１ｂを備え、その結果、先述の如くインバータ主回路１３のＩＧＢＴの発生損失を低減させる。
【００２１】
【発明の効果】
インバータなどの電力変換装置のユーザが、該インバータの特性（例えば高効率タイプあるいは低ノイズタイプなど）を選択して運転することが可能となるので、広範囲な運転仕様に対応したものを１台のインバータで提供可能となる。
また該インバータの運転中に、このインバータ自身の内部判断によってオン用ゲート抵抗及びオフ用ゲート抵抗を切り換える機能も備えるので、電力変換装置の機能アップが図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図
【図２】図１に示した指令選択回路の詳細回路構成図
【図３】図２の動作説明図
【図４】この発明の第２の実施例を示す電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図
【図５】図４に示した指令・選択回路の詳細回路構成図
【図６】この発明の第３の実施例を示すゲート駆動回路の部分回路構成図
【図７】代表的な電力変換装置のブロック構成図
【図８】従来例を示す電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図
【符号の説明】
１      商用電源
２      負荷
１０      インバータ
１１      整流器
１２      平滑コンデンサ
１３      インバータ主回路
１３ａ    ＩＧＢＴ
１４      ゲート駆動回路
１５      インバータ制御回路
２１      絶縁回路
２２      増幅器
２３，２４    トランジスタ
２５      オン用ゲート抵抗
２６      オフ用ゲート抵抗
２７      ゲート電源
３１      絶縁回路
３２      指令選択回路
３２ａ    デコーダ
３２ｂ    ベース駆動回路
３３〜４０    トランジスタ
４１〜４４    オン用ゲート抵抗
４５〜４８    オフ用ゲート抵抗
４９      ゲート電源
５１      指令・選択回路
５１ａ    デコーダ
５１ｂ    ベース駆動回路
５２，５３    トランジスタ
５４〜６１    スイッチ素子
６２〜６５    オン用ゲート抵抗
６６〜６９    オフ用ゲート抵抗
７１      指令信号演算回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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