(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子に印加するゲート電圧の制御方法であって、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、前記ゲート電圧を印加する両端の端子を短絡すること
を含むことを特徴とするゲート電圧の制御方法。
【請求項２】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子に印加するゲート電圧の制御方法であって、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、負極性のゲート電圧と正極性のゲート電圧を交互に印加すること
を含むことを特徴とするゲート電圧の制御方法。
【請求項３】
前記負極性のゲート電圧は、前記スイッチング素子をターンオフする電圧であること
を特徴とする請求項２に記載のゲート電圧の制御方法。
【請求項４】
前記負極性のゲート電圧は、前記スイッチング素子をターンオフする電圧よりも絶対値が小さい電圧であること
を特徴とする請求項２に記載のゲート電圧の制御方法。
【請求項５】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子に印加するゲート電圧の制御方法であって、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、前記スイッチング素子をターンオフする電圧よりも絶対値が小さい負極性のゲート電圧を印加すること
を含むことを特徴とするゲート電圧の制御方法。
【請求項６】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子にゲート電圧を印加するゲート駆動回路であって、
前記ゲート電圧を印加する両端の端子を短絡する短絡手段と、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、前記短絡手段により前記両端の端子を短絡する制御をする制御手段と
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項７】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子にゲート電圧を印加するゲート駆動回路であって、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、負極性のゲート電圧と正極性のゲート電圧を交互に印加する制御をする制御手段
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項８】
前記制御手段は、前記スイッチング素子をターンオフする電圧を前記負極性のゲート電圧として印加すること
を特徴とする請求項７に記載のゲート駆動回路。
【請求項９】
前記制御手段は、前記スイッチング素子をターンオフする電圧よりも絶対値が小さい電圧を前記負極性のゲート電圧として印加すること
を特徴とする請求項７に記載のゲート駆動回路。
【請求項１０】
負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子にゲート電圧を印加するゲート駆動回路であって、
前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、前記スイッチング素子をターンオフする電圧よりも絶対値が小さい負極性のゲート電圧を印加する制御をする制御手段
を備えることを特徴とするゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲート電圧の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スイッチング素子を駆動するには、ゲート電圧を印加する。スイッチング素子をターンオンする場合は、正極性のゲート電圧を印加し、スイッチング素子をターンオフする場合は、負極性のゲート電圧を印加する（特許文献１参照）。
【０００３】
また、装置の停止中も、誤動作を防止する為に、スイッチング素子に比較的大きな負極性のゲート電圧を印加することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５２７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スイッチング素子によっては、負極性のゲート電圧を長時間印加すると、閾値電圧（スレッショルド電圧）が低下するものがある。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を半導体材料とするＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ(metal oxide semiconductor field-effect transistor)などである。スイッチング素子の閾値電圧が低下すると、誤動作の原因となり、問題となる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、スイッチング素子の閾値電圧が装置の停止中に低下することを防止することのできるゲート電圧の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観点に従ったゲート電圧の制御方法は、負極性のゲート電圧が印加されると閾値電圧が低下するスイッチング素子に印加するゲート電圧の制御方法であって、前記スイッチング素子を含む回路が停止中の場合、前記ゲート電圧を印加する両端の端子を短絡することを含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スイッチング素子の閾値電圧が装置の停止中に低下することを防止することのできるゲート電圧の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパワーデバイスユニットの構成を示す構成図。
【図２】第１の実施形態に係るパワーデバイスユニットが適用された電力変換システムの構成を示す構成図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るパワーデバイスユニットの構成を示す構成図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るパワーデバイスユニットの構成を示す構成図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るパワーデバイスユニットの構成を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るパワーデバイスユニット１の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係るパワーデバイスユニット１が適用された電力変換システム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１１】
電力変換システム１０は、交流電源１１から供給される交流電力を交流負荷１４に供給するための交流電力に電力変換するシステムである。なお、図２では、三相交流の電力変換システムを示したが、これに限らず、パワーデバイスユニット１をどのようなシステム（又は装置）に実装してもよい。
【００１２】
電力変換システム１０は、交流電源１１、コンバータ１２、インバータ１３、交流負荷１４、遮断器１５、コンデンサ１６、直流電圧検出器１７、及び制御装置１８を備える。
【００１３】
交流電源１１は、遮断器１５を介して、コンバータ１２の交流側に接続されている。交流電源１１は、コンバータ１２に交流電力を供給する。遮断器１５を開放すると、交流電源１１からコンバータ１２への電力供給が停止する。電力変換システム１０を停止させる場合、遮断器１５は開放される。
【００１４】
コンバータ１２の直流側は、インバータ１３の直流側と接続されている。コンバータ１２の電力変換回路は、パワーデバイスユニット１で構成されている。コンバータ１２は、交流電源１１から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をインバータ１３に供給する。
【００１５】
インバータ１３の交流側には、交流負荷１４が接続されている。インバータ１３の電力変換回路は、パワーデバイスユニット１で構成されている。インバータ１３は、コンバータ１２から供給された直流電力を交流負荷１４に適した交流電力に変換する。インバータ１３は、変換した交流電力を交流負荷１４に供給する。
【００１６】
コンデンサ１６は、コンバータ１２とインバータ１３の直流側同士を接続する直流リンクに設けられている。コンデンサ１６は、直流リンクに印加される直流電圧Ｖｄを平滑化する。
【００１７】
直流電圧検出器１７は、コンデンサ１６（直流リンク）の直流電圧Ｖｄを検出する。直流電圧検出器１７は、検出した直流電圧Ｖｄを制御装置１８に出力する。
【００１８】
制御装置１８は、コンバータ１２及びインバータ１３を制御する装置である。制御装置１８は、コンバータ１２及びインバータ１３のそれぞれの電力変換回路を構成するパワーデバイスユニット１を駆動する。なお、ここでは、制御装置１８の電力変換システム１０を電力変換運転させるための構成については、詳しい説明を省略する。
【００１９】
制御装置１８は、電力変換システム１０（又は、パワーデバイスユニット１を含む電力変換回路）が停止中であると判断した場合、電力変換システム１０が停止中であることを示す停止信号ＳＴを各パワーデバイスユニット１に出力する。例えば、制御装置１８は、遮断器１５から開放状態を示す信号ＯＰを受信し、かつ直流電圧検出器１７により検出された直流電圧Ｖｄがほぼ零であると判断した場合、電力変換システム１０が停止中であると判断する。なお、制御装置１８は、どのような方法で、電力変換システム１０が停止中であることを判断してもよい。
【００２０】
パワーデバイスユニット１は、ゲート駆動回路２、スイッチング素子３、及び逆並列ダイオード４を備える。
【００２１】
スイッチング素子３は、電力変換するためのスイッチング動作をさせる素子である。また、スイッチング素子３は、負極性のゲート電圧Ｖｇが長時間印加されると、閾値電圧が低下する半導体素子である。例えば、スイッチング素子３は、炭化ケイ素を半導体材料とするＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴなどである。スイッチング素子３には、逆並列ダイオード４が接続されている。
【００２２】
ゲート駆動回路２は、制御装置１８からの指令に基づいて、スイッチング素子３のゲートにゲート電圧Ｖｇを出力する。なお、ここでは、ゲート駆動回路２のスイッチング素子３を電力変換するために駆動する構成については、詳しい説明を省略する。
【００２３】
ゲート駆動回路２は、正極用電源２１、負極用電源２２、正極用スイッチ２３、負極用スイッチ２４、停止時用スイッチ２５、及び制御部２６を備える。
【００２４】
正極用電源２１は、スイッチング素子３をターンオンするための正極性のゲート電圧Ｖｇを出力する直流電源である。正極用電源２１の電源電圧は、閾値電圧よりも高い電圧である。ここでは、正極用電源２１の電源電圧は、＋１８Ｖとする。
【００２５】
負極用電源２２は、スイッチング素子３をターンオフするための負極性のゲート電圧Ｖｇを出力する直流電源である。ここでは、負極用電源２２の電源電圧は、−１０Ｖとする。
【００２６】
正極用スイッチ２３は、正極用電源２１から出力された正極性のゲート電圧Ｖｇをスイッチング素子３のゲートに印加するためのスイッチである。正極用スイッチ２３がオンすると、スイッチング素子３がターンオンする。
【００２７】
負極用スイッチ２４は、負極用電源２２から出力された負極性のゲート電圧Ｖｇをスイッチング素子３のゲートに印加するためのスイッチである。負極用スイッチ２４がオンすると、スイッチング素子３がターンオフする。
【００２８】
停止時用スイッチ２５は、ゲート電圧Ｖｇを印加する両端の端子を短絡して、ゲート電圧Ｖｇを零にするためのスイッチである。スイッチング素子３がＭＯＳＦＥＴの場合、停止時用スイッチ２５は、ゲート・ソース間を短絡するように設けられている。電力変換システム１０が停止している場合に、停止時用スイッチ２５がオンされる。
【００２９】
制御部２６は、制御装置１８などの外部の装置から入力された情報に基づいて、ゲート駆動回路２を制御する。制御部２６は、制御装置１８などから受信した指令値に基づいて、コンバータ１２又はインバータ１３から所望の出力をさせるために、スイッチング素子３をスイッチング動作させるためのゲート電圧Ｖｇを印加する制御をする。制御部２６は、制御装置１８から停止信号ＳＴを受信すると、スイッチング素子３の誤動作を防止するための制御をする。
【００３０】
次に、電力変換システム１０が停止した場合の制御部２６による制御について説明する。
【００３１】
電力変換システム１０が停止すると、制御部２６は、制御装置１８から停止信号ＳＴを受信する。制御部２６は、停止信号ＳＴを受信すると、正極用スイッチ２３及び負極用スイッチ２４をそれぞれオフにするための操作信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。これにより、正極用スイッチ２３及び負極用スイッチ２４が共にオフになるため、正極用電源２１及び負極用電源２２から出力されるゲート電圧Ｖｇは、スイッチング素子３に印加されない。次に、制御部２６は、停止時用スイッチ２５をオンするための操作信号Ｓ３を出力する。これにより、停止時用スイッチ２５がオンされることで、ゲート電圧Ｖｇを印加する両端の端子が短絡されるため、スイッチング素子３に印加されるゲート電圧Ｖｇは、確実に零になる。
【００３２】
本実施形態によれば、ゲート電圧Ｖｇを印加する両端の端子を短絡するように停止時用スイッチ２５を設け、電力変換システム１０の停止中は、停止時用スイッチ２５をオンにすることで、ゲート電圧Ｖｇを確実に零にすることができる。これにより、スイッチング素子３の誤動作を防止することができる。
【００３３】
また、停止時用スイッチ２５を用いることで、誤動作を防止するために負極性のゲート電圧Ｖｇを印加する必要がない。従って、電力変換システム１０の停止中に、スイッチング素子３のゲートに負極性のゲート電圧Ｖｇを印加しないため、閾値電圧が低下することもない。
【００３４】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係るパワーデバイスユニット１Ａの構成を示す構成図である。
【００３５】
パワーデバイスユニット１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係るパワーデバイスユニット１において、ゲート駆動回路２をゲート駆動回路２Ａに代えたものである。ゲート駆動回路２Ａは、第１の実施形態に係るゲート駆動回路２において、停止時用スイッチ２５を取り除き、制御部２６を制御部２６Ａに代えたものである。本実施形態のその他の点については、第１の実施形態と同様である。
【００３６】
次に、電力変換システム１０が停止した場合の制御部２６Ａによる制御について説明する。なお、その他の点は、第１の実施形態に係る制御部２６と同様であるため、詳しい説明を省略する。
【００３７】
電力変換システム１０が停止すると、制御部２６Ａは、制御装置１８から停止信号ＳＴを受信する。制御部２６Ａは、停止信号ＳＴを受信すると、予め決められた所定の時間間隔で、正極用スイッチ２３と負極用スイッチ２４を交互にオンするように、操作信号Ｓ１ａ，Ｓ２ａを出力する。これにより、ゲート電圧Ｖｇは、正極性と負極性に交互に振られる。このとき、制御部２６Ａは、ゲート電圧Ｖｇが負極性になる時間が多くなるように、２つのスイッチ２３，２４を交互にオンしてもよい。制御部２６Ａは、停止信号ＳＴを受信することで、電力変換システム１０の直流電圧Ｖｄが零であることを確認している。よって、スイッチング素子３が任意のタイミングでターンオンしても問題はない。なお、制御部２６Ａは、直流電圧検出器１７から制御装置１８を介さずに直流電圧Ｖｄを直接計測して、直流電圧Ｖｄが零であることを検出してもよい。
【００３８】
本実施形態によれば、電力変換システム１０の停止中は、ゲート電圧Ｖｇを正極性と負極性に交互に振るようにすることで、負極性のゲート電圧Ｖｇを長時間印加することによる閾値電圧の低下を抑制することができる。仮に、負極性のゲート電圧Ｖｇを印加することにより、閾値電圧が低下したとしても、閾値電圧よりも高い正極性のゲート電圧Ｖｇを印加することで、閾値電圧が元の値まで戻ることが期待できる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係るパワーデバイスユニット１Ｂの構成を示す構成図である。
【００４０】
パワーデバイスユニット１Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係るパワーデバイスユニット１において、ゲート駆動回路２をゲート駆動回路２Ｂに代えたものである。ゲート駆動回路２Ｂは、第１の実施形態に係るゲート駆動回路２において、停止時用電源２７を設け、停止時用スイッチ２５を停止時用スイッチ２５Ｂに代え、制御部２６を制御部２６Ｂに代えたものである。本実施形態のその他の点については、第１の実施形態と同様である。
【００４１】
停止時用電源２７は、電力変換システム１０の停止中に、ゲート電圧Ｖｇを印加するための直流電源である。停止時用電源２７の電源電圧は、負極用電源２２の電源電圧よりも絶対値が小さい負極性の電圧である。ここでは、停止時用電源２７の電源電圧は、−５Ｖとする。
【００４２】
停止時用スイッチ２５Ｂは、停止時用電源２７から出力されたゲート電圧Ｖｇをスイッチング素子３のゲートに印加するためのスイッチである。停止時用スイッチ２５Ｂがオンすると、停止時用電源２７の電源電圧がゲート電圧Ｖｇとして、スイッチング素子３のゲートに印加される。
【００４３】
次に、電力変換システム１０が停止した場合の制御部２６Ｂによる制御について説明する。なお、その他の点は、第１の実施形態に係る制御部２６と同様であるため、説明を省略する。
【００４４】
電力変換システム１０が停止すると、制御部２６Ｂは、制御装置１８から停止信号ＳＴを受信する。制御部２６Ｂは、停止信号ＳＴを受信すると、第１の実施形態と同様に、操作信号Ｓ１，Ｓ２を出力して、正極用スイッチ２３及び負極用スイッチ２４を共にオフにする。これにより、正極用電源２１及び負極用電源２２から出力されるゲート電圧Ｖｇは、スイッチング素子３に印加されない。次に、制御部２６Ｂは、停止時用スイッチ２５Ｂをオンするための操作信号Ｓ３ｂを出力する。これにより、ターンオフするよりも絶対値が小さい負極性のゲート電圧Ｖｇが停止時用電源２７からスイッチング素子３のゲートに印加される。
【００４５】
本実施形態によれば、停止時用スイッチ２５Ｂ及び停止時用電源２７を設け、電力変換システム１０の停止中は、停止時用スイッチ２５Ｂをオンにして、停止時用電源２７から出力される負極性のゲート電圧Ｖｇをスイッチング素子３に印加することで、スイッチング素子３の誤動作を防止することができる。
【００４６】
また、停止時用電源２７の電源電圧をターンオフするための負極用電源２２の電源電圧よりも絶対値を小さくすることで、スイッチング素子３のゲートに負極性のゲート電圧Ｖｇをある程度長時間印加しても、閾値電圧の低下を抑制することができる。
【００４７】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係るパワーデバイスユニット１Ｃの構成を示す構成図である。
【００４８】
パワーデバイスユニット１Ｃは、図４に示す第３の実施形態に係るパワーデバイスユニット１Ｂにおいて、ゲート駆動回路２Ｂをゲート駆動回路２Ｃに代えたものである。ゲート駆動回路２Ｃは、第３の実施形態に係るゲート駆動回路２Ｂにおいて、制御部２６Ｂを制御部２６Ｃに代えたものである。本実施形態のその他の点については、第３の実施形態と同様である。
【００４９】
次に、電力変換システム１０が停止した場合の制御部２６Ｃによる制御について説明する。なお、その他の点は、第３の実施形態に係る制御部２６Ｂと同様であるため、詳しい説明を省略する。
【００５０】
電力変換システム１０が停止すると、制御部２６Ｃは、制御装置１８から停止信号ＳＴを受信する。制御部２６Ｃは、停止信号ＳＴを受信すると、第１の実施形態と同様に、操作信号Ｓ２を出力して、負極用スイッチ２４をオフにする。次に、制御部２６Ｃは、予め決められた所定の時間間隔で、正極用スイッチ２３と停止時用スイッチ２５Ｂを交互にオンするように、操作信号Ｓ１ｃ，Ｓ３ｃを出力する。これにより、ゲート電圧Ｖｇは、正極性と負極性に交互に振られる。このとき、制御部２６Ｃは、ゲート電圧Ｖｇが負極性になる時間が多くなるように、２つのスイッチ２３，２５Ｂを交互にオンしてもよい。ここで、制御部２６Ｃは、停止信号ＳＴを受信することで、電力変換システム１０の直流電圧Ｖｄが零であることを確認している。よって、スイッチング素子３がターンオンしても問題はない。なお、制御部２６Ｃは、直流電圧検出器１７から制御装置１８を介さずに直流電圧Ｖｄを直接計測して、直流電圧Ｖｄが零であることを検出してもよい。
【００５１】
本実施形態によれば、電力変換システム１０の停止中は、ゲート電圧Ｖｇを正極性と負極性に交互に振るようにすることで、負極性のゲート電圧Ｖｇを長時間印加することによる閾値電圧の低下を抑制することができる。仮に、負極性のゲート電圧Ｖｇを印加することにより、閾値電圧が低下したとしても、閾値電圧よりも高い正極性のゲート電圧Ｖｇを印加することで、閾値電圧が元の値まで戻ることが期待できる。
【００５２】
また、電力変換システム１０の停止中に印加する負極性のゲート電圧Ｖｇは、ターンオフするために印加する負極性のゲート電圧Ｖｇよりも絶対値が小さい。従って、スイッチング素子３のゲートに負極性のゲート電圧Ｖｇをある程度長時間印加しても、閾値電圧の低下を抑制することができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…パワーデバイスユニット、２…ゲート駆動回路、３…スイッチング素子、４…逆並列ダイオード、２１…正極用電源、２２…負極用電源、２３…正極用スイッチ、２４…負極用スイッチ、２５…停止時用スイッチ、２６…制御部、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…操作信号。
【図１】
0006007168.tif 000002
【図２】
0006007168.tif 000003
【図３】
0006007168.tif 000004
【図４】
0006007168.tif 000005
【図５】
0006007168.tif 000006