(57)【要約】【課題】外部に高耐圧用の素子を設けることなく、コレクタの状態を検出することができる半導体電力変換装置を提供することを課題とする。【解決手段】電力制御素子２のコレクタ２ｄの状態に基づいてゲート入力を制御して電力変換を行う半導体電力変換装置１であって、電力制御素子２のゲート２ａを分割して形成された入力部２ｂと、電力制御素子２のゲート２ａを分割して形成された状態検出部２ｃと、状態検出部２ｃとコレクタ２ｄ間の寄生容量を用いてコレクタ２ｄの状態を検出するコレクタ状態検出手段３を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2011103756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力制御素子のコレクタの状態に基づいてゲート入力を制御して電力変換を行う半導体電力変換装置であって、
前記電力制御素子のゲートを分割して形成された入力部と、
前記電力制御素子のゲートを分割して形成された状態検出部と、
前記状態検出部と前記コレクタ間の寄生容量を用いてコレクタの状態を検出するコレクタ状態検出手段
を備えることを特徴とする半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ[Insulated Gate Bipolar Transistor]は、高耐圧、大電流に適した半導体のため、少ないドライブ電力で高電力の制御が可能であり、直流高電圧を制御する場合などに利用されている。ＩＧＢＴの駆動制御では、コレクタ電圧（エミッタ−コレクタ間電圧）を検出し、コレクタ電圧に基づいてゲート電圧を制御している。特許文献１に記載の半導体電力変換装置では、ＩＧＢＴのコレクタに高圧側分圧抵抗と低圧側分圧抵抗が直列で接続されるとともにコンデンサが高圧側分圧抵抗に並列で接続され、この回路構成によってコレクタ電圧を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４４９３４号公報
【特許文献２】特開２００４−２３７５４号公報
【特許文献３】特開２００２−１７１７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように外部に素子を設けてコレクタ電圧を検出する場合、ＩＧＢＴでは直流高電圧を制御するので、それらの外部素子としては、高耐圧用の素子を使用しなければならない。また、素子間や配線間は絶縁耐圧を維持するために、一定以上の距離を確保する必要があり、抵抗等の素子ではその耐圧に応じて直列接続するなど部品点数を多く必要とする。特に、コレクタには非常に高いサージ電圧が入力される場合があるので、サージ電圧に十分に耐えることができる素子構成とする必要がある。
【０００５】
そこで、本発明は、外部に高耐圧用の素子を設けることなく、コレクタの状態を検出することができる半導体電力変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体電力変換装置は、電力制御素子のコレクタの状態に基づいてゲート入力を制御して電力変換を行う半導体電力変換装置であって、電力制御素子のゲートを分割して形成された入力部と、電力制御素子のゲートを分割して形成された状態検出部と、状態検出部とコレクタ間の寄生容量を用いてコレクタの状態を検出するコレクタ状態検出手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
この半導体電力変換装置では、電力制御素子のゲートが入力部と状態検出部に分割されている。入力部は、電力制御素子を制御するための入力を担うゲート部分である。状態検出部は、コレクタの状態を検出するためのゲート部分である。この状態検出部とコレクタとの間には寄生容量が存在し、コレクタ電圧が変化すると寄生容量に蓄えられる電荷も変化する。そこで、半導体電力変換装置では、コレクタ状態検出手段で状態検出部とコレクタ間の寄生容量に蓄えられる電荷を検出し、その寄生容量の電荷からコレクタの状態（例えば、電圧、サージ状態）を検出し、この検出したコレクタの状態に応じてゲート入力を制御する。このように、半導体電力変換装置では、分割したゲートとコレクタ間の寄生容量を利用してコレクタの状態を検出することにより、外部に高耐圧用の素子を設けることなくコレクタの状態を検出することができる。高耐圧用の素子を用いないので、コストを低減でき、小型化もできる。また、コレクタ電圧の変化が大きければ大きいほど（高電圧で使用すればするほど）、寄生容量の電荷の変化が大きくなるため、状態検出部とコレクタ間の寄生容量を少なくでき、その寄生容量に必要な状態検出部を小さくできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、分割したゲートとコレクタ間の寄生容量を利用してコレクタの状態を検出することにより、外部に高耐圧用の素子を設けることなくコレクタの状態を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成図である。
【図２】図１のコレクタ電圧検知回路の具体的な回路構成の一例である。
【図３】図１のコレクタ電圧検知回路の具体的な回路構成の他の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明に係る半導体電力変換装置の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
本実施の形態では、本発明に係る半導体電力変換装置を、車両に搭載されるＨＶ[HybridVehicle]用インバータに用いられる半導体電力変換装置に適用する。本実施の形態に係る半導体電力変換装置は、電力制御素子としてのＩＧＢＴを備えている。
【００１２】
図１〜図３を参照して、本実施の形態に係る半導体電力変換装置１について説明する。図１は、本実施の形態に係る半導体電力変換装置の構成図である。図２は、図１のコレクタ電圧検知回路の具体的な回路構成の一例である。図３は、図１のコレクタ電圧検知回路の具体的な回路構成の他の例である。
【００１３】
半導体電力変換装置１は、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧（エミッターコレクタ間電圧）をコレクタ電圧検知回路３で検知し、その検知したコレクタ電圧に基づいてゲート駆動・制御回路４でＩＧＢＴ２のゲート電圧を制御する。特に、半導体電力変換装置１では、外部に高耐圧用の素子を設けることなくコレクタ電圧を検知するために、ＩＧＢＴ２のゲートを分割し、分割したゲートとコレクタ間の寄生容量を用いてコレクタ電圧を検知する。なお、本実施の形態では、ＩＧＢＴ２が特許請求の範囲に記載する電力制御素子に相当し、コレクタ電圧検知回路３が特許請求の範囲に記載するコレクタ状態検出手段に相当する。
【００１４】
ＩＧＢＴ２は、絶縁ゲート型のバイポーラトランジスタであり、高耐圧・大電流に適したスイッチング素子である。ＩＧＢＴ２では、ゲート駆動・制御回路４によってゲート電圧が制御され、ゲート電圧がゲート閾値より高くなるとＯＮし、ゲート閾値より低くなるとＯＦＦする。ＩＧＢＴ２のゲート２ａは、素子製造時に分割され、本来のゲート電圧が入力される駆動用ゲート２ｂとコレクタ電圧の検知に用いる検知用ゲート２ｃが設けられている。なお、本実施の形態では、駆動用ゲート２ｂが特許請求の範囲に記載する入力部に相当し、検知用ゲート２ｃが特許請求の範囲に記載する状態検出部に相当する。
【００１５】
検知用ゲート２ｃとコレクタ２ｄ間には、寄生容量Ｃｇｃが存在する。この寄生容量Ｃｇｃをどの程度の容量にするかに応じて、検知用ゲート２ｃを形成する。コレクタ電圧の変化が大きければ大きいほど（ＩＧＢＴ２を高電圧で使用すればするほど）、寄生容量Ｃｇｃへの電荷の出入りが大きくなるため、寄生容量Ｃｇｃを少なくできる。例えば、５００〜１０００Ｖ程度の使用範囲において使用する場合、寄生容量Ｃｇｃとしては数ｐＦ程度かあるいはそれ以下の容量でコレクタ電圧を検知できる。したがって、寄生容量Ｃｇｃがこの程度の容量となるように検知用ゲート２ｃを形成する場合、本来のＩＧＢＴの駆動用のゲートに加える寄生容量Ｃｇｃのための検知用ゲート２ｃは極めて僅かであり（例えば、ＩＧＢＴ素子としての半導体チップ面積の数百分の一程度）、高電圧になればなるほど小さくできる。また、寄生容量Ｃｇｃは、ＩＧＢＴ素子本来の電圧耐量を持つため、特別な措置を取ることなく検知用ゲート２ｃを形成できる。
【００１６】
コレクタ電圧検知回路３は、ＩＧＢＴ２の検知用ゲート２ｃとコレクタ２ｄ間に存在する寄生容量Ｃｇｃを利用し、寄生容量Ｃｇｃへの電荷の出入りからコレクタ電圧（エミッタ２ｅ−コレクタ２ｄ間電圧）を検知する。コレクタ電圧検知回路３は、検知したコレクタ電圧（実際には、コレクタ電圧そのものではなく、コレクタ電圧に応じた値である）を示す出力値をゲート駆動・制御回路４に出力する。この検知されるコレクタ電圧の変化からサージ状態なども判る。コレクタ電圧検知回路３の２つの回路例として、コレクタ電圧検知回路３Ａとコレクタ電圧検知回路３Ｂを後で詳細に説明する。
【００１７】
ゲート駆動・制御回路４は、コレクタ電圧検知回路３から入力される出力値で示されるコレクタ電圧に基づいて、駆動信号ＤＳに応じてＩＧＢＴ２をＯＮ／ＯＦＦするための電圧をＩＧＢＴ２の駆動用ゲート２ｂに出力する。特に、ゲート駆動・制御回路４では、コレクタ電圧に基づいてゲート電圧を制御することにより、ＩＧＢＴ素子の過電圧保護やＯＮ／ＯＦＦ時のエミッターコレクタ間電圧変化率の制御などを行う。
【００１８】
図２を参照して、コレクタ電圧検知回路３Ａについて説明する。コレクタ電圧検知回路３Ａは、オペアンプ３０、コンデンサ３１、スイッチ３２、基準電圧源３３から構成される。オペアンプ３０の−入力端子には、ＩＧＢＴ２の検知用ゲート２ｃ（寄生容量Ｃｇｃ）が接続される。オペアンプ３０の−入力端子と出力端子間には、コンデンサ３１とスイッチ３２が並列で接続される。オペアンプ３０の＋入力端子には、基準電圧源３３が接続される。オペアンプ３０の出力端子とコンデンサ３１及びスイッチ３２との接続点は、ゲート駆動・制御回路４に接続される。
【００１９】
コレクタ電圧検知回路３Ａの動作について説明する。ＩＧＢＴ２がＯＮ／ＯＦＦする前に、スイッチ３２を一旦ＯＮし、検知のための電荷を蓄積するコンデンサ３１をリセットしておく。スイッチ３２をＯＦＦした後、ゲート駆動・制御回路４によるゲート電圧制御によってＩＧＢＴ２がＯＮ／ＯＦＦすると、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧が変化する。また、オペアンプ３０の作用によって検知用ゲート２ｃの電圧が基準電圧源３３の基準電圧Ｖｒｅｆに固定されるため（仮想接地されるため）、コレクタ電圧の変化に応じて検知用ゲート２ｃとコレクタ２ｄ間の寄生容量Ｃｇｃに蓄えられる電荷の変化が生じ、その変化電荷量がコンデンサ３１に移動する（コンデンサ３１に蓄えられる電荷が変化する）。そして、このコンデンサ３１の電荷の変化が、オペアンプ３０の出力電圧に反映される。この出力電圧を、ゲート駆動・制御回路４に出力する。
【００２０】
なお、寄生容量Ｃｇｃと同時に検知用ゲート２ｃとエミッタ２ｅ間にも寄生容量Ｃｇｅ（通常、Ｃｇｃ＜Ｃｇｅ）も存在するが、オペアンプ３０の仮想接地によって検知用ゲート２ｃとエミッタ２ｅ間の電圧は固定されているため、コレクタ電圧の検知には影響を与えない。また、基準電圧ＶｒｅｆはＩＧＢＴ２がＯＮするゲート閾値より低く設定し、基準電圧Ｖｒｅｆに固定される検知用ゲート２ｃによってＩＧＢＴ２がＯＮされない状態とする。
【００２１】
図３を参照して、コレクタ電圧検知回路３Ｂについて説明する。コレクタ電圧検知回路３Ｂは、コンデンサ３４、スイッチ３５、基準電圧源３６から構成される。ＩＧＢＴ２の検知用ゲート２ｃ（寄生容量Ｃｇｃ）には、コンデンサ３４の一端とスイッチ３５の一端が接続され、その接続点がゲート駆動・制御回路４に接続される。コンデンサ３４の他端は、接地される。スイッチ３５の他端には、基準電圧源３６が接続される。
【００２２】
コレクタ電圧検知回路３Ｂの動作について説明する。ＩＧＢＴ２がＯＮ／ＯＦＦする前に、スイッチ３５を一旦ＯＮし、検知用ゲート２ｃとコレクタ２ｄ間の寄生容量Ｃｇｃ（検知用ゲート２ｃ）とコンデンサ３４との接続点の電圧を基準電圧源３６の基準電圧Ｖｒｅｆでリセットする。スイッチ３５をＯＦＦした後、ゲート駆動・制御回路４によるゲート電圧制御によってＩＧＢＴ２がＯＮ／ＯＦＦすると、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧が変化する。コレクタ電圧が変化すると、寄生容量Ｃｇｃとコンデンサ３４の容量Ｃｓとの容量値の比に応じて寄生容量Ｃｇｃ（検知用ゲート２ｃ）とコンデンサ３４との接続点の電圧が変化する。そして、この接続点の電圧を、ゲート駆動・制御回路４に出力する。
【００２３】
なお、基準電圧ＶｒｅｆはＩＧＢＴ２がＯＮするゲート閾値より低く設定し、基準電圧Ｖｒｅｆでリセットされる検知用ゲート２ｃによってＩＧＢＴ２がＯＮされない状態とする。また、寄生容量Ｃｇｃとコンデンサ３４の容量Ｃｓの容量値の比に応じた寄生容量Ｃｇｃとコンデンサ３４との接続点の電圧がゲート閾値より低くなるように、寄生容量Ｃｇｃとコンデンサ３４の容量Ｃｓの容量値の比（寄生容量Ｃｇｃの容量値とコンデンサ３４の容量値）を設定し、寄生容量Ｃｇｃとコンデンサ３４との接続点の電圧となる検知用ゲート２ｃによってＩＧＢＴ２がＯＮされない状態とする。また、検知用のコンデンサ３４の容量Ｃｓは検知用ゲート２ｃとエミッタ２ｅ間の寄生容量Ｃｇｅよりも十分に大きなものとし、寄生容量Ｃｇｅを無視できるものとする。
【００２４】
この半導体電力変換装置１によれば、ＩＧＢＴ２のゲート２ａを分割し、分割した検知用ゲート２ｃとコレクタ２ｄ間の寄生容量Ｃｇｃを利用してコレクタ電圧を検知することにより、外部に高耐圧用の素子を設けることなくコレクタ電圧（ひいては、サージ状態なども）を検知することができる。高耐圧用の素子を用いないので、コストを低減でき、小型化もできる。
【００２５】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００２６】
例えば、本実施の形態では半導体電力変換装置としてＨＶ車のインバータに適用したが、他の様々な分野での半導体電力変換装置に適用可能である。
【００２７】
また、本実施の形態では電力制御素子としてＩＧＢＴを適用したが、パワーＭＯＳＦＥＴなどの他の素子でもよい。特に、高速スイッチングが可能なＳｉＣによるパワーＭＯＳＦＥＴでの高速動作化によるサージ電圧制御に好適である。
【００２８】
また、本実施の形態ではコレクタ状態検出手段としてコレクタ電圧検知回路の２つの回路例を示したが、他の検知手段によってコレクタ電圧を検知してもよい。
【００２９】
また、本発明で検知に用いる分割した検知用ゲートは、半導体製造時に本来の駆動用のゲートと同時に形成され、コレクタとの間で容量を形成されればよく、本来のＩＧＢＴのゲートと同様のコレクタ−エミッタ間のＯＮ／ＯＦＦ機能を持つものでなくてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１…半導体電力変換装置、２…ＩＧＢＴ、２ａ…ゲート、２ｂ…駆動用ゲート、２ｃ…検知用ゲート、２ｄ…コレクタ、２ｅ…エミッタ、３，３Ａ，３Ｂ…コレクタ電圧検知回路、４…ゲート駆動・制御回路、３０…オペアンプ、３１，３４…コンデンサ、３２，３５…スイッチ、３３，３６…基準電圧源
【図１】
2011103756.tif 000003
【図２】
2011103756.tif 000004
【図３】
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