(57)【要約】【課題】センス電流にスイッチングノイズが乗った場合などにおいても、過電流や短絡を誤検知することのない高信頼な短絡保護を実現する。【解決手段】半導体素子制御装置は、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を制御するための駆動信号をＩＧＢＴ３３０のゲート端子に出力する駆動部８０５と、ゲート端子の電圧に基づいてＩＧＢＴ３３０の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部８０６と、短絡検知部８０６から出力された短絡検知信号に基づいてＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断する駆動遮断部８０４とを備える。【選択図】図３
2011029818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御する半導体素子制御装置であって、
前記半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を前記半導体素子の端子に出力する駆動部と、
前記端子の電圧に基づいて前記半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、
前記短絡検知部から出力された前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを備えることを特徴とする半導体素子制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子制御装置において、
前記半導体素子より出力されるセンス電流に基づいて前記半導体素子に流れる過電流を検知し、過電流検知信号を出力する過電流検知部と、
前記過電流検知部から出力された前記過電流検知信号よりノイズ成分を除去するフィルタ部とをさらに備え、
前記駆動遮断部は、前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断すると共に、前記フィルタ部により前記ノイズ成分を除去された前記過電流検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断することを特徴とする半導体素子制御装置。
【請求項３】
直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御する半導体素子制御装置であって、
前記半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を前記半導体素子の端子に出力する駆動部と、
前記端子の電圧と前記半導体素子より出力されるセンス電流とに基づいて前記半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、
前記短絡検知部から出力された前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを備えることを特徴とする半導体素子制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体素子制御装置において、
前記端子の電圧と前記センス電流とに基づいて前記半導体素子に流れる過電流を検知し、過電流検知信号を出力する過電流検知部と、
前記過電流検知部から出力された前記過電流検知信号よりノイズ成分を除去するフィルタ部とをさらに備え、
前記駆動遮断部は、前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断すると共に、前記フィルタ部により前記ノイズ成分を除去された前記過電流検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断することを特徴とする半導体素子制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体素子制御装置において、
前記過電流検知部は、前記端子の電圧が所定の第一の電圧値を超え、かつ前記センス電流が所定の第一の電流値を超えたときに、前記半導体素子に流れる過電流を検知して前記過電流検知信号を出力し、
前記短絡検知部は、前記端子の電圧が前記第一の電圧値以上である所定の第二の電圧値を超え、かつ前記センス電流が前記第一の電流値以下である所定の第二の電流値を超えたときに、前記半導体素子の短絡を検知して前記短絡検知信号を出力することを特徴とする半導体素子制御装置。
【請求項６】
充放電可能な車載電源と、
交流電力に基づいて動力を発生すると共に、動力に基づいて交流電力を発生するモータジェネレータと、
前記車載電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータジェネレータに供給すると共に、前記モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換して前記車載電源を充電する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置は、
前記車載電源からの直流電力を交流電力に、または前記モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う複数の半導体素子と、
前記半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を前記半導体素子の端子に出力する駆動部と、
前記端子の電圧に基づいて前記半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、
前記短絡検知部から出力された前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを有することを特徴とする車載用電機システム。
【請求項７】
請求項６に記載の車載用電機システムにおいて、
前記電力変換装置は、
前記半導体素子より出力されるセンス電流に基づいて前記半導体素子に流れる過電流を検知し、過電流検知信号を出力する過電流検知部と、
前記過電流検知部から出力された前記過電流検知信号よりノイズ成分を除去するフィルタ部とをさらに有し、
前記駆動遮断部は、前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断すると共に、前記フィルタ部により前記ノイズ成分を除去された前記過電流検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断することを特徴とする車載用電機システム。
【請求項８】
充放電可能な車載電源と、
交流電力に基づいて動力を発生すると共に、動力に基づいて交流電力を発生するモータジェネレータと、
前記車載電源からの直流電力を交流電力に変換して前記モータジェネレータに供給すると共に、前記モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換して前記車載電源を充電する電力変換装置とを備え、
前記電力変換装置は、
前記車載電源からの直流電力を交流電力に、または前記モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う複数の半導体素子と、
前記半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を前記半導体素子の端子に出力する駆動部と、
前記端子の電圧と前記半導体素子より出力されるセンス電流とに基づいて前記半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、
前記短絡検知部から出力された前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを有することを特徴とする車載用電機システム。
【請求項９】
請求項８に記載の車載用電機システムにおいて、
前記電力変換装置は、
前記端子の電圧と前記センス電流とに基づいて前記半導体素子に流れる過電流を検知し、過電流検知信号を出力する過電流検知部と、
前記過電流検知部から出力された前記過電流検知信号よりノイズ成分を除去するフィルタ部とをさらに有し、
前記駆動遮断部は、前記短絡検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断すると共に、前記フィルタ部により前記ノイズ成分を除去された前記過電流検知信号に基づいて前記半導体素子に流れる電流を遮断することを特徴とする車載用電機システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の車載用電機システムにおいて、
前記過電流検知部は、前記端子の電圧が所定の第一の電圧値を超え、かつ前記センス電流が所定の第一の電流値を超えたときに、前記半導体素子に流れる過電流を検知して前記過電流検知信号を出力し、
前記短絡検知部は、前記端子の電圧が前記第一の電圧値よりも小さい所定の第二の電圧値を超え、かつ前記センス電流が前記第一の電流値よりも小さい所定の第二の電流値を超えたときに、前記半導体素子の短絡を検知して前記短絡検知信号を出力することを特徴とする車載用電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御する半導体素子制御装置と、その半導体素子制御装置を有する車載用電機システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。この変換機能を果すため、電力変換装置は複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより、直流電力から交流電力へ、あるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。
【０００３】
上記スイッチング素子を駆動する回路では、電源短絡などの異常時に保護回路がないとスイッチング素子に過大な電流が流れ、素子の発熱やスイッチングサージ電圧で破壊してしまうおそれがある。このような短絡時の過電流を抑える技術が特許文献１に記載されている。特許文献１によれば、センスIGBTのセンス電流に基づいて過電流および短絡を検知し、IGBTを遮断することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−４０５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載されたようなセンス電流に基づいて過電流および短絡を検知する従来の電力変換装置では、IGBTのスイッチング動作によりセンス電流にスイッチングノイズが乗った場合などに、過電流や短絡を誤検知しやすい。このような誤検知をできるだけ低減することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による半導体素子制御装置は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御するものであって、半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を半導体素子の端子に出力する駆動部と、端子の電圧に基づいて半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、短絡検知部から出力された短絡検知信号に基づいて半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを備える。
また、本発明による半導体素子制御装置は、直流電力を交流電力に変換するためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御するものであって、半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を半導体素子の端子に出力する駆動部と、端子の電圧と半導体素子より出力されるセンス電流とに基づいて半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、短絡検知部から出力された短絡検知信号に基づいて半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを備える。
本発明による車載用電機システムは、充放電可能な車載電源と、交流電力に基づいて動力を発生すると共に、動力に基づいて交流電力を発生するモータジェネレータと、車載電源からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータに供給すると共に、モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換して車載電源を充電する電力変換装置とを備え、電力変換装置は、車載電源からの直流電力を交流電力に、またはモータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う複数の半導体素子と、半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を半導体素子の端子に出力する駆動部と、端子の電圧に基づいて半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、短絡検知部から出力された短絡検知信号に基づいて半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを有するものである。
また、本発明による車載用電機システムは、充放電可能な車載電源と、交流電力に基づいて動力を発生すると共に、動力に基づいて交流電力を発生するモータジェネレータと、車載電源からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータに供給すると共に、モータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換して車載電源を充電する電力変換装置とを備え、電力変換装置は、車載電源からの直流電力を交流電力に、またはモータジェネレータにより発生された交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行う複数の半導体素子と、半導体素子のスイッチング動作を制御するための駆動信号を半導体素子の端子に出力する駆動部と、端子の電圧と半導体素子より出力されるセンス電流とに基づいて半導体素子の短絡を検知し、短絡検知信号を出力する短絡検知部と、短絡検知部から出力された短絡検知信号に基づいて半導体素子に流れる電流を遮断する駆動遮断部とを有するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、センス電流にスイッチングノイズが乗った場合などにおいても、過電流や短絡を誤検知することがなくなり、高信頼な短絡保護が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置と、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に関する半導体素子制御装置の回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に関する半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に関する半導体素子制御装置の回路図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に関する半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態の一変形例に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の他の変形例に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図である。
【図１１】センス抵抗の配置例を示す概観図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
−第１の実施の形態−
本発明の一実施形態に係る半導体素子制御装置および車載用電機システムについて、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の一実施形態に係る半導体素子制御装置は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に搭載されており、このような電力変換のためのスイッチング動作を行う半導体素子を制御するものである。本発明の一実施形態に係る半導体素子制御装置を有する電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車などに適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置と、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサモジュールを備えた電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータとを備えた車載用電機システムの回路構成を示す図である。
【００１０】
本実施形態では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１１】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１２】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステム１２１である。エンジンシステム１２１は、主としてＨＥＶ１１０の駆動源として用いられる。エンジンシステム１２１において、エンジン１２０は、燃料タンク１３２から供給されるガソリン等の燃料により、エンジンコントロールユニット１３１の制御に応じて動作する。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システム２５０である。車載電機システム２５０は、主としてＨＥＶ１１０の駆動源及びＨＥＶ１１０の電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００１３】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００１４】
前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００１５】
動力分配機構１２２は歯車１２３〜１３０から構成された差動機構である。歯車１２５〜１２８は傘歯車である。歯車１２３，１２４，１２９，１３０は平歯車である。モータジェネレータ１９２の動力は変速機１１８に直接に伝達される。モータジェネレータ１９２の軸は歯車１２９と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ１９２に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車１２９に伝達された動力がそのまま変速機１１８の入力側に伝達される。
【００１６】
エンジン１２０の作動によって歯車１２３が駆動されると、エンジン１２０の動力は歯車１２３から歯車１２４に、次に、歯車１２４から歯車１２６及び歯車１２８に、次に、歯車１２６及び歯車１２８から歯車１３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車１２９に伝達される。モータジェネレータ１９４の作動によって歯車１２５が駆動されると、モータジェネレータ１９４の回転は歯車１２５から歯車１２６及び歯車１２８に、次に、歯車１２６及び歯車１２８から歯車１３０のそれぞれに伝達され、最終的には歯車１２９に伝達される。尚、動力分配機構１２２としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
【００１７】
モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００１８】
本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００１９】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００２０】
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６から補機用インバータ装置４３に直流電力が供給され、補機用インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。補機用インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用インバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、補機用インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、補機用インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。
【００２１】
インバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
【００２２】
またインバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０や１４２および補機用インバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
【００２３】
次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０や１４２あるいは補機用インバータ装置４３は同様の構成で同様の作用をためし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
【００２４】
本実施形態に係る電力変換装置２００はインバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。また、インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０）、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
【００２５】
上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８や３３０は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。上述のとおり、インバータ装置１４０はモータジェネレータ１９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００２６】
本実施形態に係る電力変換装置２００は図１に記載の如くインバータ装置１４０と１４２さらに補機用インバータ装置４３とコンデンサモジュール５００を有しているが、上述のとおりインバータ装置１４０と１４２さらに補機用インバータ装置４３は同様の回路構成であるのでインバータ装置１４０を代表として記載し、インバータ装置１４２と補機用インバータ装置４３は、既に上述したとおり省略した。
【００２７】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。ここで、上下アーム直列回路１５０はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子３２８及びダイオード１５６と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子３３０及びダイオード１６６を備えている。
【００２８】
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８や３３０を用いることを例示している。ＩＧＢＴ３２８や３３０は、コレクタ電極１５３，１６３，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５），ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。この場合は上アームのダイオード１５６や下アームのダイオード１６６は不要となる。
【００２９】
上下アーム直列回路１５０は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０の下アームのコレクタ電極１６３を接続する中間電極１６９，交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
【００３０】
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側が、それぞれ正極側コンデンサ端子５０４又は負極側コンデンサ端子５０６と直流コネクタ１３８とを介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００３１】
制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路１７４とを備えている。
【００３２】
制御回路１７２はＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流検出部１８０から信号線１８２を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００３３】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３４】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００３５】
また、ドライバ回路１７４は、異常検知（短絡、過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、ドライバ回路１７４にはセンシング情報が入力されている。例えば、各ＩＧＢＴ３２８，３３０のゲート電圧の情報が、対応するドライバ回路１７４の駆動部（ＩＣ）に入力されている。このゲート電圧の情報に基づいて、各駆動部（ＩＣ）は短絡検知を行い、短絡が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させる。これにより、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を短絡から保護する。また、各ＩＧＢＴ３２８，３３０に流れるコレクタ電流に関する情報が、対応するドライバ回路１７４の駆動部（ＩＣ）に入力されている。この情報に基づいて、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。この短絡および過電流時の保護動作については、後で詳細に説明する。
【００３６】
上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは、上下アーム直列回路１５０の温度の情報が、対応するドライバ回路１７４の駆動部（ＩＣ）に入力されている。また、上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が、対応するドライバ回路１７４の駆動部（ＩＣ）に入力されている。各駆動部（ＩＣ）は、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させる。これにより、上下アーム直列回路１５０（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール部）を過温度或いは過電圧から保護する。
【００３７】
図２において、上下アーム直列回路１５０は、上アームのＩＧＢＴ３２８及び上アームのダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０及び下アームのダイオード１６６との直列回路であり、ＩＧＢＴ３２８，３３０はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。
【００３８】
上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Positive端子（Ｐ端子，正極端子）１５７，Negative端子（Ｎ端子１５８，負極端子）、上下アームの中間電極１６９からの交流端子１５９，上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５，上アームのゲート電極端子１５４，下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５，下アームのゲート電極端子１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置であってもよい。
【００３９】
次に、短絡および過電流時の保護動作について説明する。本実施形態において、前述のような短絡および過電流時の保護動作は、ドライバ回路１７４を含む各種回路により構成される半導体素子制御装置によって行われる。以下では、図２のインバータ回路１４４において下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６のうち一つを例として説明する。なお、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６における短絡および過電流時の保護動作も、下アームの場合と同様である。図３は本実施形態に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図、図４は本実施形態に関する半導体素子制御装置の回路図、図５は本実施形態に関する半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。
【００４０】
図３において、符号８００は、ＩＧＢＴ３３０の電流の一部を分流してセンス電流として出力するセンスＩＧＢＴを表す。センスＩＧＢＴ８００には、センス抵抗８０１が接続されている。センスＩＧＢＴ８００からのセンス電流がセンス抵抗８０１を流れると、そのセンス電流の大きさに応じた電圧（センス電圧）がセンス抵抗８０１において生じる。このセンス電圧は、ドライバ回路１７４内の過電流検知部８０２に入力される。過電流検知部８０２は、入力されたセンス電圧と、所定の過電流検知レベルに応じて設定された基準電圧とを比較することにより、ＩＧＢＴ３３０に流れる過電流の検知を行う。過電流を検知した場合、過電流検知部８０２は、ノイズフィルタ８０３を介して過電流検知信号を駆動遮断部８０４へ出力する。ノイズフィルタ８０３は、過電流検知部８０２から出力された過電流検知信号から所定の周波数以上のノイズ成分をカットする。
【００４１】
ＩＧＢＴ３３０のゲート電圧は、ドライバ回路１７４内の短絡検知部８０６へ入力される。短絡検知部８０６は、入力されたゲート電圧と、所定の短絡検知レベルに応じて設定された基準電圧とを比較することにより、ＩＧＢＴ３３０の短絡検知を行う。短絡を検知した場合、短絡検知部８０６は、短絡検知信号を駆動遮断部８０４へ出力する。
【００４２】
駆動遮断部８０４は、ノイズフィルタ８０３を通過した過電流検知部８０２からの過電流検知信号、または短絡検知部８０６からの短絡検知信号が入力されると、ＩＧＢＴ３３０が過電流状態または短絡状態にあると判断する。そして、ＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断するための異常時遮断信号を駆動部８０５へ出力する。駆動部８０５は、図２の制御回路１７２から出力されるＰＷＭ信号に基づいて、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を制御するための駆動信号（ドライブ信号）をＩＧＢＴ３３０のゲート端子に出力する。この駆動信号に応じて、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作が行われる。また、駆動遮断部８０４から異常時遮断信号が入力されると、ＰＷＭ信号に関わらずＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止して、ＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断する。
【００４３】
以下に、図３の半導体素子制御装置の動作を説明する。駆動部８０５がＩＧＢＴ３３０のゲート電圧パルスを出力すると、ＩＧＢＴ３３０がターンオンし、ＩＧＢＴ３３０にコレクタ電流Ｉｃが流れる。同時にセンスＩＧＢＴ８００にはコレクタ電流Ｉｃの分流電流Ｉｓが流れ、センス抵抗８０１に流れ込む。これによりセンス抵抗８０１にセンス電圧Ｖｓが発生し、過電流検知部８０２に入力される。過電流検知部８０２は、センス電圧Ｖｓが所定の過電流検知レベルＶｓ１より大きいときに、過電流を検知して過電流検知信号を出力する機能をもつ。過電流検知部８０２からの過電流検知信号は、ノイズフィルタ８０３を通過し、駆動遮断部８０４に入力される。
【００４４】
また、モータが地絡又は天絡した場合にＩＧＢＴ３３０がターンオンすると、ＩＧＢＴ３３０が短絡状態になり、ＩＧＢＴ３３０にかなり大きい短絡電流が流れる。このとき、ＩＧＢＴ３３０のコレクタ−エミッタ間に掛かっている電源電圧が一瞬落ち込んだ後、その電圧が跳ね上がる。この電圧の時間変化とＩＧＢＴ３３０の帰還容量に応じて発生する電流がＩＧＢＴ３３０のゲートに流れ込む。これにより、ゲート電圧が電源電圧以上に持ち上がる現象（持ち上がり現象）が発生する。この短絡時のゲート電圧の持ち上がり現象を利用して、短絡検知部８０６はＩＧＢＴ３３０の短絡を検知する。たとえば、ゲート電源電圧より大きい所定の電圧レベルを短絡検知レベルＶｇ２とする。短絡検知部８０６は、ＩＧＢＴ３３０のゲート電圧Ｖｇを入力し、このゲート電圧Ｖｇが短絡検知レベルＶｇ２より大きくなると、短絡を検知して短絡検知信号を出力する。短絡検知部８０６からの短絡検知信号は、駆動遮断部８０４に入力される。
【００４５】
駆動遮断部８０４は、前述のように過電流検知部８０２からの過電流検知信号、または短絡検知部８０６からの短絡検知信号を受けると、駆動部８０５に異常時遮断信号を出力する。駆動部８０５は、制御回路１７２からのＰＷＭ信号を受けて、ＩＧＢＴ３３０をターンオン又はターンオフするためのゲート駆動電圧を出力する以外に、駆動部８０５からの異常時遮断信号を受けると、ＩＧＢＴ３３０をソフト遮断する。駆動部８０５はまた、ゲート電圧がＩＧＢＴ３３０の閾値より小さい所定の電圧、例えば３Ｖ付近になると、ゲート電圧をＩＧＢＴ３３０のエミッタと低インピーダンスにするゲートショート機能も有する。
【００４６】
図４に本実施形態による過電流検知部８０２と短絡検知部８０６の機能を実現する回路の一例を示す。過電流検知部８０２は、過電流検知用の比較器９０３により構成される。過電流検知用比較器９０３は、センス抵抗８０１のセンス電圧Ｖｓが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、所定の過電流検知レベルＶｓ１に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。通常のＩＧＢＴ３３０の動作状態では、センス電圧Ｖｓは過電流検知レベルＶｓ１より小さいため、過電流検知用比較器９０３の出力はＬｏｗレベルとなる。一方、ＩＧＢＴ３３０が過電流状態になると、センス電圧Ｖｓが過電流検知レベルＶｓ１より大きくなるため、過電流検知用比較器９０３の出力はＨｉｇｈレベルとなる。このようにして、過電流検知用比較器９０３からの出力がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化することで、過電流検知部８０２から過電流検知信号が出力される。過電流検知用比較器９０３の出力がＨｉｇｈレベルのときに、駆動遮断部８０４は、過電流異常状態であると判断として、異常時遮断信号としてのラッチ信号を駆動部８０５に出力する。
【００４７】
なお、センス電圧ＶｓにはＩＧＢＴ３３０のスイッチングノイズが乗るため、このノイズにより過電流検知用比較器９０３の出力が振動する場合がある。こうした過電流検知用比較器９０３の出力振動は、過電流の誤検知につながる。このため、ノイズフィルタ８０３により、過電流検知用比較器９０３の出力から所定の周波数以上の電圧信号をノイズ成分としてカットすることで、ノイズによる過電流検知用比較器９０３の出力振動を抑えている。ノイズフィルタ８０３のフィルタ時定数は、通常動作時に用いられるフィルタ（不図示）の時定数よりも小さい。
【００４８】
短絡検知部８０６は、短絡検知用の比較器９０５により構成される。短絡検知用比較器９０５は、ゲート電圧Ｖｇが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、所定の短絡検知レベルＶｇ２に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。なお、短絡検知レベルＶｇ２はゲート電源電圧よりも大きい。通常のＩＧＢＴ３３０の動作状態では、ゲート電圧Ｖｇは短絡検知レベルＶｇ２より小さいため、短絡検知用比較器９０５の出力はＬｏｗレベルとなる。一方、ＩＧＢＴ３３０が短絡状態になると、ゲート電圧Ｖｇが短絡検知レベルＶｇ２より大きくなるため、短絡検知用比較器９０５の出力はＨｉｇｈレベルとなる。このようにして、短絡検知用比較器９０５からの出力がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化することで、短絡検知部８０６から短絡検知信号が出力される。短絡検知用比較器９０５の出力がＨｉｇｈレベルのときに、駆動遮断部８０５は、短絡異常状態であると判断して、異常時遮断信号としてのラッチ信号を駆動部８０５に出力する。
【００４９】
なお、以上説明した過電流検知部８０２と短絡検知部８０６の回路構成は一例であり、この内容に限定されるものではない。同じ機能を実現するために他の回路構成としてもよい。
【００５０】
図５は以上説明した半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。このタイムチャートでは、通常動作時、過電流時、短絡時の波形例をそれぞれ示している。
【００５１】
図５において、符号１００１はＩＧＢＴ３３０のゲート電圧の波形例を、符号１００２はＩＧＢＴ３３０のコレクタ電圧（コレクタ−エミッタ間電圧）の波形例を、符号１００３はＩＧＢＴ３３０のコレクタ電流の波形例をそれぞれ表す。また、符号１００４は、ゲート電圧１００１に対する短絡検知レベルＶｇ２を表し、符号１００６は、コレクタ電流１００３に対する過電流検知レベルＩｃ１を表している。なお、短絡検知レベルＶｇ２はゲート電源電圧より大きい。図５ではＩＧＢＴ３３０の定格電流Ｉｃの２倍に過電流検知レベルＩｃ１を設定しているが、設定可能な過電流検知レベルはこれに限らない。符号１００１〜１００３の各波形において、符号１００８は通常動作期間に、符号１００９は過電流異常期間に、符号１０１０は短絡異常期間にそれぞれ対応している。
【００５２】
図５に示すように、通常動作期間１００８では、コレクタ電流１００３が符号１００６に示す過電流検知レベルＩｃ１より低く、かつ、ゲート電圧１００１が符号１００４に示す短絡検知レベルＶｇ２より低い。したがって、過電流と短絡のいずれも検出されることはない。
【００５３】
一方、過電流異常期間１００９では、コレクタ電流１００３が過電流検知レベルＩｃ１を超えていることが分かる。このとき、過電流検知レベルＩｃ１に対応して前述の過電流検知レベルＶｓ１を予め設定しておくことで、過電流検知部８０２において過電流状態が検出され、過電流検知部８０２から過電流検知信号が出力される。その結果、駆動部８０５により、ゲート電圧１００１がソフト遮断される。
【００５４】
また、短絡異常期間１０１０では、ＩＧＢＴ３３０に短絡電流が流れはじめるのに応じてコレクタ電圧１００２が一瞬落ち込んだ後、電源電圧付近まで戻ろうとしていることが分かる。このとき前述のように、コレクタ電圧１００２の時間変化とＩＧＢＴ３３０の帰還容量に応じた電流がＩＧＢＴ３３０のゲートに流れ込むことで、符号１０１１に示すように、ゲート電圧１００１が電源電圧以上に持ち上がる。この持ち上がり現象により、ゲート電圧１００１が符号１００４に示す短絡検知レベルＶｇ２を超えると、短絡検知部８０６において短絡状態が検出され、短絡検知部８０６から短絡検知信号が出力される。その結果、駆動部８０５により、ＩＧＢＴ３３０の短絡保護動作が行われる。
【００５５】
従来のようにセンス電流に基づいて過電流や短絡を検知する場合は、センス電流の変動（ばらつき）を考慮して、短絡検知レベルを過電流検知レベルより大きく設定する必要がある。そのため、過電流検知レベルと短絡検知レベルの中間で短絡電流が止まるような中途半端な短絡に対しては、適切に短絡保護を行うことができない。一方、本発明では上記で説明したようにして、短絡時にゲート電圧が持ち上がる特有の現象を利用して短絡を検知するため、中途半端な短絡に対してもこれを検知することができる。したがって、センス電流の変動による短絡の誤検知や短絡保護の失敗がなくなり、高信頼な短絡保護が実現できる。
【００５６】
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
【００５７】
（１）短絡検知部８０６は、ＩＧＢＴ３３０のゲート端子電圧に基づいてＩＧＢＴ３３０の短絡を検知し、短絡を検知した場合に短絡検知信号を出力する。駆動遮断部８０４は、短絡検知部８０６から出力された短絡検知信号に基づいて、異常時遮断信号を駆動部８０５へ出力することにより、ＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断する。これにより、短絡時にゲート電圧が持ち上がる特有の現象を利用して短絡を検知するようにしたので、センス電流にスイッチングノイズが乗った場合などにおいても、短絡を誤検知することがなくなり、高信頼な短絡保護が実現できる。
【００５８】
（２）過電流検知部８０２は、ＩＧＢＴ３３０より出力されるセンス電流に基づいてＩＧＢＴ３３０に流れる過電流を検知し、過電流を検知した場合に過電流検知信号を出力する。駆動遮断部８０４は、前述のように短絡検知部８０６からの短絡検知信号に基づいてＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断すると共に、ノイズフィルタ８０３によりノイズ成分を除去された過電流検知信号に基づいて、異常時遮断信号を駆動部８０５へ出力することにより、ＩＧＢＴ３３０に流れる電流を遮断する。このようにしたので、短絡に加えてさらに過電流を誤検知することもなくなり、高信頼な過電流保護を実現できる。
【００５９】
−第２の実施の形態−
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施形態では、第１の実施の形態で説明したのとは別の半導体素子制御装置について述べる。なお、本実施形態におけるハイブリッド自動車の制御ブロックおよび車載用電機システムの回路構成は、図１、２に示した第１の実施の形態のものと同様であるため、これらについては説明を省略する。
【００６０】
図６は本実施形態に関する半導体素子制御装置の回路ブロック図、図７は本実施形態に関する半導体素子制御装置の回路図、図８は本実施形態に関する半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。なお図６〜８において、図３〜５に示した第１の実施の形態のものと同一または対応する部分については、それぞれ図３〜５と同じ符号を付している。
【００６１】
図６において図３と異なる部分は、センスＩＧＢＴ８００からのセンス電流により生じたセンス電圧が過電流検知部８０２および短絡検知部８０６へ入力される点と、ＩＧＢＴ３３０のゲート電圧が過電流検知部８０２および短絡検知部８０６へ入力される点である。これ以外の点は図３と同じであるため、特に必要のない限り、以下において説明を省略する。
【００６２】
過電流検知部８０２は、入力されたセンス電圧と所定の過電流検知レベルに応じて設定された基準電圧との比較結果、および、入力されたゲート電圧と所定の過電流検知レベルに応じて設定された基準電圧との比較結果に基づいて、ＩＧＢＴ３３０に流れる過電流の検知を行う。すなわち、センス電圧Ｖｓが所定の過電流検知レベルＶｓ１を超えており、かつ、ゲート電圧Ｖｇが所定の過電流検知レベルＶｇ１を超えるときに、過電流を検知する。なお、ゲート電圧の過電流検知レベルＶｇ１は、ＩＧＢＴ３３０がターンオンする閾値より大きい電圧である。また、センス電圧の過電流検知レベルＶｓ１は、例えばＩＧＢＴ３３０の定格電流の約２倍の電流に対応する電圧である。過電流を検知した場合、過電流検知部８０２は図３の場合と同様に、ノイズフィルタ８０３を介して過電流検知信号を駆動遮断部８０４へ出力する。
【００６３】
短絡検知部８０６は、入力されたセンス電圧と所定の短絡検知レベルに応じて設定された基準電圧との比較結果、および、入力されたゲート電圧と所定の短絡検知レベルに応じて設定された基準電圧との比較結果に基づいて、ＩＧＢＴ３３０の短絡検知を行う。すなわち、センス電圧Ｖｓが所定の短絡検知レベルＶｓ２を超えており、かつ、ゲート電圧Ｖｇが所定の短絡検知レベルＶｇ２を超えるときに、短絡を検知する。なお、ゲート電圧の短絡検知レベルＶｇ２は、上記の過電流検知レベルＶｇ１以上であることが好ましい。一方、センス電圧Ｖｓの短絡検知レベルＶｓ２は、上記の過電流検知レベルＶｓ１以下であることが好ましい。こうすることにより、短絡の誤検知を防ぐ一方で、過電流検知レベルＶｓ１と短絡検知レベルＶｓ２の間で短絡電流が止まってしまうような短絡が発生した場合であっても、これを短絡検知部８０６において検知することができる。短絡を検知した場合、短絡検知部８０６は図３の場合と同様に、短絡検知信号を駆動遮断部８０４へ出力する。
【００６４】
図７に本実施形態による過電流検知部８０２と短絡検知部８０６の機能を実現する回路の一例を示す。過電流検知部８０２は、過電流検知用のＡＮＤ回路９０１と、過電流検知用の比較器９０２、９０３とにより構成される。なお、過電流検知用比較器９０３は、図４に示した第１の実施の形態のものと同様である。
【００６５】
過電流検知用比較器９０２は、ゲート電圧Ｖｇが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、過電流検知レベルＶｇ１に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。過電流検知用比較器９０３は、図４と同様に、センス抵抗８０１のセンス電圧Ｖｓが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、過電流検知レベルＶｓ１に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。過電流検知用ＡＮＤ回路９０１は、過電流検知用比較器９０２、９０３の各出力のＡＮＤを演算し、その結果をノイズフィルタ８０３を介して駆動遮断部８０４へ出力する。
【００６６】
通常のＩＧＢＴ３３０の動作状態では、センス電圧Ｖｓは過電流検知レベルＶｓ１より小さいため、過電流検知用比較器９０３の出力はＬｏｗレベルとなる。そのため、過電流検知用比較器９０２に出力に関わらず、過電流検知用ＡＮＤ回路９０１の出力はＬｏｗレベルとなる。一方、ＩＧＢＴ３３０が過電流状態になると、センス電圧Ｖｓが過電流検知レベルＶｓ１より大きくなるため、過電流検知用比較器９０３の出力はＨｉｇｈレベルとなる。また、ゲート電圧Ｖｇが過電流検知レベルＶｇ１より大きくなるため、過電流検知用比較器９０２の出力もＨｉｇｈレベルとなる。したがって、過電流検知用ＡＮＤ回路９０１の出力がＨｉｇｈレベルとなる。このようにして、過電流検知用ＡＮＤ回路９０１からの出力がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化することで、過電流検知部８０２から過電流検知信号（異常時遮断信号）としてのラッチ信号が出力される。
【００６７】
なお、過電流検知用ＡＮＤ回路９０１からの出力は、ノイズフィルタ８０３によりノイズ成分がカットされる。これにより、ＩＧＢＴ３３０のスイッチングノイズがセンス電圧Ｖｓに乗ることで過電流検知用比較器９０３の出力が変動した場合に起こる過電流検知用ＡＮＤ回路９０１の出力振動を抑えている。
【００６８】
短絡検知部８０６は、短絡検知用のＡＮＤ回路９０４と、短絡検知用の比較器９０５、９０６とにより構成される。なお、短絡検知用比較器９０５は、図４に示した第１の実施の形態のものと同様である。
【００６９】
短絡検知用比較器９０５は、図４と同様に、ゲート電圧Ｖｇが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、短絡検知レベルＶｇ２に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。短絡検知用比較器９０６は、センス抵抗８０１のセンス電圧Ｖｓが一方の入力側、例えば非反転入力側に入力される。また、短絡検知レベルＶｓ２に相当する基準電圧が他方の入力側、例えば反転入力側に入力される。短絡検知用ＡＮＤ回路９０４は、短絡検知用比較器９０５、９０６の各出力のＡＮＤを演算し、その結果を駆動遮断部８０４へ出力する。
【００７０】
通常のＩＧＢＴ３３０の動作状態では、ゲート電圧Ｖｇは短絡検知レベルＶｇ２より小さいため、短絡検知用比較器９０５の出力はＬｏｗレベルとなる。そのため、短絡検知用比較器９０６に出力に関わらず、短絡検知用ＡＮＤ回路９０４の出力はＬｏｗレベルとなる。一方、ＩＧＢＴ３３０が短絡状態になると、ゲート電圧Ｖｇが短絡検知レベルＶｇ２より大きくなるため、短絡検知用比較器９０５の出力はＨｉｇｈレベルとなる。また、センス電圧Ｖｓが短絡検知レベルＶｓ２より大きくなるため、短絡検知用比較器９０６の出力もＨｉｇｈレベルとなる。したがって、短絡検知用ＡＮＤ回路９０４の出力がＨｉｇｈレベルとなる。このようにして、短絡検知用ＡＮＤ回路９０４からの出力がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化することで、短絡検知部８０６から短絡検知信号（異常時遮断信号）としてのラッチ信号が出力される。
【００７１】
なお、以上説明した過電流検知部８０２と短絡検知部８０６の回路構成は一例であり、この内容に限定されるものではない。同じ機能を実現するために他の回路構成としてもよい。
【００７２】
図８は以上説明した半導体素子制御装置の動作時のタイムチャートである。このタイムチャートでは、図５に示した第１の実施の形態と同様に、通常動作時、過電流時、短絡時の波形例をそれぞれ示している。
【００７３】
図８において、符号１００５は、ゲート電圧１００１に対する過電流検知レベルＶｇ１を表し、符号１００７は、コレクタ電流１００３に対する短絡検知レベルＩｃ２を表している。なお、過電流検知レベルＶｇ１はゲート電源電圧より大きく、かつ短絡検知レベルＶｇ２と同じかこれよりも小さい。また、短絡検知レベルＩｃ２は過電流検知レベルＩｃ１と同じかこれよりも小さい。
【００７４】
図８に示すように、通常動作期間１００８では、コレクタ電流１００３は符号１００６に示す過電流検知レベルＩｃ１より低く、かつ、ゲート電圧１００１が符号１００４に示す短絡検知レベルＶｇ２より低い。したがって、過電流と短絡のいずれも検出されることはない。なお、通常動作期間１００８においてコレクタ電流１００３が符号１００７に示す短絡検知レベルＩｃ２を超えることがあっても、ゲート電圧１００１は符号１００４に示す短絡検知レベルＶｇ２を超えないため、短絡検知部８０６において短絡状態が検出されることはない。
【００７５】
一方、過電流異常期間１００９では、コレクタ電流１００３が過電流検知レベルＩｃ１を超えており、かつ、ゲート電圧１００１が符合１００５に示す過電流検知レベルＶｇ１を超えていることが分かる。このとき、過電流検知レベルＩｃ１に対応して前述の過電流検知レベルＶｓ１が予め設定されることで、過電流検知部８０２において過電流状態が検出され、過電流検知部８０２から過電流検知信号が出力される。その結果、駆動部８０５により、ゲート電圧１００１がソフト遮断される。
【００７６】
また、短絡異常期間１０１０では、符号１０１１に示す持ち上がり現象によりゲート電圧１００１が符号１００４に示す短絡検知レベルＶｇ２を超え、かつ、コレクタ電流１００３が符号１００７に示す短絡検知レベルＩｃ２を超えている。このとき、短絡検知レベルＩｃ２に対応して前述の短絡検知レベルＶｓ２が予め設定されることで、短絡検知部８０６において短絡状態が検出され、短絡検知部８０６から短絡検知信号が出力される。その結果、駆動部８０５により、ＩＧＢＴ３３０の短絡保護動作が行われる。
【００７７】
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
【００７８】
（１）短絡検知部８０６は、ＩＧＢＴ３３０のゲート端子電圧と、ＩＧＢＴ３３０より出力されるセンス電流とに基づいて、ＩＧＢＴ３３０の短絡を検知し、短絡を検知した場合に短絡検知信号を出力する。また、過電流検知部８０２は、ＩＧＢＴ３３０のゲート端子電圧と、ＩＧＢＴ３３０より出力されるセンス電流とに基づいて、ＩＧＢＴ３３０に流れる過電流を検知し、過電流を検知した場合に過電流検知信号を出力する。このようにしたので、第１の実施の形態に比べて、さらに信頼性の高い短絡検知および過電流検知を実現することができる。
【００７９】
（２）過電流検知部８０２は、ＩＧＢＴ３３０のゲート端子電圧が所定の過電流検知レベルＶｇ１を超え、かつＩＧＢＴ３３０より出力されるセンス電流が所定の過電流検知レベルＩｃ１を超えたときに、ＩＧＢＴ３３０に流れる過電流を検知して過電流検知信号を出力する。また、短絡検知部８０６は、ＩＧＢＴ３３０のゲート端子電圧が過電流検知レベルＶｇ１以上である所定の短絡検知レベルＶｇ２を超え、かつＩＧＢＴ３３０より出力されるセンス電流が過電流検知レベルＩｃ１以下である所定の過電流検知レベルＩｃ２を超えたときに、ＩＧＢＴ３３０の短絡を検知して短絡検知信号を出力する。このようにしたので、短絡検知部８０６による短絡の誤検知を防ぐ一方で、過電流検知レベルと短絡検知レベルの間で短絡電流が止まってしまうような短絡が発生した場合であっても、これを短絡検知部８０６において検知することができる。
【００８０】
−変形例１−
図９の回路ブロック図は、上記第２の実施の形態の変形例を示している。図６に示した回路と図９に示す回路との違いは、図６ではゲート電圧とセンス電圧に基づいて短絡検知および過電流検知しているのに対して、図９ではコレクタ電圧とセンス電圧に基づいて短絡検知および過電流検知している点である。この回路を用いても、第２の実施の形態で説明したのと同様の効果が得られる。
【００８１】
−変形例２−
図１０の回路ブロック図は、上記第２の実施の形態のさらに別の変形例を示している。図６に示した回路と図１０に示す回路との違いは、図６ではセンス電圧を直接短絡検知回路８０６及び過電流検知回路８０２に入力しているのに対して、図１０ではセンス抵抗８０１の両端から差動アンプ１１０１を介してセンス電圧を検出している点である。これにより、センス抵抗８０１から短絡検知回路８０６と過電流検知回路８０２にそれぞれ至る配線の寄生インダクタンスを軽減すると共に、ＩＧＢＴ３３０のスイッチングノイズにより発生するセンス電圧の検出誤差を少なくすることができる。この回路を用いても、第２の実施の形態で説明したのと同様の効果が得られる。
【００８２】
図１１は、図１０に示す回路におけるセンス抵抗の配置例を示している。図１１において、符号１２０１はＩＧＢＴ３３０のエミッタ用リード電極、符号１２０２はＩＧＢＴ３３０とセンスＩＧＢＴ８００を内蔵したチップ、符号１２０３はＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極をそれぞれ示している。ＩＧＢＴ３３０は、ワイヤボンディング１２０４、１２０６により、ゲート電極端子１２０８とセンス負極端子１２１０にそれぞれ接続されている。センスＩＧＢＴ８００は、ワイヤボンディング１２０５によりセンス正極端子１２０９に接続されている。センス負極端子１２１０は、配線１２１３によりエミッタ電極端子１２１１と接続されている。ゲート電極端子１２０８、センス正極端子１２０９、センス負極端子１２１０およびエミッタ電極端子１２１１は、制御電極端子台１２０７の上に設けられている。センス抵抗８０１は、センス正極端子１２０９とセンス負極端子１２１０の間に配設されている。
【００８３】
図１１では、センス負極端子１２１０とエミッタ電極端子１２１１とが分離して配置されている。また、センス抵抗８０１がチップ１２０２の近くに実装されている。これにより、前述の寄生インダクタンスを極力小さくすることができる。
【００８４】
なお、以上説明した各実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。
【００８５】
以上説明した各実施の形態および変形例では、過電流検知部８０２と短絡検知部８０６を両方備えた半導体素子制御装置の例を示したが、いずれか一方のみを備えることとしてもよい。すなわち、前述したような方法を用いて過電流検知と短絡検知のいずれか一方を行い、その検知結果に応じて回路の保護動作を実行する半導体素子制御装置においても、本発明は適用可能である。
【００８６】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００８７】
４３  補機用インバータ装置
１１０  ハイブリッド電気自動車
１１２  前輪
１１４  前輪車軸
１１６  前輪側ＤＥＦ
１１８  変速機
１２０  エンジン
１２１  エンジンシステム
１２２  動力分配機構
１２３，１２４，１２５，１２６，１２７，１２８，１２９，１３０  歯車
１３１  エンジンコントロールユニット
１３２  燃料タンク
１３６  バッテリ
１３８  直流コネクタ
１４０，１４２  インバータ装置
１４４  インバータ回路
１５０  上下アームの直列回路
１５３  上アームのコレクタ電極
１５４  上アームのゲート電極端子
１５５  上アームの信号用エミッタ電極端子
１５６  上アームのダイオード
１５７  正極（Ｐ）端子
１５８  負極（Ｎ）端子
１５９  交流端子
１６３  下アームのコレクタ電極
１６４  下アームのゲート電極端子
１６５  下アームの信号用エミッタ電極端子
１６６  下アームのダイオード
１６９  中間電極
１７０  制御部
１７２  制御回路
１７４  ドライバ回路
１７６，１８２  信号線
１８０  電流検出部
１８６  交流電力線
１８８  交流コネクタ
１９２，１９４  モータジェネレータ
１９５  補機用モータ
２００  電力変換装置
２５０  車載電機システム
３１４  直流正極端子
３１６  直流負極端子
３２８，３３０  ＩＧＢＴ
５００  コンデンサモジュール
５０４  負極側コンデンサ端子
５０６  正極側コンデンサ端子
８００  センスＩＧＢＴ
８０１  センス抵抗
８０２  過電流検知部
８０３  ノイズフィルタ
８０４  駆動遮断部
８０５  駆動部
８０６  短絡検知部
９０１  過電流検知用ＡＮＤ回路
９０２，９０３  過電流検知用比較器
９０４  短絡検知用ＡＮＤ回路
９０５，９０６  短絡検知用比較器
１００１  ゲート電圧波形
１００２  コレクタ電圧波形
１００３  コレクタ電流波形
１００４  短絡検知レベルＶｇ２
１００５  過電流検知レベルＶｇ１
１００６  過電流検知レベルＩｃ１
１００７  短絡検知レベルＩｃ２
１００８  通常動作期間
１００９  過電流異常期間
１０１０  短絡異常期間
１０１１  持ち上がり現象
１１０１  差動アンプ
１２０１  エミッタ用リード電極
１２０２  チップ
１２０３  コレクタ電極
１２０４，１２０５，１２０６  ワイヤボンディング
１２０７  制御電極端子台
１２０８  ゲート電極端子
１２０９  センス正極端子
１２１０  センス負極端子
１２１１  エミッタ電極端子
【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】
2011029818.tif 000009
【図８】
2011029818.tif 000010
【図９】
2011029818.tif 000011
【図１０】
2011029818.tif 000012
【図１１】
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