(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の直流電源端子間に順次直列に接続された第一ないし第四の半導体スイッチング素子と、
該第一ないし第四のスイッチング素子にそれぞれ接続され、これらの半導体スイッチング素子を駆動する第一ないし第四のゲート駆動回路とからなり、第一及び第二の半導体スイッチング素子のみをオンしたときプラス出力、第二及び第三の半導体スイッチング素子のみをオンしたとき零出力、そして、第三及び第四の半導体スイッチング素子のみをオンしたときマイナス出力を出力することにより交流に変換する３レベル電力変換装置であって、
前記第一の駆動回路と前記第三の駆動回路、及び、前記第二の駆動回路と前記第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、前記二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにしたことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路に印加される直流電圧に基づいて、規格上定められる最小限の絶縁距離を確保したことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路の間に絶縁スリットが設けられていることを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、
前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路のゲート出力回路を、パルストランス、高耐圧フォトカプラや光ファイバ等の光素子及び高絶縁のキャパシタンスの少なくともひとつを使用した絶縁信号送信回路を介して、前記論理回路に接続したことを特徴とする半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３レベル電力変換装置の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーエレクトロニクス技術の進展に伴い、様々な電力変換回路が実用化されている。電力変換回路とは一般に、電力の形態を直流−交流間で自在に変換するものであり、回路構成により２レベル方式や３レベル方式などいくつかの方式がある。
図２（ａ）に３レベル電力変換装置の例を示す。３レベル電力変換装置は直流電圧が高い用途において、耐圧の低いスイッチング素子を使って回路を形成する場合に適用される。また、３レベル電力変換装置は、２レベル方式に比べてより正弦波に近い波形を出力できるため、高調波などの規制が厳しい用途に好適である。
【０００３】
図２（ａ）において、４〜７はＩＧＢＴ、８、９は中性点クランプ用ダイオード、１０、１１は電源安定化コンデンサ、３６は交流端子、３７、３８は直流端子で、３７が正極、３８が負極、３９〜４２はゲート駆動装置であり、以下その動作を簡単に説明する。
直流を交流に変換する場合を考える。直流端子３７、３８に直流電圧が印加されている状態で、ＩＧＢＴ４、５のみをオンさせるとプラス出力が、ＩＧＢＴ５、６のみをオンすると０Ｖが、ＩＧＢＴ６、７のみをオンする場合にはマイナスがそれぞれ出力される。このように３レベル主回路は２つのＩＧＢＴを組にしてオンさせることでプラス、０、マイナスの３つのレベルの電圧を出力できるという特徴を持つ。
【０００４】
３レベル電力変換装置で注意しなくてはならないこととしては、ＩＧＢＴ４、ＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６、あるいはＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６、ＩＧＢＴ７のように直列する３つのＩＧＢＴが同時にオンすることによるアーム短絡現象が挙げられる。特にこうした３レベル電力変換装置を鉄道車両に用いる場合、直流電圧は１０００Ｖを超える場合があり、アーム短絡が発生した場合、Ｐ−Ｃ間もしくはＣ−Ｎ間がＩＧＢＴにより短絡状態（電源短絡状態）になり、過大な電流が流れてＩＧＢＴが破壊に至る。
そこで、通常３レベル主回路ではアーム短絡が発生しないようにＩＧＢＴ４、ＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６や、ＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６、ＩＧＢＴ７が同時にオンしないよう、ＩＧＢＴを駆動する制御信号のシーケンスが組まれている。しかしながら実際には、制御シーケンスの間違いやゲート駆動装置の故障などの何らかの想定しない事象により、ＩＧＢＴ４、ＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６、あるいはＩＧＢＴ５、ＩＧＢＴ６、ＩＧＢＴ７が同時にオンしてしまいアーム短絡が起こるという問題が起きていた。
【０００５】
このような問題を解決する手法としては、ゲート駆動装置３９とゲート駆動装置４１、およびゲート駆動装置４０とゲート駆動装置４２が同時にオンすることを防止する機能を搭載することによりアーム短絡を防止する技術が、特開２００７−１８５０２４号公報に開示されている。
【０００６】
図２（ｂ）に同時オン防止機能を搭載したゲート駆動装置を使った３レベル主回路の構成図を示す。図２（ｂ）において、図２（ａ）と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図２（ｂ）において１は制御論理部、１２〜１５は駆動指令、１６〜１９はオン許可信号、４３〜４６は同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板である。一般に制御論理部１と高電圧の主回路に接続されているＩＧＢＴの間は絶縁が必要になることから、駆動指令１２〜１５は光ファイバを使って通信している。また、オン許可信号１６〜１９も光ファイバを介して通信している。
【０００７】
この回路では、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４３〜４６がＩＧＢＴの動作状態を監視し、ＩＧＢＴがオフしている場合のみ、対となるゲート駆動装置基板にオンを許可する信号を送り、アーム短絡を防止している。例えば、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４３はＩＧＢＴ４の状態を監視し、ＩＧＢＴ４がオフの場合にのみ、対となる同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４５にオン許可信号１８を送る。同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４５ではオン許可信号１８が送られてきた場合のみ、ＩＧＢＴ６をオンすることができる。
反対に同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４５はＩＧＢＴ６のオフを検出し、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４３にオン許可信号１６を送り、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板４３はオン許可信号１６が送られてきた場合のみＩＧＢＴ４をオンすることができる。このような構成とすることで、同時に直列する３つのＩＧＢＴが同時にオンすることを禁止し、アーム短絡を防止している。
この構成を実現するに当たっては、電位が異なるゲート駆動装置基板間でオン許可信号を通信するため、一般に光ファイバ等をゲート駆動装置基板間に接続し、光信号伝送により通信が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１８５０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、図２（ｂ）に示すように光ファイバをゲート駆動装置間で光信号伝送に使用すると、同時オン防止機能搭載ゲート駆動装置基板間を多くの光ファイバ（図２（ｂ）の場合は４本）で接続する必要が生じ、これら光ファイバの配線スペースが新たに必要になり、変換器のサイズが大きくなってしまう。
また、光ファイバは不要な曲げ応力を掛けるとファイバが折れてしまい信号を伝達できなくなるという欠点を有し、取り扱いに注意が必要なことから、配線時の作業が繁雑になるとともに、耐久性にも問題があった。さらに、駆動指令を含め多くの光ファイバ（図２（ｂ）では１２本）を配線しなくてはならず、誤って配線するという問題点も有していた。
そこで、本発明の目的は、上記問題点を解決するものであって、３レベル電力変換装置のゲート駆動装置において同時オン防止回路を有し、かつ３レベル電力変換装置の構成部品を少なくし信頼性を向上したゲート駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、３レベル電力変換装置において、第１のＩＧＢＴと第３のＩＧＢＴの両方を駆動するゲート駆動装置と、第２のＩＧＢＴと第４のＩＧＢＴの両方を駆動するゲート駆動装置を１枚の基板に実装したゲート駆動装置で構成することで達成させる。
より具体的には、本発明の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置では、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）一対の直流電源端子間に順次直列に接続された第一ないし第四の半導体スイッチング素子と、該第一ないし第四のスイッチング素子にそれぞれ接続され、これらの半導体スイッチング素子を駆動する第一ないし第四のゲート駆動回路とからなり、第一及び第二の半導体スイッチング素子のみをオンしたときプラス出力、第二及び第三の半導体スイッチング素子のみをオンしたとき零出力、そして、第三及び第四の半導体スイッチング素子のみをオンしたときマイナス出力を出力することにより交流に変換する３レベル電力変換装置であって、前記第一の駆動回路と前記第三の駆動回路、及び、前記第二の駆動回路と前記第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、前記二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにした。
【００１１】
（２）上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路に印加される直流電圧に基づいて、規格上定められる最小限の絶縁距離を確保した。
【００１２】
（３）上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路の間に絶縁スリットを設けた。
【００１３】
（４）上記の半導体スイッチング素子用ゲート駆動装置において、前記同一の基板において、二つのゲート駆動回路のゲート出力回路を、パルストランス、高耐圧フォトカプラや光ファイバ等の光素子及び高絶縁のキャパシタンスの少なくともひとつを使用した絶縁信号送信回路を介して、前記論理回路に接続した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１のＩＧＢＴと第３のＩＧＢＴのゲート駆動装置基板間の光信号伝送および第２のＩＧＢＴと第４のＩＧＢＴのゲート駆動装置基板間を接続しオン許可信号をやりとりすることで、アーム短絡を防止すると共に、オン許可信号をゲート駆動装置基板内に配線することでゲート駆動装置の組立時の作業性の向上や誤配線を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１のゲート駆動装置を適用した３レベル電力変換装置の構成を示す図。
【図２】（ａ）は前提となる３レベル電力変換装置の一例、（ｂ）は、従来技術の同時オン防止機能を搭載したゲート駆動装置を適用した３レベル電力変換装置の構成を示す図。
【図３】本発明の実施例２のゲート駆動装置を適用した３レベル電力変換装置の構成を示す図。
【図４】本発明の実施例３のゲート駆動装置を適用した３レベル電力変換装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１７】
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１のゲート駆動装置を３レベル電力変換装置に適用した例を示す。
図２（ａ）、図２（ｂ）と同一の構成要素には同じ符号を付してある。
図１において、２０〜２３はＡＮＤ回路、２４〜２７はＩＧＢＴオン判定回路、２８〜３１はゲート駆動回路、３２〜３５はゲート出力回路である。第１のＩＧＢＴ４に対しオン信号を出力するゲート出力回路３２を具備するゲート駆動回路２８と、第３のＩＧＢＴ６に対しオン信号を出力するゲート出力回路３３を具備するゲート駆動回路２９は、後述するＡＮＤ回路やＧＢＴオン判定回路とともに同一基板に実装され、ゲート駆動装置２を構成している。
同様に、第２のＩＧＢＴ５に対しオン信号を出力するゲート出力回路３４を具備するゲート駆動回路３０と、第４のＩＧＢＴ７に対しに対しオン信号を出力するゲート出力回路３５を具備するゲート駆動回路３１は、後述するＡＮＤ回路やＧＢＴオン判定回路とともに同一基板に実装され、ゲート駆動装置３を構成している。
【００１８】
ゲート駆動装置２とゲート駆動装置３は同一構成であるため、以下、ゲート駆動装置２を使用して、動作を説明する。
制御論理部１からの駆動信号は駆動指令１２を介してＡＮＤ回路２０に出力され、また、ＧＢＴオン判定回路２５は、ゲート出力回路３３からの信号に基づいて、第３のＩＧＢＴ６がオフしているとき、オン許可信号１６をＡＮＤ回路２０に出力され、ＡＮＤ回路２０は、駆動指令１２とオン許可信号１６のＡＮＤをとり、両方Ｈｉレベルの場合オン信号を出力する。
すなわち制御論理部１からの指令が「オン」で、しかも、第３のＩＧＢＴ６がオフしており、オン許可信号１６が「許可」の場合のみ、ＡＮＤ回路２０、ゲート出力回路３２を介して、第１のＩＧＢＴ４をオンすることができる。
【００１９】
このとき、ゲート出力回路３２では、ＩＧＢＴ４をオンさせると同時に、ＩＧＢＴオン判定回路２４が、第１のＩＧＢＴ４がオンしていることを判定し、ＡＮＤ回路２１に出力されるオン許可信号１８をＬｏレベルに引き下げることで、ゲート駆動回路２９に第１のＩＧＢＴがオンしたことを伝達する。
オン許可信号１８がＬｏレベルの場合、ＡＮＤ回路２１の出力は、制御論理部１からのゲート出力回路３３に対する駆動指令１４の状態にかかわらず常にオフとなり、ＩＧＢＴ６がオンすることを防止する。これにより、ＩＧＢＴ４がオンしている状態ではＩＧＢＴ６がオンしないように保護する、いわゆる同時オン防止機能を実現している。
【００２０】
一方、ＩＧＢＴ４がオンしているにもかかわらず、誤動作等予期しない原因によりＩＧＢＴ６がオンに切り換えられようとした場合、ＩＧＢＴオン判定回路２５がこれを検出して、ＡＮＤ回路２０に出力されるオン許可信号１６をＬｏレベルにする。ＡＮＤ回路２０ではオン許可信号１６がＬｏレベルになったため、制御論理部１からの駆動指令１２がＨｉレベル、すなわちオンの指令であってもオフ信号をゲート出力回路３２に出力する。その結果、ゲート駆動回路３２はＩＧＢＴ４のゲート電圧を引き下げて、ＩＧＢＴの閾値電圧を下回る電圧に抑えることでＩＧＢＴ４をオフさせる。
以下、本実施例１の特徴を従来技術の図２（ｂ）と対比させて説明する。
【００２１】
上述したように、図２（ｂ）の従来技術では、同時オン防止機能を実現するために、ＩＧＢＴ４〜ＩＧＢＴ７に対する個別のゲート駆動装置３９〜４１を構成する回路基板間に信号配線を敷設しなければならないため様々な問題があった。これに対し、本実施例によれば、図１に示すようにＩＧＢＴ４のゲート駆動回路２８とＩＧＢＴ６のゲート駆動回路２９、およびＩＧＢＴ５のゲート駆動回路３０とＩＧＢＴ７のゲート駆動回路３１を、それぞれゲート駆動装置２、３として一枚の基板に集約し、この間に接続されるオン許可信号１６〜１９のための通信線を、ゲート駆動装置を構成する基板上に実装することで、ゲート駆動装置を個別の基板で構成した場合とは異なり、基板間を接続する配線を不要とすることができ、組立時の作業性の向上や、誤配線を防止することも可能になる。
また、ゲート駆動装置基板の枚数を半分に減らすことができるため、３レベル電力変換装置の構成部品を減らし、コストダウンを図ることもできる。
なお、同一基板上に実装されるゲート駆動回路２８と２９の距離は、絶縁のために、以下に示す距離が必要となる。
【００２２】
例えば、鉄道車両に適用するゲート駆動装置を例に説明する。鉄道車両に適用する場合、直流端子の電圧は一般に７５０Ｖ以上である。ゲート駆動装置基板の電位はＩＧＢＴのエミッタ電位と同じになることから、ゲート駆動回路３０と３１の間には７５０Ｖの電圧が印加されることになる。架線電圧は鉄道車両が走行しているときには変動することが知られており、７５０Ｖ架線の場合には最大で１０００Ｖに達する。この電圧に対してゲート駆動回路３０と３１の絶縁を確保するために必要な絶縁距離は規格から５ｍｍであることが知られている。一方ＩＧＢＴ４とＩＧＢＴ６の間には３レベル主回路の場合、回路の構成上直流電圧の１／２の電圧しか印加されない。このためゲート駆動回路２８と２９の間の絶縁は最大１０００Ｖの１／２の５００Ｖに対して確保しておけばよく、２．５ｍｍの距離があれば良い。このように、規格上十分な絶縁を確保した上で、ゲート駆動回路３０と３１との間隔を、必要最小限とすることにより、基板の一層のコンパクト化を実現することが可能となる。
【００２３】
［実施例２］
図３は、本発明の実施例２のゲート駆動装置を示したものである。
図１、図２（ａ）、図２（ｂ）と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図３において、４０は絶縁通信手段である。
実施例２の特徴を実施例１の図１と対比させ説明する。
上記したように図１の実施例１ではオン許可信号１６、１８は光ファイバを使用して通信していた。実施例２によれば、図３に示すように４０に絶縁信号送信回路としてパルストランスや高耐圧のフォトカプラ、また従来の光ファイバの長さを短くしたものや、高絶縁のキャパシタンスを使用することができる。これらにより、図１の実施例１で示した効果を同じく得ることができる。
【００２４】
［実施例３］
図４は、本発明の実施例３のゲート駆動装置を示したものである。
図１、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３と同一の構成要素には同じ符号を付してある。図４において、４１は絶縁スリットである。
本実施例３の特徴を実施例１の図１と対比させ説明する。
上記したように、図１の実施例１ではゲート駆動回路３０と３１の間には絶縁領域を５ｍｍ以上必要としていた。図４では絶縁スリット４１を挿入することで、絶縁領域を短くすることができる。規格では空気中の最小空間距離が４ｍｍになることが知られているので、絶縁領域を４ｍｍまで短くすることができる。一方図１の実施例１のゲート駆動回路２８と２９の間には絶縁領域を２．５ｍｍ以上必要としていた。図４では絶縁スリット４１を挿入することで、絶縁領域を短くすることができる。規格では空気中の最小空間距離が１．５ｍｍとなることが知られているので、絶縁領域を１．５ｍｍまで短くすることができる。
【００２５】
以上の実施例では、３レベル主回路の例を説明してきたが、もちろん３レベル主回路に限定されるものではなく、５レベル、７レベルなどマルチレベル主回路に適用した場合も同様の効果が得られることは当業者にとって明らかである。要は、同時にオンになると、電源短絡状態となり、ＩＧＢＴを破壊するようなゲート駆動回路の組み合わせを１つの基板に実装して、この基板に、ゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、少なくともひとつのゲート駆動回路が必ずオフとなるようなようにすればよい。
また、半導体素子としてＩＧＢＴの例を説明したが、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ、ＧＴＯ等のパワーデバイスを適用しても同様の効果を得ることができる。
更に、本実施例で説明した鉄道車両用のみならず、製鉄所の圧延ローラ駆動用の電力変換器や高電圧の電源用途などあらゆるマルチレベル電力変換回路に適用しても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、３レベル電力変換装置において、第一の駆動回路と第三の駆動回路、及び、第二の駆動回路と第四の駆動回路をそれぞれ同一の基板に実装し、各基板上において、二つのゲート駆動回路におけるゲート出力回路を、通信線を介して相互に論理回路に接続し、いずれか一方のゲート駆動回路がオンしている時に他方のゲート駆動回路をオフすることにより、同時オンを防止するようにしたので、３レベル電力変換装置の構成部品を簡素化、コンパクト化でき、耐久性の向上、配線作業の簡略化を改善できるので、特に、高電圧の直流電源を使用した電力変換器に広く採用されることが期待できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  制御論理部
２、３  ゲート駆動装置
４〜７  ＩＧＢＴ
８、９  中性点クランプ用ダイオード
１０、１１  電源安定化コンデンサ
１２〜１５  駆動指令
１６〜１９  オン許可信号
２０〜２３  ＡＮＤ回路
２４〜２７  ＩＧＢＴオン判定回路
２８〜３１  ゲート駆動回路
３２〜３５  ゲート出力回路
３６  交流端子
３７、３８  直流端子
４０  絶縁通信手段
４１  絶縁スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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