(57)【要約】【課題】電流検出値が設定値以下であった場合に、半導体素子が次回ターンオンする際に、ターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件を切り換えるゲート駆動回路においては、タイミングによっては、小電流時駆動条件が切り換わらない場合がある。【解決手段】上記課題を解決するために、ターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間が設定値以上であった場合は、前記電流検出値の大きさに関わらず、前記ゲート駆動条件をターンオン動作が遅くなるような回路に切り換えて動作させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用変換装置に用いる電圧駆動形半導体素子の駆動回路で、前記半導体素子導通時の電流を検出する回路と，前記電流検出値が設定値以下であった場合に，前記半導体素子が次回ターンオンする際に，ターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件を切り換える回路を設けたゲート駆動回路において，前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間が設定値以上であった場合は，前記電流検出値の大きさに関わらず，前記ゲート駆動条件をターンオン動作が遅くなるような回路に切り換えて動作させることを特徴とする半導体素子のゲート駆動回路。
【請求項２】
前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間の計測回路として、オフ信号開始時点からの時間を積分する積分器と、前記積分器の出力と設定値を比較する比較器と、ターンオン指令信号入力時から所定時間後に前記積分器をリセットするリセット回路を用いることを特徴とする請求項1に記載の電力用半導体素子のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体素子のゲート駆動回路に関し、特に素子の電流値に応じてゲート駆動条件を変更し、サージ電圧抑制や低損失化を図るゲート駆動回路技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３にＩＧＢＴを用いたモータ駆動用インバータの主回路図を示す。１が直流電源（交流電源の場合は整流器と大容量のコンデンサより構成）、２が直流を交流に変換するＩＧＢＴ３ａ、３ｂ及びダイオード４ａ、４ｂより構成する直列アームを3個並列接続して構成したインバータ回路、５ａ、５ｂがＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路（各素子に接続）で、制御回路６からのゲートスイッチ指令信号７ａ、７ｂにより動作する。各直列アームのＩＧＢＴに対して同様のゲート駆動回路とゲートスイッチ指令信号が適用されるが、詳細は省略して記載してある。また、８がモータ負荷である。
図４にゲート駆動回路（５ａ、５ｂで代表）の詳細回路図を示す。９が本回路駆動用の正側電源、１０が負側電源、１１ａ、１１ｂ及び１２がＩＧＢＴをターンオン及びターンオフさせるためのスイッチ素子、１３ａ、１３ｂ及び１４がターンオン及びターンオフ用のゲート抵抗で、制御回路６からのゲートスイッチオンオフ指令信号（ＰＷＭ制御信号）７によって動作する。また通常、制御回路６とゲート駆動回路（５ａ、５ｂで代表）との間は絶縁が必要となるため、フォトカプラなどの信号絶縁器１５を接続する。
また、ＩＧＢＴのコレクタとゲート駆動回路間に接続されているダイオード１６は、ＩＧＢＴ３の電流値に応じて変化する飽和電圧検出用で、抵抗３０とコンデンサ３１はオンオフ信号２２の立ち上がり時（ターンオン信号発生時）ＩＧＢＴ３ａがオンするまでの遅れ時間に誤検知するのを防止するためのタイマー回路である。電位１７が設定器１８の設定値以上となった場合、コンパレータ１９によりその状態を検出し、ラッチ回路２０と論理回路２１を介してスイッチ素子１１ｂをオンさせる。すなわち信号２２の立下りエッジ時（ＩＧＢＴ３のターンオフ指令入力時）に、ＩＧＢＴ３ａに流れている電流値が大きいこと（ＩＧＢＴの飽和電圧が高いこと）を、コンパレータ１９で検出し、その状態をラッチ回路２０にてラッチし、Ｈレベルの信号２３を出力する。その後、信号２２にＩＧＢＴ３へのターンオン指令が入力された際、論理回路２１が動作し、スイッチ素子１１ｂがオンする。その結果、ターンオン側のゲート抵抗値は抵抗１３ａと１３ｂの並列抵抗値となるため、合成抵抗値が下がり、ＩＧＢＴのターンオン動作は速くなる。
【０００３】
一方、ＩＧＢＴ３ａに流れている電流値が小さい場合は、逆の動作となり、信号２２の入力に関わらずスイッチ素子１１ｂはオンしない。そのためターンオン側のゲート抵抗値は１３ａのみとなり、ＩＧＢＴのターンオン動作は遅くなる。
電流値によってゲート駆動条件を切り換えない場合は、ＩＧＢＴ３ａターンオン時において、対抗アームのダイオード４ｂの逆回復波形は、ＩＧＢＴ３ａのターンオン電流が小さい場合は、図５（ａ）のような波形に、また大電流の場合は図５（ｂ）のような波形となる。すなわち小電流の方が逆回復時のサージ電圧ＶＲｐｅａｋが高くなる。従って、図４のようにターンオン電流値に応じてゲート抵抗値の切り換えを実施すれば、図６のように小電流時においてもサージ電圧の低減が可能となり、信頼性向上や低耐圧の素子の適用が可能となる。
【０００４】
以上のＩＧＢＴの電流値に応じてターンオン側のゲート駆動条件を切り換えるゲート駆動回路の従来例は、特許文献１に示されている。  
【特許文献１】特開平１１−６９７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のゲート駆動回路においては下記の課題がある。  
図７にインバータ回路２の出力電流（ｉａｃ）と信号２２（Ｔ１ｓｗ）とのタイムチャート図を示す。
電流波形（ｉａｃ）が太線の場合、ＩＧＢＴがターンオフするタイミング（時刻ｔ０）において、電流値ｉａｃは、逆回復サージ電圧が高くなる設定値１８（Ｉｒｅｆ０）以下となっているため、次回ターンオンする際（時刻ｔ１）は、ＩＧＢＴのターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件が切り換わる。
一方電流波形（ｉａｃ）が細線の場合、ＩＧＢＴがターンオフするタイミング（時刻ｔ０）において、電流値ｉａｃは、逆回復サージ電圧が高くなる設定値１８（Ｉｒｅｆ０）以上であるため、次回ターンオンする際（時刻ｔ１）は、ＩＧＢＴのターンオン動作は速いままとなる。
【０００６】
ところが、図示のようにＩＧＢＴのオフ期間（Ｔｏｆｆ）が長くなった場合は、時刻ｔ１において実電流（ｉａｃ）はＩｒｅｆ０以下となるようなケースも起こりうる。この場合、逆回復波形は図５（ａ）のようになり、最悪耐圧破壊を起こす。この現象を防止するためには設定値１８をＩｒｅｆ０からＩｒｅｆ１に上げれば解決するが、その場合、ターンオン用のゲート抵抗値が高い状態でターンオン動作する電流領域が広がるため、ＩＧＢＴのターンオン損失が増加し、発熱の問題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力用変換装置に用いる電圧駆動形半導体素子の駆動回路で、前記半導体素子導通時の電流を検出する回路と、前記電流検出値が設定値以下であった場合に、前記半導体素子が次回ターンオンする際に、ターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件を切り換える回路を設けたゲート駆動回路において、前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間が設定値以上であった場合は、前記電流検出値の大きさに関わらず、前記ゲート駆動条件をターンオン動作が遅くなるような回路に切り換えて動作させる。
第２の発明においては、前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間の計測回路として、オフ信号開始時点からの時間を積分する積分器と、前記積分器の出力と設定値を比較する比較器と、ターンオン指令信号入力時から所定時間後に前記積分器をリセットするリセット回路を用いる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、電力用変換装置に用いる電圧駆動形半導体素子の駆動回路で、前記半導体素子導通時の電流を検出する回路と、前記電流検出値が設定値以下であった場合に、前記半導体素子が次回ターンオンする際に、ターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件を切り換える回路を設けたゲート駆動回路において、前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間が設定値以上であった場合は、前記電流検出値の大きさに関わらず、前記ゲート駆動条件をターンオン動作が遅くなるような回路に切り換えて動作させるため、ＩＧＢＴがターンオフする直前に、ゲートの切り換えを実施する必要がない程度の電流が流れているような場合で、その後ＩＧＢＴのオフ期間が長く、その期間中に逆回復サージ電圧が高くなる小電流領域まで電流値が低下した場合においても、確実にターンオン動作が遅くなるようなゲート駆動条件の切り換えを実施し、低サージ電圧化を図ることが可能となる。
【０００９】
この結果、ＩＧＢＴの発生損失を大幅に増加させずに、小電流ターンオン時において確実に低逆回復サージ電圧化を達成でき、インバータ装置の高信頼化と低損失化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の要点は、電力用変換装置に用いる電圧駆動形半導体素子の駆動回路で、前記半導体素子導通時の電流を検出する回路と、前記電流検出値が設定値以下であった場合に、前記半導体素子が次回ターンオンする際に、ターンオン動作が遅くなるようにゲート駆動条件を切り換える回路を設けたゲート駆動回路において、前記半導体素子のターンオフ指令信号入力時からターンオン指令入力までの時間が設定値以上であった場合は、前記電流検出値の大きさに関わらず、前記ゲート駆動条件をターンオン動作が遅くなるような回路に切り換えて動作させることである。
【実施例１】
【００１１】
図１に、本発明の実施の形態を示す回路例を示す。図４の従来回路例に対して、回路２４〜２９を追加した構成である。
２５は積分回路で、論理回路２４による信号２２の反転信号を積分する。即ちＩＧＢＴオフ時間相当をアナログ値に変換する。積分回路２５の出力信号と設定器２６の出力とをコンパレータ２７により比較し、回路２５の出力信号の方が大きい場合は、オフ時間が長いと判断し、ＩＧＢＴの電流検出値の大小に関わらず、論理回路２８を介して（Ｌレベルとなる）スイッチ素子１１ｂはオンされない動作となる。すなわち抵抗１３ａのみによるターンオン動作となる。
また、２９は積分回路２５のリセット回路で、信号２２の立ち上がりエッジに対して、設定時間（Ｔ）後にリセット信号を積分回路に送出する構成である。
【００１２】
図２に、各部の動作タイムチャートを示す。オンオフ信号２２の立ち上がりエッジから所定時間T後にリセット回路２９からリセットパルスが積分器２５に対して送出される。このリセットパルスにより、積分器２５の出力は零にリセットされ、その後、オンオフ信号２２のオフ信号開始時点からオン信号開始時点までの間、積分動作を行い、積分器２５の出力値は徐々に増加する。この出力値が設定器２６の値を超えるとコンパレータ２７の出力がＬレベルとなり、次のリセット信号が積分器２５に入力されるまで、維持される。この結果、スイッチ素子１１ｂはオンされない。従って、抵抗１３ａのみによるターンオン動作となる。
本提案書では説明上、ＩＧＢＴに流れている電流値の検出をＩＧＢＴのコレクタに接続された、ＩＧＢＴ飽和電圧検出用のダイオードにて実施しているが、その他の手段として、ＩＧＢＴと直列もしくは負荷側に接続された電流検出器（ＣＴ）の出力信号や、ＩＧＢＴチップから出力されるセンスＩＧＢＴの信号を使用しても良い。
【００１３】
また本提案書ではターンオン用のゲート抵抗値を切り換えている回路を例としているが、ＩＧＢＴのゲート・エミッタ間に接続するコンデンサ（図示していない）の容量や、スイッチ素子１１、１２のベースに接続するベース抵抗値（図示していない）やそのベースとＩＧＢＴエミッタ間に接続されているコンデンサ（図示していない）の容量を切り換える回路にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明は、スイッチング素子を使用した電力変換装置において、環流ダイオードが逆回復する時のサージ電圧を抑制することができるゲート駆動技術であり、半導体スイッチング素子を使用するＵＰＳ（無停電電源装置）、モータ駆動用インバータなどへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示す回路図である。
【図２】図１の動作を説明するための動作波形図である。
【図３】モータ駆動用インバータ装置の全体構成例を示す。
【図４】従来のゲート駆動回路の構成を示す。
【図５】ゲート駆動条件を切り換えない場合の動作波形を示す。
【図６】ゲート駆動条件を切り換えた場合の動作波形を示す。
【図７】インバータ回路の出力電流と信号（Ｔ１ｓｗ）とのタイムチャート図を示す。
【符号の説明】
【００１６】
１・・・直流電源          ２・・・インバータ回路
３ａ、３ｂ・・・ＩＧＢＴ          ４ａ、４ｂ・・・ダイオード
５ａ、５ｂ・・・ゲート駆動回路          ６・・・制御回路
７ａ、７ｂ・・・駆動信号          ８・・・モータ
９、１０・・・駆動用電源          １１ａ、１１ｂ、１２・・・スイッチ素子
１３ａ、１３ｂ、１４、３０・・・抵抗
１５・・・信号絶縁器          １６・・・ダイオード          
１８、２６・・・設定器          １９、２７・・・コンパレータ
２０・・・ラッチ回路        ２１、２８・・・論理回路          
２４・・・反転ゲート          ２５・・・積分器
２９・・・ワンショット回路          ３１・・・コンデンサ                                        
【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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