(57)【要約】【課題】ＭＯＳゲート駆動用パワーＩＣにおいて、インバータ上アームの主ＩＧＢＴ２１へのゲート信号供給用の上アーム駆動回路の電源として、専用電源を用意することなく、簡単で安定した電源を持つゲート駆動回路を提供する。【解決手段】ブートストラップ充電ができない期間（下アームのＩＧＢＴ２１がオフし、Ａ点のフローティング電位が高電位にある期間）において、ＰＭＯＳ１７とＮＭＯＳ１８を交互に駆動して、電源６から補助コンデンサ１９への充電と、この補助コンデンサ１９から電源用コンデンサ１０への放電とを繰り返すチャージポンプ動作により、電源用コンデンサ１０の充電を可能にした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器内で直列接続された一対の主スイッチング素子に対して、フローティング電位を基準とする上アームのゲート駆動信号と、アース電位を基準とする下アームのゲート駆動信号を出力するとともに、上アームのゲート駆動信号を出力する上アーム回路用の電源用コンデンサと、この電源用コンデンサを下アームの主スイッチング素子を通して充電する充電回路を備えたゲート駆動回路において、補助コンデンサと、前記フローティング電位が高電位にある期間中に、電源から前記補助コンデンサの充電と、この補助コンデンサから前記電源用コンデンサへの放電とを交互に繰返す充放電回路を形成する充放電用スイッチング素子と、この充放電用スイッチング素子を駆動する駆動回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項２】
電力変換器内で直列接続された一対の主スイッチング素子に対して、フローティング電位を基準とする上アームのゲート駆動信号と、アース電位を基準とする下アームのゲート駆動信号を出力するとともに、上アームのゲート駆動信号を出力する上アーム回路用の電源用コンデンサと、この電源用コンデンサを下アームの主スイッチング素子を通して充電するブートストラップ回路を備えたゲート駆動回路において、前記フローティング電位が高電位にある期間中に、電源から補助コンデンサを介して前記電源用コンデンサを充電するチャージポンプ回路を形成する充放電用スイッチング素子と、この充放電用スイッチング素子を駆動するチャージポンプ駆動回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項３】
電力変換器内で直列接続された一対の主スイッチング素子に対して、フローティング電位を基準とする上アームのゲート駆動信号と、アース電位を基準とする下アームのゲート駆動信号を出力するゲート駆動回路において、フローティング電位を基準とする前記上アームのゲート駆動信号を出力する上アーム回路用の電源用コンデンサと、この電源用コンデンサをブートストラップ動作で充電する充電回路と、フローティング電位が高電位にある期間中に、チャージポンンプ動作で前記電源用コンデンサに充電するチャージポンンプ回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、発振回路と、この発振回路の出力に応じて一対のスイッチング素子を交互にスイッチング制御する駆動回路と、これらのスイッチング動作により前記電源用コンデンサに充電する充電回路を備えたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項５】
請求項４において、前記一対のスイッチング素子は、ｐチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子とｎチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子であることを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項６】
請求項５において、前記ｐチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子とｎチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子を駆動する駆動回路は、フローティング電位が高い期間に動作するように構成したことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記ｐチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子とｎチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子を、ゲート駆動回路を構成するパワーＩＣに外付けしたことを特徴とするゲート駆動回路。
【請求項８】
電力変換器内で直列接続された一対の主スイッチング素子に対して、フローティング電位を基準とする上アームのゲート駆動信号と、アース電位を基準とする下アームのゲート駆動信号を出力するとともに、上アームのゲート駆動信号を出力する上アーム回路用の電源用コンデンサを備えたゲート駆動回路の電源制御方法において、フローティング電位が低電位にある期間に、ゲート駆動回路の電源から下アームの主スイッチング素子を通して前記電源用コンデンサを充電するステップと、フローティング電位が高電位にある期間に、前記電源から補助コンデンサを充電するステップと、この補助コンデンサから前記電源用コンデンサへ放電するステップを備えたことを特徴とするゲート駆動回路の電源制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置に適用して好適なＭＯＳゲート駆動用のパワーＩＣ等のゲート駆動回路及びその電源制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ装置用のＭＯＳゲート駆動用パワーＩＣに関しては、フローティング電位基準の上アーム回路の電源は、スイッチングレギュレータ等で独立に与えるものがある。また、特許文献１に開示されているように、下アームの主スイッチング素子のＯＮ期間に、この下アーム主スイッチング素子を通して、上アーム回路の電源用コンデンサに充電するブートストラップ方式が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０４１４９号公報（図１、段落００２０他）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のブートストラップ方式での上アーム回路の電源を形成する方式では、上アームの主スイッチング素子（以下、ＩＧＢＴ又はＭＯＳデバイス）のオン期間には、電源用コンデンサの電荷が放電され、電源電圧の低下を招く。従って、上アームの主ＭＯＳスイッチング素子のオン期間が比較的長い場合には不適である。このため、主ＩＧＢＴの電流容量が数１００［Ａ］クラスの場合や、サーボモータ駆動用などにおいては、専用に電源を用いざるを得ない場合が多い。
【０００５】
本発明の目的は、専用電源を用いることなく、上アーム回路の電源を形成できるゲート駆動回路及びその電源制御方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下アームの主スイッチング素子のオン期間に、この主スイッチング素子を介してブートストラップ動作で上アーム回路の電源用コンデンサを充電し、上アームの主スイッチング素子のオン期間すなわち下アームの主スイッチング素子のオフ期間であり、かつフローティング電位が高い期間には、電源から補助コンデンサを充電し、この補助コンデンサから電源用コンデンサを充電するチャージポンプ方式で上アーム回路の電源用コンデンサを充電することを特徴とする。
【０００７】
本発明は、他の一面において、電力変換器内で直列接続された一対の主スイッチング素子のうち上アーム素子に対するゲート駆動信号を出力する上アーム回路の電源用コンデンサと、下アームの主スイッチング素子を通して前記電源用コンデンサを充電する充電回路とを備え、フローティング電位を基準とする上アームのゲート駆動信号と、アース電位を基準とする下アームのゲート駆動信号を出力するゲート駆動回路において、フローティング電位が高電位にある期間に、充放電用スイッチング素子を駆動して、補助コンデンサの充放電を繰返すことによって、その放電時に前記電源用コンデンサを充電することを特徴とする。
【０００８】
これにより、上アーム回路に専用の電源を用いることなく、簡単な構成のゲート駆動回路又はその電源制御方法を提供することができる。
【０００９】
本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施例の説明で明らかにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例によるＭＯＳゲート駆動回路のブロック図である。家電用、産業用あるいは、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）用等のインバータシステムには、モータ駆動用の３相分のインバータブリッジが用いられる。図には、そのうち１相分の主回路のみを示している。
【００１１】
直流電源１は、３相インバータの１相分を示す上アーム及び下アームの主スイッチング素子（ＩＧＢＴ）２１と２２の直列回路に接続されている。ここでは、ＭＯＳゲート素子としてＩＧＢＴを示しているが、パワーＭＯＳとすることもできる。これらＩＧＢＴの直列接続点Ａは、同期電動機や誘導電動機に代表される３相負荷３の１相端子に接続されている。他の２相分の回路は省略している。
【００１２】
これらの主ＩＧＢＴ２１や２２は、ゲート駆動用パワーＩＣ（ゲート駆動回路）４によって交互にＯＮ／ＯＦＦ駆動される。一実施態様においては、パワーＩＣ４は、制御信号発生部５から数［Ｖ］レベルの上，下入力信号（ＰＷＭ信号）５１，５２を受け、十数［Ｖ］の電源６（Ｖｃｃ）によって、数百［ｍＡ］レベルのＰＷＭパルス列を出力する。これを、必要に応じ、図示しない外部バッファにて数［Ａ］レベルに増幅して主ＩＧＢＴ２１，２２に供給している。この例では、主電源１は数百［Ｖ］レベルである。
【００１３】
次に、パワーＩＣ４内の機能ブロックについて説明する。上アーム回路では、上入力信号５１を入力インターフェース部７で受け、レベルシフト回路８で電位レベルをシフトする。そして、上アームドライブ回路９１を介し、主ＩＧＢＴ（ＭＯＳゲート素子）２１を駆動する。下アーム回路では、下入力信号５２を入力インターフェース部７で受け、下アームドライブ回路９２を介して、主ＩＧＢＴ（ＭＯＳゲート素子）２２を駆動する。
【００１４】
ここで、上アーム回路の電源用コンデンサ１０へのブートストラップ充電及び、電荷汲み上げ（チャージポンプ）動作について説明する。
【００１５】
まず、下アームの主ＩＧＢＴ素子２２がオンすると、ブートストラップ充電回路が構成される。すなわち、電源（Ｖｃｃ）６から、高圧ダイオード１１，１２と、上アーム回路の電源用コンデンサ１０と、Ａ点と、下アームの主ＩＧＢＴ２２を通ってアース（ＧＮＤ）に至る充電経路で、上アーム回路の電源用コンデンサ１０を充電する。
【００１６】
次に、上アームの主ＩＧＢＴ素子２１がオンすると、Ａ点のフローティング電位が、外部高圧直流電源１の電源電圧、例えば約３００［Ｖ］近くまで上昇する。このとき、発振回路１３が、外付け抵抗１４とコンデンサ１５で決る、例えば、１５［ｋＨｚ］の発振周波数で発振動作するように構成されている。この発振回路１３の出力は、チャージポンプ駆動回路１６に与えられ、チャージポンプ駆動回路１６は、その周波数で、外部のｐチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子１７とｎチャネルパワーＭＯＳスイッチング素子１８を交互にオン／オフ駆動する。ｎチャネルパワーＭＯＳ１８がオンのタイミングで、電源（Ｖｃｃ）６から、ダイオード１１、補助コンデンサ１９、及びｎチャネルパワーＭＯＳ１８の経路で補助コンデンサ１９に充電する。次いで、ｎチャネルパワーＭＯＳ１８がオフし、ｐチャネルパワーＭＯＳ１７がオンする。このとき、充電されていた補助コンデンサ１９から、高圧ダイオード１２、電源用コンデンサ１０、及びｐＭＯＳ１７の経路で、上アーム回路の電源用コンデンサ１０を充電する。この動作により、下アームの主ＩＧＢＴ２２がオフし、Ａ点のフローティング電位が高電位の場合でも、上アーム回路の電源電圧が低下することはない。
【００１７】
この実施例においては、次のようにしてゲート駆動回路４を構成している。すなわち、補助コンデンサ１９と、Ａ点のフローティング電位が高電位にある期間中に、電源６から補助コンデンサ１９の充電と、この補助コンデンサ１９から電源用コンデンサ１０への放電とを交互に繰返す充放電回路を形成している。このため、一対の充放電用スイッチング素子１７，１８と、この充放電用スイッチング素子を発振回路１３の出力に応じて交互にスイッチング制御するチャージポンプ駆動回路１６を備えている。
【００１８】
また、次のようなゲート駆動回路の電源制御方法を採用している。まず、Ａ点のフローティング電位が低電位にある期間に、ゲート駆動回路４の電源６から、下アームの主スイッチング素子２１を通して、電源用コンデンサ１０を充電するステップがある。次に、フローティング電位が高電位にある期間に、前記電源６から補助コンデンサ１９を充電するステップと、この補助コンデンサ１９から前記電源用コンデンサ１０へ放電するステップを交互に繰り返す。
【００１９】
したがって、上アーム回路に専用の電源を用意することなく、比較的簡単に、ＭＯＳゲート駆動用のパワーＩＣ等のゲート駆動回路及びその電源制御方法を提供できる。
【００２０】
この実施例においては、チャージポンンプ動作用のｐチャネルパワーＭＯＳ１７とｎチャネルパワーＭＯＳ１８を、パワーＩＣ４の外部から調達している。しかし、小容量の主ＩＧＢＴ又はＭＯＳゲート素子を駆動するパワーＩＣ４の場合には、これらのスイッチング素子１７，１８を、パワーＩＣ４内に内蔵することもできる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、専用の電源を用いることなく、上アーム回路に安定した電源を確保できるゲート駆動用パワーＩＣ等のゲート駆動回路及びその電源制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるゲート駆動回路を示す回路ブロック図である。
【符号の説明】
１…高圧直流電源、２１，２２…上下の主スイッチング素子（主ＩＧＢＴ）、３…負荷、４…ゲート駆動用パワーＩＣ、５…制御信号発生部、５１，５２…上，下入力信号、６…パワーＩＣ用制御電源（Ｖｃｃ）、７…入力インターフェース部、８…レベルシフト回路、９１，９２…上，下アームドライブ回路、１０…上アーム回路の電源用コンデンサ、１１，１２…高圧ダイオード、１３…発振回路、１４…発振回路用抵抗、１５…発振回路用コンデンサ、１６…チャージポンプ駆動回路、１７…ｐチャネルパワーＭＯＳ、１８…ｎチャネルパワーＭＯＳ、１９…補助コンデンサ。
【図１】
2004304527.tif 000003