(57)【要約】【課題】スイッチングデバイスが電圧を持ちながらも電流を流すという、いわゆるダイナミックアバランシェ（ＤＡ）現象の発生を的確に検出し、素子破壊が生じないようにする。【解決手段】スイッチングデバイス５のターンオフ時のフォールタイムが、ＤＡ現象を発生する場合としない場合とでは大きく異なることに着目し、例えば直列にリアクトル４を接続してその両端電圧を信号計測手段２で計測することでフォールタイム相当値を検出し、その時間をインターフェイス回路１内の時間計測回路にて計測し、これが所定値以上ならばＤＡ現象の発生として判断することで、従来より正確かつ迅速にＤＡ現象を検出できるようにする。【選択図】        図１
2004312796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴを含む電圧駆動形スイッチングデバイスからなる電力変換装置のゲート駆動回路において、
前記スイッチングデバイスのターンオフ動作時のフォールタイム検出手段を設け、検出したフォールタイムが予め設定された時間を越えたとき、スイッチングデバイスにダイナミックアバランシェ現象が発生したと判断することを特徴とする電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項２】
前記フォールタイム検出手段は、前記スイッチングデバイスのターンオフ動作中に生じるコレクタ電流の変化率を検出する電流変化率検出手段と、この電流変化率検出手段からの出力信号の発生時間を計測する時間計測手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項３】
前記コレクタ電流の変化率は、前記スイッチングデバイスのエミッタにインダクタンスを直列に接続して検出するか、または配線のインダクタンスから検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項４】
前記フォールタイム検出手段は、前記電力変換装置の直流電源電圧を検出する直流電源電圧検出回路と、前記スイッチングデバイスのコレクタ−エミッタ間の電圧を検出するコレクタ−エミッタ間電圧検出回路と、検出された直流電源電圧とコレクタ−エミッタ間電圧とを比較することによりターンオフ時に生じるスパイク電圧の発生時間を計測する時間計測手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【請求項５】
前記フォールタイムが予め設定された時間を越えたときは、前記スイッチングデバイスを強制遮断するか、またはアラームを発生するかの少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置に用いられるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの電圧駆動形スイッチングデバイスのゲート駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴは高耐圧電圧特性を持ち、大電流を高速にスイッチングできるため、インバータ回路などの電力変換装置に広く用いられている。
図５に電圧駆動形スイッチングデバイスとしてＩＧＢＴを用いたゲート駆動回路のごく一般的な例を、また、図６に電力変換装置としてのインバータ主回路のごく一般的な例を、それぞれ示す。
図５において、５はメインデバイスとしてのＩＧＢＴ、９はＩＧＢＴのターンオン時にゲート−エミッタ間に電圧を印加するための正側のゲート駆動回路電源であり、同様に１０はＩＧＢＴのターンオフ時にゲート−エミッタ間に電圧を印加するための負側のゲート駆動回路電源である。
【０００３】
符号１７は、ＩＧＢＴのオン，オフのスイッチング指令を作成するインバータの制御回路であり、１６は弱電部である制御回路１７から強電部である主回路にＩＧＢＴのオン，オフ指令を伝達するフォトカプラ（ＰＣ）である。１３，１４はスイッチング用のトランジスタであり、アンプ１５を介してオン，オフされる。１３をオン、１４をオフさせると、正側電圧９がＩＧＢＴのゲート−エミッタ間に印加されてＩＧＢＴがオンする一方、１３をオフ、１４をオンさせると、負側電圧１０がＩＧＢＴのゲート−エミッタ間に印加されてＩＧＢＴがオフする。
【０００４】
また、図６に示すように、電力変換装置としてのインバータ主回路は、商用交流電源を直流に順変換するダイオード整流器１８、直流平滑用のコンデンサ２０、ＩＧＢＴ逆変換器２２、ゲート駆動回路１９および制御回路１７などから構成される。２３はスナバ回路２１と主回路モジュール２２との間に存在する浮遊インダクタンスを示し、ＩＧＢＴのターンオフ時にはこの浮遊インダクタンス２３によってスパイク電圧が発生する。
【０００５】
近年、ＩＧＢＴの高耐圧，大容量化に伴い、ターンオフ動作時に素子の遮断電流を増加、または直流電源電圧を増加させていくと、図７（ｂ）に示すように、スパイク電圧上昇と同時にダイナミックアバランシェ現象（以下、ＤＡとも略記する）が発生することが指摘されている。なお、図７（ａ）はかかるＤＡ現象が発生しないときの動作波形図であり、Ｉｃはコレクタ電流、ＶＣＥはコレクタ−エミッタ間電圧、ＶＧＥはゲート−エミッタ間電圧である。
図８にＩＧＢＴ素子のコレクタ−エミッタ間の耐圧特性を示す。
ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に印加される電圧ＶＣＥが降伏電圧（アバランシェ電圧）Ｖ０を越えると、ＩＧＢＴ素子は電圧を持ちながら電流を流せるという特性を持つ。すなわち、降伏電圧Ｖ０以上の電圧が掛かっても、素子の端子電圧はＶ０にクランプされながら大電流が流れることになり、この現象をダイナミックアバランシェ現象という。
【０００６】
大電流のターンオフ時、ＩＧＢＴが高速なスイッチング特性を持つため、コレクタ電流減少率（−ｄｉ／ｄｔ）は非常に大きな値となる。また、配線に存在する浮遊インダクタンス２３のＬ値が大きくなるほど、ターンオフ時によるスパイク電圧Ｌｄｉ／ｄｔ（図９に示すΔＶ参照：ＩＧＢＴ素子がターンオフ動作時に、サージ電圧のピーク値と直流電源電圧との差ΔＶ＝Ｌｄｉ／ｄｔをスパイク電圧という）は非常に大きな値となり、ＩＧＢＴがＤＡ現象を発生しやすくなるという問題がある。
【０００７】
ターンオフ時には配線浮遊インダクタンス２３のエネルギー（１／２）Ｌｉ２（ｉはＩＧＢＴの遮断電流を表わす）がＩＧＢＴにおいて全て消費されるため、このＤＡ現象によってスイッチング損失が急激に増加する。特に、ＤＡ現象発生状態で素子を連続運転させた場合は、素子のターンオフ損失が増加するため、素子を破壊する可能性が高くなる。このため、従来は例えば特許文献１に示すように、ＤＡ現象が発生しない自己修復（リカバリ）が可能な領域で素子を駆動するようにしたり、または特許文献２に示すように、素子の遮断電流（コレクタ電流）Ｉｃを検出し、これが設定値を越えるとＤＡ現象発生と判断して、ターンオフ時間を長くするようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−００４５７７号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１５３０４３号公報（第２頁、図１−２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１，２のような方法では、ＤＡ現象の発生を検出できない場合があり、ＤＡ現象により素子が破壊される可能性が高くなるという問題がある。例えば、素子の遮断電流が設定値以下でも直流電源電圧Ｅｄが高くなり、または配線インダクタンスＬが大きいときはＤＡ現象で素子が破壊する可能性がある。また、ＤＡ現象の発生は素子のジャンクション温度に対する依存性が大きく、温度が変動すると他の条件は同じでも、ＤＡ現象に入るときのコレクタ電流Ｉｃが大幅に変化する。
【００１０】
図１０は、定格が１２００Ｖ／４５０ＡのＩＧＢＴ素子を例として、遮断電流Ｉｃが増加するときのＩＧＢＴ素子ターンオフ時のフォールタイム特性、およびＤＡ現象に入るときのコレクタ電流Ｉｃの温度依存性を示す。
図示のように、他の条件は同じで素子のジャンクション温度Ｔｊを２５℃，７５℃，１２５℃と変化させたとき、ＤＡ現象に入るときのコレクタ電流はそれぞれ３００Ａ，５００Ａ，９００Ａであり、ＤＡ現象に入るときのコレクタ電流の温度依存性が大きいことが分かる。
したがって、この発明の課題は、素子におけるＤＡ現象の発生を精度良く検出できるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ＩＧＢＴを含む電圧駆動形スイッチングデバイスからなる電力変換装置のゲート駆動回路において、
前記スイッチングデバイスのターンオフ動作時のフォールタイム検出手段を設け、検出したフォールタイムが予め設定された時間を越えたとき、スイッチングデバイスにダイナミックアバランシェ現象が発生したものと判断することを特徴とする。
【００１２】
上記請求項１の発明においては、前記フォールタイム検出手段は、前記スイッチングデバイスのターンオフ動作中に生じるコレクタ電流の変化率を検出する電流変化率検出手段と、この電流変化率検出手段からの出力信号の発生時間を計測する時間計測手段とを含むことができ（請求項２の発明）、この請求項２の発明においては、前記コレクタ電流の変化率は、前記スイッチングデバイスのエミッタにインダクタンスを直列に接続して検出するか、または配線のインダクタンスから検出することができる（請求項３の発明）。
【００１３】
また、請求項１の発明においては、前記フォールタイム検出手段は、前記電力変換装置の直流電源電圧を検出する直流電源電圧検出回路と、前記スイッチングデバイスのコレクタ−エミッタ間の電圧を検出するコレクタ−エミッタ間電圧検出回路と、検出された直流電源電圧とコレクタ−エミッタ間電圧とを比較することによりターンオフ時に生じるスパイク電圧の発生時間を計測する時間計測手段とを含むことができ（請求項４の発明）、これら請求項１〜４のいずれか発明においては、前記フォールタイムが予め設定された時間を越えたときは、前記スイッチングデバイスを強制遮断するか、またはアラームを発生するかの少なくとも一方を実行することことができる（請求項５の発明）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図である。
従来は遮断電流等からＤＡ現象の発生を判断していたのに対し、この発明ではスイッチングデバイスのターンオフ動作時のフォールタイムから、ＤＡ現象の発生を判断する点が特徴である。実施の形態を説明する前に、フォールタイムに着目する理由に就いて以下に説明する。
図１０を参照すると、ＤＡ現象が発生しない領域では、ターンオフ動作のフォールタイムはほぼ一定であり、逆にＤＡ現象が発生する領域では、ターンオフ動作のフォールタイムが急激に大きくなる。そこで、この発明では、ＩＧＢＴ素子のこの特性を利用し、ターンオフ動作のフォールタイムに着目して基準値Ｔを設定した。この基準値Ｔの設定にあたっては、ターンオフ動作のフォールタイムが急激に増大し始めるところ、すなわち図１０の特性曲線における曲がり角のところの値（Ｔ）に設定すれば良い。例えば、図示のような定格が１２００Ｖ／４５０ＡのＩＧＢＴ素子では、基準値Ｔは１４０ｎｓと１５０ｎｓの間あたりに設定する。こうすれば、ジャンクション温度が変化した場合でも、同じ基準値Ｔで対応することができる。
【００１５】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図、図２は図１の主要部構成図である。
図１では、ＩＧＢＴ５と直列にインダクタンス４（Ｌ）を接続し、これによりコレクタ電流Ｉｃの電流変化率ｄｉ／ｄｔを検出するもので、インダクタンス４の電圧Ｖｌが電流変化率ｄｉ／ｄｔと比例関係にあること（Ｖｌ∝Ｌｄｉ／ｄｔ）を利用するものである。その出力はｄｉ／ｄｔ信号計測手段２に入力され、ここでｄｉ／ｄｔ信号として計測される。なお、インダクタンス４（Ｌ）の代わりに、配線のインダクタンスを用いるようにしても良い。
【００１６】
図２は図１の主としてインターフェイス回路１の具体的回路を示す。すなわち、インターフェイス回路１は増幅器７，時間計測回路８および比較回路２４から形成され、増幅器７は計測手段２からのコレクタ電流Ｉｃの電流微分相当値の信号を増幅する。インダクタンス４を利用しているので、電流変化時のみその電流変化時間に依存する信号が時間計測回路８で計測され、この計測時間を比較回路２４で上記のように決めた設定値Ｔと比較することで、ＤＡ現象が発生したか否かを判断する。
【００１７】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
これは、図１，２ではフォールタイムをコレクタ電流Ｉｃの電流変化率から求めたが、この例ではターンオフ時に配線に存在する浮遊インダクタンスにより、素子のコレクタ−エミッタ間に発生するスパイク電圧の発生時間を計測するもので、図４はその具体的な構成を示す構成図である。
すなわち、図３では回路２６によりコレクタ−エミッタ間電圧が検出され、インターフェイス回路１に入力される。このコレクタ−エミッタ間電圧は図４に示すインターフェイス回路１の比較回路２７に入力され、ここで直流電源電圧検出回路２５で検出された直流電源電圧と比較され、コレクタ−エミッタ間電圧が直流電源電圧を越える期間が、スパイク電圧の発生時間として時間計測回路２８において計測される。比較回路２４では検出した時間を設定値Ｔと比較し、設定値Ｔを越えたらＤＡ現象が発生したものと判断し、インターフェイス回路１からゲート駆動回路に停止信号を出力し、ＩＧＢＴ素子を連続運転状態から遮断するとともに、フォトカプラ３により絶縁して制御回路１７にアラームを出力する。
こうして、従来よりも正確かつ迅速にＤＡ現象の発生を判断することができる。
【００１８】
すなわち、図９では通常のターンオフ動作時とＤＡ現象が発生した時のフォールタイムをそれぞれｔ１，ｔ２で示すが、ｔ２≫ｔ１で後者の時間は前者に比べて圧倒的に長いので、時間設定を的確に行なうことにより高精度の検出が可能となる。なお、ターンオフ動作時のフォールタイムは、コレクタ電流の電流変化率ｄｉ／ｄｔの発生時間、スパイク電圧の発生時間と同じである。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、スイッチングデバイスのターンオフ時のフォールタイムに着目することで、ＤＡ現象の発生を正確かつ迅速に検出できるので、素子破壊を未然に防ぐことができ、信頼性が向上するという利点がもたらされる。なお、アラームを発生することで、ＤＡ現象に対する対策も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図
【図２】図１の部分的な詳細構成図
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す構成図
【図４】図３の部分的な詳細構成図
【図５】ゲート駆動回路の一般的な例を示す構成図
【図６】インバータ装置の一般的な例を示す構成図
【図７】ＩＧＢＴ素子のターンオフ時の動作波形説明図
【図８】ＩＧＢＴ素子の耐圧特性の説明図
【図９】ＩＧＢＴ素子のターンオフ動作時のタイミングチャート
【図１０】遮断電流が増加するときのＩＧＢＴ素子のターンオフ時のフォールタイム特性と、ＤＡ現象に入るコレクタ電流の温度依存性の説明図
【符号の説明】
１…インターフェイス回路、２…ｄｉ／ｄｔ信号計測手段、３，１６フォトカプラ（ＰＣ）…、４、２３…インダクタンス、５…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、６…ダイオード、７，１５…増幅器（アンプ）、８，２８…時間計測回路、９，１０…電源、１１，１２…抵抗、１３，１４…トランジスタ、１７…制御回路、１８…ダイオード整流器、２０，２１…コンデンサ、２２…逆変換器、２４，２７…比較回路（コンパレータ）、２５…直流電源電圧検出回路、２６…コレクタ−エミッタ間電圧検出回路。
【図１】
2004312796.tif 000003
【図２】
2004312796.tif 000004
【図３】
2004312796.tif 000005
【図４】
2004312796.tif 000006
【図５】
2004312796.tif 000007
【図６】
2004312796.tif 000008
【図７】
2004312796.tif 000009
【図８】
2004312796.tif 000010
【図９】
2004312796.tif 000011
【図１０】
2004312796.tif 000012