(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の端子ならびにゲート端子を有する電力用半導体素子の駆動回路であって、
前記電力用半導体素子のターンオン指令を出力する制御指令部と、
前記制御指令部が前記ターンオン指令を出力してから前記ゲート端子に印加されるゲート電圧を検出するゲート電圧検出部と、
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧を時間微分する微分器と、
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と前記微分器による微分値との関係に基づいて、前記電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する判定部とを備える、電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項２】
前記判定部は、判定結果を表す信号を前記制御指令部に出力するように構成され、
前記制御指令部は、前記電力用半導体素子が短絡状態であることを前記判定部が判定した際に、前記電力用半導体素子にターンオフ指令を出力するように構成され、
前記判定部は、前記電力用半導体素子が短絡状態であることを判定した際に、出力信号を保持する、請求項１に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項３】
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と、第１の基準値および第２の基準値とを比較する第１の比較器と、
前記微分器による微分値と、第３の基準値とを比較する第２の比較器とをさらに備え、
前記判定部は、前記第１の比較器の比較結果と前記第２の比較器の比較結果とに基づいて、前記電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する、請求項１または２に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項４】
前記第１の基準値、前記第２の基準値および前記第３の基準値は、前記電力用半導体素子のゲート電圧と該ゲート電圧の時間微分値との関係を示すグラフにおいて、正常なターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−微分値曲線と、アーム短絡状態でのターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−微分値曲線とで囲まれる領域に含まれ、
前記判定部は、前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧が前記第１の基準値より大きく、かつ、前記第２の基準値より小さい場合であって、前記微分器の微分値が前記第３の基準値よりも大きいときに、前記電力用半導体素子が短絡状態であると判定する、請求項３に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項５】
前記第１の端子には、前記第２の端子よりも高い電圧が印加され、
前記ゲート電圧検出部は、
前記電力用半導体素子の前記ゲート端子に流入するゲート電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出されたゲート電流を積分する積分器とを含み、
前記ゲート電圧検出部は、前記積分器の積分値を前記ゲート端子および前記第２の端子間の容量で除算した値に基づいて、前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項６】
前記ゲート電圧検出部は、
前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力用半導体素子の前記ゲート端子に流入するゲート電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出されたゲート電流を積分する積分器と、
前記電圧検出器で検出されたゲート電圧と、前記積分器による積分値との平均値を演算する演算部とを含み、
前記ゲート電圧検出部は、前記演算部による演算値に基づいて、前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項７】
前記第１の端子には、前記第２の端子よりも高い電圧が印加され、
前記ゲート電圧検出部は、
前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力用半導体素子の前記ゲート端子に流入するゲート電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出されたゲート電流にゲート抵抗を乗算した値に基づいて、前記ゲート抵抗での電圧降下量を演算する第１の演算部と、
前記電圧検出器で検出されたゲート電圧から前記第１の演算部で演算された前記ゲート抵抗での電圧降下量を減算する第２の演算部と、
前記電流検出器で検出されたゲート電流を積分する積分器と、
前記積分器の積分値を前記ゲート端子および前記第２の端子間の容量で除算した値と、前記第２の演算部による演算値との平均値を演算する第３の演算部とを含み、
前記ゲート電圧検出部は、前記第３の演算部による演算値に基づいて、前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項８】
前記電力用半導体素子はＩＧＢＴである、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項９】
前記電力用半導体素子はＭＯＳＦＥＴである、請求項１から７のいずれか１項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【請求項１０】
前記電力用半導体素子はＳｉＣ素子である、請求項９に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電力用半導体素子の駆動回路に関し、より特定的には、電力用半導体素子の短絡状態を検出、保護する機能を備えた駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）およびＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）などの電力用半導体素子において短絡状態が発生すると、大電流が流れることから、電力用半導体素子が熱破壊する可能性がある。そのため、電力用半導体素子の短絡状態を検出、保護する機能が必要となる。【０００３】
電力用半導体素子の短絡状態を検出、保護する機能を備えた駆動回路として、たとえば、特開２０１５−５３７４９号公報（特許文献１）には、電力用半導体素子にターンオン指令を出力してから電力用半導体素子のゲート端子に供給される電荷量と、該ゲート端子に印加されるゲート電圧とを検出し、検出された電荷量およびゲート電圧に基づいて電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５３７４９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に記載される駆動回路は、電荷量およびゲート電圧の検出値に基づいて電力用半導体素子の短絡状態を判定する構成を採用することで、電力用半導体素子のコレクタ電圧の検出値に基づいて判定動作を行なう従来技術に比べて、電力用半導体素子の短絡状態を迅速に検出することを可能としている。【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の駆動回路では、ゲート電圧を検出するためのゲート電圧検出部と、電荷量を検出するための電荷量検出部とを具備することが必要となる。この電荷量検出部は、ゲート端子に流入するゲート電流もしくはゲート電流に対応した電圧を検出することにより電荷量を算出するように構成されている。そのため、駆動回路全体の構成が複雑となり、装置が大型化し、高コストになるという課題がある。【０００７】
この発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡易な構成で電力用半導体素子の短絡状態を迅速に検出することができる電力用半導体素子の駆動回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る電力用半導体素子の駆動回路は、第１および第２の端子ならびにゲート端子を有する電力用半導体素子の駆動回路である。駆動回路は、制御指令部、ゲート電圧検出部、微分器、および判定部を備える。制御指令部は、電力用半導体素子のターンオン指令を出力する。ゲート電圧検出部は、制御指令部がターンオン指令を出力してからゲート端子に印加されるゲート電圧を検出する。微分器は、ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧を時間微分する。判定部は、ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と微分器による微分値とに基づいて、電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、簡易な構成で電力用半導体素子の短絡状態を迅速に検出することができる電力用半導体素子の駆動回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
【図２】ＩＧＢＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧の波形を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。
【図３】ＩＧＢＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧とその微分値との関係を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。
【図４】ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧の波形を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。
【図５】ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧とその微分値との関係を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。
【図６】電力用半導体素子の短絡状態の判定動作の処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る電力用半導体素子の駆動回路の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る電力用半導体素子の駆動回路の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る電力用半導体素子の駆動回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的には繰返さないものとする。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。図１では、電力用半導体素子１０１としてＩＧＢＴを例示しているが、必ずしもＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴなどの自己消弧型半導体素子であってもよい。電力用半導体素子１０１は、直流電力を交流電力に変換する逆変換器、交流電力を直流電力に変換する順変換器などの電力変換器に含まれている。
【００１３】
電力用半導体素子１０１は、コレクタ端子１０１ｃ、エミッタ端子１０１ｅおよびゲート端子１０１ｇを有する。コレクタ端子１０１ｃはこの発明における「第１の端子」の一実施例に対応し、エミッタ端子１０１ｅは「第２の端子」の一実施例に対応する。コレクタ端子１０１ｃにはエミッタ端子１０１ｅよりも高い電圧が印加されている。
【００１４】
図１を参照して、駆動回路１００は、電力用半導体素子１０１を駆動させる回路であって、制御指令部１０２、ゲート電圧検出部１０３、微分器１０４、第１の基準値発生回路１０５、第２の基準値発生回路１０６、第１の比較器１０７、第３の基準値発生回路１０８、第２の比較器１０９、および短絡判定部１１０を備える。
【００１５】
制御指令部１０２は、外部からオン指令が入力されると、電力用半導体素子１０１を導通状態（オン状態）に遷移（以下、「ターンオン」という）させるゲート指令（ターンオン指令）を電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに出力する。これにより、電力用半導体素子１０１がターンオンし、導通状態となる。
【００１６】
制御指令部１０２は、外部からオフ指令が入力されると、電力用半導体素子１０１を遮断状態（オフ状態）に遷移（以下、「ターンオフ」という）させるゲート指令（ターンオフ指令）を電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに出力する。これにより、電力用半導体素子１０１がターンオフし、遮断状態となる。
【００１７】
ゲート電圧検出部１０３は、制御指令部１０２からターンオン指令を受けてから電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧を検出する。ゲート電圧検出部１０３は、検出されたゲート電圧Ｅを示す信号出力する。
【００１８】
第１の基準値発生回路１０５は、第１の基準値ＲＥＦ１（単位［Ｖ］）を発生する。
第２の基準値発生回路１０６は、第２の基準値ＲＥＦ２（単位［Ｖ］）を発生する。第２の基準値ＲＥＦ２は、第１の基準値ＲＥＦ１よりも高い（ＲＥＦ１＜ＲＥＦ２）。
【００１９】
第１の比較器１０７は、ゲート電圧検出部１０３で検出されたゲート電圧Ｅと、第１の基準値ＲＥＦ１および第２の基準値ＲＥＦ２とを比較して、比較結果を表す信号Ｓ１を出力する。ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１よりも高く、かつ、第２の基準値ＲＥＦ２よりも低い場合（すなわち、ＲＥＦ１＜Ｅ＜ＲＥＦ２の場合）、信号Ｓ１は「Ｈ（論理ハイ）」レベルとなる。一方、ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１以下の場合（すなわち、Ｅ≦ＲＥＦ１の場合）、またはゲート電圧Ｅが第２の基準値ＲＥＦ２以上の場合（すなわち、Ｅ≧ＲＥＦ２の場合）、信号Ｓ１は「Ｌ(論理ロー）」レベルとなる。
【００２０】
微分器１０４は、ゲート電圧検出部１０３で検出されたゲート電圧Ｅを時間微分し、微分値Ｄを出力する。微分値Ｄはゲート電圧Ｅを用いて、Ｄ＝ｄＥ／ｄｔで表される。
【００２１】
第３の基準値発生回路１０８は、第３の基準値ＲＥＦ３（単位［Ｖ／ｓ］）を発生する。
【００２２】
第２の比較器１０９は、微分器１０４による微分値Ｄと、第３の基準値ＲＥＦ３とを比較して、比較結果を表す信号Ｓ２を出力する。微分値Ｄが第３の基準値ＲＥＦ３よりも大きい場合（すなわち、Ｄ＞ＲＥＦ３の場合）、信号Ｓ２は「Ｈ」レベルとなる。微分値Ｄが第３の基準値ＲＥＦ３以下の場合（すなわち、Ｄ≦ＲＥＦ３の場合）、信号Ｓ２は「Ｌ」レベルとなる。
【００２３】
短絡判定部１１０（判定部）は、第１の比較器１０７が出力する信号Ｓ１と、第２の比較器１０９が出力する信号Ｓ２との論理積を演算することによって、電力用半導体素子１０１が短絡状態であるか否かを判定する。短絡判定部１１０は、判定結果を示す信号ＳＳを制御指令部１０２へ出力する。
【００２４】
信号ＳＳは、信号Ｓ１および信号Ｓ２がともに「Ｈ」レベルのときに、電力用半導体素子１０１が短絡状態であることを表す「Ｈ」レベルとなる。すなわち、ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１よりも高く、かつ、第２の基準値ＲＥＦ２よりも低い場合（ＲＥＦ１＜Ｅ＜ＲＥＦ２）であって、微分値Ｄが第３の基準値ＲＥＦ３よりも大きいとき（Ｄ＞ＲＥＦ３）、信号ＳＳは「Ｈ」レベルとなる。一方、信号Ｓ１および信号Ｓ２のいずれか一方が「Ｌ」レベルのときに、信号ＳＳは、電力用半導体素子１０１が正常であることを表す「Ｌ」レベルとなる。
【００２５】
制御指令部１０２は、短絡判定部１１０から「Ｈ」レベルの信号ＳＳを受けると、電力用半導体素子１０１を遮断するために、電力用半導体素子１０１に対してターンオフ指令を出力する。
【００２６】
なお、制御指令部１０２からターンオフ指令を受けて電力用半導体素子１０１がターンオフすると、ゲート電圧Ｅが低下していく。このとき、ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１以下となると、第１の比較器１０７から出力される信号Ｓ１が「Ｌ」レベルに変化するため、結果的に信号Ｓ１と信号Ｓ２との論理積である信号ＳＳも「Ｌ」レベルに変化する。これにより、短絡判定部１１０では、電力用半導体素子１０１が短絡状態でないと誤って判定されることとなる。制御指令部１０２は、短絡判定部１１０から「Ｌ」レベルの信号ＳＳを受けて再びターンオン指令を出力することで、電力用半導体素子１０１の遮断が妨げられることとなる。
【００２７】
このような不具合を避けるため、制御指令部１０２は、短絡判定部１１０から「Ｈ」レベルの信号ＳＳを受けたときに、この信号ＳＳを保持する機能を有している。これによれば、電力用半導体素子１０１が短絡状態であると判定された際、ターンオフ指令に従って電力用半導体素子１０１が遮断され、ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１以下に低下した場合においても、制御指令部１０２からはターンオフ指令が出力され続けることとなる。したがって、電力用半導体素子１０１を保護するための遮断動作が妨げられることなく、確実にアーム短絡保護を行なうことができる。
【００２８】
上述したように、実施の形態１に係る駆動回路１００は、電力用半導体素子１０１のターンオン動作時のゲート電圧Ｅとその微分値Ｄとに基づいて、電力用半導体素子１０１の短絡状態を判定するように構成されている。このような構成は、以下に説明するように、電力用半導体素子１０１の正常時とアーム短絡時とで、ターンオン動作時のゲート電圧とその微分値との関係が異なる点を利用することで実現することができる。
【００２９】
図２は、ＩＧＢＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＥの波形を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。図中の実線Ｌ１は正常時におけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＥの波形を示し、図中の破線Ｌ２はアーム短絡時におけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＥの波形を示す。
【００３０】
図２に示すように、正常時では、時刻ｔ０でターンオン指令がＩＧＢＴのゲート端子に出力されると、ゲート電圧ＶＧＥは上昇する。ＩＧＢＴにおいて、ゲート端子を基準として発生する容量は、ゲート端子およびコレクタ端子間に発生する寄生容量成分（以下、「ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣ」という）と、ゲート端子およびエミッタ端子間に発生する寄生容量成分（以下、「ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥ」という）とがある。ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣは、ＩＧＢＴにおける帰還容量に相当する。ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣとゲート・エミッタ間容量ＣＧＥとは、ゲート端子を基準で見ると並列接続となっている。
【００３１】
時刻ｔ０でゲート端子に電圧が印加されると、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥが充電され、ゲート電圧ＶＧＥは徐々に上昇する。時刻ｔ０〜ｔ１の期間がゲート・エミッタ間容量ＣＧＥの充電期間に該当する。
【００３２】
次に、時刻ｔ１でゲート電圧ＶＧＥが閾値電圧Ｖｔｈを超えると、ＩＧＢＴはオンし始める。ＩＧＢＴがオンになると、電流が流れ始め、コレクタ端子の電圧が下がり始める。時刻ｔ１〜ｔ２の期間ではほとんどのゲート電流がゲート・コレクタ間容量ＣＧＣを流れ、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥには電流が流れないため、ゲート電圧ＶＧＥは上昇せずに一定の状態を維持する。
【００３３】
なお、時刻ｔ１〜ｔ２の期間のように、ゲート電圧ＶＧＥが一定になる期間を「ミラー期間」という。また、この一定の電圧値（図中のＶｍに相当）を「ミラー電圧」という。ミラー期間の長さはゲート・コレクタ間容量ＣＧＣによって決まる。すなわち、ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣが小さくなるとミラー期間が短くなり、ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣが大きくなるとミラー期間が長くなる。
【００３４】
ミラー期間の終了後（時刻ｔ２以降）、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥを充電しながら、ゲート電圧ＶＧＥはゲート駆動電源電圧まで上昇する。時刻ｔ２〜ｔ３の期間がゲート・エミッタ間容量ＣＧＥの充電期間に該当する。
【００３５】
一方、アーム短絡時には、コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥが高電圧状態のままほとんど変化せず、帰還容量（ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣ）はほぼ一定値のままである。その結果、ゲート・コレクタ間容量ＣＧＣへ電流が流れることがなく、よって、ミラー期間が現われることがない。この結果、ゲート電圧ＶＧＥはゲート駆動電源電圧まで一気に上昇する。
【００３６】
このように、ＩＧＢＴにおいては、正常時とアーム短絡時とで、ターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＥの波形におけるミラー期間の有無で顕著な差異が認められる。なお、ミラー期間中はゲート電圧ＶＧＥが一定値となるため、ゲート電圧ＶＧＥを時間微分した微分値（ｄＶＧＥ／ｄｔ）は理想的にはゼロとなる。したがって、図３に示すように、ゲート電圧ＶＧＥとその微分値との関係においても、正常時とアーム短絡時とでは顕著な差異が現われることとなる。
【００３７】
図３は、ＩＧＢＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＥとその微分値（ｄＶＧＥ／ｄｔ）との関係を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。図中の実線ｋ１は、正常時のゲート電圧ＶＧＥとその微分値との関係（ゲート電圧−微分値曲線）を示し、図中の破線ｋ２は、アーム短絡時におけるゲート電圧ＶＧＥとその微分値との関係（ゲート電圧−微分値曲線）を示す。
【００３８】
図３において、実線ｋ１に示す関係は、図２の実線Ｌ１のゲート電圧ＶＧＥの波形を時間微分して得られた微分値を用いて導出したものである。なお、ゲート電圧ＶＧＥ＝Ｖｍにおいて、ミラー電圧Ｖｍに一定の幅（Ｖｍ１≦Ｖｍ≦Ｖｍ２）を持たせている。これは、ミラー電圧Ｖｍは、ＩＧＢＴを流れる電流値に依存して変動することに基づいている。電流値が相対的に小さい場合にはミラー電圧Ｖｍは相対的に低い電圧値となり、電流値が相対的に大きい場合にはミラー電圧Ｖｍは相対的に高い電圧値となる。
【００３９】
正常時には、ミラー期間の前後において微分値は正の値Ｘ１近傍の値となり、ミラー期間中において微分値は零に近い値となることから、実線ｋ１に示す関係では、ゲート電圧ＶＧＥがミラー電圧Ｖｍであるときの微分値は零に近い値となっている。
【００４０】
一方、破線ｋ２に示す関係は、図２の破線Ｌ２のゲート電圧ＶＧＥの波形を時間微分して得られた微分値を用いて導出したものである。アーム短絡時にはゲート電圧ＶＧＥはゲート駆動電源電圧まで一気に上昇するため、破線ｋ２に示す関係では、ゲート電圧ＶＧＥに対して微分値はほぼ一定の状態を維持している。
【００４１】
なお、図２および図３では、ＩＧＢＴについて、ターンオン動作時のゲート電圧とその微分値との関係について説明したが、図４および図５に後述するように、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおいても、ＩＧＢＴと同様の傾向を確認することができる。
【００４２】
図４は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＳの波形を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。図中の実線Ｌ３は正常時におけるゲート電圧ＶＧＳの波形を示し、図中の破線Ｌ４はアーム短絡時におけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＳの波形を示す。
【００４３】
図４に示すように、正常時では、時刻ｔ０でターンオン指令がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲート端子に出力されると、ゲート電圧ＶＧＳは上昇する。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおいて、ゲート端子を基準として発生する容量は、ゲート端子およびドレイン端子間に発生する寄生容量成分（以下、「ゲート・ドレイン間容量ＣＧＤ」という）と、ゲート端子およびソース端子間に発生する寄生容量成分（以下、「ゲート・ソース間容量ＣＧＳ」という）とがある。ゲート・ドレイン間容量ＣＧＤとゲート・ソース間容量ＣＧＳとは、ゲート端子を基準で見ると並列接続となっている。
【００４４】
時刻ｔ０でゲート端子に電圧が印加されると、最初に、ゲート・ソース間容量ＣＧＳが充電され、ゲート電圧ＶＧＳは徐々に上昇する。時刻ｔ０〜ｔ１１の期間がゲート・ソース間容量ＣＧＳの充電期間に該当する。ゲート電圧ＶＧＥが閾値電圧Ｖｔｈ１を超えると、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴはオンし始める。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴがオンになると、電流が流れ始め、ドレイン端子の電圧が下がり始める。ゲート・ドレイン間容量ＣＧＤを充電するため、ゲート・ドレイン間容量ＣＧＤに向けて電流が流れ始める。時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間がゲート・ドレイン間容量ＣＧＤのゲート電流伝搬期間に該当する。
【００４５】
ただし、この期間では、ＩＧＢＴとは異なり、大部分のゲート電流がゲート・ドレイン間容量ＣＧＤへ流れるとともに、一部の電流がゲート・ソース間容量ＣＧＳへも流れ込む。そのため、ゲート・ドレイン間容量ＣＧＤの充電に並行してゲート・ソース間容量ＣＧＳも充電され、結果的にゲート電圧ＶＧＳが緩やかに上昇している。本願明細書では、図４の時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間のように、ゲート電圧ＶＧＳがミラー電圧Ｖｍ１１からミラー電圧Ｖｍ１２まで緩やかに上昇する期間を、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのミラー期間という。
【００４６】
一方、アーム短絡時には、ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳが高電圧状態のままほとんど変化しない。その結果、ミラー期間が現われることがなく、ゲート電圧ＶＧＳはゲート駆動電源電圧まで一気に上昇する。
【００４７】
図５は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおけるターンオン動作時のゲート電圧ＶＧＳとその微分値（ｄＶＧＳ／ｄｔ）との関係を、正常時とアーム短絡時とのそれぞれについて示す図である。図中の実線ｋ３は、正常時のゲート電圧ＶＧＳとその微分値との関係を示し、図中の破線ｋ４は、アーム短絡時におけるゲート電圧ＶＧＳとその微分値との関係を示す。
【００４８】
図５において、実線ｋ３に示す関係は、図４の実線Ｌ３のゲート電圧ＶＧＳの波形を時間微分して得られた微分値を用いて導出したものである。図４に示したように、正常時には、ミラー期間においてゲート電圧ＶＧＳが緩やかに上昇する。そのため、実線ｋ３に示す関係では、ミラー期間の前後において微分値は正の値Ｘ２近傍の値となり、ミラー期間において微分値は、ミラー期間の前後における微分値よりも小さい正の値Ｘ３となっている。
【００４９】
一方、破線ｋ４に示す関係は、図４の破線Ｌ４のゲート電圧ＶＧＳの波形を時間微分して得られた微分値を用いて導出したものである。アーム短絡時にはゲート電圧ＶＧＳはゲート駆動電源電圧まで一気に上昇するため、破線ｋ４に示す関係では、ゲート電圧ＶＧＳに対して微分値はほぼ一定の状態を維持している。
【００５０】
このように、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴにおいても、ＩＧＢＴと同様に、正常時とアーム短絡時とでは、ゲート電圧ＶＧＳの波形におけるミラー期間の有無で顕著な差異が認められる。その結果、ゲート電圧ＶＧＳとその微分値との関係においても、正常時とアーム短絡時とでは顕著な差異が現われることとなる。したがって、ゲートＶＧＳとその微分値との関係を利用して、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴの短絡状態を判定することができる。
【００５１】
次に、電力用半導体素子１０１のターンオン動作時のゲート電圧Ｅとその微分値Ｄとに基づいて、電力用半導体素子１０１の短絡状態を判定するために用いられる、第１の基準値ＲＥＦ１、第２の基準値ＲＥＦ２および第３の基準値ＲＥＦ３について説明する。
【００５２】
電力用半導体素子１０１がＩＧＢＴである場合には、図３に示したゲート電圧ＶＧＥおよびその微分値ｄＶＧＥ／ｄｔとの関係に基づいて、第１の基準値ＲＥＦ１、第２の基準値ＲＥＦ２および第３の基準値ＲＥＦ３を設定することができる。
【００５３】
詳細には、図３に示すゲート電圧ＶＧＥとその微分値との関係を示すグラフにおいて、正常時のゲート電圧−微分値曲線（図中の実線ｋ１に相当）と、アーム短絡時のゲート電圧−微分値曲線（図中の破線ｋ２に相当）とで囲まれる領域内に、基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３が含まれるように設定する。
【００５４】
具体的には、図３には、正常時のゲート電圧−微分値曲線（実線ｋ１）とアーム短絡時のゲート電圧−微分値曲線（破線ｋ２）とで囲まれた台形形状の領域ＲＧＮ１が示されている。この領域ＲＧＮ１内に基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３が含まれるように設定する。なお、検出誤差などを考慮すると、基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３は領域ＲＧＮ１の境界に対して一定のマージンを有することが望ましい。たとえば、第１の基準値ＲＥＦ１をミラー電圧Ｖｍの最小値Ｖｍ１よりも大きい値に設定し、第２の基準値ＲＥＦ２をミラー電圧Ｖｍの最大値Ｖｍ２よりも小さい値に設定する。第３の基準値ＲＥＦ３は、領域ＲＧＮ１内で零よりも大きい値に設定する。
【００５５】
このようにすると、領域ＲＧＮ１内には基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３で囲まれた領域ＲＧＮ２が設定される。駆動回路１００では、ゲート電圧ＶＧＥおよびその微分値がこの領域ＲＧＮ２に含まれるときに、短絡判定部１１０の出力信号ＳＳが「Ｈ」レベルとなり、電力用半導体素子１０１（ＩＧＢＴ）が短絡状態であると判定することができる。一方、ゲート電圧ＶＧＥおよびその微分値がこの領域ＲＧＮ２から外れるときには、短絡判定部１１０の出力信号ＳＳが「Ｌ」レベルとなり、電力用半導体素子１０１が正常であると判定することができる。
【００５６】
これに対して、電力用半導体素子１０１がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴである場合には、図５に示したゲート電圧ＶＧＳおよびその微分値ｄＶＧＳ／ｄｔの関係に基づいて、第１の基準値ＲＥＦ１、第２の基準値ＲＥＦ２および第３の基準値ＲＥＦ３を設定することができる。
【００５７】
詳細には、図５に示すゲート電圧ＶＧＳとその微分値との関係を示すグラフにおいて、正常時のゲート電圧−微分値曲線（図中の実線ｋ３に相当）と、アーム短絡時のゲート電圧−微分値曲線（図中の破線ｋ４に相当）とで囲まれる領域内に、基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３が含まれるように設定する。
【００５８】
具体的には、図５には、正常時のゲート電圧−微分値曲線（実線ｋ３）とアーム短絡時のゲート電圧−微分値曲線（破線ｋ４）とで囲まれた台形形状の領域ＲＧＮ３が示されている。この領域ＲＧＮ３内に基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３が含まれるように設定する。なお、検出誤差などを考慮すると、基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３は領域ＲＧＮ３の境界に対して一定のマージンを有することが望ましい。たとえば、第１の基準値ＲＥＦ１をミラー電圧Ｖｍ１１よりも大きい値に設定し、第２の基準値ＲＥＦ２をミラー電圧Ｖｍ１２よりも小さい値に設定する。第３の基準値ＲＥＦ３は、領域ＲＧＮ３内で正の値Ｘ３よりも大きい値に設定する。
【００５９】
このようにすると、領域ＲＧＮ３内には基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３で囲まれた領域ＲＧＮ４が設定される。駆動回路１００では、ゲート電圧ＶＧＳおよびその微分値がこの領域ＲＧＮ４に含まれるとき、短絡判定部１１０の出力信号ＳＳが「Ｈ」レベルとなり、電力用半導体素子１０１（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）が短絡状態であると判定することができる。一方、ゲート電圧ＶＧＳおよびその微分値がこの領域ＲＧＮ４から外れるときには、短絡判定部１１０の出力信号ＳＳが「Ｌ」レベルとなり、電力用半導体素子１０１が正常であると判定することができる。
【００６０】
図６は、電力用半導体素子１０１の短絡状態の判定動作の処理手順を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートは、駆動回路１００により、ハードウェア的またはソフトウェア的な処理によって一定の周期で実行される。
【００６１】
図６を参照して、駆動回路１００においては、最初にステップＳ０１により、ゲート電圧検出部１０３は、制御指令部１０２からターンオン指令を受けてから電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧Ｅを検出する。
【００６２】
ステップＳ０２により、微分器１０４は、ゲート電圧検出部１０３で検出されたゲート電圧Ｅを時間微分し、微分値Ｄを算出する。
【００６３】
第１の比較器１０７は、ゲート電圧Ｅと第１の基準値ＲＥＦ１および第２の基準値ＲＥＦ２とを比較して、比較結果を表す信号Ｓ１を出力する。第２の比較器１０９は、微分値Ｄと第３の基準値ＲＥＦ３とを比較して、比較結果を表す信号Ｓ２を出力する。短絡判定部１１０は、第１の比較器１０７が出力する信号Ｓ１と、第２の比較器１０９が出力する信号Ｓ２との論理積を演算することによって、電力用半導体素子１０１が短絡状態であるか否かを判定し、判定結果を示す信号ＳＳを制御指令部１０２へ出力する。
【００６４】
ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１よりも高く、かつ、第２の基準値ＲＥＦ２よりも低い場合であって（Ｓ０３のＹＥＳ判定時）、微分値Ｄが第３の基準値ＲＥＦ３よりも大きい場合（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）、短絡判定部１１０は、ステップＳ０４により、電力用半導体素子１０１が短絡状態であると判定し、「Ｈ」レベルの信号ＳＳを出力する。短絡判定部１１０は、ステップＳ０６により、「Ｈ」レベルの信号ＳＳを保持する。
【００６５】
制御指令部１０２は、ステップＳ０７により、短絡判定部１１０から「Ｈ」レベルの信号ＳＳを受けると、電力用半導体素子１０１を遮断するために、電力用半導体素子１０１に対してターンオフ指令を出力する。
【００６６】
一方、ゲート電圧Ｅが第１の基準値ＲＥＦ１以下、または第２の基準値ＲＥＦ２以上である場合（Ｓ０３のＮＯ判定時）、または、微分値Ｄが第３の基準値ＲＥＦ３以下である場合（Ｓ０４のＹＥＳ判定時）、短絡判定部１１０は、ステップＳ０８により、電力用半導体素子１０１が正常であると判定し、「Ｌ」レベルの信号ＳＳを出力する。
【００６７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る駆動回路１００によれば、ターンオン動作時の電力用半導体素子のゲート電圧Ｅおよびその微分値Ｄに基づいて、電力用半導体素子の短絡状態を判定することができる。これによると、電力用半導体素子のゲート電圧Ｅのみを検出すれば判定動作を行なうことができるため、簡易な構成で電力用半導体素子の短絡状態を検出することができる。
【００６８】
また、実施の形態１に係る駆動回路１００によれば、ターンオン動作指令後ゲート電圧がゲート駆動電源電圧まで上昇するまでの期間中に判定動作を行なうことができるため、電力用半導体素子の短絡状態を迅速に検出し、保護することができる。
【００６９】
さらに、実施の形態１に係る駆動回路１００では、電力用半導体素子が、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのようにミラー期間におけるゲート電圧が一定でない素子である場合においても、基準値ＲＥＦ１，ＲＥＦ２，ＲＥＦ３を容易に設定することができるため（図５参照）、簡易な構成で電力用半導体素子の短絡状態を迅速に検出することができる。
【００７０】
なお、電力用半導体素子としては、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、例えば窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体材料で構成された電力用半導体素子についても、本発明を適用することが可能である。
【００７１】
実施の形態２．
実施の形態１で説明した、ゲート電圧およびその微分値に基づいて電力用半導体素子の短絡状態を判定する構成において、その判定精度を向上させるためには、ゲート電圧を高い精度で検出することが重要である。以降の実施の形態２〜４では、ゲート電圧を高い精度で検出するためのゲート電圧検出部の構成例について説明する。
【００７２】
図７は、本発明の実施の形態２に係る電力用半導体素子の駆動回路１００Ａの構成を示す図である。
【００７３】
図７を参照して、実施の形態２に係る駆動回路１００Ａは、図１に示した駆動回路１００と比較して、ゲート電圧検出部１０３に代えて、ゲート電圧検出部４０２を備える点が異なる。駆動回路１００Ａのその他の部分の構成は図１の駆動回路１００と同じであるため、詳細な説明は繰返さない。
【００７４】
ゲート電圧検出部４０２は、電流検出器４０３および積分器４０４を含む。電流検出器４０３は、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに流入するゲート電流ｉｇを検出する。電流検出器４０３は、検出されたゲート電流を示す信号ｉｇを出力する。積分器４０４は、電流検出器４０３で検出されたゲート電流ｉｇを時間積分する。
【００７５】
ここで、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに流入するゲート電流ｉｇと、ゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧Ｅとの間には、次式（１）の関係が成り立っている。
【００７６】
【数１】
0006425864.tif 000002
【００７７】
ここで、Ｃは電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇおよびエミッタ端子１０１ｅ間に発生する寄生容量成分（すなわち、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥ）を示す。
【００７８】
積分器４０４は、上記式（１）を用いることにより、ゲート電流ｉｇを時間積分した積分値に基づいてゲート電圧Ｅを算出することができる。なお、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥは、ゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥに依存する特性を有している。そこで、式（１）中のゲート・エミッタ間容量ＣＧＥをゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥの関数の最大値と最小値との間の任意の定数に設定することで、ゲート電圧Ｅを計算することができる。さらに、式（１）中のゲート・エミッタ間容量ＣＧＥをゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥの関数として扱うことで、ゲート電圧Ｅの演算精度を向上させることができる。
【００７９】
積分器４０４により演算されたゲート電圧Ｅは、第１の比較器１０７および微分器１０４に出力される。したがって、短絡判定部１１０では、ゲート電圧Ｅおよびその微分値Ｄ（＝ｄＥ／ｄｔ）に基づいて、電力用半導体素子１０１の短絡状態が判定されることとなる。
【００８０】
以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る駆動回路１００Ａによれば、ゲート電圧検出部４０２は、電流検出器４０３で検出されたゲート電流ｉｇを時間積分した積分値に基づいてゲート電圧Ｅを検出することで、ゲート電圧Ｅを高い精度で検出することができる。
【００８１】
詳細には、ゲート電圧Ｅを電圧計を用いて直接検出する構成では、電圧計の検出値に、電力用半導体素子１０１の持つ寄生インダクタンスＬで生じる電圧が重畳している。この寄生インダクタンスとは、主に電力用半導体素子１０１のエミッタ端子１０１ｅに接続されるワイヤのインダクタンス成分である。寄生インダクタンスＬに電流変化が生じると、次式（２）で表される電圧Ｖが生じる。
【００８２】
【数２】
0006425864.tif 000003
【００８３】
ここで、ｄｉ／ｄｔは寄生インダクタンスＬを流れる電流の時間微分を示す。
電圧計は、この寄生インダクタンスＬを回避して設置することができないため、ゲート端子１０１ｇに直接印加されるゲート電圧に寄生インダクタンスＬに発生する電圧を重畳した電圧を検出することとなる。そのため、電圧計の検出値はゲート電圧に対する誤差を有するものとなる。
【００８４】
これに対して、実施の形態２に係る駆動回路１００Ａでは、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥに流入するゲート電流ｉｇを時間積分した積分値を用いてゲート電圧Ｅを検出するため、上記寄生インダクタンスＬによる電圧の誤差をなくすことができ、結果的にゲート電圧Ｅの確度を向上させることができる。したがって、電力用半導体素子１０１を高速でスイッチング動作させる場合、もしくは大電流で動作させる場合においても、ゲート電圧Ｅを高い精度で検出することができる。この結果、ゲート電圧Ｅおよびその微分値Ｄに基づいて電力用半導体素子１０１の短絡状態を判定する構成において、短絡状態の判定精度を向上させることができる。
【００８５】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力用半導体素子の駆動回路１００Ｂの構成を示す図である。
【００８６】
図８を参照して、実施の形態３に係る駆動回路１００Ｂは、図１に示した駆動回路１００と比較して、ゲート電圧検出部１０３に代えて、ゲート電圧検出部５０２を備える点が異なる。駆動回路１００Ｂのその他の部分の構成は図１の駆動回路１００と同じであるため、詳細な説明は繰返さない。
【００８７】
ゲート電圧検出部５０２は、電圧検出器５１００、電流検出器５２０１、積分器５２０２、およびゲート電圧演算部５３００を含む。
【００８８】
電圧検出器５１００は、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧を検出する。電圧検出器５１００には一般的な電圧計を用いることができる。電圧検出器５１００は、検出されたゲート電圧を示す信号Ｅ１を出力する。
【００８９】
電流検出器５２０１は、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに流入するゲート電流を検出する。電流検出器５２０１は、検出されたゲート電流を示す信号ｉｇを出力する。
【００９０】
積分器５２０２は、電流検出器５２０１で検出されたゲート電流ｉｇを時間積分する。積分器５２０２は、上記式（１）を用いることにより、ゲート電流ｉｇを時間積分した積分値に基づいてゲート電圧を算出する。積分器５２０２は、算出したゲート電圧を示す信号Ｅ２を出力する。なお、式（１）中のゲート・エミッタ間容量ＣＧＥをゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥの関数として扱うことで、ゲート電圧Ｅ２の演算精度を向上させることができる。
【００９１】
ゲート電圧演算部５３００は、電圧検出器５１００で検出されたゲート電圧Ｅ１、および積分器５２０２で算出されたゲート電圧Ｅ２を用いた演算を行なうことにより、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧を算出する。ゲート電圧演算部５３００は、算出したゲート電圧を示す信号Ｅ３を出力する。
【００９２】
具体的には、ゲート電圧演算部５３００は、ゲート電圧Ｅ１とゲート電圧Ｅ２との平均値を演算することにより、ゲート電圧Ｅ３を算出する。これによると、ゲート電圧検出部５０２は、高い確度を有するゲート電圧Ｅ３を出力することができる。
【００９３】
詳細には、上述したように、ゲート電圧Ｅを電圧検出器５１００（電圧計）を用いて直接検出した場合、その検出値には電力用半導体素子１０１の寄生インダクタンスＬで生じる電圧Ｖ（上記式（２）参照）が重畳されたものとなる。したがって、電圧検出器５１００により検出されるゲート電圧Ｅ１は、ゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧よりも大きな値となり、寄生インダクタンスＬに生じる電圧Ｖに相当する過大誤差を有することとなる。
【００９４】
その一方で、電力用半導体素子１０１において、ゲート端子１０１ｇに流入するゲート電流ｉｇは、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥに流入してゲート・エミッタ間容量ＣＧＥを充電する。このときゲート・エミッタ間容量ＣＧＥを充電する電流には、ゲート端子１０１ｇから流入するゲート電流ｉｇと、コレクタ端子１０１ｃおよびエミッタ端子１０１ｅ間を流れるコレクタ電流ｉｃとの２系統がある。しかしながら、電流検出器５２０１ではゲート電流ｉｇを検出できる一方で、コレクタ電流ｉｃを検出することができない。したがって、電流検出器５２０１による検出値は、実際にゲート・エミッタ間容量ＣＧＥを充電する電流よりも小さくなる。その結果、ゲート電流ｉｇの検出値を時間積分して得られるゲート電圧Ｅ２は、本来のゲート電圧に比べて小さな値となる。すなわち、ゲート電圧Ｅ２は、コレクタ電流ｉｃによる充電電圧に相当する過小誤差を有することとなる。
【００９５】
そこで、ゲート電圧演算部５３００では、過大誤差を有するゲート電圧Ｅ１と、過小誤差を有するゲート電圧Ｅ２との平均値を演算することで、実質的に過大誤差と過小誤差とを互いに相殺する。これにより、双方の誤差が低減された、高い確度を有するゲート電圧Ｅ３を取得することができる。
【００９６】
ゲート電圧演算部５３００により演算されたゲート電圧Ｅ３は、第１の比較器１０７および微分器１０４に出力される。したがって、短絡判定部１１０では、ゲート電圧Ｅ３およびその微分値Ｄ（＝ｄＥ３／ｄｔ）に基づいて、電力用半導体素子１０１の短絡状態が判定されることとなる。
【００９７】
なお、ゲート電圧演算部５３００におけるゲート電圧Ｅ１およびゲート電圧Ｅ２の平均値の演算処理では、ゲート電圧Ｅ１およびゲート電圧Ｅ２を単純平均してもよく、加重平均してもよい。加重平均では、電力用半導体素子ごとに、ゲート電圧Ｅ１およびＥ２の各々に与える重みを調整することができるため、ゲート電圧Ｅ３の確度をさらに高めることができる。
【００９８】
以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る駆動回路１００Ｂによれば、電圧検出器５１００により検出したゲート電圧Ｅ１と、電流検出器５２０１により検出したゲート電流ｉｇの積分値を用いて算出したゲート電圧Ｅ２とを平均してゲート電圧Ｅ３を求める構成としたことにより、ゲート電圧を高い精度で検出することができる。この結果、ゲート電圧Ｅ３およびその微分値Ｄに基づいて電力用半導体素子１０１の短絡状態を判定する構成において、短絡状態の判定精度を向上させることができる。
【００９９】
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係る電力用半導体素子の駆動回路１００Ｃの構成を示す図である。
【０１００】
図９を参照して、実施の形態４に係る駆動回路１００Ｃは、図１に示した駆動回路１００と比較して、ゲート電圧検出部１０３に代えて、ゲート電圧検出部６０２を備える点が異なる。駆動回路１００Ｃのその他の部分の構成は図１の駆動回路１００と同じであるため、詳細な説明は繰返さない。
【０１０１】
ゲート電圧検出部６０２は、電圧検出器６１０１、電流検出器６２０１、電圧降下演算部６２０２、補正ゲート電圧演算部６１０２、積分器６２０３、およびゲート電圧演算部６３００を含む。
【０１０２】
電圧検出器６１０１は、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧を検出する。電圧検出器６１０１には一般的な電圧計を用いることができる。電圧検出器６１０１は、検出されたゲート電圧を示す信号Ｅ１を出力する。
【０１０３】
電流検出器６２０１は、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに流入するゲート電流を検出する。電流検出器６２０１は、検出されたゲート電流を示す信号ｉｇを出力する。
【０１０４】
電圧降下演算部６２０２は、電流検出器６２０１による検出値Ｅ１を用いて、ゲート抵抗６０３にて発生する電圧降下量を算出する。具体的には、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇには、ゲート抵抗と呼ばれる抵抗素子が接続されることがある。したがって、ゲート端子１０１ｇにゲート電流ｉｇが流入する際、ゲート抵抗６０３において電圧降下が生じる。この電圧降下量をΔＥとし、ゲート抵抗６０３の抵抗値をＲｇとすると、電圧降下量ΔＥはΔＥ＝ｉｇ×Ｒｇで表される。電圧降下演算部６２０２は、算出された電圧降下量を示す信号ΔＥを出力する。電圧降下演算部６２０２は本発明における「第１の演算部」の一実施例に対応する。
【０１０５】
補正ゲート電圧演算部６１０２は、電圧検出器６１０１により検出されたゲート電圧Ｅ１から電圧降下量ΔＥを減算することにより、ゲート電圧Ｅ１１を算出する（Ｅ１１＝Ｅ１−ΔＥ）。このゲート電圧Ｅ１１は、ゲート抵抗６０３での電圧降下を補正したゲート電圧であり、ゲート電圧Ｅ１よりも高い確度を有している。ただし、実施の形態３で説明したように、ゲート電圧Ｅ１１は、電力用半導体素子１０１の寄生インダクタンスＬに起因する過大誤差を有している。補正ゲート電圧演算部６１０２は本発明における「第２の演算部」の一実施例に対応する。
【０１０６】
積分器６２０３は、電流検出器６２０１で検出されたゲート電流ｉｇを時間積分する。積分器６２０３は、上記式（１）を用いることにより、ゲート電流ｉｇを時間積分した積分値に基づいてゲート電圧を算出する。積分器５２０２は、算出したゲート電圧を示す信号Ｅ２を出力する。なお、ゲート・エミッタ間容量ＣＧＥは、式（１）中のゲート・エミッタ間容量ＣＧＥをゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥの関数として扱うことで、ゲート電圧Ｅ２の演算精度を向上させることができる。ただし、実施の形態３で説明したように、ゲート電圧Ｅ２は、コレクタ電流ｉｃによる充電電圧に相当する過小誤差を有している。
【０１０７】
ゲート電圧演算部６３００は、補正ゲート電圧演算部６１０２で算出されたゲート電圧Ｅ１１、および積分器６２０３で算出されたゲート電圧Ｅ２を用いた演算を行なうことにより、電力用半導体素子１０１のゲート端子１０１ｇに印加されるゲート電圧を算出する。ゲート電圧演算部６３００は、算出したゲート電圧を示す信号Ｅ３を出力する。ゲート電圧演算部６３００は本発明における「第３の演算部」の一実施例に対応する。
【０１０８】
具体的には、ゲート電圧演算部６３００は、図９に示した駆動回路１００Ｂにおけるゲート電圧演算部５３００と同様の構成を有しており、ゲート電圧Ｅ１１とゲート電圧Ｅ２との平均値を演算することにより、ゲート電圧Ｅ３を算出する。これによると、ゲート電圧Ｅ１１が有する過大誤差と、ゲート電圧Ｅ２が有する過小誤差とが互いに相殺されるため、高い確度を有するゲート電圧Ｅ３を取得することができる。
【０１０９】
ゲート電圧演算部５３００により演算されたゲート電圧Ｅ３は、第１の比較器１０７および微分器１０４に出力される。したがって、短絡判定部１１０では、ゲート電圧Ｅ３およびその微分値Ｄ（＝ｄＥ３／ｄｔ）に基づいて、電力用半導体素子１０１の短絡状態が判定されることとなる。
【０１１０】
なお、ゲート電圧演算部６３００におけるゲート電圧Ｅ１１およびゲート電圧Ｅ２の平均値の演算処理では、ゲート電圧Ｅ１１およびゲート電圧Ｅ２を単純平均してもよく、加重平均してもよい。加重平均では、電力用半導体素子ごとに、ゲート電圧Ｅ１１およびＥ２の各々に与える重みを調整することができるため、ゲート電圧Ｅ３の確度をさらに高めることができる。
【０１１１】
以上説明したように、この発明の実施の形態４に係る駆動回路１００Ｃによれば、電圧検出器５１００により検出され、かつ、ゲート抵抗による電圧降下量ΔＥが補正されたゲート電圧Ｅ１１と、電流検出器５２０１により検出したゲート電流ｉｇの積分値を用いて算出したゲート電圧Ｅ２とを平均してゲート電圧を求める構成としたことにより、ゲート電圧をより高い精度で検出することができる。この結果、ゲート電圧およびその微分値に基づいて電力用半導体素子１０１の短絡状態を判定する構成において、短絡状態の判定精度を向上させることができる。
【０１１２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１３】
１０１  電力用半導体素子、１０１ｃ  コレクタ端子、１０１ｅ  エミッタ端子、１０１ｇ  ゲート端子、１０１ｄ  ドレイン端子、１０１ｓ  ソース端子、１００，１００Ａ〜１００Ｃ  駆動回路、１０２  制御指令部、１０３，４０２，５０２，６０２  ゲート電圧検出部、１０４  微分器、１０５  第１の基準値発生回路、１０６  第２の基準値発生回路、１０７  第１の比較器、１０８  第３の基準値発生回路、１０９  第２の比較器、１１０  短絡判定部、４０３，５２０１，６２０１  電流検出器、４０４，５２０２，６２０３  積分器、６０３  ゲート抵抗、５１００  電圧検出器、５３００，６３００  ゲート電圧演算部、６１０１  電圧検出器、６２０２  電圧降下演算部、６１０２  補正ゲート電圧演算部、ＲＥＦ１  第１の基準値、ＲＥＦ２  第２の基準値、ＲＥＦ３  第３の基準値。
【要約】
本開示に係る電力用半導体素子の駆動回路（１００）は、電力用半導体素子（１０１）のターンオン指令を出力する制御指令部（１０２）と、制御指令部（１０２）がターンオン指令を出力してからゲート端子（１０１ｇ）に印加されるゲート電圧を検出するゲート電圧検出部（１０３）と、ゲート電圧検出部（１０３）で検出されたゲート電圧を時間微分する微分器（１０４）と、ゲート電圧検出部（１０３）で検出されたゲート電圧と微分器（１０４）による微分値とに基づいて、電力用半導体素子（１０１）が短絡状態か否かを判定する判定部（１１０）とを備える。【図１】
0006425864.tif 000004
【図２】
0006425864.tif 000005
【図３】
0006425864.tif 000006
【図４】
0006425864.tif 000007
【図５】
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【図６】
0006425864.tif 000009
【図７】
0006425864.tif 000010
【図８】
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【図９】
0006425864.tif 000012