(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のゲート端子に接続したゲート抵抗を介して前記半導体スイッチング素子に駆動信号を加える半導体スイッチング素子のゲート駆動装置において、
該ゲート駆動装置が、前記ゲート抵抗に流れるゲート電流測定手段と、
該ゲート電流測定手段が検出したゲート電流測定値と正常範囲電流値とを比較し、正常又は異常を判別する正常異常判別手段と、
該正常異常判別手段の出力信号を受信し前記半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を制御する制御手段あるいは、
前記正常異常判別手段の出力信号を該制御手段に伝達する異常信号伝達手段と、
前記ゲート電流測定手段は、ゲート抵抗に流れるターンオン時のゲート電流のみを積分する手段、あるいはゲート抵抗に流れるターンオフ時のゲート電流のみを積分する手段を備え、
前記正常異常判別手段は、少なくともいずれか一方の前記ゲート電流積分値と正常範囲電流積分値とを比較することを特徴とする半導体スイッチング素子のゲート駆動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ゲート電流測定手段のゲート抵抗に流れる電流を積分する手段が、ゲート抵抗の両端に発生する電圧を積分する積分器であることを特徴とする半導体スイッチング素子のゲート駆動装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記積分器が演算増幅器とコンデンサと抵抗とで構成されていることを特徴とする半導体スイッチング素子のゲート駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記ゲート電流測定手段によるゲート電流の積分値の正常値範囲が、正常なスイッチング素子のゲート電流積分値の０.５ 倍から２倍であることを特徴とする半導体スイッチング素子のゲート駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置に関し、特に電力変換装置の半導体スイッチング素子のゲート駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量の電力変換装置の半導体スイッチング素子として、電圧駆動型の素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）の大容量化が進み、適応範囲が拡大している。電圧駆動型半導体スイッチング素子のゲート電流は、ターンオン・ターンオフ時に流れるのみであり、その駆動が小電力で簡単にできるため、駆動回路の電力容量の小さくて済み、装置が小型になる。
【０００３】
ＩＧＢＴを用いた電力変換装置のＩＧＢＴの異常や、故障の検知方法が、特開平８−２９８７８６号公報に開示されている。特開平８−２９８７８６号公報では、ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間の電圧を監視し、ＩＧＢＴのゲートしきい値電圧より低い値に、分圧抵抗で設定した基準電圧に対して、ゲート−エミッタ間電圧が高いときにはＩＧＢＴをオンと判定し、低いときにはオフと判定するフィードバック信号を発生させる。
【０００４】
また、特開平１１−３５６０３５号公報には、図２に示すようにＩＧＢＴのゲートしきい値電圧より低い電圧を設定していた分圧抵抗と並列に、基準電圧切り替え抵抗と基準電圧切り替えトランジスタを設けている。この場合、オンとオフの状態を判別するための基準電圧を夫々設けるため、そのオン状態を判別する基準電圧に対して、ゲート−エミッタ間電圧が高いときにはＩＧＢＴをオンと判定し、そのオフ状態を判別する基準電圧に対して、ゲート−エミッタ間電圧が低いときにはＩＧＢＴをオフと判定する。
【０００５】
図２に示すようにＩＧＢＴ１１のゲート端子には、ゲート抵抗２１が接続されている。ＩＧＢＴ１１のゲート−エミッタ間電圧は、コンパレータ３６に入力する。ＩＧＢＴ１１がオンのときは、分圧抵抗２６と２７で設定される電圧と比較し、ゲート−エミッタ間電圧が高いときにはＩＧＢＴをオンと判定し、発光器
４６に“Ｌ”を出力し、発光器４６は発光しない。なお、分圧抵抗２６と２７で設定される電圧は、オン時のゲート−エミッタ間電圧よりも３Ｖ程度低く設定している。一方、ＩＧＢＴ１１がオフのときは、分圧抵抗２６と２７及び基準電圧切り替え抵抗２９で設定される電圧と比較し、ゲート−エミッタ間電圧が低いときにはＩＧＢＴをオフと判定し、発光器４６に“Ｈ”を出力し、発光器４６は発光する。なお、分圧抵抗２６と２７及び基準電圧切り替え抵抗２９で設定される電圧は、オン時のゲート−エミッタ間電圧よりも３Ｖ程度高く設定している。
【０００６】
図３に、従来技術の回路を用いた場合のゲート電圧波形の一例を示す。IGBTのゲートの絶縁特性が劣化し、ゲート−エミッタ間の抵抗が数百Ωに低下した場合でも、オン状態でのゲート電圧は、正常範囲の１２〜１５Ｖ、オフ状態でのゲート電圧は、正常範囲の−１２〜−９Ｖで、スイッチングを繰り返す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平８−２９８７８６号公報に開示の従来技術では、ＩＧＢＴのゲートの絶縁が劣化し、ゲート−エミッタ間の漏れ電流が増加するなどで、正規のオンゲート電圧、あるいはオフゲート電圧がゲート−エミッタ間に印加されていない場合に、これを検出できなかった。
【０００８】
また、特開平１１−３５６０３５号公報に示す従来技術では、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性が劣化し、ゲート−エミッタ間の抵抗が数百Ω程度の高インピーダンス状態になっている場合、オン状態を判別する基準電圧よりも低下する前に、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性は異常になっており、これを検出できなかった。
【０００９】
本発明の目的は、このようなオン時に正規のゲート電圧、またはオフ時に正規のゲート電圧が印加されないときにおいても素子の故障を検知し、電力変換装置の安全性，信頼性を更に向上させる半導体スイッチング素子のゲート駆動装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は半導体スイッチング素子のゲート端子に接続したゲート抵抗を介して前記半導体スイッチング素子に駆動信号を加える半導体スイッチング素子のゲート駆動装置において、該ゲート駆動装置が、前記ゲート抵抗に流れるゲート電流測定手段と、該ゲート電流測定手段が検出したゲート電流測定値と正常範囲電流値とを比較し、正常又は異常を判別する正常異常判別手段と、該正常異常判別手段の出力信号を受信し前記半導体スイッチング素子のゲート駆動回路を制御する制御手段あるいは、前記正常異常判別手段の出力信号を該制御手段に伝達する異常信号伝達手段と、前記ゲート電流測定手段は、ゲート抵抗に流れるターンオン時のゲート電流のみを積分する手段、あるいはゲート抵抗に流れるターンオフ時のゲート電流のみを積分する手段を備え、前記正常異常判別手段は、少なくともいずれか一方の前記ゲート電流積分値と正常範囲電流積分値とを比較することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下図面を使用して詳細に説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１に、本実施例の構成図を示す。半導体スイッチング素子として、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの電圧駆動型の素子全般が適用できるが、以下、ＩＧＢＴの場合を説明する。図１のＩＧＢＴ１１は、コレクタ端子１３とエミッタ端子１４と、ゲート端子とを備え、ゲート端子にはゲート抵抗２１を接続する。本実施例では、ゲート抵抗２１に流れる電流を測定するゲート電流測定回路４２を備える。このゲート電流の測定結果を用いて、正常異常判別回路４３で、ＩＧＢＴ１１の正常異常を判別する。この判別結果の信号を制御回路４４に伝送し、駆動回路４１にフィードバックする。なお、制御回路４４には、異常のラッチ回路も備えている。
【００１５】
本実施例では、先に図２に示した従来技術とは異なり、図４に示すようにゲート電流波形をモニターする。ゲート電流を測定する手段として、ゲート抵抗の両端の電圧を測定し、電流値に換算する方法や、カレントトランスを使用する方法などを用いる。ゲート電流波形をモニターする期間は、図４に示すターンオン又は、ターンオフの信号が入力後、５μｓ以降後が望ましい。この理由は、IGBTのゲートの絶縁特性が正常なものでは、５μｓ程度でゲート電流が流れなくなるからである。なお、正常なＩＧＢＴのゲート電流値とは、ＩＧＢＴの製品仕様に記載されている定格値のことである。本実施例では、正常なゲート電流値の５０〜２００％の範囲の測定値を正常範囲に設定し、ゲートの絶縁特性が劣化したIGBTの異常や劣化を検知する。ゲート電流値は、正常なＩＧＢＴであっても、ゲート容量のばらつき、動作電圧のばらつき、ゲート抵抗のばらつきなどの影響を受けるが、これらのばらつきの寄与は合計してもゲート電流値の３０％程度である。従って正常範囲は、前記５０〜２００％とすれば充分であり、好ましくは６０〜１７０％、さらに好ましくは７０〜１３０％とすれば良い。
【００１６】
本実施例では、ターンオン又は、ターンオフの信号を入力してから１０μｓ経過後の電流値を測定して、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性が劣化した場合のIGBTの異常、及び劣化を検知し、これによって安全性，信頼性の高いゲート駆動回路を実現する。
【００１７】
（実施例２）
図６に、本実施例の構成図を示す。実施例１と異なる点は、図１のゲート電流測定回路４２がゲート電流積分回路４７となっている点である。図５に、本実施例のゲート電流の積分波形の一例を示す。本実施例では、正常なゲート電流積分値の５０〜２００％の範囲の測定値を正常範囲に設定し、ゲートの絶縁特性が劣化したＩＧＢＴの異常や劣化を検知する。ゲート電流積分値は、正常なＩＧＢＴであっても、ゲート容量のばらつき、動作電圧のばらつき、ゲート抵抗のばらつきなどの影響を受けるが、これらのばらつきの寄与は合計してもゲート電流積分値の３０％程度である。従って正常範囲は、前記５０〜２００％とすれば充分であり、好ましくは６０〜１７０％、さらに好ましくは７０〜１３０％とすれば良い。また、ゲート電流積分の正常値の範囲は、ターンオン時，ターンオフ時いずれの場合も同じである。ここで、正常なＩＧＢＴのゲート電流値とは、ＩＧＢＴの製品仕様に記載されている定格値のことである。
【００１８】
なお、ゲート電流積分回路４７は、リセットパルス回路４８から、リセットパルスを入力する。リセットパルスを入力する第１の方法は、図６に示すように、制御回路４４から駆動回路４１へのオン，オフパルス信号から、幅の狭いパルス信号を発生し、ゲート電流積分回路４７のコンデンサの電荷を放電し、積分器出力をゼロにリセットする。第２の方法は、ゲート電流が正または負に変化するどちらか一方のタイミングを利用して、ゲート電流積分回路４７のコンデンサの電荷を放電し、積分器出力をゼロにする方法である。このように本実施例によって、精度の良い異常検知回路を実現でき、安全性，信頼性の高いゲート駆動回路が提供できる。
【００１９】
（実施例３）
図７に、本実施例の構成図を示す。本実施例では、最終段ｎｐｎトランジスタ３１，最終段ｐｎｐトランジスタ３２，ターンオン用ゲート抵抗２２，ターンオフ用ゲート抵抗２３により、ＩＧＢＴ１１を駆動する。本実施例が実施例２と異なる点は、ターンオフ用のゲート抵抗２３に流れる電流を積分することである。本実施例は、駆動電源４０のグランドを基準に、ゲート電流積分回路４７や、リセットパルス回路４８を構成できるため、全体回路が簡素化できる。
【００２０】
（実施例４）
図８に、本実施例の構成図を示す。実施例３との相違点は、ターンオン用のゲート抵抗２２に流れる電流を積分している点である。本実施例はターンオン時のゲート電流を監視し、実施例３と同様に精度の良い検知回路であり、安全性，信頼性の高いゲート駆動装置を提供できる。なお、本実施例に実施例３の構成を組み合わせて、ターンオン時とターンオフ時のゲート電流を監視しても良いことは言うまでもない。
【００２１】
（実施例５）
図９に、本実施例の回路図を示す。本実施例と実施例２との相違点は、ゲート電流の積分回路及びリセットパルス回路に、差電圧検出器４９と、積分器５０を付加している点である。図１０に、差電圧検出器４９と、積分器５０の回路詳細図を示す。
【００２２】
図１０を用いて、本実施例の回路動作を説明する。差電圧検出器４９は、減算増幅器の回路構成となっている。ゲート抵抗２１の両端の電圧をｖ１，ｖ２（ゲート抵抗側をｖ１）とすると、差電圧検出器のオペアンプ３７の出力電圧ｖ３は、抵抗Ｒ１からＲ４の値をＲ２／Ｒ１＝Ｒ４／Ｒ３に設定してあるので、ｖ３＝−Ｒ２／Ｒ１×(ｖ１−ｖ２)となる。ターンオン時には、ｖ１＞ｖ２であり、オペアンプ３７の出力電圧ｖ３は負の値で増幅する。そのため、積分器のオペアンプ３７の出力ｖ４は、正の値となり、ダイオードＤ１によりコンデンサＣ１は放電し、ゼロにリセットする。よって、コンパレータ３６は、制御回路へ、ｌｏｗ信号を出力する。
【００２３】
一方、ターンオフ時には、ｖ１＜ｖ２であり、オペアンプ３７の出力電圧ｖ３は正の値で増幅する。積分器のオペアンプ３７の出力ｖ４は、ｖ４＝−１／Ｃ１・Ｒ５∫ｖ３ｄｔとなる。ＩＧＢＴのゲート電流（ゲート抵抗両端の差電圧）の積分値が、正常範囲の場合は、この積分値が、コンパレータ３６の基準電圧よりも、高い状態であり、コンパレータ３６は、制御回路へｌｏｗ信号を出力する。しかし、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性が異常になった場合、ＩＧＢＴのゲート電流の積分値すなわちｖ４が大きくなり、コンパレータ３６の基準電圧よりも低くなり、コンパレータ３６は、制御回路へｈｉｇｈの異常信号を出力する。同時に、図９の発光器４６が消燈状態に移行する。発光器４６は、フェールセーフを考慮すると、正常時に点灯し、異常時に消燈することが望ましい。発光器が消燈することで、異常信号を制御回路にフィードバックし、直列に接続しているスイッチング素子のゲート駆動回路をオフ状態に移行する。
【００２４】
また、図１０の回路では、ターンオフ時のゲート電流の積分により、正常・異常を判別したが、ゲート抵抗２１の両端の電圧ｖ１，ｖ２を、差電圧検出器のオペアンプ３７に反対に入力、すなわち逆極性で入力し、ダイオードＤ１の極性を図１０とは反転して、ターンオン時のゲート電流の積分により、正常・異常を判別しても良い。
【００２５】
なお、ＩＧＢＴのゲート特性が劣化する原因の多くは、ターンオフ時にIGBTのＲＢＳＯＡ（逆バイアス安全動作領域）を超えた場合や、短絡耐量を超えた場合に、素子が故障し、ゲート特性が劣化するので、ターンオフ時のゲート電流の積分値を正常範囲と比較することが望ましい。
【００２６】
このように、本回路構成により、ターンオフ時、あるいはターンオン時のゲート電流の積分値により、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性の劣化を容易に判別でき、同一アームに直列に接続している素子のゲート回路にも異常を伝送して、アーム短絡を未然に防止できる。これにより安全性，信頼性の高いスイッチング素子のゲート駆動装置を実現できる。
【００２７】
（実施例６）
図１１に、本実施例の構成図を示す。本実施例では、電力変換回路の主回路の同一相に直列に接続されるＩＧＢＴ１１と、上アームのゲート駆動回路５３，下アームのゲート駆動回路５４、及び制御回路４４を備えている。上アームのゲート駆動回路５３と下アームのゲート駆動回路５４は、それぞれ、図９と図１０に示す回路構成である。
【００２８】
本実施例の回路動作を説明する。例えば、下アームのＩＧＢＴ１１のゲートの絶縁特性が劣化した場合、下アームのゲート駆動回路５４でＩＧＢＴ１１の劣化を検知し、レーザーダイオードや発光ダイオードなどの発光器４６に信号を伝達する。制御回路４４の、フォトダイオードやフォトトランジスタなどの受光器４５が異常信号を検知し、故障検知回路５６に異常を伝え、ゲートパルス出力回路５５により、信号入力を停止する。前記制御回路４４と上アームのゲート駆動回路５３，下アームのゲート駆動回路５４との間は光ファイバーで接続し、前記異常検知信号などを伝送する。なお、故障検知回路５６からの異常信号は、オペレータや運転手に異常信号を伝える構成であっても良い。
【００２９】
このように本実施例によれば、ＩＧＢＴのゲートの絶縁特性が劣化した下アームのゲート駆動回路５４と、同一相に直列に接続されるＩＧＢＴの上アームのゲート駆動回路５３への駆動信号を停止でき、アーム短絡を未然に防止できるので、安全性，信頼性の高いスイッチング素子のゲート駆動装置を実現できる。
【００３０】
（実施例７）
図１２に、本実施例の構成図を示す。実施例６では、異常信号の伝送を光ファイバやレーザダイオード等の光通信で行っているが、本実施例では異常信号を電気信号の直流電位レベルを変換するレベルシフト回路を用いており、産業用インバータや自動車用インバータ装置にも容易に適用できる。
【００３１】
本実施例では、正常異常判別回路４３の出力は駆動回路４１とレベルシフト回路とに入力されていて、上アームのゲート駆動回路５３と下アームのゲート駆動回路５４とを、１チップの集積回路５９にした。例えば、下アームのＩＧＢＴ11のゲートの絶縁特性が劣化した場合、正常異常判別回路４３からの異常信号は、レベルシフトアップ回路５７により、同一相に直列に接続されるＩＧＢＴ１１の上アームのゲート駆動回路５３の電位レベルに信号を変換し、駆動を停止する。
【００３２】
このように本実施例によれば、アーム短絡を未然に回避できるので、安全性，信頼性の高いスイッチング素子のゲート駆動装置を実現できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート抵抗に流れるゲート電流を測定する手段、あるいはゲート抵抗に流れるゲート電流を積分する手段を設けＩＧＢＴのゲートの絶縁特性等の異常を精度良く検知できる。さらに、同一アームに直列に接続している他のＩＧＢＴのゲート回路にも異常を伝送して、アーム短絡を未然に回避し、安全性，信頼性の高いゲート駆動装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の構成図。
【図２】従来技術の回路図。
【図３】ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間耐圧劣化品のゲート電圧波形。
【図４】ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間耐圧劣化品のゲート電流波形。
【図５】ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間耐圧劣化品のゲート電流積分波形。
【図６】実施例２の構成図。
【図７】実施例３の構成図。
【図８】実施例４の構成図。
【図９】実施例５の回路図。
【図１０】実施例５の差電圧検出器と積分器，比較器の回路図。
【図１１】実施例６の構成図。
【図１２】実施例７の構成図。
【符号の説明】
１１…ＩＧＢＴ、１２…フリーホイルダイオード、１３…コレクタ端子、１４…エミッタ端子、２１…ゲート抵抗、２２…ターンオン用ゲート抵抗、２３…ターンオフ用ゲート抵抗、２４，２８…プルアップ抵抗、２５…エミッタ用抵抗、２６，２７…分圧抵抗、２９…基準電圧切り替え抵抗、３１…最終段ｎｐｎトランジスタ、３２…最終段ｐｎｐトランジスタ、３３…次段ｎｐｎトランジスタ、３４…初段ｎｐｎトランジスタ、３５…基準電圧切り替えトランジスタ、３６…コンパレータ、３７…オペアンプ、４０…駆動電源、４１…駆動回路、４２…ゲート電流測定回路、４３…正常異常判別回路、４４…制御回路、４５…受光器、４６…発光器、４７…ゲート電流積分回路、４８…リセットパルス回路、４９…差電圧検出器、５０…積分器、５１…比較器、５２…主回路電源、５３…上アームのゲート駆動回路、５４…下アームのゲート駆動回路、５５…ゲートパルス出力回路、５６…故障検知回路、５７…レベルシフトアップ回路、５８…レベルシフトダウン回路、５９…集積回路。
【図１】
0003931627.tif 000002
【図２】
0003931627.tif 000003
【図３】
0003931627.tif 000004
【図４】
0003931627.tif 000005
【図５】
0003931627.tif 000006
【図６】
0003931627.tif 000007
【図７】
0003931627.tif 000008
【図８】
0003931627.tif 000009
【図９】
0003931627.tif 000010
【図１０】
0003931627.tif 000011
【図１１】
0003931627.tif 000012
【図１２】
0003931627.tif 000013