(57)【要約】【課題】  スイッチング素子のゲート電圧の上昇をより好適に抑制し、過電流をより好適に抑制することが可能な技術を提供する。【解決手段】  接続配線と、接続配線に介装されている第１スイッチング素子と、第１スイッチング素子に対して直列に接続配線に介装されている第２スイッチング素子と、負荷と、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の間の接続配線と負荷とを接続する出力配線と、ゲート制御装置と、第１スイッチング素子のゲートと基準電位部の間を接続しているゲート放電配線と、ゲート放電配線に介装されており、接続配線の電流が増加したときに基準電位部側の端子がゲート側の端子よりも高電位となる電圧を生じさせるカレントトランスと、ゲート側がアノードとなるようにゲート放電配線に介装されているツェナーダイオードを有するスイッチング回路。【選択図】図２
2016135047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング回路であって、
高電位部と低電位部の間を接続している接続配線と、
前記接続配線に介装されている第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に対して直列に前記接続配線に介装されている第２スイッチング素子と、
負荷と、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の間の前記接続配線と前記負荷とを接続する出力配線と、
前記第１スイッチング素子のゲートに信号を入力するゲート制御装置と、
前記第１スイッチング素子の前記ゲートと基準電位部の間を接続しているゲート放電配線と、
前記ゲート放電配線に介装されており、前記接続配線の電流が増加したときに基準電位部側の端子が前記ゲート側の端子よりも高電位となる電圧を生じさせるカレントトランスと、
前記ゲート側がアノードとなるように前記ゲート放電配線に介装されているツェナーダイオード、
を有するスイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、スイッチング回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、スイッチング回路が開示されている。このスイッチング回路は、高電位部と低電位部の間を接続している接続配線と、接続配線に介装されている２つのスイッチング素子を備えている。２つのスイッチング素子は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子の間の接続配線には出力配線の一端が接続されており、出力配線の他端は負荷（モータ）に接続されている。２つのスイッチング素子が交互にオンすることにより、負荷に交流電流が供給される。
【０００３】
この種のスイッチング回路において、２つのスイッチング素子が誤って同時にオンする場合がある。すると、高電位部と低電位部が短絡して、各スイッチング素子に過電流が流れる。このとき、スイッチング素子の両端の間の電圧が上昇し、これに伴ってスイッチング素子のゲート電圧が上昇する。ゲート電圧の上昇に伴って各スイッチング素子に流れる過電流がさらに増加する。このため、各スイッチング素子に過大な負荷が掛かるという問題がある。
【０００４】
特許文献１のスイッチング素子は、各スイッチング素子のゲートと低電位側の端子（エミッタ）との間にクランプ回路を接続することで、上記のゲート電圧の上昇の問題に対応している。クランプ回路は、ゲートと低電位側の端子の間に直列に接続されたダイオードとコンデンサを有している。スイッチング素子に過電流が流れるときには、クランプ回路のコンデンサが電荷を吸収することで、ゲート電圧の上昇が抑制される。これによって、過電流の増大が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１３／１５７０８６Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、コンデンサが電荷を吸収している間に、ゲート電圧の上昇が抑制されるものの、ゲート電圧はある程度上昇する。このため、過電流を十分に抑制することができない。したがって、本明細書では、ゲート電圧の上昇をより好適に抑制し、過電流をより好適に抑制することが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示するスイッチング回路は、高電位部と低電位部の間を接続している接続配線と、前記接続配線に介装されている第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に対して直列に前記接続配線に介装されている第２スイッチング素子と、負荷と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子の間の前記接続配線と前記負荷とを接続する出力配線と、前記第１スイッチング素子のゲートに信号を入力するゲート制御装置と、前記第１スイッチング素子の前記ゲートと基準電位部の間を接続しているゲート放電配線と、前記ゲート放電配線に介装されており、前記接続配線の電流が増加したときに基準電位部側の端子が前記ゲート側の端子よりも高電位となる電圧を生じさせるカレントトランスと、前記ゲート側がアノードとなるように前記ゲート放電配線に介装されているツェナーダイオードを有する。
【０００８】
このスイッチング回路では、第１スイッチング素子のゲートと基準電位部の間に、ツェナーダイオードとカレントトランスが接続されている。基準電位部とゲートの間にツェナーダイオードが接続されているので、ゲート制御装置は、ゲート電圧をツェナー電圧と同等の電圧まで上昇させることができる。したがって、ゲート制御装置は、ツェナー電圧以下の電圧範囲でゲート電圧を制御することができる。誤って第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が共にオンしたときには、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子に流れる電流（すなわち、接続配線に流れる電流）が急激に増加する。すると、接続配線とカレントトランスの間の電磁誘導によって、カレントトランスに誘導電圧が生じる。カレントトランスは、基準電位部側が高電位となるように誘導電圧を生じさせる。すると、第１スイッチング素子のゲートから基準電位部に向かって電流が流れ、ゲート電圧が低下する。このように、このスイッチング回路によれば、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が共にオンした後に、ゲート電圧を低下させることができる。このため、第１スイッチング素子に流れる過電流（すなわち、接続配線に流れる過電流）をより好適に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】インバータ回路１０の回路図。
【図２】実施例１のスイッチング回路１６ａの回路図。
【図３】実施例１のスイッチング回路１６ａにおいて、ＩＧＢＴ１８、２０が共にオンする場合のゲート電圧Ｖｇｅと電流Ｉｃ１の変化を示すグラフ。
【図４】実施例２のスイッチング回路の回路図。
【図５】実施例３のスイッチング回路の回路図。
【図６】実施例３のスイッチング回路において、ＩＧＢＴ１８、２０が共にオンする場合のゲート電圧Ｖｇｅと電流Ｉｃ１の変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１０】
図１に示す実施形態のインバータ回路１０は、モータ９０に交流電流を供給する。インバータ回路１０は、高電位配線１２と低電位配線１４を有している。高電位配線１２と低電位配線１４は、図示しない直流電源に接続されている。高電位配線１２にはプラスの電位ＶＨが印加されており、低電位配線１４にはグランド電位（０Ｖ）が印加されている。高電位配線１２と低電位配線１４の間には、３つのスイッチング回路１６ａ〜１６ｃが並列に接続されている。スイッチング回路１６ａ〜１６ｃのそれぞれは、互いに直列に接続された２つのＩＧＢＴ１８、２０を有している。各ＩＧＢＴ１８、２０に対して並列に、ダイオードが接続されている。各ダイオードのアノードが対応するＩＧＢＴのエミッタに接続されており、各ダイオードのカソードが対応するＩＧＢＴのコレクタに接続されている。各スイッチング回路１６ａ〜１６ｃのＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の間の配線には、出力配線２２ａ〜２２ｃが接続されている。出力配線２２ａ〜２２ｃの他端は、モータ９０に接続されている。インバータ回路１０は、ＩＧＢＴ１８、２０をスイッチングさせることによって、モータ９０に三相交流電流を供給する。
【００１１】
次に、スイッチング回路１６ａ〜１６ｃの構成について詳細に説明する。なお、スイッチング回路１６ａ〜１６ｃの構成は同一であるので、以下ではスイッチング回路１６ａについて説明する。
【００１２】
図２に示すように、スイッチング回路１６ａは、高電位配線１２と低電位配線１４の間を接続する接続配線２４を有している。ＩＧＢＴ１８、２０は、接続配線２４に介装されている。これによって、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の直接回路が構成されている。すなわち、ＩＧＢＴ１８のコレクタが接続配線２４を介して高電位配線１２に接続されている。ＩＧＢＴ１８のエミッタが、接続配線２４を介してＩＧＢＴ２０のコレクタに接続されている。ＩＧＢＴ２０のエミッタが、接続配線２４を介して低電位配線１４に接続されている。ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の間の接続配線２４には、出力配線２２ａが接続されている。上記の通り、出力配線２２ａの他端は、モータ９０に接続されている。
【００１３】
ＩＧＢＴ１８のゲート１８ａには、ゲート制御回路３０ａとゲート放電回路４０ａが接続されている。ゲート制御回路３０ａは、ＩＧＢＴ１８のゲート１８ａのエミッタに対する電位（以下、ゲート電圧Ｖｇｅという）を制御する。ゲート制御回路３０ａは、ゲート電圧Ｖｇｅを、ゲートオン電圧（プラスの電圧）とゲートオフ電圧（略０Ｖ）の間で変動させる。すなわち、ゲート制御回路３０ａは、ゲート１８ａにパルス信号を入力する。
【００１４】
ゲート放電回路４０ａは、ゲート放電配線４４を有している。ゲート放電配線４４は、ゲート１８ａと基準電位部５０の間を接続している。基準電位部５０には、ＩＧＢＴ１８のエミッタの電位が印加されている。ゲート放電配線４４には、ツェナーダイオード４６とカレントトランス４８が介装されている。ツェナーダイオード４６とカレントトランス４８は、直列に接続されている。ツェナーダイオード４６のカソードは、ゲート１８ａに接続されている。ツェナーダイオード４６のアノードは、カレントトランス４８の一方の端子に接続されている。カレントトランス４８の他方の端子は、基準電位部５０に接続されている。カレントトランス４８は、ＩＧＢＴ１８と高電位配線１２の間の接続配線２４と磁気的に接続されている。接続配線２４に流れる電流（すなわち、ＩＧＢＴ１８のコレクタ電流Ｉｃ１）が増加すると、電磁誘導によってカレントトランス４８に誘導電圧Ｖｉが生じる。この場合、基準電位部５０側の端子がツェナーダイオード４６側の端子よりも高電位となる誘導電圧Ｖｉが生じる。誘導電圧Ｖｉは、コレクタ電流の増加率ｄＩｃ１／ｄｔに略比例して大きくなる。ツェナーダイオード４６のツェナー電圧は、約１５Ｖである。したがって、ゲート制御回路３０ａがゲートオン電圧を印加したときに、ゲート電圧Ｖｇｅが約１５Ｖとなる。
【００１５】
ＩＧＢＴ２０のゲート２０ａには、ゲート制御回路３０ｂとゲート放電回路４０ｂが接続されている。ゲート制御回路３０ｂの構成はゲート制御回路３０ａと等しい。また、ゲート放電回路４０ｂの構成はゲート放電回路４０ａと等しい。なお、ゲート放電回路４０ａの基準電位部５０には、ＩＧＢＴ２０のエミッタの電位が印加されている。
【００１６】
次に、スイッチング回路１６ａの動作について説明する。ゲート制御回路３０ａがＩＧＢＴ１８のゲート電圧Ｖｇｅを制御することで、ＩＧＢＴ１８がスイッチングする。また、ゲート制御回路３０ｂがＩＧＢＴ２０のゲート電圧を制御することで、ＩＧＢＴ２０がスイッチングする。ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０は、交互にオンするように制御される。ＩＧＢＴ１８がオンするとＩＧＢＴ１８にコレクタ電流Ｉｃ１が流れ、ＩＧＢＴ２０がオンするとＩＧＢＴ２０にコレクタ電流Ｉｃ２が流れる。原則として、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０が共にオンすることはない。しかしながら、ノイズ等の影響によって、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０が共にオンする場合がある。この場合、高電位配線１２と低電位配線１４の間が短絡するので、接続配線２４に高い電流が流れる。すなわち、コレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２が上昇する。この場合、ゲート放電回路４０ａ、４０ｂが動作することによって、ＩＧＢＴ１８、２０に過電流が流れることが抑制される。なお、ゲート放電回路４０ｂの動作はゲート放電回路４０ａの動作と等しい。したがって、以下では、主に、ゲート放電回路４０ａの動作について説明する。
【００１７】
図３は、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０が同時にオンしたときのゲート電圧Ｖｇｅと電流Ｉｃ１の変化を示している。図３は、タイミングｔ１においてＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０が共にオンした場合を示している。ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の両方がオンすると、高電位配線１２と低電位配線１４が短絡状態となる。このため、タイミングｔ１の直後に、電流Ｉｃ１が急激に上昇する。また、電流Ｉｃ１が急激に上昇すると、ＩＧＢＴ１８のコレクタ‐エミッタ間電圧が上昇する。すると、ＩＧＢＴ１８のゲート‐コレクタ間容量（帰還容量）を介してＩＧＢＴ１８のゲート１８ａが充電されることで、図３に示すようにゲート電圧Ｖｇｅが上昇する。また、電流Ｉｃ１が上昇すると、電流Ｉｃ１の上昇速度ｄＩｃ１／ｄｔに応じた大きさの誘導電圧Ｖｉがカレントトランス４８に生じる。これによって、ゲート１８ａから基準電位部５０に向かって高い電流が流れ、ゲート１８ａから基準電位部５０に急速に電荷が排出される。このため、タイミングｔ２の後に、ゲート電圧Ｖｇｅが低下する。すると、ゲート電圧Ｖｇｅの低下に伴って、電流Ｉｃ１が低下する。このように、ゲート放電回路４０ａが動作することによって、電流Ｉｃ１を低下させることができる。また、ゲート放電回路４０ｂも、ゲート放電回路４０ａと同様に動作するので、ＩＧＢＴ２０も電流Ｉｃ２を低下させるように動作する。したがって、ＩＧＢＴ１８、２０（すなわち、接続配線２４）に過電流が流れることを抑制することができる。
【００１８】
以上に説明したように、このスイッチング回路１６ａによれば、ＩＧＢＴ１８、２０が共にオンした場合に、ゲート放電回路４０ａ、４０ｂによってＩＧＢＴ１８、２０のゲートから電荷が放電される。このため、ゲート放電回路４０ａ、４０ｂの動作時に、ゲート電圧を低下させることができる。特に、ゲート放電回路４０ａ、４０ｂでは、カレントトランス４８を用いた電磁誘導によってコレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２の増加を検出する。この構成によれば、ＩＧＢＴ１８、２０がオンしてから短時間でゲート放電回路４０ａ、４０ｂを動作させることができる。すなわち、ＩＧＢＴ１８、２０がオンするタイミングｔ１からゲート放電回路４０ａ、４０ｂが動作するタイミングｔ２までの遅延時間が短い。このため、コレクタ電流Ｉｃ１、Ｉｃ２の上昇をより効果的に抑制することができる。したがって、短絡時にＩＧＢＴ１８、２０で生じる損失が小さく、ＩＧＢＴ１８、２０への負担を軽減することができる。
【００１９】
なお、ＩＧＢＴ２０がオフしている状態においてＩＧＢＴ１８がオフからオンに切り換わる場合（すなわち、通常動作時のＩＧＢＴ１８のターンオフ時）にも、ＩＧＢＴ１８のコレクタ電流Ｉｃ１が上昇する。このため、この場合にも、カレントトランス４８に誘導電圧Ｖｉが生じる。しかしながら、この場合には、コレクタ電流Ｉｃ１の上昇速度ｄＩｃ１／ｄｔが小さいため、誘導電圧Ｖｉが小さい。このため、ゲート放電配線４４に流れる電流が小さく、ゲート電圧Ｖｇｅは低下しない。したがって、この場合には、正常にＩＧＢＴ１８がオンする。
【００２０】
なお、上記の実施例１では、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の両方に対して、ゲート放電回路４０ａ、４０ｂが設けられていた。しかしながら、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０のいずれか一方にのみゲート放電回路が設けられていてもよい。このような構成でも、短絡時にＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０の何れか一方のゲート電圧Ｖｇｅが低下するので、電流Ｉｃ１、Ｉｃ２の上昇を抑制することができる。
【００２１】
また、上記の実施例１では、カレントトランス４８よりもゲート１８ａ側のゲート放電配線４４にツェナーダイオード４６が介装されていたが、カレントトランス４８よりも基準電位部５０側のゲート放電配線４４にツェナーダイオード４６が介装されていてもよい。
【実施例２】
【００２２】
図４に示す実施例２のスイッチング回路では、カレントトランス４８と基準電位部５０の間のゲート放電配線４４に、ダイオード５２が介装されている。ダイオード５２のアノードはカレントトランス４８に接続されており、ダイオード５２のカソードは基準電位部５０に接続されている。実施例２のスイッチング回路のその他の構成は、実施例１のスイッチング回路１６ａと等しい。
【００２３】
実施例２のスイッチング回路は、ＩＧＢＴ１８、２０が共にオンした場合には、実施例１のスイッチング回路１６ａと同様に動作する。ゲート放電回路４０ａ、４０ｂが動作するときに、ダイオード５２を通ってゲート放電配線４４に電流が流れる。
【００２４】
また、通常動作時にＩＧＢＴ１８をターンオフしてＩＧＢＴ１８のコレクタ電流Ｉｃ１を低下させる際には、コレクタ電流Ｉｃ１が上昇する場合とは逆向きの誘導電圧Ｖｉがカレントトランス４８に生じる。実施例１のスイッチング回路１６ａでは、この逆向きの誘導電圧Ｖｉの印加によって、基準電位部５０からゲート１８ａに向かって電流が流れるおそれがある。これに対し、実施例２のスイッチング回路では、ダイオード５２によって基準電位部５０からゲート１８ａに向かって電流が流れることが防止される。
【００２５】
なお、実施例２では、ダイオード５２がカレントトランス４８よりも基準電位部５０側のゲート放電配線４４に介装されていた。しかしながら、ダイオード５２は、ゲート放電配線４４のいずれの位置に介装されていてもよい。
【実施例３】
【００２６】
図５に示す実施例３のスイッチング回路は、実施例２のスイッチング回路に、さらに電流制限抵抗５４を付加したものである。電流制限抵抗５４は、ゲート放電配線４４に介装されている。実施例３の構成によれば、ＩＧＢＴ１８とＩＧＢＴ２０が共にオンした場合にゲート放電配線４４に流れる電流の大きさが、電流制限抵抗５４によって制限される。したがって、図６に示すように、ツェナーダイオード４６がオンした後におけるゲート電圧Ｖｇｅと電流Ｉｃ１の低下率を、電流制限抵抗５４の抵抗値Ｒ５４によって制御することができる。
【００２７】
なお、実施例３では、電流制限抵抗５４がツェナーダイオード４６とカレントトランス４８の間のゲート放電配線４４に介装されていた。しかしながら、電流制限抵抗５４は、ゲート放電配線４４のいずれの位置に介装されていてもよい。
【００２８】
また、上記の実施例１〜３では、基準電位部５０にＩＧＢＴのエミッタと同じ電位が印加されていた。しかしながら、基準電位部５０の電位は、ＩＧＢＴ１８、２０が共にオンしたときに（すなわち、誘導電圧Ｖｉが上昇したときに）ゲート１８ａ、２０ａから電荷を放電することが可能な電位であれば、どのような電位であってもよい。基準電位部５０の電位は、ＩＧＢＴのゲート閾値（ＩＧＢＴをオンさせるために必要な最小のゲート電圧）以下であることが好ましく、エミッタの電位以下であることがより好ましい。
【００２９】
また、上記の実施例１〜３において、ＩＧＢＴに代えて、他のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ等）を使用してもよい。
【００３０】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３１】
１０    ：インバータ回路
１２    ：高電位配線
１４    ：低電位配線
１６ａ〜１６ｃ  ：スイッチング回路
１８ａ、２０ａ  ：ゲート
２２ａ〜２２ｃ  ：出力配線
２４    ：接続配線
３０ａ、３０ｂ  ：ゲート制御回路
４０ａ、４０ｂ  ：ゲート放電回路
４４    ：ゲート放電配線
４６    ：ツェナーダイオード
４８    ：カレントトランス
５０    ：基準電位部
５２    ：ダイオード
５４    ：電流制限抵抗
９０    ：モータ
【図１】
2016135047.tif 000003
【図２】
2016135047.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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