(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令信号をトリガとして一定時間のワンショットパルス信号を出力するワンショット回路と、このワンショットパルス信号と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。
【請求項２】
電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令の時間幅を測定する時間測定回路と、その測定結果を所定の設定値と比較する比較回路と、その比較結果と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。
【請求項３】
電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。
【請求項４】
電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じて動作するワンショット回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）などの電力用電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、ＩＧＢＴを用いたインバータの主回路図を示す。
１は直流電源回路（交流入力のインバータの場合は整流器＋電解コンデンサとなる）、２は直流を交流に変換するＩＧＢＴおよびダイオードよりなるインバータ部、３，４はＩＧＢＴの駆動（ドライブ）回路、５はＩＧＢＴ、６はＩＧＢＴに逆並列に接続されたダイオード、７はモータなどの負荷である。
【０００３】
図６に駆動（ドライブ）回路の詳細を示す。この回路は、ＩＧＢＴ５ａとダイオード６ａおよびＩＧＢＴ５ｂとダイオード６ｂのそれぞれに対応して設けられるが、以下ではａ，ｂの符号を無視して説明する。
符号８は駆動回路用電源、９，１０はＩＧＢＴをそれぞれターンオン，ターンオフさせるためのスイッチ素子、１１，１２はそれぞれターンオン用，ターンオフ用のゲート抵抗で、上位および制御部１３からオン指令信号Ｓ１またはオフ指令信号Ｓ２を与えられて動作する。また、反転回路１４は上アーム側ＩＧＢＴと下アーム側ＩＧＢＴを交互にオン，オフさせるために接続されている。なお、実際には上下アームが同時にオンしないようデッドタイムを設ける必要があるが、ここでは直接関係がないので、無視することとした。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７にＩＧＢＴターンオン時（時刻ｔ0）における、対向アームダイオードの逆回復時の電圧波形（ＶF）を示す。ダイオードがオンしている期間（対向アームのＩＧＢＴがオフしている期間）が充分に長ければ、その電圧波形は図７（ａ）のような滑らかな波形となるが、オンしている期間が短いと図７（ｂ）のように激しく振動し、最悪の場合は素子（ＩＧＢＴ，ダイオード）破壊を生じる。従来、このような現象を防止するため、対向アームのＩＧＢＴのターンオン用のゲート抵抗値（１１）を大きくしていたが、こうするとターンオン損失が増加するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、ターンオン損失を低減化し、ダイオード逆回復時の振動現象を解消させることにある。
【０００５】
【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、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令信号をトリガとして一定時間のワンショットパルス信号を出力するワンショット回路と、このワンショットパルス信号と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記ワンショット回路のパルス幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
ゲート指令信号のオフ指令の時間幅を測定する時間測定回路と、その測定結果を所定の設定値と比較する比較回路と、その比較結果と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記比較回路の設定値より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【０００７】
請求項３の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じてターンオン側ゲート抵抗を切り換える抵抗切換回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の発明では、電力変換装置を構成する電圧駆動形半導体素子のゲート駆動回路において、
パルス幅が一定時間幅より短いゲート指令信号のオフ指令信号を無視し、パルス幅が一定時間幅より長いゲート指令信号のオフ指令信号を有効とするフィルタ回路と、このフィルタ回路の出力と前記ゲート指令信号のオン指令信号とを論理演算する論理演算回路と、その論理演算結果に応じて動作するワンショット回路とを設け、前記論理演算回路により、前記オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より短いと判断したときはゲート抵抗を高抵抗値にしてターンオンさせ、オフ指令の時間幅が前記フィルタ回路で無視されるパルスの時間幅より長いと判断したときはゲート抵抗を低抵抗値にしてターンオンさせることを特徴とする。
【０００９】
【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。
これは図５に示すものに対し、オフ指令信号Ｓ２の立ち上がりエッジをトリガとするワンショット回路１６（ワンショット時間は、図６（ｂ）のような現象が発生するオフ期間相当とする）と、このワンショット回路１６の出力とオン指令信号Ｓ１との論理演算を行なうゲート１７，１８と、高抵抗２１とそのスイッチ素子１９、および低抵抗２２とそのスイッチ素子２０などを付加して構成されている。
【００１０】
このような構成において、オフ期間が短いときは（期間Ｔ以内）ゲート１７およびスイッチ素子１９が動作し、ゲート抵抗を高抵抗値２１にしてターンオンさせ（電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくする）、オフ期間が長いときは（期間Ｔ以上）ゲート１８およびスイッチ素子２０が動作し、ゲート抵抗を低抵抗値２２にしてターンオンさせる。
【００１１】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
符号２３は積分回路で、これによりオフ指令の時間幅を計測する。２４は積分回路２３の出力をある設定値と比較するコンパレータ回路である。
そして、積分回路２３の出力が或る設定値以上の場合は、図１と同様ゲート１７，１８により低抵抗値でターンオンさせ、また、設定値以下の場合は高抵抗値でターンオンさせるようにする。なお、２５は積分回路２３をリセットさせるための回路で、オン指令信号Ｓ１が入力された一定時間後に積分回路２３をリセットさせるディレイ（遅延）回路からなっている。
【００１２】
図３はこの発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
これは図５に示すものに対し、オフ指令信号Ｓ２をフィルタリングする（時間幅が一定時間よりも短いオフ指令パルスは無効なローレベル信号Ｌ、時間幅が一定時間よりも長いオフ指令パルスは有効なハイレベル信号Ｈとして出力する）フィルタ回路２６と、Ｄ−ＦＦ（Ｄ形フリップフロップ）回路２７と、この出力とオン指令信号Ｓ１との論理演算を行なうゲート回路２８などを付加して構成される。
【００１３】
このような構成において、オン指令信号Ｓ１の入力により高抵抗２１用のスイッチ素子１９がオンし、また、オンする前のオフ指令信号Ｓ２のパルス幅が或る幅以上の場合は、フィルタ回路２６の出力がハイレベルＨとなるため、Ｄ−ＦＦ回路２７，ゲート回路２８を介して低抵抗２２用のスイッチ素子２０がオンする。一方、オンする前のオフ指令信号Ｓ２のパルス幅が或る幅以下の場合は、フィルタ回路２６の出力がローレベルＬとなるため、Ｄ−ＦＦ回路２７，ゲート回路２８により、スイッチ素子２０はオフのままとなる。
つまり、オフ期間が長い場合はスイッチ素子１９，２０ともオンし、ＩＧＢＴは低抵抗値でのターンオンとなる一方、オフ期間が短い場合はスイッチ素子２０のみオンし、ＩＧＢＴは高抵抗値でのターンオンとなる。
【００１４】
図４はこの発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
これは図５に示すものに対し、オフ指令信号Ｓ２をフィルタリングする（時間幅が一定時間よりも短いオフ指令パルスは無効なローレベル信号Ｌ、時間幅が一定時間よりも長いオフ指令パルスは有効なハイレベル信号Ｈとして出力する）フィルタ回路２６と、Ｄ−ＦＦ回路２７と、この出力とオン指令信号Ｓ１との論理演算を行なうゲート回路２９と、このゲート回路２９の出力に対してワンショットパルスを出力するワンショット回路３０などを付加して構成される。
【００１５】
このような構成において、オン指令信号Ｓ１の入力により抵抗３２用のスイッチ素子３１がオンし、また、オンする前のオフ指令信号Ｓ２のパルス幅が或る幅以上の場合は、フィルタ回路２６の出力がハイレベルＨとなるため、Ｄ−ＦＦ回路２７，ゲート回路２９によって回路２９の出力はローレベルＬのままとなり、回路２９は動作しない。一方、オンする前のオフ指令信号Ｓ２のパルス幅が或る幅以下の場合は、回路２６の出力がローレベルＬとなるためワンショット回路３０が動作し、或る設定時間（ワンショット回路の出力時間）スイッチ素子３３がオンする。スイッチ素子３３がオンすると、ツェナーダイオード３４によりＩＧＢＴのゲート電位はツェナー電圧（電源８の電圧以下）にクランプされることになる。
【００１６】
つまり、オフ期間が長い場合はスイッチ素子３１がオンする通常のターンオン動作が行なわれる。一方、オフ期間が短い場合は、ターンオン時に或る設定時間だけゲート電位がクランプされるため、ＩＧＢＴはソフトにターンオン（ＩＧＢＴのターンオンｄｉ／ｄｔの低減、およびダイオードの逆回復ｄｖ／ｄｔが低減され、等価的に高抵抗のゲート抵抗でターンオンするのと同じ現象となる）する。
また、ツェナーダイオード３４の代わりに抵抗を用いても同様の動作となる。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、ＩＧＢＴのオフ期間が短いときは高抵抗値でターンオン、またはゲート電位のクランプによりＩＧＢＴをソフトにターンオンさせ、その他の大部分の場合は低抵抗値でターンオンさせるようにしたので、高抵抗値でのみターンオンさせていた従来例に対し低損失に、ダイオード逆回復時の振動現象を解消し得る利点がもたらされる。
【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回路図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す回路図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示す回路図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
【図５】ＩＧＢＴを用いたインバータの一般的な例を示す構成図である。
【図６】図５のゲート駆動部を詳細に示す回路図である。
【図７】図６の動作説明図である。
【符号の説明】
１…直流電源回路、２…インバータ回路、３，４…ゲート駆動部、５…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）、６…ダイオード、７…負荷（モータ）、８…駆動用電源、９，１０，１９，２０，３１，３３…スイッチ素子、１１，１２，２１，２２，３２…抵抗、１３…制御部、１４…反転回路、１６，３０…ワンショット回路、１７，１８，２８，２９…ゲート回路、２３…積分回路、２４…コンパレータ回路、２５…ディレイ回路、２６…フィルタ回路、２７…Ｄ−ＦＦ（Ｄ形フリップフロップ）回路、３４…ツェナーダイオード。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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