JP2005033678A

JP2005033678A - ゲートドライブ回路

Info

Publication number: JP2005033678A
Application number: JP2003272970A
Authority: JP
Inventors: Kenji Mitsuda; 健司三津田; Toru Kai; 徹甲斐
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】
より確実に半導体スイッチング素子を過電流から保護することができるゲートドライブ回路を提供する。
【解決手段】
直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子１、２からなる直列体を、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、半導体スイッチング素子１、２を絶縁された制御回路３からの駆動信号６、７によりオン・オフ駆動するゲートドライブ回路４、５と、半導体スイッチング素子１、２のコレクタ・エミッタ間電圧を監視することにより過電流を検出する過電流検出手段とから成り、過電流発生時、過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止し、該検出結果を過電流検出信号８、９として前記制御回路に出力すると同時に、対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号も即座に停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置における半導体スイッチング素子の過電流保護機能を備えたゲートドライブ回路に関する。

図３は半導体スイッチング素子の過電流保護機能を備えた従来のゲートドライブ回路の構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−４１５０（第２頁図１１参照）

図３において、１および２は対で直列体（アーム）を構成している半導体スイッチング素子であり、３は制御回路、４および５は制御回路３からの駆動信号６、７を整形して半導体スイッチング素子１、２をオン・オフさせるゲートドライブ回路、８および９は過電流検出信号、１１および１２は過電流検出手段の過電流検出用抵抗である。また、Ｐは直流電源の正極、Ｎは前記直流電源の負極を示している。ここで、制御回路３およびゲートドライブ回路４、５の間はそれぞれ図示しないフォトカプラにより絶縁されている。
半導体スイッチング素子１（または２）に直列に接続された過電流検出用抵抗１１（または１２）の両端の電圧降下により過電流を検出すると、ゲートドライブ回路４（または５）は前記過電流を検出した半導体スイッチング素子１（または２）をオフさせると共に、制御回路３へ過電流検出信号８（または９）を出力し、制御回路３にて前記過電流検出信号をラッチし、電力変換装置の運転を停止させることにより、すなわち、制御回路３からの駆動信号６、７を停止させることにより、半導体スイッチング素子１、２を保護していた。

しかしながら、従来のゲートドライブ回路は、半導体スイッチング素子１（または２）に直列に接続した過電流検出用抵抗１１（または１２）の両端の電圧降下により過電流を検出し、制御回路３へ過電流検出信号８（または９）を出力し、制御回路３にてラッチし、運転を停止させる、すなわち、制御回路３からの駆動信号６、７を停止させることで、対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止させていたが、半導体スイッチング素子に並列挿入されたダイオードの逆回復電流による誤動作あるいはノイズによる誤動作を防ぐ為に設けられた図示しない遅延回路による遅れや、過電流検出手段から制御回路３への信号の遅れなどのため、対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号が停止するまでの時間が長くなり、その結果アーム短絡が発生し半導体スイッチング素子が劣化または破壊してしまい、信頼性の高い電力変換装置を得ることが出来ないという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、より確実に半導体スイッチング素子を過電流から保護することができるゲートドライブ回路を提供することを目的とするものである。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子からなる直列体を、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、前記直流電源の負極側に接続された第１の半導体スイッチング素子を、絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、前記直流電源の正極側に接続された第２の半導体スイッチング素子を、前記絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路と、前記第１の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第１の過電流検出手段と、前記第２の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第２の過電流検出手段と、を備えた電力変換装置において、前記第１の過電流検出手段または前記第２の過電流検出手段により過電流が検出されると、前記第１の半導体スイッチング素子または前記第２の半導体スイッチング素子のうち、過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止し、該検出結果を過電流検出信号として前記絶縁された制御回路に出力すると同時に、即座に対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止させることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、前記第１の過電流検出手段および前記第２の過電流検出手段は、第１の半導体スイッチング素子および前記第２の半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視することにより過電流の検出を行なうことを特徴とするものである。

本発明のゲートドライブ回路によれば、直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子からなる直列体を、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、前記直流電源の負極側に接続された第１の半導体スイッチング素子を、前記絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、前記直流電源の正極側に接続された第２の半導体スイッチング素子を、絶縁された前記制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路と、前記第１の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第１の過電流検出手段と、前記第２の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第２の過電流検出手段と、を備えた電力変換装置において、前記第１の過電流検出手段または前記第２の過電流検出手段により過電流が検出されると、前記第１の半導体スイッチング素子または前記第２の半導体スイッチング素子のうち、過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止し、該検出結果を過電流検出信号として前記絶縁された制御回路に出力すると同時に、即座に対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止させているので、過電流が発生した場合、従来技術の場合よりも早く、対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止することができ、ノイズ耐量を損なうことなく、より確実に半導体スイッチング素子を過電流から保護することができる。当然、半導体スイッチング素子の破壊による交換も減ることから、メンテナンス費用も少なくなる。
さらに、前記第１の過電流検出手段および前記第２の過電流検出手段は、第１の半導体スイッチング素子および前記第２の半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視することにより過電流の検出を行なっているので、半導体スイッチング素子の特性変化によるゲート電圧不足やベース電流不足などの過電流以外の原因による故障からも半導体スイッチング素子を保護することができ、また、抵抗による電圧低下を利用した過電流検出手段より検出電圧を高くすることが出来るので、ノイズによる誤動作も少ない。しかも、これらは簡単な回路を追加することによって実現できるため、低コストで高信頼度、高寿命の電力変換装置を得ることができる。

以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は本発明の具体的実施例の構成を示すブロック図である。図１において、半導体スイッチング素子の過電流保護機能を備えた従来のゲートドライブ回路の構成を示すブロック図（図３）と同一機能の構成要素に対しては同じ符号を用いている。なお、半導体スイッチング素子１，２としては、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどがある。
半導体スイッチング素子１（または２）のゲートドライブ回路４（または５）が過電流を検出すると、ゲートドライブ回路４（または５）の内部で過電流を検出した半導体スイッチング素子１（または２）のゲートドライブ信号を停止し、過電流を検出した半導体スイッチング素子１（または２）をオフする。同時に、過電流検出信号８（または９）は対を成す相手側のゲートドライブ回路５（または４）へ出力され、対を成した相手側ゲートドライブ回路５（または４）において、半導体スイッチング素子２（または１）のゲートドライブ信号を即座に停止し、対を成した相手側の半導体スイッチング素子２（または１）がオンしないようにする。また、過電流検出信号８（または９）は、制御回路３へも出力され、制御回路３でラッチされた後、電力変換装置の運転を停止、すなわち、駆動信号６、７を停止する。
本発明の具体的実施例の構成を示すブロック図（図１）と、半導体スイッチング素子の過電流保護機能を備えた従来のゲートドライブ回路の構成を示すブロック図（図３）の構成上の違いは、過電流検出信号８（または９）を制御回路３へ出力すると同時に、対を成す相手側ゲートドライブ回路５（または４）へ出力する構成となっている点と、抵抗の電圧降下ではなく半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧で過電流を検出している点である。

次に、本発明の実施例の具体的回路および動作について図を用いて説明する。
図２は本発明のゲートドライブ回路の詳細を示すブロック図である。
図２において、１３および１４は過電流検出手段、１５および１６はコンパレータ、１７および１８はＮＡＮＤゲート、１９および２０は３入力ＡＮＤゲート、
２１、２２、２３および２４は絶縁のためのフォトカプラである。
制御回路３からの駆動信号６はフォトカプラ２１を通じてゲートドライブ回路４に伝わり、整形された駆動信号６Ａとなり、３入力ＡＮＤゲート１９に入力される。駆動信号６Ａは駆動時が「Ｈ」である。３入力ＡＮＤゲート１９の他の２つの入力信号がいずれも「Ｈ」の場合のみ、３入力ＡＮＤゲート１９の出力は「Ｈ」となり、ゲートドライブ信号６Ｂが「Ｈ」となり、半導体スイッチング素子１がオンし、半導体スイッチング素子１に電流が流れる。
半導体スイッチング素子１に過電流が流れようとすると、半導体スイッチング素子１のコレクタ・エミッタ間電圧が上昇し、飽和電圧以上の所定の閾値（図２に記載のＶｒｅｆ）を越えると過電流検出手段１３のコンパレータ１５の出力は「Ｈ」となる。
一方、半導体スイッチング素子１がオフしている場合も、コレクタ・エミッタ間電圧は高い電圧になっている為、コンパレータ１５の出力は同じく「Ｈ」となる。この両者を区別するため、ＮＡＮＤゲート１７により駆動信号６Ａが有る（「Ｈ」）時のみ、過電流検出信号８が出力する、すなわち、ＮＡＮＤゲート１７の出力が「Ｌ」になるようにしている。この過電流検出信号８は３入力ＡＮＤゲート１９の入力を「Ｌ」にするため、３入力ＡＮＤゲート１９の出力は「Ｌ」となり、ゲートドライブ信号６Ｂが「Ｌ」のまま停止し、すなわち駆動信号６Ａがブロックされ、半導体スイッチング素子１はオフする。また、この過電流検出信号８はフォトカプラ２４を通じて、即座に対を成している半導体スイッチング素子２のゲートドライブ回路５に入力され、３入力ＡＮＤゲート２０の入力を「Ｌ」にするため、３入力ＡＮＤゲート２０の出力は駆動信号７の有無にかかわらず「Ｌ」、すなわち、ゲートドライブ信号７Ｂが「Ｌ」のまま停止し、半導体スイッチング素子１がオンすることを防いでいる。
さらに過電流検出信号８は、図示しないフォトカプラを通じて制御回路３に伝えられ、ラッチ処理され駆動信号６、７が停止される。
以上述べたように、直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子からなる直列体を、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、前記直流電源の負極側に接続された半導体スイッチング素子２を、絶縁された制御回路３からの信号によりオン・オフ駆動するゲートドライブ回路５と、前記直流電源の正極側に接続された半導体スイッチング素子１を、絶縁された制御回路３からの信号によりオン・オフ駆動するゲートドライブ回路４と、半導体スイッチング素子２を流れる過電流を検出する過電流検出手段１４と、半導体スイッチング素子１を流れる過電流を検出する過電流検出手段１３と、を備えた電力変換装置において、過電流検出手段１４または過電流検出手段１３により過電流が検出されると、半導体スイッチング素子２または半導体スイッチング素子１のうち、過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止し、該検出結果を過電流検出信号として絶縁された制御回路３に出力すると同時に、即座に対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止させているので、過電流が発生した場合従来技術よりも早く、対を成すスイッチング素子のゲートドライブ信号を停止することが可能となり、アーム短絡を防止できるため、より確実にスイッチング素子を保護することができる。また、ゲートドライブ回路４、５では過電流検出信号８をラッチしていないため、ノイズによる誤動作でラッチしてしまう心配が無く、ノイズ耐量を劣化させることがない。さらに、過電流検出手段１４および過電流検出手段１５は、半導体スイッチング素子２および半導体スイッチング素子１のコレクタ・エミッタ間電圧を監視することにより過電流の検出を行なっているので、ゲート電圧不足またはベース電流不足などの過電流以外の原因による劣化や故障からも半導体スイッチング素子１、２を保護することができる。また、抵抗による電圧低下を利用した過電流検出手段より検出電圧を高くすることが出来るので、ノイズによる誤検出も少ない。しかも、これらは簡単な回路を追加することによって実現できるため、低コストで信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

本発明は分野および用途を問わずアームを構成している半導体スイッチング素子を用いた装置に適用可能である。

本発明の具体的実施例の構成を示すブロック図である。本発明のゲートドライブ回路の詳細を示すブロック図である。半導体スイッチング素子の過電流保護機能を備えた従来のゲートドライブ回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２半導体スイッチング素子
３制御回路
４、５ゲートドライブ回路
６、６Ａ、７、７Ａ駆動信号
６Ｂ、７Ａゲートドライブ信号
８、９過電流検出信号
１１、１２過電流検出用抵抗
１３、１４過電流検出手段
１５、１６コンパレータ
１７、１８ＮＡＮＤゲート
１９、２０３入力ＡＮＤゲート
２１、２２、２３、２４フォトカプラ

Claims

直列に接続され相補的にオン・オフ駆動される一対の半導体スイッチング素子からなる直列体を、直流電源の正・負極間に少なくとも１回路以上接続した出力部と、
前記直流電源の負極側に接続された第１の半導体スイッチング素子を、絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第１のゲートドライブ回路と、
前記直流電源の正極側に接続された第２の半導体スイッチング素子を、前記絶縁された制御回路からの信号によりオン・オフ駆動する第２のゲートドライブ回路と、
前記第１の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第１の過電流検出手段と、
前記第２の半導体スイッチング素子を流れる過電流を検出する第２の過電流検出手段と、
を備えた電力変換装置において、
前記第１の過電流検出手段または前記第２の過電流検出手段により過電流が検出されると、前記第１の半導体スイッチング素子または前記第２の半導体スイッチング素子のうち、過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止し、該検出結果を過電流検出信号として前記絶縁された制御回路に出力すると同時に、即座に対を成す半導体スイッチング素子のゲートドライブ信号を停止させることを特徴とするゲートドライブ回路。
前記第１の過電流検出手段および前記第２の過電流検出手段は、第１の半導体スイッチング素子および前記第２の半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間電圧を監視することにより過電流の検出を行なうことを特徴とする請求項１に記載のゲートドライブ回路。