JP2013165578A - 自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電流が過電流検出装置を経由して自己消弧形半導体素子側に回り込むことを防止できる自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 自己消弧形半導体素子２１を駆動する自己消弧形半導体素子２１のゲート駆動回路２２において、自己消弧形半導体素子２１のゲート端子Ｇに印加する電圧を制御するゲート駆動部２２１と、自己消弧形半導体素子２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間を流れる過電流を検出する過電流検出部２２２と、自己消弧形半導体素子２１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換部２２３と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自己消弧形半導体素子のゲート端子に印加する電圧を制御して自己消弧形半導体素子を駆動する、自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置に関する。

従来から、自己消弧形半導体素子の１つであるＩＧＢＴには、コレクタ端子とエミッタ端子との間に流れる電流を制御するゲート端子が設けられる。このゲート端子には、印加する電圧を制御してＩＧＢＴを駆動するゲート駆動回路が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

このＩＧＢＴをインバータやコンバータなどの電力変換装置として適用すると、取り扱う電力が大きくなる。このため、回路に異常が生じると、ＩＧＢＴに過大な電流（過電流）が流れる。そして、ＩＧＢＴが破壊されることがある。このため、このＩＧＢＴには、この過電流を検出する過電流検出装置が設けられている。この過電流検出装置は、過電流を検出すると、ＩＧＢＴをオフする。このようにして、ＩＧＢＴは、過電流により破壊されることが防止される（例えば、特許文献２参照）。

特開平 ５−３３６７３２号公報 特開２０１０−０９８９０７号公報

過電流検出装置は、ＩＧＢＴを流れる過電流を検出するために、各ＩＧＢＴのコレクタ端子側とエミッタ端子側との間に電気的に接続される。過電流検出装置の電源は、制御電源からレギュレータを介して供給される。そのため、この制御電源から過電流検出装置に供給される電流が、過電流検出装置とＩＧＢＴとをつなぐ接続線を通り、ＩＧＢＴ側に回り込む。この回り込んだ電流によって、ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間に電圧が検出される。しかし、ＩＧＢＴが電流を遮断しているときにも、この電圧は検出される。そのため、この電圧値が検出されたままの状態は、例えば、メンテナンス時に、異常な状態であるとして誤判断される恐れがあった。このような異常な状態は、ＩＧＢＴ以外の他の自己消弧形半導体素子を用いた場合においても同様に起きる恐れがある。

よって、本発明は、かかる事情に鑑み、電流が過電流検出装置を経由して自己消弧形半導体素子側に回り込むことを防止できる自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置を提供することを課題とする。

本発明に係る自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路は、自己消弧形半導体素子を駆動する自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路において、自己消弧形半導体素子のゲート端子に印加する電圧を制御するゲート駆動部と、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる過電流を検出する過電流検出部と、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換部と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、切換部が自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続している間、過電流検出部は、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる過電流を検出可能な状態にある。一方、切換部が自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断することにより、このコレクタ端子と過電流検出部との間を流れる電流の流れは遮られる。つまり、切換部は、この一部の電流が過電流検出部を経由して自己消弧形半導体素子側に回り込むことを防止できる。

また、本発明によれば、前記切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動が停止しているときに該自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断する切断部を含むことが好ましい。

かかる構成によれば、切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動が停止しているときだけ、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断することができるようになる。このときに、コレクタ端子とエミッタ端子との間に電圧が検出されるのは不自然である。この切換部は、このときに一部の電流が自己消弧形半導体素子へ回り込むことを防止できる。つまり、切換部は、コレクタ端子とエミッタ端子との間の電圧を零又は略零にすることができる。

また、本発明によれば、前記切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動に同期してコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換信号を受信する切換信号受信部を備えることが好ましい。

かかる構成によれば、切換部は、切換信号受信部に切換信号を受信することにより、自己消弧形半導体素子の駆動に同期して、コレクタ端子側と過電流検出部との電気的な接続と切断とを切り換えることができるようになる。つまり、切換部は、自己消弧形半導体素子が駆動しているとき、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続する。そして、切換部は、過電流検出部が過電流を検出可能な状態にする。一方、切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動が停止したとき、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断することができるようになる。切換部は、このときに一部の電流が自己消弧形半導体素子へ回り込むことを防止できる。

また、本発明によれば、前記切換信号は、ゲート駆動部を駆動させて自己消弧形半導体素子をオン・オフするために出力されるパルス幅変調信号であることが好ましい。

かかる構成によれば、切換部は、このパルス幅変調信号に同期して駆動することにより、自己消弧形半導体素子の駆動に同期して、コレクタ端子側と過電流検出部との電気的な接続と切断とを切り換えることができるようになる。つまり、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断できる。その一方で、切換部は、自己消弧形半導体素子がオンしているとき、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続させたまま、過電流検出部を機能させ続けることもできる。つまり、過電流検出部は、過電流が検出可能な状態を維持できる。

本発明に係る電力変換装置は、自己消弧形半導体素子と、前述のゲート駆動回路とが設けられるスイッチング回路を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、切換部が自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続している間、過電流検出部は、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる過電流を検出可能な状態にある。一方、切換部が自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断することにより、このコレクタ端子と過電流検出部との間を流れる電流の流れは遮られる。つまり、切換部は、この一部の電流が過電流検出部を経由して自己消弧形半導体素子側に回り込むことを防止できる。

以上の如く、本発明に係る自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路及び電力変換装置によれば、電流が過電流検出装置を経由して自己消弧形半導体素子側に回り込むことを防止できるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るインバータの全体回路図を示す。 同実施形態に係るインバータに用いられるゲート駆動回路の回路図を示す。 同実施形態に係るゲート駆動回路のフローチャートを示す。 同実施形態に係るゲート駆動回路のフローチャートを示す。 同実施形態に係るゲート駆動回路のフローチャートを示す。 （ａ）は、警報信号のタイミングチャートを示す。（ｂ）は、ＰＷＭ信号のタイミングチャートを示す。（ｃ）は、切換信号のタイミングチャートを示す。（ｄ）は、同実施形態に係るＩＧＢＴの出力電圧の波形を示す。（ｅ）は、従来技術のＩＧＢＴの出力電圧の波形を示す。（ｆ）は、同実施形態及び従来技術に係るインバータの出力電圧の波形を示す。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置について、図１〜図６を参酌しつつ説明する。まず、同電力変換装置の構成について、図１及び図２を参酌しつつ説明する。なお、図１は、この電力変換装置１の全体回路図である。図２は、電力変換装置１の一部であるゲート駆動回路２２を示す回路図である。

電力変換装置１は、図１に示すように、入力される電力を変換可能に構成するスイッチング回路２〜５と、該スイッチング回路２〜５で変換された電力を平滑化するローパスフィルタ６と、負荷９に供給される電圧を計測する電圧計７（又はパワーメータ）と、負荷９に電力を供給する直流電源８と、を備える。本実施形態において、電力変換装置１は、直流電源８から供給される直流電力をスイッチング回路２〜５により交流電力に変換する逆変換回路（以下、単に「インバータ」と略する）である例を説明する。

スイッチング回路２〜５は、入力される電力を所望の電力に変換すべく、１又は複数（本実施形態では４つ）の組み合わせによって構成される。なお、本実施形態では、これらのスイッチング回路２〜５を第１〜第４のスイッチング回路２〜５と呼ぶ。

具体的には、第１のスイッチング回路２と第２のスイッチング回路３とは、直列に接続される。また、第３のスイッチング回路４と第４のスイッチング回路５とは、直列に接続される。第１のスイッチング回路２及び第２のスイッチング回路３と、第３のスイッチング回路４及び第４のスイッチング回路５とは、並列に接続される。第１のスイッチング回路２及び第２のスイッチング回路３の一端と、第３のスイッチング回路４及び第４のスイッチング回路５との一端は、直流電源８の正極側に接続される。また、これらの他端は、直流電源８の負極側に接続される。また、第１のスイッチング回路２と第２のスイッチング回路３との接続点には、分岐点が設けられる。この分岐点に負荷９の一方の電極側が接続される。第３のスイッチング回路４と第４のスイッチング回路５との接続点には、分岐点が設けられる。この分岐点にも、負荷９の他方の電極側が接続される。

スイッチング回路２〜５は、それぞれが所定のタイミングでスイッチングするよう構成されている。つまり、スイッチング回路２〜５は、負荷９に対して流す負荷電流ＩＬの方向を順方向に流す場合、第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５とをオンする。スイッチング回路２〜５は、同時に、第２のスイッチング回路３と第３のスイッチング回路４とをオフする。負荷電流ＩＬの方向を逆方向に流す場合、スイッチング回路２〜５は、第２のスイッチング回路３と第３のスイッチング回路４とをオンする。スイッチング回路２〜５は、同時に、第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５とをオフする。なお、ここでいう「順方向」とは、図１に示す負荷電流ＩＬの矢印の方向を意味する。「逆方向」とは、図１に示す負荷電流ＩＬの矢印と逆の方向を意味する。このようにスイッチング回路２〜５をスイッチングさせるために、スイッチング回路２〜５には、それぞれに設けられるスイッチング素子を駆動するための駆動信号が入力される。

第１のスイッチング回路２は、図２に示すように、スイッチング素子として動作するＩＧＢＴ２１と、該ＩＧＢＴ２１をスイッチング動作させるために必要な電圧を印加するゲート駆動回路２２と、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作時に該ＩＧＢＴ２１の両電極（コレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅ）間に発生する過渡的な高電圧を吸収するスナバ回路２３と、を備える。

ＩＧＢＴ２１は、ゲート端子Ｇに入力される駆動信号Ｓｇにより、スイッチング（オン・オフ）動作できる自己消弧形の半導体素子である。駆動信号Ｓｇは、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇとエミッタ端子Ｅとの間に印加する所定の電圧値を有する電圧信号である。この駆動信号ＳｇをＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに入力することにより、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの電極間を導通させる。つまり、ＩＧＢＴ２１は、オフ状態からターンオンする。本実施形態において、この駆動信号Ｓｇは、ＩＧＢＴ２１をオン又はオフさせるときに出力される信号であるパルス幅変調信号（以下、単に「ＰＷＭ信号」と略する）である。ＰＷＭ信号は、所定電圧のパルス信号であって、パルス幅を変調することにより、交流波形を形成する信号である。

ゲート駆動回路２２は、ＩＧＢＴ２１と、該ＩＧＢＴ２１を駆動するための電源である制御電源２４と、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する駆動信号発生部２５と、ゲート駆動回路２２内で異常が検出されたときに警報を外部に発信する警報発信部２６と、に接続されている。

制御電源２４は、ＩＧＢＴ２１をスイッチング動作させるために、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに電力を供給する電源として設けられる。この制御電源２４は、他のスイッチング回路３〜５のゲート駆動回路にも電力を供給する共通の電源として設けられている。

駆動信号発生部２５は、ＰＷＭ信号Ｓｉｇを発生するＰＷＭ信号発生部２５１と、ゲート駆動回路２２の機能を切り換えるための切換信号ＳＢＹを発生する切換信号発生部２５２と、を備える。この駆動信号発生部２５は、他のスイッチング回路３〜５のゲート駆動回路にも信号を送信する共通の信号発生部である。

ＰＷＭ信号発生部２５１は、発生させたＰＷＭ信号Ｓｉｇをゲート駆動回路２２に出力する。このＰＷＭ信号Ｓｉｇは、ＩＧＢＴ２１をスイッチング動作させるタイミングに関する制御信号である（ＩＧＢＴ駆動信号）。ＰＷＭ信号Ｓｉｇのオン・オフのタイミング及びそのパルス幅（オン期間、オフ期間）は、ＩＧＢＴ２１から出力される電圧が疑似的に所望の交流波形（例えば、正弦波交流）となるように設定される。ＰＷＭ信号発生部２５１は、各スイッチング回路２〜５をオンさせるときにＰＷＭ信号Ｓｉｇを断続的に発生させる。つまり、ＰＷＭ信号Ｓｉｇは、ＩＧＢＴ２１のゲートを駆動するタイミングに発生する信号である。なお、ＰＷＭ信号Ｓｉｇは、図２で示す正極側信号入力端子Ｓｉｇ＋と負極側信号入力端子Ｓｉｇ−との間に印加される電圧信号である。正極側信号端子Ｓｉｇ＋は、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに入力可能に接続される。負極側信号端子Ｓｉｇ−は、アースに接続される。

切換信号発生部２５２は、ＩＧＢＴ２１の動作を停止させることができる又はＩＧＢＴ２１を動作させることができるタイミング（又は期間）に関する切換信号ＳＢＹを発生させる。本実施形態において、切換信号ＳＢＹは、図６（ｂ），図６（ｃ）及び図６（ｆ）に示すように、ＰＷＭ信号Ｓｉｇに同期して出力される同期信号である。具体的には、切換信号ＳＢＹは、図６（ｆ）に示す点Ａのタイミングで出力されるＰＷＭ信号Ｓｉｇと同期して発生する。

警報発信部２６は、ゲート駆動回路２２からのＩＧＢＴ２１の異常を知らせる警報信号ＡＬＭを受信して、外部に発信するために設けられる。なお、ゲート駆動回路２２は、警報発信部２６に対して警報信号ＡＬＭを発信する。同時に、ゲート駆動回路２２は、ＩＧＢＴ２１の動作を停止させるべく、ＰＷＭ信号Ｓｉｇの受信を遮断する。なお、警報信号ＡＬＭは、図２で示す正極側信号入力端子ＡＬＭ＋と負極側信号入力端子ＡＬＭ−との間に印加される電圧信号である。

ゲート駆動回路２２は、ＩＧＢＴ２１を駆動するゲート駆動部２２１と、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間を流れる過電流を検出する過電流検出部２２２と、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換部２２３と、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに印加する電圧の電圧値を調整するゲート電圧調整部２２４と、ゲート駆動部２２１を駆動させるために適した信号にＰＷＭ信号Ｓｉｇを変換する信号変換部２２５と、過電流検出部２２２からＩＧＢＴ２１側に電流が流れ込むのを制限するツェナーダイオード２２６と、ＩＧＢＴ２１側から過電流検出部２２２に流れ込む電流を遮断するダイオード２２７と、を備える。

ゲート駆動部２２１は、ゲート端子Ｇに印加される電圧を設定するゲート抵抗２２１１と、ＩＧＢＴ２１をオンするための第１のトランジスタ２２１２と、ＩＧＢＴ２１をオフするための第２のトランジスタ２２１３と、を備える。

過電流検出部２２２は、ＩＧＢＴ２１が許容可能な電流の値を超える過電流を検出する。過電流検出部２２２は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間に流れる過電流を検出する過電流検出器２２２１と、該過電流検出器２２２１が過電流を検出したときに警報発信部２６に警報信号ＡＬＭを出力する警報出力スイッチ２２２２と、を備える。

過電流検出器２２２１は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとに接続される。つまり、過電流検出器２２２１は、ＩＧＢＴ２１に対して並列に接続される。そして、過電流検出器２２２１は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間を流れる電流値がＩＧＢＴ２１における電流の許容値を超えると、過電流を検出する。

警報出力スイッチ２２２２は、常時オフ（開）のａ接点である。警報出力スイッチ２２２２は、過電流検出器２２２１が過電流を検出すると、オン（閉）する。そして、警報出力スイッチ２２２２は、警報発信部２６に警報信号ＡＬＭを出力する。

切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２（の過電流検出器２２２１）との間に設けられる。切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１の駆動が停止しているときに該ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃと過電流検出器２２２１とを電気的に切断する切断部２２３１と、ＩＧＢＴ２１と過電流検出器２２２１とを電気的に接続する接続線２２３２と、切換信号ＳＢＹを受信する切換信号受信部２２３３と、を備える。

切断部２２３１は、常時オフ（開）のａ接点のスイッチである。切断部２２３１は、切換信号ＳＢＹに基づきスイッチング動作を行う。具体的には、切断部２２３１は、切換信号ＳＢＹが入力されている間、接点を接続する。よって、切断部２２３１は、過電流検出器２２２の機能を維持する。一方、切断部２２３１は、切換信号ＳＢＹの入力が遮断されると、接点を切断する。よって、切断部２２３１は、過電流検出部２２２の機能を停止させる。これにより、過電流検出部２２２は、スタンバイ状態（待機状態）に移行する。

接続線２２３２は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅと過電流検出器２２２１との間を電気的に接続する。

切換信号受信部２２３３は、切換信号発生部２５２から切換信号ＳＢＹを受信して、切断部２２３１を動作させる。

ゲート電圧調整部２２４は、制御電源２４から入力される電圧を安定化するレギュレータ２２４１と、制御電源２４から入力される電圧を発振する発振器２２４２と、制御電源２４から入力された電圧をゲート駆動部２２１に入力する電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２２４３と、を備える。

信号変換部２２５は、ＰＷＭ信号Ｓｉｇをゲート駆動部２２１の駆動に適した信号に変換する信号変換回路２２５１と、該信号変換回路２２５１から入力される信号をスイッチング動作に適した電圧に変換する高周波トランス２２５２と、過電流検出器２２２１が過電流を検出したときにＰＷＭ信号Ｓｉｇの入力を遮断する異常停止スイッチ２２５３と、を備える。

ツェナーダイオード２２６とダイオード２２７とは、過電流検出部２２２とＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとの間の接続線２２３２上に設けられる。特に、本実施形態では、ツェナーダイオード２２６とダイオード２２７とは、過電流検出部２２２と切断部２２３１との間の接続線２２３２上に設けられる。

ツェナーダイオード２２６は、過電流検出器２２２に供給される制御電源２４に対して逆バイアスとなるように設けられる。ツェナーダイオード２２６は、逆バイアスに印加される電圧がツェナー電圧以上で、ＩＧＢＴ２１側から過電流検出部２２２に向かう逆方向の電流を遮断することができる。このツェナー電圧は、ＩＧＢＴ２１の短絡時に過電流を検出するために、ＩＧＢＴ２１の短絡時に印加される電圧以下に調整されている。

よって、ツェナーダイオード２２６は、ＩＧＢＴ２１側から過電流検出部２２２に向かう順方向の電流を許容する。また、ツェナーダイオード２２６は、該ツェナーダイオード２２６の逆バイアスでかかる電圧がツェナー電圧以上のとき、過電流検出部２２２からＩＧＢＴ２１側に向かう逆方向の電流を許容する。その一方で、ツェナーダイオード２２６は、該ツェナーダイオード２２６の逆バイアスにかかる電圧がツェナー電圧未満のとき、過電流検出部２２２からＩＧＢＴ２１側に向かう逆方向の電流を遮断する。

ダイオード２２７は、過電流検出器２２２に供給される制御電源２４に対して順バイアスとなるように設けられる。ダイオード２２７は、過電流検出器２２２からＩＧＢＴ２１側に向かう順方向の電流を遮断することができる。よって、ダイオード２２７は、過電流検出部２２２からＩＧＢＴ２１側に向かう順方向の電流を許容する。その一方で、ダイオード２２７は、ＩＧＢＴ２１側から過電流検出部２２２に向かう逆方向の電流を遮断する。そして、ダイオード２２７は、過電流検出部２２２にこのＩＧＢＴ２１側から電流が流れ込まないように保護している。

スナバ回路２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間に並列に接続されるダイオードＤである。

第２〜第４のスイッチング回路３〜５は、前述の第１のスイッチング回路２と同様の構成を備える。よって、第２〜第４のスイッチング回路３〜５の各構成の説明は、繰り返しとなるため行わない。

ローパスフィルタ６は、図１に示すように、第１〜第４のスイッチング回路２〜５により変換された交流電力を平滑化するためのフィルタである。ローパスフィルタ６は、各スイッチング回路２〜５に対して直列に接続される（チョーク）コイル６１と並列に接続される平滑コンデンサ６２とから構成される。

電圧計７は、負荷９に印加される電圧を計測するために、負荷９に並列に接続される。

直流電源８は、各スイッチング回路２〜５の入力側に設けられる直流の電源である。

次に、本実施形態に係る電力変換装置１の動作について、図１〜図６を参酌しつつ説明する。なお、図３〜図５は、ゲート駆動回路２２，３２，４２，５２の制御を説明するフローチャートである。図６は、同じく、ゲート駆動回路２２，３２，４２，５２の制御を説明するタイミングチャートである。

まず、インバータ１は、図３に示すように、第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５にＰＷＭ信号Ｓｉｇを入力する（ステップＳ１，図６（ｂ）参照）。そして、インバータ１は、第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５とをオンにする。つまり、インバータ１は、ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ５１とのゲート端子Ｇに駆動信号Ｓｇを入力して、ＩＧＢＴ２１及びＩＧＢＴ５１をオンする（ステップＳ２）。同時に、インバータ１は、切換信号ＳＢＹをオンする（ステップＳ３でＹＥＳ）。インバータ１は、出力電圧Ｖ_INVを切り換えるまで、切換信号ＳＢＹをオンする（図６（ｂ），図６（ｃ）及び図６（ｆ）参照）。なお、第２のスイッチング回路３と第３のスイッチング回路４とは、オフのままである。第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５とは、ＩＧＢＴ２１，５１がオンになっている間、同じ動作をするため、以下、第１のスイッチング回路２の動作のみ説明し、第４のスイッチング回路５の説明は省略する。

第１のスイッチング回路２では、ＰＷＭ信号ＳｉｇがＰＷＭ信号発生部２５１からゲート駆動回路２２に入力される（ステップＳ１でＹＥＳ，図６（ｂ）参照）と、信号変換部２２５を介してゲート駆動部２２１に電圧が印加される。ゲート駆動部２２１では、第１のトランジスタ２２１２がオンする。同時に、第２のトランジスタ２２１３がオフする。そして、ゲート駆動部２２１は、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに駆動信号Ｓｇを入力する。ＩＧＢＴ２１は、ゲート端子Ｇに駆動信号Ｓｇが入力されることにより、ターンオンする（ステップＳ２）。

一方、切換部２２３には、切換信号発生部２５２から切換信号ＳＢＹが入力される（ステップＳ３でＹＥＳ，図６（ｃ）参照）。切換部２２３は、この切換信号ＳＢＹの入力により、オンする。そして、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃと過電流検出部２２２とを電気的に接続する。つまり、切換部２２３は、過電流検出器２２２１がＩＧＢＴ２１に流れる過電流を検出可能な状態にする（ステップＳ４）。

過電流検出器２２２１が過電流を検出する（ステップＳ５でＹＥＳ）と、過電流検出部２２２は、警報出力スイッチ２２２２を切り換える。そして、過電流検出部２２２は、警報信号ＡＬＭを警報発信部２６に出力する（図４に示すステップＳ６，図６（ａ）の実線参照）。同時に、過電流検出部２２２は、信号変換部２２５の異常停止スイッチ２２５３をオフする。そして、ゲート駆動部２２１へのＰＷＭ信号Ｓｉｇの出力が遮断される。そのため、ＩＧＢＴ２１は、ターンオフする（ステップＳ７）。つまり、インバータ１は異常停止する。なお、インバータ１は、過電流が解消されるまで（ステップＳ１０でＹＥＳ）、停止し続ける。

切換信号発生部２５２は、警報発信部２６から警報信号ＡＬＭが入力されると、切換信号ＳＢＹをオフする（ステップＳ８でＹＥＳ）。その後、切換部２２３は、切換信号ＳＢＹがオフすることにより、オフする（ステップＳ９）。つまり、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃと過電流検出部２２２とを電気的に遮断する。過電流検出器２２２１は、ＩＧＢＴ２１に流れる過電流の検出を停止する。

一方、過電流検出器２２２１が過電流を検出せずに（図３で示すステップＳ５でＮＯ）、ＰＷＭ信号Ｓｉｇがオフすると（図５に示すステップＳ１１でＹＥＳ，図６（ｂ）参照）、ゲート駆動部２２１では、第１のトランジスタ２２１２がオフする。同時に、第２のトランジスタ２２１３がオンする。ゲート駆動部２２１は、ＩＧＢＴ２１のゲート端子Ｇに入力されていた駆動信号Ｓｇを遮断する。ＩＧＢＴ２１は、ゲート端子Ｇに入力されていた駆動信号Ｓｇがオフすることにより、ターンオフする（ステップＳ１２）。

更に、切換部２２３に入力されていた切換信号ＳＢＹが遮断（オフ）する（ステップＳ１３でＹＥＳ，図６（ｃ）参照）と、切換部２２３は、オフする（ステップＳ１４）。そして、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１のコレクタ端子Ｃと過電流検出部２２２とを電気的に遮断する。

このようにして、切換部２２３がＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に接続している間、過電流検出部２２２は、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間を流れる過電流を検出可能な状態にある。一方、切換部２２３がＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に切断することにより、このコレクタ端子Ｃと過電流検出部２２２との間を流れる電流の流れは遮られる。つまり、切換部２２３は、この一部の電流が過電流検出部２２２を経由してＩＧＢＴ２１側に回り込むことを防止できる。

また、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１の駆動が停止しているときだけ、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に切断することができるようになる。このときに、コレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間に電圧が検出されるのは不自然である。この切換部２２２は、このときに一部の電流がＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１へ回り込むことを防止できる。つまり、切換部２２３は、コレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの間の電圧を０又は略零にすることができる。よって、メンテナンス時において、この電流の影響を受けることがないため、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃ−エミッタ端子Ｅ間の出力電圧Ｖｏは、従来技術のとき（図６（ｅ）参照）と比較して、図６（ｄ）に示すように０Ｖを指すようになる。

また、切換部２２３は、切換信号受信部２２３３に切換信号ＳＢＹを受信することにより、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１の駆動に同期して、コレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２３との電気的な接続と切断とを切り換えることができるようになる。つまり、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１が駆動しているとき、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１のコレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に接続する。そして、切換部２２３は、過電流検出部２２２が過電流を検出可能な状態にする。一方、切換部２２３は、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１の駆動が停止したとき、コレクタ端子Ｃ側と過電流検出部２２２とを電気的に切断することができるようになる。切換部２２３は、このときに一部の電流がＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１へ回り込むことを防止できる。

インバータ１は、負荷電流ＩＬの方向を切り換えるために、第２のスイッチング回路３と第３のスイッチング回路４とをオンする。同時に、第１のスイッチング回路２と第４のスイッチング回路５とをオフする。この場合についても第１のスイッチング回路２と同様に動作するため、これらの説明は、繰り返しとなるため行わない。

なお、本実施形態に係る過電流検出部２２２は、制御電源２４から供給される電流Ｉ（図２参照）がＩＧＢＴ２１側に回り込まないように、切換部２２３以外にツェナーダイオード２２６も備えている。このツェナーダイオード２２６は、回り込み電流Ｉが短絡電流を越える場合は遮断できる。しかし、このツェナーダイオード２２６のみでは、短絡電流以下の場合にこの回り込み電流Ｉを遮断することができない。切換部２２３は、このように場合においても回り込み電流Ｉを遮断することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で様々変更が可能である。

上記実施形態に係る電力変換装置１は、ＩＧＢＴ２１を駆動するためのゲート駆動回路２２を備える例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、このゲート駆動回路は、ＩＧＢＴのゲートを駆動する換わりに、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ，ＭＯＳ−ＦＥＴ，パワーＭＯＳ−ＦＥＴなどの他の自己消弧形素子のゲートを駆動する回路であってもよい。

上記実施形態に係る電力変換装置１は、インバータである例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電力変換装置は、コンバータであってもよい。また、電力変換装置に設けられるスイッチング回路についても、電力変換方式に従って適宜変更可能である。つまり、スイッチング回路は、４つのスイッチング素子の組み合わせによるものに限定されず、１又は複数のスイッチング素子により構成されるものであってもよい。

上記実施形態に係る電力変換装置１は、切換部２２３をスイッチとする例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、切換部は、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続又は切断可能に切り換えることができればよい。なお、「電気的に接続又は切断可能に切り換える」とは、自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部との間をつなぐ回路を特定の電流を通電可能な接続状態と、通電不能な切断状態とを切り換えることを意味している。つまり、切換部は、機械式のスイッチに限られず、トランジスタなどの半導体スイッチも含む。

上記実施形態に係る電力変換装置１は、ＩＧＢＴ２１，３１，４１，５１をＰＷＭ信号で駆動する例を説明したが、これに限定されるものではない。つまり、駆動信号は、各スイッチング回路に設けられる自己消弧形半導体素子を動作させるための信号であれば、どのような信号であってもよい。例えば、駆動信号は、パルス振幅を変調することにより、交流波形を形成するパルス振幅変調信号（ＰＡＭ信号）であってもよい。また、駆動信号は、オン時間又はオフ時間一定でオフ時間又はオン時間を変調することにより、交流波形を形成するパルス周波数変調信号（ＰＦＭ信号）であってもよい。

上記実施形態に係る電力変換装置１は、切換信号ＳＢＹが図６（ｆ）の点Ａでオンし、点Ｂでオフするパルス形状の信号である例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、この切換信号は、この点Ａ及び点Ｂでオンするトリガー状の同期信号に同期して発生する信号であってもよい。この切換信号は、該切換信号がオンしているときに同期信号がオンした場合、オフする信号である。一方、切換信号は、該切換信号がオフしているときに同期信号がオンした場合、オンする信号である。また、切換信号ＳＢＹは、駆動信号をそのまま利用した信号であってもよい。

１…インバータ（電力変換装置）、２１…ＩＧＢＴ（自己消弧形半導体素子）、２２…ゲート駆動回路、２２１…ゲート駆動部、２２２…過電流検出部、２２３…切換部、Ｃ…（ＩＧＢＴの）コレクタ端子、Ｅ…（ＩＧＢＴの）エミッタ端子、Ｇ…（ＩＧＢＴの）ゲート端子、Ｓｉｇ…パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）、ＳＢＹ…切換信号

Claims (5)

1. 自己消弧形半導体素子を駆動する自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路において、
   自己消弧形半導体素子のゲート端子に印加する電圧を制御するゲート駆動部と、
   自己消弧形半導体素子のコレクタ端子とエミッタ端子との間を流れる過電流を検出する過電流検出部と、
   自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換部と、
   を備えることを特徴とする自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路。
2. 前記切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動が停止しているときに該自己消弧形半導体素子のコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に切断する切断部を含む請求項１に記載の自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路。
3. 前記切換部は、自己消弧形半導体素子の駆動に同期してコレクタ端子側と過電流検出部とを電気的に接続又は切断可能に切り換える切換信号を受信する切換信号受信部を備える請求項１又は請求項２に記載の自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路。
4. 前記切換信号は、ゲート駆動部を駆動させて自己消弧形半導体素子をオン・オフするために出力されるパルス幅変調信号である請求項３に記載の自己消弧形半導体素子のゲート駆動回路。
5. 自己消弧形半導体素子と、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のゲート駆動回路とが設けられるスイッチング回路を備えることを特徴とする電力変換装置。

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