JP2014166085A - ゲート駆動回路及びモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】少数の電源で高速なターンオンおよびターンオフを実現すること。
【解決手段】実施形態のゲート駆動回路１００は、電源１０２と、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子のゲート端子に正電極が接続されたターンオン用コンデンサＣ１と、ゲート端子に負電極が接続されたターンオフ用コンデンサＣ２と、ターンオン指令があった場合に、電源１０２の電圧をゲート端子に印加させるとともに、充電されたターンオン用コンデンサＣ１を放電して、放電による正電圧をゲート端子に印加させ、ターンオフ指令があった場合に、ゲート端子を接地するとともに、負電圧に充電されたターンオフ用コンデンサＣ２を放電して、放電による負電圧をゲート端子に印加させるタイミング制御部１１０と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ゲート駆動回路及びモータ駆動回路に関する。

インバータ等に使用される絶縁ゲート型スイッチング素子は、ゲート電圧によってターンオン及びターンオフを行う。ゲート端子を緩やかに充電した場合には、ゆっくりとターンオンが行われる。一方、ゲート端子を急峻に充電した場合には、速やかにターンオンが行われる。このため、ターンオン時間は、ゲート抵抗または電源電圧（Ｅ）の大小によって調整することが可能である。ターンオフも、ターンオンと同様に、ゲート抵抗または負電源電圧の大小によって調整することが可能である。

特開２００７−１７４１３４号公報

このような技術では、絶縁ゲート型スイッチング素子のターンオン時及びターンオフ時において、高速なスイッチングを実現することが望まれている。また、三相交流モータを駆動するためのインバータに絶縁ゲート型スイッチング素子を使用する場合、上アームの電源を下アームと共通に使用することはできないため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームに対して、できるだけ少数の電源でターンオンおよびターンオフを行うことが望まれている。

実施形態のゲート駆動回路は、電源と、半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子のゲート端子に正電極が接続されたターンオン用コンデンサと、前記ゲート端子に負電極が接続されたターンオフ用コンデンサと、ターンオン指令があった場合に、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させるとともに、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、放電による正電圧を前記ゲート端子に印加させ、ターンオフ指令があった場合に、前記ゲート端子を接地するとともに、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、放電による負電圧を前記ゲート端子に印加させるタイミング制御部と、を備えた。当該構成により、一例として、半導体スイッチング素子のゲート電圧を速やかに立ち上げて、少数の電源により高速ターンオンを実現することができ、また、ゲート電圧を速やかに引き下げて、少数の電源により高速ターンオフを実現することができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記半導体スイッチング素子のターンオンを行うためのターンオン用スイッチと、前記半導体スイッチング素子のターンオフを行うためのターンオフ用スイッチと、前記ターンオン用コンデンサを放電させるための第１放電用スイッチと、前記ターンオフ用コンデンサを放電させるための第２放電用スイッチと、をさらに備え、前記タイミング制御部は、ターンオン指令があった場合には、前記ターンオン用スイッチをオンに切り替えることにより、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させ、前記第１放電用スイッチをオンに切り替えることにより、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、前記正電圧を前記ゲート端子に印加させ、ターンオフ指令があった場合には、前記ターンオフ用スイッチをオンに切り替えることにより、前記ゲート端子を接地し、前記第２放電用スイッチをオンに切り替えることにより、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、前記負電圧を前記ゲート端子に印加させる。当該構成により、一例として、半導体スイッチング素子のゲート電圧を速やかに立ち上げて、少数の電源により高速ターンオンを実現することができ、また、ゲート電圧を速やかに引き下げて、少数の電源により高速ターンオフを実現することができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記ターンオン用コンデンサを充電させるための第１充電用スイッチと、前記ターンオフ用コンデンサを充電させるための第２充電用スイッチと、をさらに備え、前記タイミング制御部は、前記第１充電用スイッチをオンにすることにより、前記ターンオン用コンデンサを充電し、前記第２充電用スイッチをオンにすることにより、前記ターンオフ用コンデンサを負電圧に充電する。当該構成により、一例として、高速ターンオンおよび高速ターンオフのための電圧の充電を行うことができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記タイミング制御部は、前記ターンオン用スイッチ、前記第１放電用スイッチ、前記第１充電用スイッチ、前記ターンオフ用スイッチ、前記第２放電用スイッチおよび前記第２充電用スイッチのオンオフの切替えを、予め定められたタイミングで行う。当該構成により、一例として、高速ターンオンおよび高速ターンオフを簡易に実現することができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合において、ミラー期間中である場合には、前記ミラー期間の経過後に、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記ターンオフ指令があった場合において、前記ミラー期間中である場合には、前記ミラー期間の経過後に、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行う。当該構成により、一例として、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記ミラー期間の開始および終了のタイミングは、予め定められている。当該構成により、一例として、簡易な構成で、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を監視する監視部をさらに備え、前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記監視部により監視している前記ゲート・ソース間電圧が一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断し、前記ミラー期間である場合には、前記ゲート・ソース間電圧が変化した後に、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記ターンオフ指令があった場合に、前記監視部により監視している前記ゲート・ソース間電圧が一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断し、前記ミラー期間である場合には、前記ゲート・ソース間電圧が変化した後に、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行う。当該構成により、一例として、ミラー期間を正確に検知して、より正確に、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記半導体スイッチング素子に対する負荷電流を検知する検知部をさらに備え、前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオン用コンデンサの第１放電期間を短縮して、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、短縮された前記第１放電期間の経過後に、前記第１放電用スイッチをオフに切り替え、前記ターンオフ指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオフ用コンデンサの第２放電期間を短縮して、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、短縮された前記第２放電期間の経過後に、前記第２放電用スイッチをオフに切り替える。当該構成により、一例として、負荷電流の過大な時間変化を抑制し、サージ電圧の発生を防止することができる。

また、実施形態のゲート駆動回路において、前記半導体スイッチング素子に対する負荷電流を検知する検知部をさらに備え、前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオン用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記第１放電用スイッチのオンへの切替えは行わず、前記ターンオフ指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が前記閾値以下である場合には、前記ターンオフ用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記第２放電用スイッチのオンへの切替えは行わない。当該構成により、一例として、負荷電流の過大な時間変化を抑制し、サージ電圧の発生を防止することができる。

また、実施形態のモータ駆動回路は、第１アームの第１ゲート駆動回路と、前記第１アームと接続された第２アームの第２ゲート駆動回路と、制御部と、を備え、前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路とは、それぞれ、電源と、半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子のゲート端子に正電極が接続されたターンオン用コンデンサと、前記ゲート端子に負電極が接続されたターンオフ用コンデンサと、ターンオン指令があった場合に、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させるとともに、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、放電による正電圧を前記ゲート端子に印加させるターンオン処理を行い、ターンオフ指令があった場合に、前記ゲート端子を接地するとともに、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、放電による負電圧を前記ゲート端子に印加させるターンオフ処理を行うタイミング制御部と、を備え、前記第１ゲート駆動回路の前記タイミング制御部は、前記ターンオン処理を行うときに、ターンオン通知を前記制御部に送信し、前記制御部は、前記ターンオン通知を受信した場合に、前記第２ゲート駆動回路の前記タイミング制御部に、前記ターンオフ用コンデンサの放電指令を送信し、前記第２ゲート駆動回路の前記タイミング制御部は、前記制御部から前記ターンオフ用コンデンサの放電指令を受信した場合に、前記ターンオフ用コンデンサを放電させる。当該構成により、一例として、第１アームの半導体スイッチングがターンオンされた場合でも、素子第２アームの半導体スイッチング素子のゲート電圧の上昇を吸収して、ショート故障を防止することができる。

図１は、実施形態１にかかるゲート駆動回路の構成図である。 図２は、実施形態１の初期化処理の手順を示すフローチャートである。 図３は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図４は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図５は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図６は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図７は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図８は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図９は、実施形態１の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図１０は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１１は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１２は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１３は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１４は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１５は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１６は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１７は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。 図１８は、コンデンサＣ１の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。 図１９は、コンデンサＣ２の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。 図２０は、実施形態２の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図２１は、実施形態２の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図２２は、ミラー期間を避けてコンデンサＣ１の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。 図２３は、ミラー期間を避けてコンデンサＣ２の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。 図２４は、実施形態３にかかるゲート駆動回路の構成図である。 図２５は、実施形態３の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図２６は、実施形態３の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図２７は、実施形態４にかかるゲート駆動回路の構成図である。 図２８は、実施形態４の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図２９は、実施形態４の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図３０は、実施形態５の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図３１は、実施形態５の通常処理の手順を示すフローチャートである。 図３２は、実施形態６のインバータの構成図である。 図３３は、実施形態６のモータ駆動処理の流れを示すシーケンス図である。

以下、本実施形態のゲート駆動回路について図面を用いて説明する。以下に示す実施形態のゲート駆動回路は、三相交流モータを駆動するインバータの半導体スイッチング素子を起動するための回路に適用されるものであるが、一例であり、これに限定されるものではない。

（実施形態１）
図１は、実施形態１にかかるゲート駆動回路の構成図である。本実施形態のゲート駆動回路１００は、図１に示すように、半導体スイッチング素子１０１（以下、単に「ＩＧＢＴ１０１」という。）と、電源１０２と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、スイッチ群ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ３０，ＳＷ４０と、ゲート抵抗１０３と、タイミング制御回路１１０とを主に備えている。

半導体スイッチング素子１０１は、三相交流を生成するインバータに適用される絶縁ゲート構造の絶縁型ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）である。これ以降、絶縁型ゲートバイポーラトランジスタである半導体スイッチング素子１０１を、ＩＧＢＴ１０１と呼ぶ。ただし、半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、絶縁ゲート構造を有する半導体スイッチング素子であればいずれも適用することができる。

電源１０２は、直流電源であり、その電源電圧はＥとなっている。電源電圧Ｅは、後述するように、ＩＧＢＴ１０１やコンデンサＣ１，Ｃ２に印加される。

ゲート抵抗１０３は、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に接続された抵抗である。

コンデンサＣ１は、その正極がＩＧＢＴ１０１のゲート端子に接続されている。コンデンサＣ１は、ターンオン用コンデンサとして機能し、ＩＧＢＴ１０１のターンオンの際に、後述するスイッチＳＷ１３により、蓄積された電荷を放電してＩＧＢＴ１０１のゲート端子に充電電圧Ｅを印加する。

コンデンサＣ２は、その負極がＩＧＢＴ１０１のゲート端子に接続されている。コンデンサＣ２は、ターンオフ用コンデンサとして機能し、ＩＧＢＴ１０１のターンオフの際に、後述するスイッチＳＷ２３により、負電圧で蓄積された電荷を放電してＩＧＢＴ１０１のゲート端子に負電圧（−Ｅ）を印加する。

ここで、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は同容量とする。また、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は、ＩＧＢＴ１０１のターンオン、ターンオフに必要な電荷量を上回るように定めておく。これにより、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンおよび高速ターンオフのための電圧の充電を行うことができる。

スイッチ群ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ２３，ＳＷ３０，ＳＷ４０は、その役割により、ターンオン用スイッチＳＷ３０と、ターンオフ用スイッチＳＷ４０と、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１及びＳＷ１２と、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３と、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１及びＳＷ２２と、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３と、に分類される。これらのスイッチは、タイミング制御回路１１０からの指令により、オンオフされる。

ターンオン用スイッチＳＷ３０は、ＩＧＢＴ１０１のターンオン時にオンとされるスイッチである。ターンオフ用スイッチＳＷ４０は、ＩＧＢＴ１０１のターンオフ時にオンとされるスイッチである。

Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１及びＳＷ１２は、コンデンサＣ１を充電する際にオンにされる。Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３は、充電されたコンデンサＣ１を放電する際にオンにされる。

Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１及びＳＷ２２は、コンデンサＣ２を充電する際にオンにされる。Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３は、充電されたコンデンサＣ２を放電する際にオンにされる。

タイミング制御回路１１０は、タイミング制御部として機能し、上記各コンデンサをオンオフ制御する。タイミング制御回路１１０が実行する駆動制御処理には、初期化処理と通常処理がある。初期化処理は、コンデンサＣ１、Ｃ２を予め充電しておくための処理であり、インバータによる三相交流の生成前の初期化時等に実行される。通常処理は、充電されたコンデンサＣ１、Ｃ２を用いて、ＩＧＢＴ１０１を高速ターンオン、高速ターンオフさせる処理であり、インバータによる三相交流の生成時に実行される。

具体的には、タイミング制御回路１１０は、初期化処理時に、インバータ等外部からターンオン指令を受信した場合には、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにすることにより、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に電源電圧Ｅを印加させる。これにより、ＩＧＢＴ１０１はターンオンする。また、タイミング制御回路１１０は、通常処理時に、インバータ等外部からターンオン指令を受信した場合には、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにすることにより、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に電源電圧の２倍の２Ｅを印加させる。これにより、ＩＧＢＴ１０１ではゲート電圧が速やかに立ち上がることにより、高速にターンオンする。ここで、コンデンサＣ１の放電により、ＩＧＢＴ１０１が高速にターンオンすることを、高速ターンオンという。

また、タイミング制御回路１１０は、初期化処理時に、インバータ等外部からターンオフ指令を受信した場合には、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにすることにより、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子を接地してゲート端子への印加電圧を０にする。これにより、ＩＧＢＴ１０１はターンオフする。また、タイミング制御回路１１０は、通常処理時に、インバータ等外部からターンオン指令を受信した場合には、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにすることにより、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子への印加電圧を（−Ｅ）とする。これにより、ＩＧＢＴ１０１ではゲート電圧が速やかに引き下がることにより、高速にターンオフする。ここで、コンデンサＣ２の放電により、ＩＧＢＴ１０１が高速にターンオフすることを、高速ターンオフという。

また、タイミング制御回路１１０は、初期化処理時および通常処理時において、コンデンサＣ１を充電する場合には、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオンにする。タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ１の充電が完了する所定時間が経過したら、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフにする。

また、タイミング制御回路１１０は、初期化処理時および通常処理時において、コンデンサＣ２を充電する場合には、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオンにする。タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ２の充電が完了する所定時間が経過したら、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオフにする。

タイミング制御回路１１０は、上記のようなスイッチＳＷ１１、１２，１３、２１，２２，２３のオンオフを、コンデンサＣ１，Ｃ２やＩＧＢＴ１０１の特性等により予め定められた時間、タイミングで行う。また、タイミング制御回路１１０は、ターンオン後のスイッチＳＷ３０のオフへの切替え、およびターンオフ後のスイッチＳＷ４０のオフへの切替えを、予め定められた時間、タイミングで行う。

次に、以上のように構成された本実施形態のゲート駆動回路１００による駆動制御処理について説明する。駆動制御処理は、上述した初期化処理と通常処理とからなる。まず、初期化処理について説明する。図２は、実施形態１の初期化処理の手順を示すフローチャートである。図３〜８は、初期化処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。なお、図３〜８において、矢印線および矢印点線は、電荷の流れを示している。

タイミング制御回路１１０は、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにする（ステップＳ１２）。これにより、図３に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に電源電圧Ｅが印加され、ＩＧＢＴ１０１がターンオンとなる。

そして、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオンにする（ステップＳ１３）。これにより、図４に示すように、コンデンサＣ１に電源電圧Ｅが印加されて、電圧Ｅに充電される。

次に、タイミング制御回路１１０は、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフにするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ１５）。図５は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２、ターンオン用スイッチＳＷ３０がオフになった状態を示している。コンデンサＣ１は充電が完了しており、両極の電位差は電源電圧Ｅとなっている。

次に、タイミング制御回路１１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにする（ステップＳ１６）。これにより、図６に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子への印加電圧は０となり、ＩＧＢＴ１０１がターンオフとなる。

そして、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオンにする（ステップＳ１７）。これにより、図７に示すように、コンデンサＣ２に電源電圧Ｅが印加されて、負電圧（−Ｅ）に充電される。

次に、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、コンデンサＣ２の充電が完了したと判断して、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオフにするとともに、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオフにする（ステップＳ１８）。図８は、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２、ターンオフ用スイッチＳＷ４０がオフになった状態を示している。コンデンサＣ２は充電が完了しているので両極の電位差は電源電圧Ｅとなっている。

以上により、通常処理で行われるＩＧＢＴ１０１の高速ターンオン、高速ターンオフのために使用されるコンデンサＣ１，Ｃ２の充電が完了する。

図９は、実施形態１の通常処理の手順を示すフローチャートである。図１０〜１７は、通常処理の各段階における各スイッチのオンオフ状態を示す図である。なお、図１０〜１７において、矢印線および矢印点線は、電荷の流れを示している。また、通常処理の開始時点において、上述の初期化処理が先に実行され、コンデンサＣ１，Ｃ２のそれぞれの充電が完了し、各コンデンサＣ１，Ｃ２の両極の電位差が電源電圧Ｅとなっているものとする。

タイミング制御回路１１０は、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにする（ステップＳ２２）。これにより、図１０に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に電源電圧Ｅが印加されるとともに、コンデンサＣ１の放電により、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子への印加電圧が電源電圧Ｅの２倍の２Ｅとなり、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンが実現される。

そして、タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ１の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２３）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにする（ステップＳ２４）。これにより、図１１に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子には、電源電圧Ｅのみが印加されることになる。

次に、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオンにする（ステップＳ２５）。これにより、図１２に示すように、コンデンサＣ１に電源電圧Ｅが印加されて、電圧Ｅに充電される。

次に、タイミング制御回路１１０は、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフにするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ２７）。図１３は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２、ターンオン用スイッチＳＷ３０がオフになった状態を示している。

次に、タイミング制御回路１１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするとともに、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにする（ステップＳ２８）。これにより、図１４に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子が接地されることと、コンデンサＣ２の放電により、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子へ印加電圧は（−Ｅ）となり、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフが実現される。

そして、タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ２の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２９）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにする（ステップＳ３０）。これにより、図１５に示すように、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子への印加電圧は０になる。

そして、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオンにする（ステップＳ３１）。これにより、図１６に示すように、コンデンサＣ２に電源電圧Ｅが印加されて、負電圧（−Ｅ）に充電される。

次に、タイミング制御回路１１０は、所定時間経過後に、コンデンサＣ２の充電が完了したと判断して、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２をオフにするとともに、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオフにする（ステップＳ３２）。図１７は、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２、ターンオン用スイッチＳＷ４０がオフになった状態を示している。

図１８は、コンデンサＣ１の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。図１８において、太線が本実施形態の例を示し、細線が従来の例を示している。図１８に示すように、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにしてコンデンサＣ１を放電して、ＩＧＢＴ１０１への印加電圧を２Ｅにした場合に、従来例と比べてゲート電圧が急峻に高くなり、高速ターンオンが実現されることがわかる。

また、図１９は、コンデンサＣ２の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。図１９において、太線が本実施形態の例を示し、細線が従来の例を示している。図１９に示すように、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにしてコンデンサＣ２を放電して、ＩＧＢＴ１０１への印加電圧を（−Ｅ）にした場合に、従来例と比べてゲート電圧が急峻に低くなり、高速ターンオフが実現されることがわかる。

このように本実施形態では、コンデンサＣ１を設けて充電しておき、ターンオン時には、電源電圧ＥをＩＧＢＴ１０１のゲート端子に印加するとともに、充電されたコンデンサＣ１を放電して、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に２Ｅの電圧を印加するので、速やかにゲート電圧を立ち上げて、少数の電源、例えば単一の電源１０１により高速ターンオンを実現することができる。

また、本実施形態では、コンデンサＣ２を設けて負電圧に充電しておき、ターンオフ時には、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子を接地するとともに、コンデンサＣ２を放電して、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子に（−Ｅ）の電圧を印加するので、ゲート電圧を速やかに引き下げて、少数の電源、例えば単一の電源１０１により高速ターンオフを実現することができる。

また、本実施形態では、予め定められたタイミングで、各スイッチのオンオフを切り替えているので、高速ターンオンおよび高速ターンオフを簡易に実現することができる。

（実施形態２）
実施形態１では、ターンオン指令を受信した場合にはＩＧＢＴ１０１を高速ターンオンし、ターンオフ指令を受信した場合にはＩＧＢＴ１０１を高速ターンオフしていたが、この実施形態２は、ミラー期間を回避して高速ターンオンおよび高速ターンオフを行うものである。

本実施形態にかかるゲート駆動回路１００の構成は実施形態１と同様である。本実施形態のタイミング制御回路１１０は、ターンオン指令があった場合において、ミラー期間中である場合には、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンとせず（オンであった場合にはオフとし）、ミラー期間の経過後に、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにする。

また、タイミング制御回路１１０は、ターンオフ指令があった場合において、ミラー期間中である場合には、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンとせず（オンであった場合にはオフとし）、ミラー期間の経過後に、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにする。これにより、ミラー期間を回避して、高速ターンオンおよび高速ターンオフを行う。

ここで、ミラー期間とは、ＩＧＢＴ１０１のゲート・ソース間電圧が一定の間変化しない期間である。本実施形態は、ミラー期間の開始および終了のタイミングは予め定められている。具体的には、ミラー期間は、ＩＧＢＴ１０１の素子の特性、電源電圧、メインバッテリ電圧、通電電流などによりその時間が変化する特徴を有している。このため、本実施形態では、予め実験によって、ミラー期間とタイミングを得ておき、この実験から得られた結果に基づいて、ＩＧＢＴ１０１の素子の特性、電源電圧、メインバッテリ電圧、通電電流等のパラメータからなるマップを作成し、メモリ（不図示）等に保存しておく。そして、タイミング制御回路１１０は、このマップに従って、ミラー期間の開始および終了タイミングを把握して、スイッチのオンオフ制御を行う。

次に、以上のように構成された本実施形態のゲート駆動回路１００による駆動制御処理について説明する。本実施形態では、通常処理が実施形態１と異なっており、初期化処理については実施形態１と同様であるため、通常処理について説明する。図２０、２１は、実施形態２の通常処理の手順を示すフローチャートである。

まず、実施形態１と同様に、タイミング制御回路１１０は、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ２２）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを開始する。

そして、タイミング制御回路１１０は、現時点が予め定められたミラー期間中であるか否かを判断する（ステップＳ５１）。そして、ミラー期間でない場合には（ステップＳ５１：Ｎｏ）、ステップＳ２３へ進む。

一方、ミラー期間中である場合には（ステップＳ５１：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路１１０は、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにして（ステップＳ５２）、高速ターンオンを中止する。

なお、ステップＳ２１でターンオン指令を受信した段階で、ミラー期間中か否かを判断して、ミラー期間中である場合には、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにしないようにタイミング制御回路１１０を構成してもよい。

そして、タイミング制御回路１１０は、予め定められたミラー期間の終了のタイミングまで待って（ステップＳ５３：Ｎｏ）、ミラー期間が経過したら（ステップＳ５３：Ｙｅｓ）、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ５４）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを再開する。

そして、タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ１の放電時間の経過を待つ（ステップＳ２３）。ステップＳ２３からＳ２５までの処理は実施形態１と同様に行われる。

ステップＳ２６において、実施形態１と同様に、タイミング制御回路１１０は、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路１１０は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフとするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ２７）。そして、タイミング制御回路１１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするとともに、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ２８）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを開始する。

そして、タイミング制御回路１１０は、現時点が予め定められたミラー期間中であるか否かを判断する（ステップＳ５５）。そして、ミラー期間でない場合には（ステップＳ５５：Ｎｏ）、ステップＳ２９へ進む。

一方、ミラー期間中である場合には（ステップＳ５５：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路１１０は、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにして（ステップＳ５６）、高速ターンオフを中止する。

なお、ステップＳ２７でターンオフ指令を受信した段階で、ミラー期間中か否かを判断して、ミラー期間中である場合には、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにしないようにタイミング制御回路１１０を構成してもよい。

そして、タイミング制御回路１１０は、予め定められたミラー期間の終了のタイミングまで待って（ステップＳ５７：Ｎｏ）、ミラー期間が経過したら（ステップＳ５７：Ｙｅｓ）、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ５８）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを再開する。

そして、タイミング制御回路１１０は、コンデンサＣ２の放電時間の経過を待つ（ステップＳ２９）。ステップＳ３０からＳ３２までの処理は実施形態１と同様に行われる。

高速にターンオンおよびターンオフを行うことは、負荷電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ、ここで、ｉ：負荷電流、ｔ：時間。以下同。）を大きくし、その結果、サージ電圧が増大してしまう。このように本実施形態では、ミラー期間を回避して、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンおよび高速ターンオフを行っているので、スイッチング動作の過程で、負荷電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）の比較的大きい期間であるミラー期間を避けて、コンデンサＣ１、Ｃ２の放電を行うことになる。このため、本実施形態によれば、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

また、本実施形態では、ミラー期間の開始および終了のタイミングは予め実験結果により定められているので、簡易な構成で、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

図２２は、ミラー期間を避けてコンデンサＣ１の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。図２２において、太線が本実施形態の例を示し、細線が従来の例を示している。また、図２３は、ミラー期間を避けてコンデンサＣ２の放電を行った場合の印加電圧、ゲート電圧、負荷電流の遷移を示すグラフである。図２２、２３に示すように、サージ電圧の増加が防止されていることがわかる。

（実施形態３）
実施形態２では、予めミラー期間の開始および終了のタイミングを実験結果に基づいて定めていたが、この実施形態３では、ＩＧＢＴ１０１のゲート・ソース間電圧を計測してミラー期間の判定を行い、ミラー期間を回避してＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンおよび高速ターンオフを行っている。

図２４は、実施形態３にかかるゲート駆動回路２４００の構成図である。本実施形態のゲート駆動回路２４００は、図２４に示すように、ＩＧＢＴ１０１と、電源１０２と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２と、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３と、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２と、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３と、ターンオン用スイッチＳＷ３０と、ターンオフ用スイッチＳＷ４０と、ゲート抵抗１０３と、タイミング制御回路２４１０と、監視部２４２０とを主に備えている。

ここで、ＩＧＢＴ１０１、電源１０２、コンデンサＣ１，Ｃ２、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３、ターンオン用スイッチＳＷ３０、ターンオフ用スイッチＳＷ４０、ゲート抵抗１０３については実施形態１、２と同様である。

監視部２４２０は、ＩＧＢＴ１０１のゲート端子とソース端子とに接続されて、ＩＧＢＴ１０１のゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを一定間隔で検知して監視する。ここで、監視部２４２０としては、例えば、Ａ／Ｄ変換器やコンパレータ等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

タイミング制御回路２４１０は、ターンオン指令があった場合に、監視部２４２０により監視しているゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断する。そして、タイミング制御回路２４１０は、ミラー期間である場合には、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンとせず（オンであった場合にはオフとし）、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化することによりミラー期間が経過した後に、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにする。

タイミング制御回路２４１０は、ターンオフ指令があった場合に、監視部２４２０により監視しているゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断する。そして、タイミング制御回路２４１０は、ミラー期間である場合には、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンとせず（オンであった場合にはオフとし）、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化することによりミラー期間が経過した後に、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにする。

次に、以上のように構成された本実施形態のゲート駆動回路２４００による駆動制御処理について説明する。本実施形態では、通常処理が実施形態１と異なっており、初期化処理については実施形態１と同様であるため、通常処理について説明する。図２５、２６は、実施形態３の通常処理の手順を示すフローチャートである。

まず、実施形態１、２と同様に、タイミング制御回路２４１０は、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ２２）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを開始する。

次に、監視部２４２０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出する（ステップＳ６１）。ここで、監視部２４２０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを一定の時間間隔で所定期間行う。そして、タイミング制御回路２４１０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定か否かによりミラー期間中であるか否かを判断する（ステップＳ６２）。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定でない場合には（ステップＳ６２：Ｎｏ）、現在、ミラー期間でないと判断し、ステップＳ２３へ進む。

一方、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定である場合には（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２４１０は、現在、ミラー期間中であると判断し、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにして（ステップＳ６３）、高速ターンオンを中止する。

なお、ステップＳ２１でターンオン指令を受信した段階で、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出してゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定か否かによりミラー期間中か否かを判断して、ミラー期間中である場合には、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３のいずれもオンにしないようにタイミング制御回路２４１０を構成してもよい。

そして、監視部２４２０は、また、一定の時間間隔で所定期間、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出する（ステップＳ６４）。そして、タイミング制御回路２４１０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化したか否かを判断することにより、ミラー期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ６５）。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化していない場合には（ステップＳ６５：Ｎｏ）、まだミラー期間中であるため、監視部２４２０はゲート・ソース間電圧Ｖ_GSの検出を繰り返す。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化した場合には（ステップＳ６５：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２４１０は、ミラー期間が経過したと判断し、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ６６）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを再開する。

そして、タイミング制御回路２４１０は、コンデンサＣ１の放電時間の経過を待つ（ステップＳ２３）。ステップＳ２３からＳ２５までの処理は実施形態１，２と同様に行われる。

ステップＳ２６において、実施形態１、２と同様に、タイミング制御回路２４１０は、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２４１０は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフとするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ２７）。そして、タイミング制御回路２４１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするとともに、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ２８）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを開始する。

次に、監視部２４２０は、一定の時間間隔で所定期間、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出する（ステップＳ６７）。そして、タイミング制御回路２４１０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定か否かによりミラー期間中であるか否かを判断する（ステップＳ６８）。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定でない場合には（ステップＳ６８：Ｎｏ）、現在、ミラー期間でないと判断し、ステップＳ２９へ進む。

一方、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定である場合には（ステップＳ６８：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２４１０は、現在、ミラー期間中であると判断し、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにして（ステップＳ６９）、高速ターンオフを中止する。

なお、ステップＳ２７でターンオフ指令を受信した段階で、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出してゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが一定時間一定か否かによりミラー期間中か否かを判断して、ミラー期間中である場合には、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３のいずれもオンにしないようにタイミング制御回路２４１０を構成してもよい。

そして、監視部２４２０は、また、一定の時間間隔で所定期間、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを検出する（ステップＳ７０）。そして、タイミング制御回路２４１０は、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化したか否かを判断することにより、ミラー期間が経過したか否かを判断する（ステップＳ７１）。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化していない場合には（ステップＳ７１：Ｎｏ）、まだミラー期間中であるため、監視部２４２０はゲート・ソース間電圧Ｖ_GSの検出を繰り返す。そして、ゲート・ソース間電圧Ｖ_GSが変化した場合には（ステップＳ７１：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２４１０は、ミラー期間が経過したと判断し、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ７２）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを再開する。

そして、タイミング制御回路２４１０は、コンデンサＣ２の放電時間の経過を待つ（ステップＳ２９）。ステップＳ３０からＳ３２までの処理は実施形態１と同様に行われる。

このように本実施形態では、ＩＧＢＴ１０１のゲート・ソース間電圧Ｖ_GSを計測してミラー期間の判定を行い、ミラー期間を回避してＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンおよび高速ターンオフを行っているので、実施形態２と同様の効果を奏する他、ミラー期間をより正確に検知して、より正確に、サージ電圧を増加させずにスイッチング速度を向上させることができる。

（実施形態４）
実施形態１では、ターンオン指令を受信した場合にはＩＧＢＴ１０１を高速ターンオンし、ターンオフ指令を受信した場合にはＩＧＢＴ１０１を高速ターンオフしていたが、この実施形態４は、ＩＧＢＴ１０１への負荷電流を検出し、負荷電流が所定の閾値以下の場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２の放電時間を短縮して高速ターンオンおよび高速ターンオフを行うものである。

図２７は、実施形態４にかかるゲート駆動回路２７００の構成図である。本実施形態のゲート駆動回路２７００は、図２７に示すように、ＩＧＢＴ１０１と、電源１０２と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２と、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３と、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２と、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３と、ターンオン用スイッチＳＷ３０と、ターンオフ用スイッチＳＷ４０と、ゲート抵抗１０３と、タイミング制御回路２７１０と、監視部２７２０と、電流センサ２７０１とを主に備えている。

ここで、ＩＧＢＴ１０１、電源１０２、コンデンサＣ１，Ｃ２、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３、Ｃ２充電用スイッチＳＷ２１，ＳＷ２２、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３、ターンオン用スイッチＳＷ３０、ターンオフ用スイッチＳＷ４０、ゲート抵抗１０３については実施形態１〜３と同様である。

電流センサ２７０１は、検知部として機能し、ＩＧＢＴ１０１のドレイン側の端子に接続されて、ＩＧＢＴ１０１のドレイン・ソース間（エミッタ・コレクタ間）に流れる電流、すなわち、ＩＧＢＴ１０１の負荷電流を検知する。

監視部２７２０は、電流センサ２７０１で検知された負荷電流を一定間隔で取得して監視する。ここで、監視部２７２０としては、例えば、Ａ／Ｄ変換器やコンパレータ等を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

タイミング制御回路２７１０は、外部からターンオン指令があった場合に、監視部２７２０で監視されている負荷電流が所定の閾値以下である場合には、コンデンサＣ１の放電期間を短縮して、ターンオン用スイッチＳＷ３０およびＣ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにする。そして、タイミング制御回路２７１０は、短縮されたコンデンサＣ１の放電期間の経過後に、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにする。

タイミング制御回路２７１０は、外部からターンオフ指令があった場合に、監視部２７２０で監視されている負荷電流が所定の閾値以下である場合には、コンデンサＣ２の放電期間を短縮して、ターンオフ用スイッチＳＷ４０およびＣ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにする。そして、タイミング制御回路２７１０は、短縮されたコンデンサＣ２の放電期間の経過後に、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにする。

次に、以上のように構成された本実施形態のゲート駆動回路２７００による駆動制御処理について説明する。本実施形態では、通常処理が実施形態１と異なっており、初期化処理については実施形態１と同様であるため、通常処理について説明する。図２８、２９は、実施形態４の通常処理の手順を示すフローチャートである。

まず、タイミング制御回路２７１０が、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、監視部２７２０は、電流センサ２７０１で検知されたＩＧＢＴ１０１の負荷電流を取得する（ステップＳ８１）。そして、タイミング制御回路２７１０は、負荷電流が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ８２）。

そして、負荷電流が所定の閾値以下である場合には（ステップＳ８２：Ｙｅｓ）、コンデンサＣ１の放電時間を短縮して設定する（ステップＳ８３）。一方、負荷電流が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ８２：Ｎｏ）、コンデンサＣ１の放電時間の短縮は行われない。

次に、タイミング制御回路２７１０は、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ２２）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを開始する。

そして、タイミング制御回路２７１０は、コンデンサＣ１の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２３）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにする（ステップＳ２４）。この放電時間がステップＳ８３で短縮されている場合には、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３は通常より早くオフにされることになる。ステップＳ２５の処理は実施形態１と同様に行われる。

次に、ステップＳ２６で、タイミング制御回路２７１０が、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２７１０は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフとするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ２７）。そして、監視部２７２０は、電流センサ２７０１で検知されたＩＧＢＴ１０１の負荷電流を取得する（ステップＳ８４）。そして、タイミング制御回路２７１０は、負荷電流が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ８５）。

そして、負荷電流が所定の閾値以下である場合には（ステップＳ８５：Ｙｅｓ）、コンデンサＣ２の放電時間を短縮して設定する（ステップＳ８６）。一方、負荷電流が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ８５：Ｎｏ）、コンデンサＣ２の放電時間の短縮は行われない。

次に、タイミング制御回路２７１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするとともに、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ２８）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを開始する。

そして、タイミング制御回路２７１０は、コンデンサＣ２の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２９）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにする（ステップＳ３０）。この放電時間がステップＳ８６で短縮されている場合には、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３は通常より早くオフにされることになる。ステップＳ３１、Ｓ３２の処理は実施形態１と同様に行われる。

一般に負荷電流が小さい領域ではターンオン時間およびターンオフ時間が短いため、本実施形態の高速ターンオンおよび高速ターンオフを実行した場合には、負荷電流の過大な時間変化（ｄｉ／ｄｔ）を生じさせ、サージ電圧発生の原因となる。このため、本実施形態では、ＩＧＢＴ１０１への負荷電流が所定の閾値以下の小さい場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２の放電時間を短縮して高速ターンオンおよび高速ターンオフを行っているので、負荷電流の過大な時間変化（ｄｉ／ｄｔ）を抑制し、サージ電圧の発生を防止することができる。

（実施形態５）
実施形態４では、ＩＧＢＴ１０１への負荷電流が所定の閾値以下の場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２の放電時間を短縮して高速ターンオンおよび高速ターンオフを行っていたが、この実施形態５では、ＩＧＢＴ１０１への負荷電流が所定の閾値以下の場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２の放電を利用した高速ターンオンおよび高速ターンオフを行わず、通常のターンオンおよびターンオフを行う。

本実施形態にかかるゲート駆動回路２７００の構成は、実施形態４と同様である。タイミング制御回路２７１０は、外部からターンオン指令があった場合に、監視部２７２０により検知された負荷電流が所定の閾値以下である場合には、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするが、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３のオンは行わない。このため、負荷電流が所定の閾値以下の小さい場合には、ＩＧＢＴ１０１の通常のターンオンが行われる。

タイミング制御回路２７１０は、外部からターンオフ指令があった場合に、監視部２７２０により検知された負荷電流が所定の閾値以下である場合には、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするが、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３のオンは行わない。このため、負荷電流が所定の閾値以下の小さい場合には、ＩＧＢＴ１０１の通常のターンオフが行われる。

次に、以上のように構成された本実施形態のゲート駆動回路２７００による駆動制御処理について説明する。本実施形態では、通常処理が実施形態４と異なっており、初期化処理については実施形態１、４と同様であるため、通常処理について説明する。図３０、３１は、実施形態５の通常処理の手順を示すフローチャートである。

まず、タイミング制御回路２７１０が、外部からターンオン指令を受信した場合には（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、実施形態４と同様に、監視部２７２０は、電流センサ２７０１で検知されたＩＧＢＴ１０１の負荷電流を取得する（ステップＳ８１）。そして、タイミング制御回路２７１０は、負荷電流が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ８２）。

そして、負荷電流が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ８２：Ｎｏ）、タイミング制御回路２７１０は、実施形態４と同様に、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにするとともに、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオンにして（ステップＳ２２）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンを開始する。そして、タイミング制御回路２７１０は、コンデンサＣ１の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２３）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３をオフにする（ステップＳ２４）。そして、ステップＳ２５の処理は実施形態１と同様に行われる。

一方、ステップＳ８２で、負荷電流が所定の閾値以下である場合には（ステップＳ８２：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２７１０は、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオンにし（ステップＳ９１）、Ｃ１放電用スイッチＳＷ１３のオンは行わない。そして、ステップＳ２５へ進み、ステップＳ２５の処理が実施形態１と同様に行われる。

ステップＳ２６で、タイミング制御回路２７１０が、外部からターンオフ指令を受信した場合には（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、実施形態４と同様に、タイミング制御回路２７１０は、Ｃ１充電用スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２をオフとするとともに、ターンオン用スイッチＳＷ３０をオフにする（ステップＳ２７）。そして、監視部２７２０は、電流センサ２７０１で検知されたＩＧＢＴ１０１の負荷電流を取得する（ステップＳ８４）。そして、タイミング制御回路２７１０は、負荷電流が所定の閾値以下であるか否かを判断する（ステップＳ８５）。

そして、負荷電流が所定の閾値より大きい場合には（ステップＳ８５：Ｎｏ）、タイミング制御回路２７１０は、実施形態４と同様に、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにするとともに、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオンにして（ステップＳ２８）、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオフを開始する。そして、タイミング制御回路２７１０は、コンデンサＣ２の所定の放電時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ２９）、放電時間が経過した場合には（ステップＳ２９：Ｙｅｓ）、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３をオフにする（ステップＳ３０）。そして、ステップＳ３１、Ｓ３２の処理は実施形態１と同様に行われる。

一方、ステップＳ８５で、負荷電流が所定の閾値以下である場合には（ステップＳ８５：Ｙｅｓ）、タイミング制御回路２７１０は、ターンオフ用スイッチＳＷ４０をオンにし（ステップＳ９２）、Ｃ２放電用スイッチＳＷ２３のオンは行わない。そして、ステップＳ３１へ進み、ステップＳ３１、Ｓ３２の処理が実施形態１と同様に行われる。

このように本実施形態では、ＩＧＢＴ１０１への負荷電流が所定の閾値以下の場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２を放電せず、高速ターンオンおよび高速ターンオフを行わないので、負荷電流の過大な時間変化（ｄｉ／ｄｔ）を抑制し、サージ電圧の発生を防止することができる。

（実施形態６）
実施形態６は、ＩＧＢＴが直列に接続されたモータ駆動回路であるインバータに上記実施形態のゲート駆動回路を適用し、上アームのＩＧＢＴがターンオンするタイミングで下アームのターンオフ用のコンデンサを放電するものである。

図３２は、実施形態６のインバータ３１００の構成図である。本実施形態のインバータ３１００は、図３２に示すように、対応する二つのアームの駆動回路、すなわち、上アームのゲート駆動回路と、下アームのゲート駆動回路と、制御部３１２０と、電源３１３０とを備えている。そして、上アームのゲート駆動回路のＩＧＢＴ１０１ａと、下アームのゲート駆動回路のＩＧＢＴ１０１ｂとが直列に接続された構成となっている。

上アームのゲート駆動回路は、図３２に示すように、ＩＧＢＴ１０１ａと、電源１０２ａと、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａと、Ｃ１ａ充電用スイッチＳＷ１１ａ，ＳＷ１２ａと、Ｃ１ａ放電用スイッチＳＷ１３ａと、Ｃ２ａ充電用スイッチＳＷ２１ａ，ＳＷ２２ａと、Ｃ２ａ放電用スイッチＳＷ２３ａと、ターンオン用スイッチＳＷ３０ａと、ターンオフ用スイッチＳＷ４０ａと、ゲート抵抗１０３ａと、タイミング制御回路３１１０ａとを主に備えている。

ここで、ＩＧＢＴ１０１ａ、電源１０２ａ、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａ、Ｃ１ａ充電用スイッチＳＷ１１ａ，ＳＷ１２ａ、Ｃ１ａ放電用スイッチＳＷ１３ａ、Ｃ２ａ充電用スイッチＳＷ２１ａ，ＳＷ２２ａ、Ｃ２ａ放電用スイッチＳＷ２３ａ、ターンオン用スイッチＳＷ３０ａ、ターンオフ用スイッチＳＷ４０ａ、ゲート抵抗１０３ａについては実施形態１と同様である。

上アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ａは、実施の形態１の機能を有する他、ＩＧＢＴ１０１ａの高速ターンオン処理を行うときに、ターンオン通知を制御部３１２０に送信する。

制御部３１２０は、上アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ａから、ターンオン通知を受信した場合に、ターンオフ用のコンデンサＣ２ｂの放電指令を下アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ｂに送信する。

下アームのゲート駆動回路は、図３２に示すように、ＩＧＢＴ１０１ｂと、電源１０２ｂと、コンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂと、Ｃ１ｂ充電用スイッチＳＷ１１ｂ，ＳＷ１２ｂと、Ｃ１ｂ放電用スイッチＳＷ１３ｂと、Ｃ２ｂ充電用スイッチＳＷ２１ｂ，ＳＷ２２ｂと、Ｃ２ｂ放電用スイッチＳＷ２３ｂと、ターンオン用スイッチＳＷ３０ｂと、ターンオフ用スイッチＳＷ４０ｂと、ゲート抵抗１０３ｂと、タイミング制御回路３１１０ｂとを主に備えている。

ここで、ＩＧＢＴ１０１ｂ、電源１０２ｂ、コンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂ、Ｃ１ｂ充電用スイッチＳＷ１１ｂ，ＳＷ１２ｂ、Ｃ１ｂ放電用スイッチＳＷ１３ｂ、Ｃ２ｂ充電用スイッチＳＷ２１ｂ，ＳＷ２２ｂ、Ｃ２ｂ放電用スイッチＳＷ２３ｂ、ターンオン用スイッチＳＷ３０ｂ、ターンオフ用スイッチＳＷ４０ｂ、ゲート抵抗１０３ｂについては実施形態１と同様である。

下アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ｂは、実施の形態１の機能を有する他、制御部３１２０からコンデンサＣ２ｂの放電指令を受信した場合には、Ｃ２ｂ放電用スイッチＳＷ２３ｂをオンにして、コンデンサＣ２ｂの放電を行う。

次に、以上のように構成された本実施形態のインバータ３１００による駆動処理について説明する。図３３は、実施形態６のモータ駆動処理の流れを示すシーケンス図である。

上アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ａが制御部３１２０等からターンオン指令を受信すると（ステップＳ１０１）、タイミング制御回路３１１０ａは、ターンオン通知を制御部３１２０に送信する（ステップＳ１０２）。そして、タイミング制御回路３１１０ａは、実施の形態１と同様に、ＩＧＢＴ１０１の高速ターンオンの処理を行う（ステップＳ１０５）。

制御部３１２０は、タイミング制御回路３１１０ａからターンオン通知を受信すると、コンデンサＣ２ｂの放電指令を、下アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ｂに送信する（ステップＳ１０３）。

下アームのゲート駆動回路のタイミング制御回路３１１０ｂは、制御部３１２０からコンデンサＣ２ｂの放電指令を受信すると、Ｃ２ｂ放電用スイッチＳＷ２３ｂをオンにして、コンデンサＣ２ｂを放電させる（ステップＳ１０４）。

上アームのゲート駆動回路のＩＧＢＴ１０１ａがターンオンとなった場合、下アームのＩＧＢＴ１０１ｂのコレクタ電位が上昇するため、下アームのＩＧＢＴ１０１ｂの寄生容量を通じてゲート電圧が上昇する。ゲート電圧が所定値以上に上昇するとＩＧＢＴ１０１ｂがターンオンし、上アームと下アームとが貫通して、ショート故障が発生する。このため、本実施形態では、上アームのゲート駆動回路のＩＧＢＴ１０１ａがターンオンするタイミングにあわせて、下アームのゲート駆動回路で、コンデンサＣ２ｂの放電を行っているので、ＩＧＢＴ１０１ｂのゲート電圧の上昇を吸収して、ショート故障を防止することができる。

なお、本実施形態では、ゲート駆動回路３１１０ａ，３１１０ｂをインバータ３１００に適用した例をあげて説明しているが、これに限定されるものではなく、モータ駆動回路であればインバータ以外のいずれの回路に適用することができる。

上記実施形態において、タイミング制御回路１１０，２４１０，２７１０，３１１０ａ，３１１０ｂ、監視部２４２０，２７２０、制御部３１２０は、ハードウェアで実現する他、ソフトウェアで実現するように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，２４００，２７００ ゲート駆動回路
１０１，１０１ａ，１０１ｂ 半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
１０２，１０２ａ，１０２ｂ
１０３，１０３ａ，１０３ｂ ゲート抵抗
１１０，２４１０，２７１０，３１１０ａ，３１１０ｂ タイミング制御回路
２４２０，２７２０ 監視部
３１００ インバータ
３１２０ 制御部
Ｃ１，Ｃ１ａ，Ｃ１ｂ，Ｃ２，Ｃ２ａ，Ｃ２ｂ コンデンサ
ＳＷ１１，ＳＷ１２ Ｃ１充電用スイッチ
ＳＷ１３ Ｃ１放電用スイッチ
ＳＷ２１，ＳＷ２２ Ｃ２充電用スイッチ
ＳＷ２３ Ｃ２放電用スイッチ
ＳＷ３０，ＳＷ３０ａ，ＳＷ３０ｂ ターンオン用スイッチ
ＳＷ４０，ＳＷ４０ａ，ＳＷ４０ｂ ターンオフ用スイッチ

Claims (10)

1. 電源と、
   半導体スイッチング素子と、
   前記半導体スイッチング素子のゲート端子に正電極が接続されたターンオン用コンデンサと、
   前記ゲート端子に負電極が接続されたターンオフ用コンデンサと、
   ターンオン指令があった場合に、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させるとともに、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、放電による正電圧を前記ゲート端子に印加させ、ターンオフ指令があった場合に、前記ゲート端子を接地するとともに、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、放電による負電圧を前記ゲート端子に印加させるタイミング制御部と、
   を備えたゲート駆動回路。
2. 前記半導体スイッチング素子のターンオンを行うためのターンオン用スイッチと、
   前記半導体スイッチング素子のターンオフを行うためのターンオフ用スイッチと、
   前記ターンオン用コンデンサを放電させるための第１放電用スイッチと、
   前記ターンオフ用コンデンサを放電させるための第２放電用スイッチと、をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、ターンオン指令があった場合には、前記ターンオン用スイッチをオンに切り替えることにより、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させ、前記第１放電用スイッチをオンに切り替えることにより、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、前記正電圧を前記ゲート端子に印加させ、ターンオフ指令があった場合には、前記ターンオフ用スイッチをオンに切り替えることにより、前記ゲート端子を接地し、前記第２放電用スイッチをオンに切り替えることにより、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、前記負電圧を前記ゲート端子に印加させる、
   請求項１に記載のゲート駆動回路。
3. 前記ターンオン用コンデンサを充電させるための第１充電用スイッチと、
   前記ターンオフ用コンデンサを充電させるための第２充電用スイッチと、をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、前記第１充電用スイッチをオンにすることにより、前記ターンオン用コンデンサを充電し、前記第２充電用スイッチをオンにすることにより、前記ターンオフ用コンデンサを負電圧に充電する、
   請求項２に記載のゲート駆動回路。
4. 前記タイミング制御部は、前記ターンオン用スイッチ、前記第１放電用スイッチ、前記第１充電用スイッチ、前記ターンオフ用スイッチ、前記第２放電用スイッチおよび前記第２充電用スイッチのオンオフの切替えを、予め定められたタイミングで行う、
   請求項３に記載のゲート駆動回路。
5. 前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合において、ミラー期間中である場合には、前記ミラー期間の経過後に、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記ターンオフ指令があった場合において、前記ミラー期間中である場合には、前記ミラー期間の経過後に、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行う、
   請求項２に記載のゲート駆動回路。
6. 前記ミラー期間の開始および終了のタイミングは、予め定められている、
   請求項５に記載のゲート駆動回路。
7. 前記半導体スイッチング素子のゲート・ソース間電圧を監視する監視部をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記監視部により監視している前記ゲート・ソース間電圧が一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断し、前記ミラー期間である場合には、前記ゲート・ソース間電圧が変化した後に、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記ターンオフ指令があった場合に、前記監視部により監視している前記ゲート・ソース間電圧が一定時間一定であるか否かによりミラー期間か否かを判断し、前記ミラー期間である場合には、前記ゲート・ソース間電圧が変化した後に、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行う、
   請求項５に記載のゲート駆動回路。
8. 前記半導体スイッチング素子に対する負荷電流を検知する検知部をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオン用コンデンサの第１放電期間を短縮して、前記ターンオン用スイッチおよび前記第１放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、短縮された前記第１放電期間の経過後に、前記第１放電用スイッチをオフに切り替え、前記ターンオフ指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオフ用コンデンサの第２放電期間を短縮して、前記ターンオフ用スイッチおよび前記第２放電用スイッチのオンへの切り替えを行い、短縮された前記第２放電期間の経過後に、前記第２放電用スイッチをオフに切り替える、
   請求項２に記載のゲート駆動回路。
9. 前記半導体スイッチング素子に対する負荷電流を検知する検知部をさらに備え、
   前記タイミング制御部は、前記ターンオン指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が所定の閾値以下である場合には、前記ターンオン用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記第１放電用スイッチのオンへの切替えは行わず、前記ターンオフ指令があった場合に、前記検知部により検知された前記負荷電流が前記閾値以下である場合には、前記ターンオフ用スイッチのオンへの切り替えを行い、前記第２放電用スイッチのオンへの切替えは行わない、
   請求項２に記載のゲート駆動回路。
10. 第１アームの第１ゲート駆動回路と、
    前記第１アームと接続された第２アームの第２ゲート駆動回路と、
    制御部と、を備え、
    前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路とは、それぞれ、
    電源と、
    半導体スイッチング素子と、
    前記半導体スイッチング素子のゲート端子に正電極が接続されたターンオン用コンデンサと、
    前記ゲート端子に負電極が接続されたターンオフ用コンデンサと、
    ターンオン指令があった場合に、前記電源の電圧を前記ゲート端子に印加させるとともに、充電された前記ターンオン用コンデンサを放電して、放電による正電圧を前記ゲート端子に印加させるターンオン処理を行い、ターンオフ指令があった場合に、前記ゲート端子を接地するとともに、負電圧に充電された前記ターンオフ用コンデンサを放電して、放電による負電圧を前記ゲート端子に印加させるターンオフ処理を行うタイミング制御部と、を備え、
    前記第１ゲート駆動回路の前記タイミング制御部は、前記ターンオン処理を行うときに、ターンオン通知を前記制御部に送信し、
    前記制御部は、前記ターンオン通知を受信した場合に、前記第２ゲート駆動回路の前記タイミング制御部に、前記ターンオフ用コンデンサの放電指令を送信し、
    前記第２ゲート駆動回路の前記タイミング制御部は、前記制御部から前記ターンオフ用コンデンサの放電指令を受信した場合に、前記ターンオフ用コンデンサを放電させる、
    モータ駆動回路。

Images