JP2014216932A - 駆動装置及びスイッチング回路の制御方法 - Google Patents

駆動装置及びスイッチング回路の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】逆導通素子の通電の検出精度が下がりにくい、駆動装置を提供すること。
【解決手段】第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた逆導通素子とを備えたスイッチング素子がハイサイドとローサイドに設けられたスイッチング回路（アーム回路５０）を備えた駆動装置であって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に検出した結果により、前記スイッチング素子のオンの許否を判定する判定部（Ｄフリップフロップ３３，４３及びＡＮＤ回路３５，４５）を備えることを特徴とする、駆動装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、逆導通素子を備えたスイッチング素子が設けられたスイッチング回路を備えた駆動装置、及び該スイッチング回路の制御方法に関する。
従来、ダイオード素子が逆導通接続されたＩＧＢＴ素子を備えた半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この半導体装置は、ダイオードセンス素子に接続されるセンス抵抗によってダイオード素子の通電を検出し、ダイオード素子に電流が流れている場合、ＩＧＢＴ素子の駆動を停止するフィードバック回路を備えている。
特開２０１２−１９５５０号公報
しかしながら、センス抵抗に流れる電流及びセンス抵抗の抵抗値は小さく、センス抵抗から得られる電圧値は小さいため、ＩＧＢＴ素子に逆導通接続されたダイオード素子の通電の検出精度は下がりやすい。本発明は、逆導通素子の通電の検出精度が下がりにくい、駆動装置及びスイッチング回路の制御方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた逆導通素子とを備えたスイッチング素子がハイサイドとローサイドに設けられたスイッチング回路と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に検出した結果により、前記スイッチング素子のオンの許否を判定する判定部とを備えた、駆動装置を提供するものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、
第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた逆導通素子とを備えたスイッチング素子がハイサイドとローサイドに設けられたスイッチング回路の制御方法であって、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に検出した結果により、前記スイッチング素子のオンの許否を判定することを特徴とする、スイッチング回路の制御方法を提供するものである。
本発明によれば、逆導通素子の通電の検出精度が下がりにくい。
第１の実施形態の駆動装置を示した構成図 スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に流れる電流を示した図 スイッチング素子のオンが許可されたときのタイミングチャート スイッチング素子のオンが禁止されたときのタイミングチャート 第２の実施形態の駆動装置を示した構成図
図１は、第１の実施形態の駆動装置１の構成を示した図である。駆動装置１は、上アーム１０及び下アーム２０をオンオフ駆動することによって、誘導性の負荷７０（例えば、モータ、リアクトルなど）を駆動する半導体回路である。駆動装置１は、上アーム１０と下アーム２０とが中間ノード５１を介して直列に接続されたスイッチング回路として、アーム回路５０を備えている。負荷７０の一端は、中間ノード５１に接続される。
駆動装置１は、上アーム１０と、上アーム１０の駆動を制御する第１の駆動制御回路３０と、下アーム２０と、下アーム２０の駆動を制御する第２の駆動制御回路４０とを備えている。上アーム１０は、駆動制御回路３０と共通の基板上の半導体素子でもよいし、駆動制御回路３０とは別の基板上の半導体素子でもよい。下アーム２０についても同様である。また、上アーム１０は、下アーム２０と共通の基板上の半導体素子でもよいし、下アーム２０とは別の基板上の半導体素子でもよい。
駆動装置１は、集積回路によって構成された半導体デバイスであるが、ディスクリート部品によって構成された半導体デバイスでもよい。
駆動装置１の使用例として、インバータ、電源装置などが挙げられる。例えば、インバータは、複数の駆動装置１を備えてよく、３つの駆動装置１を備えた場合、三相インバータとして機能する。
上アーム１０は、中間ノード５１に対して第１の電源電位部６１側のハイサイドに設けられたスイッチング素子であり、下アーム２０は、中間ノード５１に対して第２の電源電位部６２側のローサイドに設けられたスイッチング素子である。上アーム１０と下アーム２０は、電源電位部６１と電源電位部６２との間で直列に接続されている。
電源電位部６１は、例えば、バッテリやコンバータ等の電源の正極端子に導電的に接続される高電位部である。電源電位部６１よりも低電位の電源電位部６２は、例えば、バッテリやコンバータ等の電源の負極端子又は車体アース部に導電的に接続される低電位部（いわゆる、グランドGND）である。電源電位部６１と電源電位部６２との間の電圧が、上アーム１０及び下アーム２０の電源電圧ＶＨに相当し、電源電圧ＶＨが、上アーム１０と下アーム２０とが直列に接続されたアーム回路５０の両端に印加される。
上アーム１０及び下アーム２０は、絶縁ゲート型電圧制御半導体素子であって、オンオフ動作する素子である。上アーム１０及び下アーム２０は、それぞれ、制御電極と、第１の主電極と、第２の主電極とを有する素子であり、その具体例として、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴなどのパワートランジスタ素子が挙げられる。図１には、上アーム１０及び下アーム２０の一例として、ＩＧＢＴが図示されている。
以下、説明の便宜上、上アーム１０及び下アーム２０がＩＧＢＴであるとして、説明する。ＭＯＳＦＥＴの場合であれば、「コレクタ」を「ドレイン」に、「エミッタ」を「ソース」に置き換えて読むとよい。
上アーム１０のゲート電極Ｇは、例えば、ゲート電極Ｇに直列接続された不図示のゲート抵抗を介して、駆動制御回路３０に接続される制御電極である。上アーム１０のコレクタ電極Ｃは、電源電位部６１に接続される第１の主電極である。上アーム１０のエミッタ電極Ｅは、中間ノード５１及び下アーム２０を介して、電源電位部６２に接続される第２の主電極である。
下アーム２０のゲート電極Ｇは、例えば、ゲート電極Ｇに直列接続された不図示のゲート抵抗を介して、駆動制御回路４０に接続される制御電極である。下アーム２０のコレクタ電極Ｃは、中間ノード５１及び上アーム１０を介して、電源電位部６１に接続される第１の主電極である。下アーム２０のエミッタ電極Ｅは、電源電位部６２に接続される第２の主電極である。
上アーム１０は、コレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間に設けられた逆導通素子として、逆導通用のダイオード１１を備えている。ダイオード１１は、上アーム１０に逆導通接続された素子であって、上アーム１０のコレクタ電極Ｃに接続されたカソードと、上アーム１０のエミッタ電極Ｅに接続されたアノードとを有している。
下アーム２０は、コレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間に設けられた逆導通素子として、逆導通用のダイオード２１を備えている。ダイオード２１は、下アーム２０に逆導通接続された素子であって、下アーム２０のコレクタ電極Ｃに接続されたカソードと、下アーム２０のエミッタ電極Ｅに接続されたアノードとを有している。
上アーム１０及び下アーム２０は、例えば、ダイオード内蔵ＩＧＢＴである。この場合、上アーム１０は、ダイオード１１を内蔵するＩＧＢＴであり、下アーム２０は、ダイオード２１を内蔵するＩＧＢＴである。
ダイオード内蔵ＩＧＢＴとは、ＩＧＢＴ素子とダイオード素子とが共通の半導体基板に設けられた逆導通ＩＧＢＴ（ＲＣ（Reverse Conducting）‐ＩＧＢＴ）である。ダイオード内蔵ＩＧＢＴは、ダイオード素子のアノード電極とＩＧＢＴ素子のエミッタ電極とを共通電極とし、ダイオード素子のカソード電極とＩＧＢＴ素子のコレクタ電極とを共通電極とした構造を有している。
なお、ダイオード１１は、上アーム１０に並列に追加接続されたダイオードでもよいし、コレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間に形成される寄生素子であるボディダイオードでもよい。ダイオード２１についても同様である。
駆動制御回路３０は、外部から供給される指令信号Ｓ１に従って、不図示のゲート抵抗を介して、上アーム１０のゲート電極Ｇのゲート電圧Ｖｇｅ１を、上アーム１０をオン又はオフさせる電圧値に制御する制御信号Ｓ９を出力する駆動回路３４を備えている。駆動制御回路３０は、例えば、駆動回路３４を備えた駆動ＩＣである。ゲート電圧Ｖｇｅ１は、上アーム１０のゲート電極Ｇとエミッタ電極Ｅとの間に印加される制御電圧である。上アーム１０は、ゲート電圧Ｖｇｅ１の電圧値に応じて、オン又はオフする。
駆動制御回路４０は、例えば、外部から供給される指令信号Ｓ２に従って、不図示のゲート抵抗を介して、下アーム２０のゲート電極Ｇのゲート電圧Ｖｇｅ２を、下アーム２０をオン又はオフさせる電圧値に制御する制御信号Ｓ１０を出力する駆動回路４４を備えている。駆動制御回路４０は、例えば、駆動回路４４を備えた駆動ＩＣである。ゲート電圧Ｖｇｅ２は、下アーム２０のゲート電極Ｇとエミッタ電極Ｅとの間に印加される制御電圧である。下アーム２０は、ゲート電圧Ｖｇｅ２の電圧値に応じて、オン又はオフする。
駆動回路３４は、指令信号Ｓ１に従って、上アーム１０を周期的にオンオフさせる駆動部である。駆動回路３４は、例えば、上アーム１０が周期的にオンオフするように、パルス変調された指令信号Ｓ１に従って、上アーム１０をパルス変調方式で繰り返しオンオフさせる制御信号Ｓ９を出力する。パルス変調の具体例として、パルス幅変調（PWM）、パルス周波数変調（PFM）などが挙げられる。駆動回路４４についても同様である。
指令信号Ｓ１，Ｓ２は、例えば、ＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータから供給される信号である。なお、駆動制御回路３０，４０自体が、マイクロコンピュータであってもよい。
駆動制御回路３０は、ダイオード１１の通電状態をモニタし、ダイオード１１の通電が検出されない場合、上アーム１０がオンすることを許可し、ダイオード１１の通電が検出された場合、上アーム１０がオンすることを禁止する。この制御により、所定電流値以上の電流がダイオード１１に流れている期間に、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１が駆動回路３４に入力されても、駆動回路３４が上アーム１０の状態をオフからオンに切り替えることを防止できる。
同様に、駆動制御回路４０は、ダイオード２１の通電状態をモニタし、ダイオード２１の通電が検出されない場合、下アーム２０がオンすることを許可し、ダイオード２１の通電が検出された場合、下アーム２０がオンすることを禁止する。この制御により、所定電流値以上の電流がダイオード２１に流れている期間に、下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２が駆動回路４４に入力されても、駆動回路４４が下アーム２０の状態をオフからオンに切り替えることを防止できる。
図２は、指令信号Ｓ１，Ｓ２によって上アーム１０と下アーム２０の両アームが共にオフしている期間（デッドタイム）に、アーム回路５０に流れる電流を示した図である。デッドタイムでは、ダイオード１１に流れるフリーホイール電流Ｉ１と、ダイオード２１に流れるフリーホイール電流Ｉ２とのいずれか一方が発生している。Ｖｃｅ１は、上アーム１０のコレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間の電圧を表し、Ｖｃｅ２は、下アーム２０のコレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間の電圧を表す。ＶＦ１は、ダイオード１１の順方向電圧を表し、ＶＦ２は、ダイオード２１の順方向電圧を表す。
デッドタイム中、ダイオード１１の通電時の電圧Ｖｃｅ１は（図２（ａ）参照）、フリーホイール電流Ｉ１が流れることにより、順方向電圧ＶＦ１（上アーム１０のエミッタ電極Ｅを基準電位ゼロとすると、−ＶＦ１）に等しくなる。一方、デッドタイム中、ダイオード１１の非通電時の電圧Ｖｃｅ１は（図２（ｂ）参照）、フリーホイール電流Ｉ２が流れることにより、電源電圧ＶＨに等しくなる。なお、ダイオード１１の非通電時の電圧Ｖｃｅ１は、厳密には、電源電圧ＶＨから順方向電圧ＶＦ２を引いた電圧であるが、電源電圧ＶＨは順方向電圧ＶＦ２よりも十分大きいため、電源電圧ＶＨに等しいとする。
このように、ダイオード１１の通電時の電圧Ｖｃｅ１とダイオード１１の非通電時の電圧Ｖｃｅ１との電圧差は大きい。そして、ダイオード１１に流れる電流の電流値の大小にかかわらず、ダイオード１１が通電していれば、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ１は−ＶＦ１に等しくなり、ダイオード１１が通電していなければ、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ１はＶＨに等しくなる。
これらの点に着目し、駆動制御回路３０は、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ１が所定値よりも高いのか低いのかを検出することによって、ダイオード１１の通電の有無を検出し、駆動回路３４が上アーム１０をオンすることの許否を判定する。
フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値が比較的小さくても、ダイオード１１の通電時と非通電時との電圧Ｖｃｅ１の電圧差は上記の通り大きい。そのため、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ１を検出することによりダイオード１１の通電有無を検出することで、ダイオード１１の通電有無の検出精度が下がりにくい。その結果、上アーム１０のオンの許否の判定精度が向上し、例えば、ダイオード１１が通電しているにもかかわらず、上アーム１０のオンを誤って許可することを防止できる。
特に、上アーム１０がダイオード内蔵ＩＧＢＴの場合、ダイオード１１に電流が流れている期間に上アーム１０がオンすると、ダイオード１１の順方向電圧ＶＦ１が増加し、ダイオード１１の順方向損失が増大する。しかしながら、駆動制御回路３０は、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ１をモニタし、ダイオード１１の通電が検出された場合、上アーム１０のオンを禁止する。このため、フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値の大小にかかわらず、フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値が比較的小さいときでも、ダイオード１１の順方向損失の増大を抑制できる。その結果、例えば、駆動装置１を備える電子制御装置の消費電力を低減でき、ひいては、その電子制御装置を搭載する車両の燃費向上に寄与できる。
同様に、デッドタイム中、ダイオード２１の通電時の電圧Ｖｃｅ２は（図２（ｂ）参照）、フリーホイール電流Ｉ２が流れることにより、順方向電圧ＶＦ２（下アーム２０のエミッタ電極Ｅを基準電位ゼロとすると、−ＶＦ２）に等しくなる。一方、デッドタイム中、ダイオード２１の非通電時の電圧Ｖｃｅ２は（図２（ａ）参照）、フリーホイール電流Ｉ１が流れることにより、電源電圧ＶＨに等しくなる。なお、ダイオード２１の非通電時の電圧Ｖｃｅ２は、厳密には、電源電圧ＶＨから順方向電圧ＶＦ１を引いた電圧であるが、電源電圧ＶＨは順方向電圧ＶＦ１よりも十分大きいため、電源電圧ＶＨに等しいとする。
このように、ダイオード２１の通電時の電圧Ｖｃｅ２とダイオード２１の非通電時の電圧Ｖｃｅ２との電圧差は大きい。そして、ダイオード２１に流れる電流の電流値の大小にかかわらず、ダイオード２１が通電していれば、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ２は−ＶＦ２に等しくなり、ダイオード２１が通電していなければ、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ２はＶＨに等しくなる。
これらの点に着目し、駆動制御回路４０は、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ２が所定値よりも高いのか低いのかを検出することによって、ダイオード２１の通電の有無を検出し、駆動回路４４が下アーム２０をオンすることの許否を判定する。
フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値が比較的小さくても、ダイオード２１の通電時と非通電時との電圧Ｖｃｅ２の電圧差は上記の通り大きい。そのため、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ２を検出することによりダイオード２１の通電有無を検出することで、ダイオード２１の通電有無の検出精度が下がりにくい。その結果、下アーム２０のオンの許否の判定精度が向上し、例えば、ダイオード２１が通電しているにもかかわらず、下アーム２０のオンを誤って許可することを防止できる。
特に、下アーム２０がダイオード内蔵ＩＧＢＴの場合、ダイオード２１に電流が流れている期間に下アーム２０がオンすると、ダイオード２１の順方向電圧ＶＦ２が増加し、ダイオード２１の順方向損失が増大する。しかしながら、駆動制御回路４０は、デッドタイム中の電圧Ｖｃｅ２をモニタし、ダイオード２１の通電が検出された場合、下アーム２０のオンを禁止する。このため、フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値の大小にかかわらず、フリーホイール電流Ｉ１，Ｉ２の電流値が比較的小さいときでも、ダイオード２１の順方向損失の増大を抑制できる。その結果、例えば、駆動装置１を備える電子制御装置の消費電力を低減でき、ひいては、その電子制御装置を搭載する車両の燃費向上に寄与できる。
トランジスタのコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖｃｅは、デッドタイムに限らなければ、ダイオード通電時には、−ＶＦ（例えば、−１Ｖ）になり、ダイオード非通電時には、トランジスタのオン電圧Ｖｏｎ（例えば、１Ｖ）又は電源電圧ＶＨ（例えば、６００Ｖ）になる。つまり、電圧Ｖｃｅは、３通りの電圧値に変化する。特に、−ＶＦとＶｏｎとの電圧差は微小なため、両者を正確に検出することは容易ではない。しかしながら、本発明の実施形態では、電圧Ｖｃｅのモニタ期間をデッドタイムに限定することで、電圧Ｖｃｅは、ダイオード通電時の−ＶＦとダイオード非通電時のＶＨとのいずれかであるため、ダイオードの通電状態を大きな電圧変化の検出で判定できる。
図１において、駆動制御回路３０は、上アーム１０のコレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間の電圧Ｖｃｅ１を検出する電圧検出部として、コンパレータ３１を備えている。コンパレータ３１は、上アーム１０の電圧Ｖｃｅ１を常時モニタするモニタ回路であり、電圧Ｖｃｅ１の大きさに応じて変化する電圧検出信号Ｓ５を出力する。コンパレータ３１は、上アーム１０のコレクタ電極Ｃに接続される非反転入力部と、上アーム１０のエミッタ電極Ｅに閾値電圧生成部３２を介して接続される反転入力部とを有している。閾値電圧生成部３２は、一定の閾値電圧Ｖｔｈ１を生成してコンパレータ３１の反転入力部に印加する回路である。閾値電圧生成部３２は、例えば、抵抗分圧回路によって閾値電圧Ｖｔｈ１を生成する。閾値電圧Ｖｔｈ１は、「−ＶＦ１＜Ｖｔｈ１＜ＶＨ」の電圧範囲内の電圧値に設定される。
コンパレータ３１は、電圧Ｖｃｅ１が閾値電圧Ｖｔｈ１よりも小さいとき、ローレベルの電圧検出信号Ｓ５を出力する。特に、コンパレータ３１は、デッドタイム中にダイオード１１が通電している時、電圧Ｖｃｅ１は閾値電圧Ｖｔｈ１よりも小さい−ＶＦ１に等しくなるので、ローレベルの電圧検出信号Ｓ５を出力する。逆に、コンパレータ３１は、電圧Ｖｃｅ１が閾値電圧Ｖｔｈ１よりも大きいとき、ハイレベルの電圧検出信号Ｓ５を出力する。特に、コンパレータ３１は、デッドタイム中にダイオード１１が通電していない時、電圧Ｖｃｅ１は閾値電圧Ｖｔｈ１よりも大きなＶＨに等しくなるので、ハイレベルの電圧検出信号Ｓ５を出力する。
同様に、駆動制御回路４０は、下アーム２０のコレクタ電極Ｃとエミッタ電極Ｅとの間の電圧Ｖｃｅ２を検出する電圧検出部として、コンパレータ４１を備えている。コンパレータ４１は、下アーム２０の電圧Ｖｃｅ２を常時モニタするモニタ回路であり、電圧Ｖｃｅ２の大きさに応じて変化する電圧検出信号Ｓ６を出力する。コンパレータ４１は、下アーム２０のコレクタ電極Ｃに接続される非反転入力部と、下アーム２０のエミッタ電極Ｅに閾値電圧生成部４２を介して接続される反転入力部とを有している。閾値電圧生成部４２は、一定の閾値電圧Ｖｔｈ２を生成してコンパレータ４１の反転入力部に印加する回路である。閾値電圧生成部４２は、例えば、抵抗分圧回路によって閾値電圧Ｖｔｈ２を生成する。閾値電圧Ｖｔｈ２は、「−ＶＦ２＜Ｖｔｈ２＜ＶＨ」の電圧範囲内の電圧値に設定される。
コンパレータ４１は、電圧Ｖｃｅ２が閾値電圧Ｖｔｈ２よりも小さいとき、ローレベルの電圧検出信号Ｓ６を出力する。特に、コンパレータ４１は、デッドタイム中にダイオード２１が通電している時、電圧Ｖｃｅ２は閾値電圧Ｖｔｈ２よりも小さい−ＶＦ２に等しくなるので、ローレベルの電圧検出信号Ｓ６を出力する。逆に、コンパレータ４１は、電圧Ｖｃｅ２が閾値電圧Ｖｔｈ２よりも大きいとき、ハイレベルの電圧検出信号Ｓ６を出力する。特に、コンパレータ４１は、デッドタイム中にダイオード２１が通電していない時、電圧Ｖｃｅ２は閾値電圧Ｖｔｈ２よりも大きなＶＨに等しくなるので、ハイレベルの電圧検出信号Ｓ６を出力する。
駆動制御回路３０は、電圧Ｖｃｅ１をデッドタイムに検出した結果により、上アーム１０のオンの許否を判定する判定部として、Ｄフリップフロップ３３及びＡＮＤ回路３５を備えている。Ｄフリップフロップ３３及びＡＮＤ回路３５は、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１に基づいて、上アーム１０のオンの許否を判定する論理回路である。Ｄフリップフロップ３３は、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１の入力タイミングに同期して、コンパレータ３１から出力される電圧検出信号Ｓ５をラッチすることで、デッドタイム中にコンパレータ３１によって検出された電圧Ｖｃｅ１を取得できる。Ｄフリップフロップ３３は、この取得結果により、上アーム１０のオンの許否を判定し、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１の次の入力があるまで、その許否判定結果を維持する。
Ｄフリップフロップ３３は、デッドタイム中に検出された電圧Ｖｃｅ１が所定値と比較された結果に基づいて、上アーム１０のオンの許否を判定する。
Ｄフリップフロップ３３は、デッドタイムに検出された電圧Ｖｃｅ１が閾値電圧Ｖｔｈ１以上の電源電圧ＶＨに等しいことが検出された場合、ダイオード１１が通電していないと判定し、上アーム１０のオンを許可するハイレベルの許否判定信号Ｓ７を出力する。
一方、Ｄフリップフロップ３３は、デッドタイムに検出された電圧Ｖｃｅ１が閾値電圧Ｖｔｈ１未満の順方向電圧ＶＦ１に等しいことが検出された場合、ダイオード１１が通電していると判定し、上アーム１０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ７を出力する。これにより、駆動回路３４が、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１に従って、上アーム１０をオンさせるハイレベルの制御信号Ｓ９を出力しても、上アーム１０のオンはＡＮＤ回路３５によって禁止される。上アーム１０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ７がＤフリップフロップ３３から出力されている期間、上アーム１０をオフさせるローレベルのゲート電圧Ｖｇｅ１が、ＡＮＤ回路３５により、駆動制御回路３０から出力される。これにより、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１が入力されても、上アーム１０はオンせずにオフ状態が維持される。
駆動制御回路４０に構成されるＤフリップフロップ４３及びＡＮＤ回路４５も、上述のＤフリップフロップ３３及びＡＮＤ回路３５と同様である。
図３は、デッドタイム中の電流がダイオード２１に流れていない図２（ａ）の場合において、下アーム２０のオンがＤフリップフロップ４３及びＡＮＤ回路４５により許可されたときのタイミングチャートである。期間ｔ２−ｔ４及び期間ｔ６−ｔ８が、デッドタイムである。図３について、図１及び図２（ａ）を参照して説明する。
上アーム１０のオフを要求する指令信号Ｓ１が駆動回路３４に入力されてから、上アーム１０が実際にオフするまで、タイムラグｔ１−ｔ２が存在する。同様に、下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２が駆動回路４４に入力されてから、下アーム２０が実際にオンするまで、タイムラグｔ３−ｔ４が存在する。したがって、上アーム１０と下アーム２０が両方ともオフしているデッドタイムは、期間ｔ２−ｔ４に相当する。
下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２が駆動回路４４に入力されるタイミングｔ３は、デッドタイムｔ２−ｔ４内に存在する。この点を利用して、Ｄフリップフロップ４３は、下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２の立ち上がり入力エッジをトリガーに電圧Ｖｃｅ２を検出することで、デッドタイムｔ２−ｔ４内のタイミングｔ３での電圧Ｖｃｅ２を確実に検出することができる。
タイミングｔ２で上アーム１０がオンからオフに切り替わるが、図２（ａ）に示されるようにフリーホイール電流Ｉ１がダイオード１１に流れ始めると、電圧Ｖｃｅ２は、タイミングｔ２の前後で、電源電圧ＶＨのまま、ほぼ変化しない。そして、デッドタイムｔ２−ｔ４でも、電圧Ｖｃｅ２は、フリーホイール電流Ｉ１がダイオード１１に流れ続けるため、電源電圧ＶＨに等しい。
したがって、Ｄフリップフロップ４３は、コンパレータ４１から出力されるハイレベルの電圧検出信号Ｓ６をタイミングｔ３でラッチし、下アーム２０のオンを許可するハイレベルの許否判定信号Ｓ８を出力する。Ｄフリップフロップ４３は、少なくとも、下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２の次周期の立ち上がり入力エッジまで、下アーム２０のオンを許可するハイレベルの許否判定信号Ｓ８を継続的に出力する。下アーム２０のオンが許可されている期間、指令信号Ｓ２の要求どおりに、下アーム２０はオン又はオフする。
図４は、デッドタイム中の電流がダイオード２１に流れている図２（ｂ）の場合において、下アーム２０のオンがＤフリップフロップ４３及びＡＮＤ回路４５により禁止されたときのタイミングチャートである。期間ｔ２−ｔ４及び期間ｔ６−ｔ８が、デッドタイムである。図４について、図１及び図２（ｂ）を参照して説明する。
タイミングｔ２で上アーム１０がオンからオフに切り替わるが、図２（ｂ）に示されるようにフリーホイール電流Ｉ２がダイオード２１に流れ始めると、電圧Ｖｃｅ２は、タイミングｔ２で、ＶＨから−ＶＦ２に変化する。そして、デッドタイムｔ２−ｔ４でも、電圧Ｖｃｅ２は、フリーホイール電流Ｉ２がダイオード２１に流れ続けるため、−ＶＦ２に等しい。
したがって、Ｄフリップフロップ４３は、コンパレータ４１から出力されるローレベルの電圧検出信号Ｓ６をタイミングｔ３でラッチし、下アーム２０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ８を出力する。Ｄフリップフロップ４３は、少なくとも、下アーム２０のオンを要求する指令信号Ｓ２の次周期の立ち上がり入力エッジまで、下アーム２０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ８を継続的に出力する。下アーム２０のオンが禁止されている期間、指令信号Ｓ２が入力されても、ゲート電圧Ｖｇｅ２はＡＮＤ回路４５によりローレベルに固定され、下アーム２０はオンせずにオフ状態で固定される。
Ｄフリップフロップ３３及びＡＮＤ回路３５が、上アーム１０のオンの許否を判定する場合についても上記同様である。
例えば、図３において、下アーム２０のオフを要求する指令信号Ｓ２が駆動回路４４に入力されてから、下アーム２０が実際にオフするまで、タイムラグｔ５−ｔ６が存在する。同様に、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１が駆動回路３４に入力されてから、上アーム１０が実際にオンするまで、タイムラグｔ７−ｔ８が存在する。したがって、上アーム１０と下アーム２０が両方ともオフしているデッドタイムは、期間ｔ６−ｔ８に相当する。
上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１が駆動回路３４に入力されるタイミングｔ７は、デッドタイムｔ６−ｔ８内に存在する。この点を利用して、Ｄフリップフロップ３３は、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１の立ち上がり入力エッジをトリガーに電圧Ｖｃｅ１を検出することで、デッドタイムｔ６−ｔ８内のタイミングｔ７での電圧Ｖｃｅ１を確実に検出することができる。
タイミングｔ６で下アーム２０がオンからオフに切り替わるが、図２（ａ）に示されるようにフリーホイール電流Ｉ１がダイオード１１に流れ始めると、電圧Ｖｃｅ１は、タイミングｔ６で、ＶＨから−ＶＦ１に変化する。そして、デッドタイムｔ６−ｔ８でも、電圧Ｖｃｅ１は、フリーホイール電流Ｉ１がダイオード１１に流れ続けるため、−ＶＦ１に等しい。
したがって、Ｄフリップフロップ３３は、コンパレータ３１から出力されるローレベルの電圧検出信号Ｓ５をタイミングｔ７でラッチし、上アーム１０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ７を出力する。Ｄフリップフロップ３３は、少なくとも、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１の次周期の立ち上がり入力エッジまで、上アーム１０のオンを禁止するローレベルの許否判定信号Ｓ７を継続的に出力する。上アーム１０のオンが禁止されている期間、指令信号Ｓ１が入力されても、ゲート電圧Ｖｇｅ１はＡＮＤ回路３５によりローレベルに固定され、上アーム１０はオンせずにオフ状態で固定される。
一方、タイミングｔ６で下アーム２０がオンからオフに切り替わるが、図２（ｂ）に示されるようにフリーホイール電流Ｉ２がダイオード１２に流れ始めると、電圧Ｖｃｅ１は、タイミングｔ６の前後で、電源電圧ＶＨのまま、ほぼ変化しない。そして、デッドタイムｔ６−ｔ８でも、電圧Ｖｃｅ１は、フリーホイール電流Ｉ２がダイオード２１に流れ続けるため、電源電圧ＶＨに等しい。
したがって、Ｄフリップフロップ３３は、コンパレータ３１から出力されるハイレベルの電圧検出信号Ｓ５をタイミングｔ７でラッチし、上アーム１０のオンを許可するハイレベルの許否判定信号Ｓ７を出力する。Ｄフリップフロップ３３は、少なくとも、上アーム１０のオンを要求する指令信号Ｓ１の次周期の立ち上がり入力エッジまで、上アーム１０のオンを許可するハイレベルの許否判定信号Ｓ７を継続的に出力する。上アーム１０のオンが許可されている期間、指令信号Ｓ１の要求どおりに、上アーム１０はオン又はオフする。
なお、指令信号Ｓ１，Ｓ２の周波数は、誘導性の負荷７０に流れる正弦波電流の周波数よりも十分に高い。そのため、本発明の実施形態のように、デッドタイム毎にダイオードの通電状態を判定し、上アーム又は下アームをオフしても、負荷７０に流れる正弦波電流に与える影響はほとんどない。
図５は、第２の実施形態の駆動装置２の構成を示した図である。上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は省略又は簡略する。駆動装置２では、レベルシフト回路５４，５５が、図１の駆動装置１の構成に追加されている。駆動装置２は、電圧Ｖｃｅ１のレベルをシフトするレベルシフト部として、レベルシフト回路５４を備え、電圧Ｖｃｅ２のレベルをシフトするレベルシフト部として、レベルシフト回路５５を備えている。
レベルシフト回路５４は、上アーム１０のコレクタ電極Ｃと基準電圧源６３との間に接続されたダイオード１２を備えている。基準電圧源６３は、電源電圧ＶＨよりも低い基準電圧ＶＢ１を出力する。基準電圧源６３のグランドは、駆動制御回路３０のコンパレータ３１のグランドであり、例えば、上アーム１０のエミッタ電極Ｅ又は中間ノード５１である。
基準電圧ＶＢ１は、例えば、コンパレータ３１の検出可能電圧範囲内の電圧（例えば、１２Ｖ）に設定される。基準電圧源６３が、例えば、基準電圧ＶＢ１を調整可能なフローティング電源であると、コンパレータ３１の検出可能電圧範囲内の任意の電圧に調整できる。
ダイオード１２のカソードは、上アーム１０のコレクタ電極Ｃに接続され、その接続点は、コレクタ電極Ｃの直近が好ましい。ダイオード１２のアノードは、抵抗１３を介して、基準電圧源６３にプルアップ接続されている。ダイオード１２のアノードと抵抗１３との接続ノード５２は、コンパレータ３１の非反転入力部に接続される。ダイオード１２が直列接続される個数は、一つでも複数でもよい。
レベルシフト回路５５は、下アーム２０のコレクタ電極Ｃと基準電圧源６４との間に接続されたダイオード２２を備えている。基準電圧源６４は、電源電圧ＶＨよりも低い基準電圧ＶＢ２を出力する。基準電圧源６４のグランドは、駆動制御回路４０のコンパレータ４１のグランドであり、例えば、下アーム２０のエミッタ電極Ｅ又は電源電位部６２である。
基準電圧ＶＢ２は、例えば、コンパレータ４１の検出可能電圧範囲内の電圧（例えば、１２Ｖ）に設定される。基準電圧源６４が、例えば、基準電圧ＶＢ２を調整可能なフローティング電源であると、コンパレータ４１の検出可能電圧範囲内の任意の電圧に調整できる。基準電圧ＶＢ２の電圧値は、基準電圧ＶＢ１と同じでもよいし、異なってもよい。
ダイオード２２のカソードは、下アーム２０のコレクタ電極Ｃに接続され、その接続点は、コレクタ電極Ｃの直近が好ましい。ダイオード２２のアノードは、抵抗２３を介して、基準電圧源６４にプルアップ接続されている。ダイオード２２のアノードと抵抗２３との接続ノード５３は、コンパレータ４１の非反転入力部に接続される。ダイオード２２が直列接続される個数は、一つでも複数でもよい。
デッドタイム中、ダイオード１１が通電せずにダイオード２１が通電しているとき、電圧Ｖｃｅ１はＶＨに等しい。そのため、ＶＢ１＜ＶＨの関係が成立することにより、ダイオード１２はオフする。その結果、コンパレータ３１の非反転入力部側の入力電圧はＶＢ１となるため、ダイオード１１の非通電状態を、コンパレータ３１の検出可能電圧範囲内の電圧で検出できる。
一方、デッドタイム中、ダイオード２１が通電せずにダイオード１１が通電しているとき、電圧Ｖｃｅ１は−ＶＦ１に等しい。そのため、ＶＢ１＞−ＶＦ１の関係が成立することにより、ダイオード１２はオンする。その結果、ダイオード１２の順方向電圧とダイオード１１の順方向電圧とが相殺されるため、コンパレータ３１の非反転入力部側の入力電圧は負電圧にはならず０Ｖとなる。したがって、ダイオード１１の通電状態を、コンパレータ３１の検出可能電圧範囲内の電圧で検出できる。
デッドタイム中のレベルシフト回路５５とコンパレータ４１との関係も、上記同様である。
レベルシフト回路５４，５５を備えることによって、駆動制御回路３０，４０の耐圧を下げることができる。特に、ダイオード１２，２２の順方向電圧によって、逆導通用のダイオード１１，２１で発生する負電圧（−ＶＦ）を、相殺できるため、コンパレータ３１，４１の回路構成を簡易化できる。
以上、駆動装置及びスイッチング回路の制御方法を実施形態例により説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではない。他の実施形態例の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
例えば、スイッチング素子は、ＩＧＢＴに限らず、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴでもよいし、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴでもよい。
１，２ 駆動装置
１０ 上アーム
１１，１２，２１，２２ ダイオード
１３，２３ 抵抗
２０ 下アーム
３０，４０ 駆動制御回路
３１，４１ コンパレータ
３２，４２ 閾値電圧生成部
３３，４３ Ｄフリップフロップ
３４，４４ 駆動回路
３５，４５ ＡＮＤ回路
５０ アーム回路
５１ 中間ノード
５２，５３ 接続ノード
５４，５５ レベルシフト回路
６１，６２ 電源電位部
６３，６４ 基準電圧源
７０ 負荷

Claims (15)

  1. 第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた逆導通素子とを備えたスイッチング素子がハイサイドとローサイドに設けられたスイッチング回路と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に検出した結果により、前記スイッチング素子のオンの許否を判定する判定部とを備えた、駆動装置。
  2. 前記制御部は、前記期間に検出された前記電圧が所定値と比較された結果に基づいて、前記スイッチング素子のオンの許否を判定する、請求項１に記載の駆動装置。
  3. 前記判定部は、前記期間に検出された前記電圧が前記所定値未満である場合、前記スイッチング素子のオンを禁止する、請求項２に記載の駆動装置。
  4. 前記判定部は、前記期間に検出された前記電圧が前記逆導通素子の順方向電圧に等しいことが検出された場合、前記スイッチング素子のオンを禁止する、請求項１から３のいずれか一項に記載の駆動装置。
  5. 前記判定部は、前記期間に検出された前記電圧が前記所定値以上である場合、前記スイッチング素子のオンを許可する、請求項２又は３に記載の駆動装置。
  6. 前記判定部は、前記期間に検出された前記電圧が前記スイッチング素子の電源電圧に等しいことが検出された場合、前記スイッチング素子のオンを許可する、請求項１から５のいずれか一項に記載の駆動装置。
  7. 前記判定部は、前記スイッチング素子のオンを要求する指令信号に基づいて、前記許否を判定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の駆動装置。
  8. 前記電圧は、前記指令信号に同期して検出される、請求項７に記載の駆動装置。
  9. 前記判定部は、前記指令信号の次の入力があるまで、前記許否の判定結果を維持する、請求項７又は８に記載の駆動装置。
  10. 前記判定部は、前記スイッチング素子のオンを要求する指令信号があっても、前記スイッチング素子のオンが禁止されている場合、前記スイッチング素子をオンさせない、請求項１から９のいずれか一項に記載の駆動装置。
  11. 前記スイッチング素子のオンを要求する指令信号に従って、前記スイッチング素子をオンする駆動部を備え、
    前記判定部は、前記駆動部が前記スイッチング素子をオンすることの許否を判定する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の駆動装置。
  12. 前記電圧のレベルをシフトするレベルシフト部と、
    前記レベルシフト部の出力電圧が入力される電圧検出部とを備え、
    前記レベルシフト部は、前記第１の電極と前記第２の電極とのうち高電位側の電極と、前記スイッチング素子の電源電圧よりも低い基準電圧を出力する基準電圧源との間に接続されたダイオードを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の駆動装置。
  13. 前記電圧検出部は、コンパレータである、請求項１２に記載の駆動装置。
  14. 前記スイッチング素子は、ダイオード内蔵ＩＢＧＴである、請求項１から１３のいずれか一項に記載の駆動装置。
  15. 第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた逆導通素子とを備えたスイッチング素子がハイサイドとローサイドに設けられたスイッチング回路の制御方法であって、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記スイッチング素子が両サイドともオフしている期間に検出した結果により、前記スイッチング素子のオンの許否を判定することを特徴とする、スイッチング回路の制御方法。
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