JP2017028990A - 電力制御用スイッチング素子の駆動回路 - Google Patents
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Abstract
Description
図示されているように、従来技術による電力制御用半導体スイッチング素子の駆動回路は、ドライバ(Driver)回路部20と制御回路10を含むように構成される。
スイッチング素子30は、代表的に上述したようなIGBTやMOSFETで構成され得る。
また、スイッチング素子30がオン状態のときにエミッタ30bとコレクタ30c間の電圧差はオフ状態の十〜数十ボルトの電圧から2−3ボルト(V)に低くなるため、コレクタ電圧を検出することによりスイッチング素子30がオン状態であるか否かを判定することができる。ただし、エミッタ30bとコレクタ30c間に流れる電流量に応じて、エミッタ30bとコレクタ30c間の電圧差の変動があり得る。
ドライバ回路部20は駆動信号を抜き出す集積回路から構成され得る。
ドライバ回路部20は、スイッチング素子30のコレクタ電圧値を示す電圧検出信号をスイッチング素子30のコレクタ30cから受信することができる。
図1において、符号40は伝達側回路40aの電圧がスイッチング素子30のコレクタ30cの電圧よりも高いときにターンオン(turn on)される伝達側回路40aの保護用ダイオードを指し示す。
また、ドライバ回路部20は、スイッチング素子30のコレクタ30cから受信した電圧検出信号によるコレクタ電圧値とドライバ回路部20の状態を示す監視信号を制御回路10に提供する。そして、図1において、ドライバ回路部20と制御回路10間の左方向を指し示す矢印が監視信号の伝達を示す。
前記電力制御用スイッチング素子をオン状態又はオフ状態に制御するように、前記電力制御用スイッチング素子に接続されるドライバ回路部;
前記電力制御用スイッチング素子及び前記ドライバ回路部に接続され、前記ドライバ回路部に前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御信号を伝達したり、前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態を検出した監視信号を提供する第1ロジックデバイス(Logic Device);
前記電力制御用スイッチング素子及び前記第1ロジックデバイスに接続され、前記第1ロジックデバイスに前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御信号を伝達したり、前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態を検出した監視信号を提供する第2ロジックデバイス;及び
前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスに接続され、前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスのうち少なくともいずれか一方に、前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御コマンド信号を提供する制御部;を含む電力制御用スイッチング素子の駆動回路を提供することによって達成され得る。
図2において符号5は、例えばIGBTやMOSFETで構成される電力制御用スイッチング素子を指し示し、ゲート5aと、エミッタ5b及びコレクタ5cを含む。
また、スイッチング素子5がオン状態のとき、エミッタ5bとコレクタ5c間の電圧差はオフ状態の十〜数十ボルトの電圧から2−3ボルト(V)に低くなるため、コレクタ電圧を検出することによりスイッチング素子5がオン状態である否かことを判定することができる。
また、好ましい実施形態によれば、スイッチング素子5のコレクタ5cの出力端(図2のコレクタ5c右側)は、電力変換のための電源供給部又は電力スイッチングが必要な回路部(不図示)に接続され得る。
ここで、駆動信号は、例えば数アンペア(A)程度の電流信号、又は、例えば十〜数十ボルト(V)の電圧信号とすることができる。
本発明の好ましい一態様によれば、いずれかのドライバ回路の故障発生時にもスイッチング素子5のオン/オフ制御及び監視の動作が不能な状態の発生を防止することができる。そのために、ドライバ回路部4は複数のドライバ回路を含むように構成され、その複数のドライバ回路は一つの共通のスイッチング素子5に重複して並列に接続される。
本発明の好ましい一態様によれば、ドライバ回路部4とスイッチング素子5のゲート5aとの間には、スイッチング素子5をオン状態又はオフ状態に制御するためのゲート駆動信号を所定の電圧信号にする抵抗が接続され得る。
第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3は、それぞれFPGA(Field Programmable Gate Array)、MCU(Micro Computer Unit)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)及びASIC(Application−Specific Integrated Circuit)のうちいずれか一つから構成され得る。
第1レベルダウンシフター6b、第2レベルダウンシフター6a及び第3レベルダウンシフター6cは、それぞれ、第2ロジックデバイス3とスイッチング素子5のゲート5aとの間、第1ロジックデバイス2及び第2ロジックデバイス3とスイッチング素子5のコレクタ5cとの間、そして第1ロジックデバイス2とスイッチング素子5のゲート5aとの間にそれぞれ接続され、監視信号の電圧レベルを下げる。つまり、第1レベルダウンシフター6b、第2レベルダウンシフター6a及び第3レベルダウンシフター6cは、それぞれ監視信号の電圧レベルを第1ロジックデバイス2及び第2ロジックデバイス3の適正入力電圧レベルである、例えば3.3Vに下げて提供することができるようになる。
スイッチング素子5のオン又はオフの状態を示すコレクタ電圧を第2ロジックデバイス3に伝達する監視信号の伝達経路、つまり、第2レベルダウンシフター6aの出力端の電圧が電力制御用スイッチング素子5のコレクタ5cの電圧よりも高いとき、ダイオード7はターンオン(turn on)される。そして、その逆の場合にはターンオフ(turn off)され、その後段の第2レベルダウンシフター6aと第2ロジックデバイス3と、制御部1を保護する。
また、制御部1は、第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3からの監視信号に基づいて、第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3のうち少なくともいずれか一方の異常状態を判定することができる。
制御部1は、第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3からそれぞれ受信したスイッチング素子5のオン状態又はオフ状態の監視信号が互いに異なる場合、第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3のいずれか一方に異常があるものと判定するように構成され得る。そのために、制御部1はその論理決定のための論理回路から構成されることができ、中央処理装置が処理プログラムをメモリから読み込んで、当該処理プログラムに基づいて2つの監視信号を比較して判定するように構成されることができる。
制御部1と第1ロジックデバイス2と第2ロジックデバイス3は、一つの制御回路(Controller)10で構成され得る。
まず、制御部1のオン又はオフの制御コマンドとそれに伴うスイッチング素子のオン/オフ動作を説明する。(図3参照)
ここで制御部1からのオン又はオフの制御コマンド信号に応答し、第1ロジックデバイス2は、ドライバ回路部4にスイッチング素子5に対するオン又はオフの制御信号を伝達する。
ドライバ回路部4がゲート駆動信号を出力した場合、スイッチング素子5の接地電位であるエミッタ電圧とゲート駆動信号によって形成されたゲート電圧間の電圧差が12−20ボルト(V)程度に大幅に増加する。したがって、スイッチング素子5はオン状態となる(ターンオンされる)(ステップS4)。
ドライバ回路部4がゲート駆動信号を出力しなかった場合、スイッチング素子5の接地電位であるエミッタ電圧とゲート駆動信号によって形成されたゲート電圧間の電圧差が0−11ボルト(V)程度に小さくなる。したがって、スイッチング素子5はオフ状態となる(ターンオフされる)(ステップS6)。
ここでコレクタ電圧も2−3ボルト(V)に低くなり、監視信号の伝達経路側の電圧、すなわち第2レベルダウンシフター6aとダイオード7との間の電圧よりも低くなる。これにより、ダイオード7がターンオンされ、コレクタ電圧で表示されるスイッチング素子5のオン状態の監視信号は、ダイオード7と、第2レベルダウンシフター6aを経て第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2に伝達される(ステップS7)。
また、ステップS8で、スイッチング素子5がオフ状態のとき、エミッタ5bとコレクタ5c間の電圧差は十〜数十ボルトの電圧に高くなる。
ここでコレクタ電圧も数十ボルトに高くなり、監視信号の伝達経路側の電圧、すなわち第2レベルダウンシフター6aとダイオード7との間の電圧よりも大きくなる。これにより、ダイオード7がターンオフされ、コレクタ電圧で表示されるスイッチング素子5のオフ状態の監視信号は、ダイオード7以降の回路段に伝達されず、第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2に伝達されない。
また、ステップS8で、スイッチング素子5がオフの状態のとき、スイッチング素子5の0ボルト(V)に近い程度のゲート電圧が表示するスイッチング素子5のオフ状態の監視信号も、第1レベルダウンシフター6bを介して第2ロジックデバイス3に伝達される。そして、第3レベルダウンシフター6cを介して第1ロジックデバイス2に伝達される。
そこで、第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2は、それぞれ図示されていない内部の比較器とANDゲートのような論理回路を介してコレクタ電圧とゲート電圧をそれぞれの基準電圧値(すなわち、予め決定されたスイッチング素子5がオン状態のときの基準コレクタ電圧値及び基準ゲート電圧値)と比較する。そして、2つの比較結果を論理回路で論理演算(例えば、論理積演算)処理してスイッチング素子5のオン状態又はオフ状態を正確に判定する(ステップS9)。
そこで制御部1は、第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2がそれぞれ判定したスイッチング素子5のオン状態又はオフ状態の監視信号が示す値が一致するか否かを比較する。そして、第2ロジックデバイス3又は第1ロジックデバイス2の異常発生を判定することができる(ステップS10)。
ここで、第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2がそれぞれ判定したスイッチング素子5のオン状態又はオフ状態の監視信号が示す値が一致しない場合、制御部1は、第2ロジックデバイス3と第1ロジックデバイス2のいずれか一方に異常(故障)が発生したものと判定することができる(ステップS12)。
また、ドライバ回路部が複数のドライバ回路から構成されるため、いずれかのドライバ回路の故障発生時にもスイッチング素子のオン/オフ制御及び監視の動作が不能な状態発生を防止することができる。
また、制御部は、制御部に含まれるロジック回路や処理プログラムによって、第1ロジックデバイスと第2ロジックデバイスからそれぞれ受信したスイッチング素子のオン状態又はオフ状態の監視信号が互いに異なるとき、第1ロジックデバイスと第2ロジックデバイスのいずれか一方に異常があるものと判定する。したがって、ロジックデバイスの正常状態を監視することができる。
2 第1ロジックデバイス
3 第2ロジックデバイス
4 ドライバ回路部
5 電力制御用スイッチング素子
5a ゲート
5c コレクタ
6a 第2レベルダウンシフター(レベルダウンシフター)
6b 第1レベルダウンシフター(レベルダウンシフター)
6c 第3レベルダウンシフター(レベルダウンシフター)
Claims (8)
- 電力制御用スイッチング素子の駆動回路において、
前記電力制御用スイッチング素子をオン状態又はオフ状態に制御するように、前記電力制御用スイッチング素子に接続されるドライバ回路部;
前記電力制御用スイッチング素子及び前記ドライバ回路部に接続され、前記ドライバ回路部に前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御信号を伝達したり、前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態を検出した監視信号を提供する第1ロジックデバイス;
前記電力制御用スイッチング素子及び前記第1ロジックデバイスに接続され、前記第1ロジックデバイスに前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御信号を伝達したり、前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態を検出した監視信号を提供する第2ロジックデバイス;及び
前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスに接続され、前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスのうち少なくともいずれか一方に、前記電力制御用スイッチング素子に対するオン又はオフの制御コマンド信号を提供する制御部;
を含む電力制御用スイッチング素子の駆動回路。 - 前記ドライバ回路部は、
前記電力制御用スイッチング素子をオン又はオフ制御するように共通の前記電力制御用スイッチング素子に重複して接続される複数のドライバ回路を含む、請求項1に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。 - 前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスは、前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態を検出した監視信号を受信するために、前記電力制御用スイッチング素子のゲートとコレクタに接続される、請求項1に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。
- 前記第2ロジックデバイスと前記電力制御用スイッチング素子の前記ゲートとの間、前記第2ロジックデバイスと前記電力制御用スイッチング素子の前記コレクタとの間、及び前記第1ロジックデバイスと前記電力制御用スイッチング素子の前記ゲートとの間にそれぞれ接続され、前記監視信号の電圧レベルを下げるレベルダウンシフターをさらに含む、請求項3に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。
- 前記制御部は、
前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスからそれぞれ受信した前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態の監視信号が互いに異なる場合、前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスのいずれか一方に異常があると判定する、請求項1に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。 - 前記制御部は、前記オン又はオフの制御コマンド信号と、前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスからそれぞれ受信した前記電力制御用スイッチング素子のオン状態又はオフ状態の監視信号に基づいて、前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスのうち異常が発生したロジックデバイスを特定する、請求項1に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。
- 前記第1ロジックデバイスと前記第2ロジックデバイスは、それぞれFPGA、MCU、CPLD及びASICのいずれか一つから構成される、請求項1に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。
- 前記レベルダウンシフターは、
抵抗レール、比較器、演算増幅器のうちいずれか一つから構成される、請求項4に記載の電力制御用スイッチング素子の駆動回路。
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