JP2881755B2 - パワー素子駆動回路 - Google Patents

パワー素子駆動回路

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JP2881755B2 JP6089310A JP8931094A JP2881755B2 JP 2881755 B2 JP2881755 B2 JP 2881755B2 JP 6089310 A JP6089310 A JP 6089310A JP 8931094 A JP8931094 A JP 8931094A JP 2881755 B2 JP2881755 B2 JP 2881755B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流モーターの可変速
制御用等に使用されるインバーター用パワー素子の駆動
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】インバーターは交流モーターの可変速度
制御用として広く使用されており、主に電圧型のV/F
(Variable/Frequency)制御が用いられている。この可
変速度制御は、交流モーターなどの負荷をインバーター
により規則的にスイッチングさせることにより行ってい
た。
【0003】インバーター用パワー素子としては、IG
BT(Insulated gate bipolar
transistors)、MOSFET、パワート
ランジスタなどが使用されているが、IGBT,MOS
FETは電圧駆動型素子であり、ゲートの入力インピー
ダンスは非常に高くなっている。
【0004】この内、例えばIGBTを使用する場合
は、その電流、電圧特性により負荷短絡時に大電流が流
れる。さらに、IGBTはそのチップ面積がパワートラ
ンジスタやMOSFETに比べて小さいことから、熱容
量が少なく破壊しやすい。以上のことから、IGBTを
使用する場合は特に、負荷短絡時にはできるだけ速く異
常を検出しゲート電圧を下げる必要がある。
【0005】従来のIGBTの保護の方法としては、例
えば、IGBTを動作(オン)させる場合に、まずゲー
ト電圧を絞った状態で立ちあげ、短絡電流に制限をかけ
ておき、その状態で異常がないと判断される場合には、
ゲート電圧を通常レベルまで上げ、逆に負荷短絡時など
の異常が発生したと判断される場合には、ゲート電圧を
通常レベルまで上げないでIGBTがオフするようにゲ
ート電圧を下げるといった2段階の立ちあげを行う方法
があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
2段階の立ちあげ方法によってIGBTの保護を行った
場合、通常はIGBTのゲート電圧をスイッチングさせ
るための時間が0.1μs以下であるものが、異常を検
出するための検出時間も考慮すると、最低でも約5〜1
0μs程度必要となる。しかも、この時間はIGBTの
異常のある無しに拘わらず必要とされる時間である。
【0007】このように、スイッチング時間が長くなる
と、前述のように熱容量が少ないことによる破壊や、電
力ロスの増大につながり、問題がある。
【0008】そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑
み、保護機能を有しつつ、ゲート電圧の立ちあげ時間を
短縮できるパワー素子駆動回路を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項1記載のパワー素子駆動回路は、パ
ワー素子と、該パワー素子のゲートに接続され該パワー
素子を駆動する駆動回路と、該駆動回路を制御するゲー
ト電圧制御回路と、前記パワー素子のコレクタに接続さ
れコレクタ電圧よりエラー状態を検出するエラー検出回
路と、該エラー検出回路のエラー信号に応じて前記パワ
ー素子の駆動電圧を漸次低下させるエラー検出時ゲート
電圧制御回路とを有し、且つ、エラー検出時のゲート電
圧低下過程時、ゲート電圧OFFの信号が入っても、該
駆動回路の前記ゲート電圧低下過程を保持する保護動作
保持回路を有してなることを特徴とするものである。
【0010】また、請求項2記載のパワー素子駆動回路
の前記駆動回路は、NPNトランジスタとPNPトラン
ジスタとが直列にコンプリメンタリ接続され、前記NP
Nトランジスタ及び前記PNPトランジスタの共通接続
されたエミッタに前記パワー素子の制御電極が接続され
てなる回路よりなることを特徴とするものである。
【0011】また、請求項3記載のパワー素子駆動回路
の前記エラー検出回路の出力は、前記保護動作保持回路
を介してゲート電圧制御回路と、エラー信号出力回路と
信号入力部とを介してゲート電圧制御回路と、エラー検
出時ゲート電圧制御回路を介してゲート電圧制御回路
と、に接続されてなることを特徴とするものである。
【0012】前記パワー素子は例えばIGBTを用いる
ことを特徴とする。
【0013】
【作用】上記のように、パワー素子のエラー時には、パ
ワー素子の駆動電圧(例えばIGBTの場合にはゲート
電圧)を急激に低下させるのではなく、漸次低下させて
いくので、パワー素子の破壊等の問題が生じることなく
高信頼性を保証できる。また、エラー検出は、このよう
に一旦パワー素子を立ち上げた後に行うので、従来のよ
うに異常検出を考慮した2段階の立ち上げ方法に比較し
て、立ち上げ時間の短縮化を図れ、この結果、従来生じ
ていた熱的な破壊や電力のロスといった問題を解消でき
る。
【0014】さらに、エラー検出時のゲート電圧低下過
程時、ゲート電圧OFFの信号が入っても、前記ゲート
電圧低下過程を保持する保護動作保持回路を有している
ので、やはりパワー素子の駆動電圧は急激に低下するこ
とはなくパワー素子の破壊等の問題を避けられる。
【0015】
【実施例】本発明によるパワー素子駆動回路の主な特徴
は、従来のようにIGBTの異常を考慮して、2段階か
らなる立ちあげを行うのではなく、一旦短時間で立ちあ
げた後、IGBT異常のある時にIGBTのゲート電圧
を序々に低下させることにある。
【0016】以下、本発明の一実施例について、図1を
参照して説明する。図1は本実施例によるパワー素子駆
動回路の回路図である。なお、ここではパワー素子とし
てIGBTをとりあげているが、他のMOSFETでも
同様である。
【0017】図1に示すように、信号入力部1は後述す
るIGBT6のゲート電圧を制御するゲート電圧制御回
路2に接続され、このゲート電圧制御回路2はNPNト
ランジスタ3とPNPトランジスタ4をコンプリメンタ
リ接続した駆動回路のベース共通接続部に接続されてい
る。そして、両トランジスタのエミッタ共通接続部は抵
抗5を介してIGBT6のゲートに接続されている。I
GBT6のコレクタ、エミッタ間には高耐圧ダイオード
7が接続されている。また、IGBT6のコレクタは、
高耐圧ダイオード8を介してエラー検出回路9に接続さ
れている。ここで、高耐圧ダイオード8のアノードと電
源VC C 間に抵抗10が、またアノードとGND間にコ
ンデンサ11が介挿されている。
【0018】エラー検出回路9には、さらに、VC C
GND間をツェナーダイオード12及び定電流回路13
で分割した分岐点が接続されている。
【0019】エラー検出回路9の出力は3箇所に接続さ
れている。1つは、保持回路14を介してゲート電圧制
御回路2に、また他の1つはエラー信号出力回路15を
介して信号入力部1に、さらに他の1つはエラー検出時
ゲート電圧制御回路16を介してゲート電圧制御回路2
に接続されている。図中、点線で囲んだ回路部17がI
GBT6のコレクタ電圧を検出する検出機能と検出レベ
ル設定機能とを有している。
【0020】以上の回路構成の動作について、以下説明
する。
【0021】まず、IGBT6のコレクタ電圧検出動作
について説明する。
【0022】前述のように、IGBT6のコレクタは高
耐圧ダイオード8を介してエラー検出回路9に入力され
ている。そして、エラー検出回路9はコンパレータ回路
になっており、IGBT6のコレクタ電圧と、検出レベ
ル(VC C −ツェナー12のツェナー電圧)との条件に
よって出力が変化する。なお、エラー検出レベルは、I
GBT6のエミッタ電位により、即ち、IGBT6の逆
バイアスの電圧の大小にかかわらずVC C の電圧を基準
に設定しているが、基準電圧としては、GND基準での
設定や外部から独立に電位を加える方法をとってもよ
い。
【0023】次に、IGBT6の異常の有無に応じた動
作について各々説明する。
【0024】まず、IGBT6のゲートがHIGHの状
態で、負荷(ここで、負荷とはIGBT6自体の負荷と
いう意味である、以下同じ)及びIGBT6に異常がな
い場合は、IGBT6のコレクタ電圧は約2〜5Vまで
低下する。よって、コレクタ電圧を検出している高耐圧
ダイオード8を通してエラー検出回路9にはLOWレベ
ルが入力される。エラー検出回路9にLOWレベルが入
力されると、保持回路14、エラー信号出力回路15、
エラー検出時ゲート電圧制御回路16は動作しない。
【0025】また、負荷及びIGBT6に異常が無く、
入力信号も入っていない場合には、IGBT6の保護の
必要がないため、保持回路14、エラー信号出力回路1
5、エラー検出時ゲート電圧制御回路16は信号入力部
1の入力信号に連動して動作しない構成としている。
【0026】次に、負荷及びIGBT6に異常があり、
入力信号が入っている場合について説明する。IGBT
6のコレクタ電圧がHIGHレベルになった場合、エラ
ー検出回路9にHIGHレベルが入力され、保持回路1
4、エラー信号出力回路15、エラー検出時ゲート電圧
制御回路16が動作し、IGBT6のゲート電圧を序々
に下げる。ここで、IGBT6のゲート電圧を急激に低
下させるのではなく、除々に下げるのは、IGBT6が
負荷からの戻り電流により短絡電流を増加させるといっ
た回路動作によって破壊してしまうことを防止するため
である。
【0027】このゲート電圧の低下について、図2を参
照してさらに詳細に説明する。
【0028】図2はエラー検出時ゲート電圧制御回路1
6の回路図である。ここでは、エラー検出時ゲート電圧
制御回路16と関連ある回路構成要素のみを示してい
る。
【0029】また、図1と同一機能部分には同一記号を
付している。例えば、図3の記号2及び16はそれぞ
れ、図1の記号2及び16に対応し、図3においてその
回路構成をより具体的に示している。
【0030】図2において、IGBT6及び負荷が異常
状態にあるか否かは、IGBT6のコレクタ電位を検出
し、エラー検出回路9により異常か正常かを判断し、異
常であると判断した場合には、定電流スイッチング回路
162によって下記のような動作を行う。
【0031】即ち、NPNトランジスタ20をON、N
PNトランジスタ21をOFF、NPNトランジスタ2
2をONすれば、PNPトランジスタ4がONし、急速
にゲート電圧が低下してしまう。そこで、本実施例にお
いては、NPNトランジスタ20をOFFした状態で、
定電流回路160をOFFし定電流回路161をONす
ることにより、ベース電流を引き込むことによってゲー
ト電圧を除々に下げることができる。
【0032】なお、図中、18はインターフェース、2
3、24は抵抗、25はダイオードである。また、16
2は定電流スイッチング回路であり、図1のエラー検出
回路9を含んでいる。定電流スイッチング回路162へ
の入力は図1のD点より行われる。163は論理素子で
ある。
【0033】ところで、上記のゲート電圧の下げのスピ
ードは、定電流回路161の電流値を任意に設定するこ
とにより変えることができる。また、定電流回路161
の代わりに抵抗を使用してもよい。その場合は、抵抗値
を変えることによって、ゲート電圧の下げのスピードを
変えることができる。
【0034】また、図2においては、NPNトランジス
タ3とPNPトランジスタ4のエミッタ接続点とベース
接続点との間に抵抗19を介挿している。この抵抗18
はPNPトランジスタ4をスイッチングさせないために
有効である。
【0035】図3は図1の各部信号波形図である。図3
の(A)乃至(E)は、図1のA乃至Eに、またIC
IGBT6のコレクタ電流IC にそれぞれ対応してい
る。
【0036】図3において、実線及び点線はそれぞれ、
IGBT6が正常状態及び異常状態にある場合を示して
いる。図3に示すように、負荷短絡の状態やIGBT異
常の場合には、IGBT6のコレクタに大電流が流れ、
(C)のIGBT6のコレクタ電圧が上昇し、エラー検
出回路9が動作しIGBTの保護動作が働く。よって、
(B)がLOWレベルになり(E)もLOWレベルとな
る。
【0037】ところで、図1及び図2の回路において、
IGBT6が異常状態にあって、ゲート電圧を序々に下
げる途中で、例えば入力光が突然遮断される等により、
外部からゲート電圧OFFの信号が入力されて、急激に
ゲート電圧がOFFされてしまう場合があり得る。この
場合、前述したように、IGBT6が負荷からの戻り電
流によって短絡電流を増加させ破壊してしまうといった
問題点がある。
【0038】これに対して、図4のような回路構成をと
ることにより上記問題点を解消できる。図4は保護動作
保持の回路図である。ここでも、保護動作に関連ある回
路構成要素のみを示している。また、図1及び図2と同
一機能部分には同一記号を付している。
【0039】図4に示すように、保護動作保持回路30
においては、エラー検出回路9からの信号を直接オア回
路31に入力する一方、遅延回路32を通してオア回路
31に入力する。オア回路31の出力は出力反転回路3
3を介してアンド回路34の一方に入力されている。ア
ンド回路34の他方には入力信号を入力する。
【0040】以上の回路構成において、エラー検出回路
から信号が出された場合、遅延回路32で得られた遅延
時間の間、アンド回路34の入力がなく入力信号がイン
ターフェース17に伝達されない。よって、入力の有無
にかかわらず出力は保持される。
【0041】図5はエラー検出回路部分にヒステリシス
を持たせるための回路である。
【0042】図5において、PNPトランジスタ40と
PNPトランジスタ41とがエミッタを共通とされ、こ
の共通点と電源間に定電流回路42が設けられている。
PNPトランジスタ40及び41のコレクタはそれぞ
れ、ベースが共通とされたNPNトランジスタ43及び
44のコレクタに接続されている。NPNトランジスタ
43のベース−エミッタは短絡されている。
【0043】また、PNPトランジスタ40のベースは
PNPトランジスタ45のエミッタに接続され、PNP
トランジスタ45のベースと電源間にツェナーダイオー
ド46が、またベースより分岐して定電流回路47が設
けられている。
【0044】また、PNPトランジスタ41のベースは
PNPトランジスタ48のエミッタに接続され、PNP
トランジスタ48のベース−エミッタ間にダイオード4
9が介挿されている。PNPトランジスタ48のベース
がエラー検出電圧の入力端子となっている。
【0045】以上のような回路構成において、ツェナー
ダイオード46と定電流回路47によりコンパレータの
基準電圧の設定を行っている。図5の回路においては、
基準電圧は電源−ツェナーダイオード46のツェナー電
圧により設定される。
【0046】エラー検出部分の電圧入力端子Vinは、
LOWレベルからHIGHレベルに上がる場合は、Q点
は(入力電圧−ダイオード49のVF 電圧)になるが、
HIGHレベルからLOWレベルに下がる場合、Q点は
(入力電圧+PNPトランジスタ48のVB E 電圧)に
なる。
【0047】よって、エラー検出部分の電圧入力端子V
inから見ると、(ダイオード49のVF +PNPトラ
ンジスタ48のVB E 電圧)=0.7V +0.7V
1.4V になり、1.4V のヒステリシスが得られる。
【0048】つまり、通常使用しているPNPトランジ
スタのコンパレータのPNPトランジスタ48のエミッ
タ−ベース間に、ダイオード49を接続するだけで、入
力に対して簡単にヒステリシスを持たせることができ
る。
【0049】図6は、前述したパワー素子駆動回路を光
結合素子に組み込んだ回路の概略回路図である。図1と
同一機能部分には同一記号を付している。
【0050】図6の光結合素子は、1次側に発光ダイオ
ード100のアノードとカソードの端子を有しており、
2次側にVCC、GNDの電源端子、IGBT6のベー
スに接続するO2端子、エラーを検出するC端子を有し
ている。図中、101は発光ダイオード100の光を受
光するフォトダイオード、102はアンプ、103は定
電圧回路、104、105は論理素子、106はIGB
T保護回路、107はコンデンサ、108は2次側の発
光ダイオード、109は発光ダイオード108からの光
を受光するフォトトライアックである。
【0051】以上の構成において、2次側、即ちIGB
T6のドライブ回路側で検出されたエラー信号を発光ダ
イオード108とフォトトライアック109により1次
側にフィードバックさせている。
【0052】このように、IGBT保護機能を光結合素
子に1チップ化すれば、従来ディスクリートで組んでい
たIPM等に比べて大幅な小型化が図れる。また、ディ
スクリートで組んでいたIPMに比べて各部品を1チッ
プ化しているので特性ばらつきを抑えられ、ノイズに対
しても強くなる。さらに、汎用インバータとしても部品
点数を大幅に削減でき、コスト的にも従来1つのIPM
で数千円かかっていたものが、数十円までコストダウン
できる。
【0053】なお、本実施例では、光結合素子内部で1
次側に信号をフィードバックしているが、2次側にエラ
ー信号として出力することも可能である。
【0054】また、1次側の発光素子100が劣化によ
り光量が減少し光結合素子のスレッシュレベルが上昇し
た場合、発光素子100の光量をモニタし、発光素子1
00が正常レベルを満足できなくなったことを示す警告
機能、あるいは、1次側の発光素子100が劣化した場
合、光結合素子のスレッシュレベルを上昇させないよう
に発光素子100の順方向電流を増加させる機能を付加
してもよい。
【0055】
【発明の効果】前記目的を達成するために、本発明の請
求項1記載のパワー素子駆動回路によれば、パワー素子
と、該パワー素子のゲートに接続され該パワー素子を駆
動する駆動回路と、該駆動回路を制御するゲート電圧制
御回路と、前記パワー素子のコレクタに接続されコレク
タ電圧よりエラー状態を検出するエラー検出回路と、該
エラー検出回路のエラー信号に応じて前記パワー素子の
駆動電圧を漸次低下させるエラー検出時ゲート電圧制御
回路とを有し、且つ、エラー検出時のゲート電圧低下過
程時、ゲート電圧OFFの信号が入っても、該駆動回路
の前記ゲート電圧低下過程を保持する保護動作保持回路
を有してなることを特徴とするものである。従って、パ
ワー素子のエラー時には、ゲート電圧の立ちあげ時間を
短縮できると共に、パワー素子の駆動電圧(例えばIG
BTの場合にはゲート電圧)を急激に低下させるのでは
なく、漸次低下させていくので、パワー素子の破壊等の
問題が生じることなく高信頼性を保証できる。また、エ
ラー検出は、このように一旦パワー素子を立ち上げた後
に行うので、従来のように異常検出を考慮した2段階の
立ち上げ方法に比較して、立ち上げ時間の短縮化を図
れ、この結果、従来生じていた熱的な破壊や電力のロス
といった問題を解消できる。さらに、エラー検出時のゲ
ート電圧低下過程時において、ゲート電圧OFFの信号
が入った場合であっても、前記ゲート電圧低下過程を保
持する保護動作保持回路を有しているので、やはりパワ
ー素子の駆動電圧は急激に低下することはなく序々に低
下するので、パワー素子の破壊等の問題を避けられる。
【0056】また、請求項2記載のパワー素子駆動回路
の前記駆動回路によれば、NPNトランジスタとPNP
トランジスタとが直列にコンプリメンタリ接続され、前
記NPNトランジスタ及び前記PNPトランジスタの共
通接続されたエミッタに前記パワー素子の制御電極が接
続されてなる回路よりなることを特徴とするものであ
る。従って、NPNトランジスタとPNPトランジスタ
とのコンプリメンタリ接続によって、前記駆動回路が構
成されているため、エラー信号に応じて前記パワー素子
の駆動電圧を確実に漸次低下させることができ、パワー
素子の破壊等の問題が生じることなく高信頼性を保証で
きる。
【0057】また、請求項3記載のパワー素子駆動回路
の前記エラー検出回路の出力によれば、前記保護動作保
持回路を介してゲート電圧制御回路と、エラー信号出力
回路と信号入力部とを介してゲート電圧制御回路と、エ
ラー検出時ゲート電圧制御回路を介してゲート電圧制御
回路と、に接続されてなることを特徴とするものであ
る。従って、負荷及びパワー素子のあらゆる異常に対応
するエラー検出回路を得ることができる。
【0058】さらに、請求項4記載のパワー素子駆動回
路によれば、前記パワー素子はIGBTであることを特
徴とするものである。従って、省略力化されたパワー素
子駆動回路を得ることができる。また、上記パワー素子
駆動回路を光結合素子に一体的に組み込むことによっ
て、保護機能を有する光結合素子の大幅な小型化、コス
トダウン化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例によるパワー素子駆動回路の
回路図である。
【図2】図1の一部を構成するエラー検出時ゲート電圧
制御回路の回路図である。
【図3】図1の回路図の各部信号波形図である。
【図4】本発明の他の実施例によるパワー素子駆動回路
の要部回路図である。
【図5】本発明のさらに他の実施例によるパワー素子駆
動回路の要部回路図である。
【図6】本発明のパワー素子駆動回路を組み込んだ光結
合素子の回路図である。
【符号の説明】
2 ゲート電圧制御回路 3 NPNトランジスタ 4 PNPトランジスタ 6 パワー素子(IGBT) 9 エラー検出回路 16 エラー検出時ゲート電圧制御回路 30 保護動作保持回路
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H03K 17/00 H03K 17/00 B 17/56 17/56 Z (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02M 1/00 H02H 3/24 H02M 3/28 H02M 7/537 H03K 17/56

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 パワー素子と、該パワー素子のゲートに
    接続され該パワー素子を駆動する駆動回路と、該駆動回
    路を制御するゲート電圧制御回路と、前記パワー素子の
    コレクタに接続されコレクタ電圧よりエラー状態を検出
    するエラー検出回路と、該エラー検出回路のエラー信号
    に応じて前記パワー素子の駆動電圧を漸次低下させるエ
    ラー検出時ゲート電圧制御回路とを有し 且つ、エラー検出時のゲート電圧低下過程時、ゲート電
    圧OFFの信号が入っても、該駆動回路の前記ゲート電
    圧低下過程を保持する保護動作保持回路を有し てなるこ
    とを特徴とするパワー素子駆動回路。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のパワー素子駆動回路に
    おいて、 前記駆動回路は、NPNトランジスタとPNPトランジ
    スタとが直列にコンプリメンタリ接続され、前記NPN
    トランジスタ及び前記PNPトランジスタの共通接続さ
    れたエミッタに前記パワー素子の制御電極が接続されて
    なる回路より なることを特徴とするパワー素子駆動回
    路。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のパワー素子駆動回路に
    おいて、前記エラー検出回路の出力は、前記保護動作保持回路を
    介してゲート電圧制御回路と、エラー信号出力回路と信
    号入力部とを介してゲート電圧制御回路と、エラー検出
    時ゲート電圧制御回路を介してゲート電圧制御回路と、
    に接続されて なることを特徴とするパワー素子駆動回
    路。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至のいづれかに記載のパワ
    ー素子駆動回路において、前記パワー素子はIGBTで
    あることを特徴とするパワー素子駆動回路。
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