JP3337796B2 - 電圧駆動形素子の駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、短絡事故等でＩＧＢＴ
やＭＯＳＦＥＴ等の電圧駆動形素子に過電流が流れた際
に、素子保護機能を有する電圧駆動形素子の駆動回路に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、本発明においては、電圧駆動形素
子として近年広く使われている高速動作大容量が特長で
あるＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）
を例に挙げて説明する。インバータ回路に代表される電
力変換装置においては、出力接地や出力短絡等の事故に
より、回路構成をなす素子に過電流が流れる。これを図
３を用いて説明する。

【０００３】図３は電圧駆動形素子の駆動回路が適用さ
れたインバータ回路を示すもので、１は直流電源、２は
配線インダクタンス、３〜６はＩＧＢＴ、７〜10は駆動
回路、11〜14は過電圧抑制回路（いわゆるスナバ回路）
である。この種の回路においては、通常はＩＧＢＴ３の
ゲート（Ｇ）とエミッタ（Ｅ）間を駆動回路７によっ
て、高速（１μｓ程度）に充放電することによりＩＧＢ
Ｔをオンオフして出力に交流を発生することが行われ
る。

【０００４】そして不慮の事故等により、例えばＩＧＢ
Ｔ３，６がオンしている状態で出力短絡が起きると、点
線図示の如くに、 直流電源１→配線インダクタンス２→ＩＧＢＴ３→出力
端Ｔ１→出力端Ｔ２→ＩＧＢＴ６→直流電源１ の経路で、短絡電流が流れる。この短絡電流を流し続け
ると素子内部の損失が大きくなって最終的には素子を破
壊するため、何らかの手段により短絡状態であることを
検知し、電流をしゃ断する必要がある。

【０００５】ところが、短絡電流の経路には配線インダ
クタンス２が存在し、電流がしゃ断されることによって
配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーによる過電
圧がＩＧＢＴに印加されることになる。この過電圧は短
絡電流の大きさ，電流しゃ断動作の速度に比例して大き
くなるところである。ＩＧＢＴの場合、短絡電流は素子
定格電流の10倍にも及び、ＩＧＢＴが高速であるが故
に、通常の動作で短絡電流をしゃ断するとその過電圧が
ＩＧＢＴ素子耐圧を越え、素子を破壊に至らしめる。

【０００６】そこで、一般的には短絡電流をしゃ断する
際に、ゲートエミッタ（ＧＥ）間電圧を緩やかに放電
し、素子電流しゃ断動作を緩慢にする、いわゆるソフト
しゃ断動作が行われる。これを、図４，図５を参照して
説明する。

【０００７】図４および図５は従来例の電圧駆動形素子
の駆動回路およびその動作波形を示すもので、15はＩＧ
ＢＴ、16は電流検出器である。ここに、ＰＵｓは短絡状
態検出回路、ＤＲｂはベース駆動回路、ＴＲ１，ＴＲ
２，ＴＲ３はトランジスタ、Ｖon，Ｖofは直流電源、Ｒ
１，Ｒ２は抵抗器、ＣＤはコイデンサ、Ｄ１はダイオー
ド、ＲＧは充電抵抗であり、トランジスタＴＲ１，ＴＲ
２はコンプリメンタリ接続されてなる。

【０００８】すなわち、通常動作では制御信号ＣＴＲを
受けてベース駆動回路ＤＲｂが動作し、ＩＧＢＴ15をオ
ンするときにはトランジスタＴＲ１をオンして、ＩＧＢ
Ｔ15のＧをＥに対して正電位となるより直流電源Ｖonに
より充電する（Ｔon期間）。ＩＧＢＴ15オフの際には、
トランジスタＴＲ２をオンさせてＧをＥに対して負電位
となるよう直流電源Ｖofにより充電する（Ｔof）。原理
的には、ＩＧＢＴオフの際にはＧＥ間電圧を放電するこ
とでよいのだが、オフ時の誤動作防止のため前述のよう
にＧ電位を負にすることが行われる。

【０００９】そして、ＩＧＢＴ15のコレクタ（Ｃ）電流
を電流検出器16で検出する等により、ＩＧＢＴ過電流状
態を短絡状態検出回路ＰＵｓが検知（時刻Ｔｓ）すると
ベース駆動回路ＤＲｂ出力を開放状態にし、さらにトラ
ンジスタＴＲ３をオンする。トランジスタＴＲ３をオン
することにより、予め直流電源Ｖonと直流電源Ｖofを加
えた電位に充電されていたコンデンサＣＤは抵抗器Ｒ２
で放電される。この放電波形は図示の如くであり、コン
デンサＣＤの電位変動はベース駆動回路ＤＲｂ出力が解
放状態なため、ダイオードＤ１を介してトランジスタＴ
Ｒ１，ＴＲ２のベース電圧の変動となり、最終的にはベ
ース駆動回路ＤＲｂ出力は緩やかに下降する波形（ゲー
トエミッタ電圧）となる。

【００１０】この結果、ＩＧＢＴ15に流れていた短絡電
流は緩やかに減衰（コレクタ電流）し、ＣＥ間に発生す
る過電圧を抑制する。いわゆるソフトしゃ断動作を行う
ことになる。また、このソフトしゃ断（ゲートエミッタ
電圧）具合により、過電流のしゃ断状態を変化させるこ
とが可能であり、回路内のコンデンサＣＤの容量を大き
くしてソフトしゃ断具合をより緩慢にししゃ断を緩やか
にすることで、素子間に発生する過電圧を抑えることが
行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、比較的
短絡回路の配線インダクタンスが大きく、短絡電流の立
ち上がりが比較的低い短絡状態において、ソフトしゃ断
具合を緩慢にしていくとつぎのような不具合を生じてし
まう。これを図６を用いて説明する。すなわち、ＩＧＢ
Ｔには図６に示すようなゲートエミッタ（ＧＥ）間電圧
による電流伝達特性（ＣＥ間電圧一定）があり、ＧＥ間
電圧がしきい値電圧Ｖthを越えると素子に電流が流れ、
それ以上のＧＥ間電圧になるとその電圧で決定されるコ
レクタ（Ｃ）電流が流れる。

【００１２】短絡動作中においても無論同様であり、原
理的にはＧＥ間電圧で決まる電流値に短絡電流が達する
まではしゃ断動作に入らない。このような特性にあるＩ
ＧＢＴ適用においては、比較的配線インダクタンスの大
きな短絡動作でソフトしゃ断具合を緩慢にしていくと、
駆動回路は過電流保護動作になっているにもかかわら
ず、素子に流れる電流はしゃ断されない時間（不感時間
と呼ぶ）を生じる。

【００１３】図７の従来例による動作説明図において
は、時刻ＴＦ１にてソフトしゃ動作に入り、図示のよう
にゲートエミッタ（ＧＥ）電圧は徐々に放電し始める。
このとき、ソフトしゃ断具合が緩やかであると、時刻Ｔ
Ｆ２に至るまで図６に示した電流伝達特性カーブ上の短
絡（コレクタ）電流のピーク電流ＩＰ１とＧＥ電圧ＶＲ
１の関係で決定するポイントＡに達せず、時刻ＴＦ２以
降にＣ電流がしゃ断され始める事態を生じる。この時刻
ＴＦ１から時刻ＴＦ２までの時間ＴＥＮが不感時間であ
る。

【００１４】この不感時間は駆動回路に関係なく短絡電
流は流れ続け、結果的にはしゃ断電流が大きくなること
から、配線インダクタンスに蓄積されるエネルギーが増
加して素子間に発生する過電圧が大きくなる。一方、そ
の不感時間を短かくししゃ断電流を少なくする目的でソ
フトしゃ断を急速に行うと、電流しゃ断も急激になって
しまい同様に素子にかかる過電圧が大きくなる事態とな
っていた。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みてなされたものであり、具体的には第１のコン
デンサと並列にダイオードを介して予めこの第１のコン
デンサよりも低い電圧に充電された第２のコンデンサを
接続構成してなるものである。

【００１６】

【作用】かかる解決手段により、電圧駆動素子の短絡保
護動作においては、駆動回路がソフトしゃ断動作に入っ
ているにもかかわらず、短絡電流がしゃ断されない時間
を短縮することにより、短絡電流の増大を抑制しなおか
つソフトしゃ断動作を緩慢に行えるものとなり、配線イ
ンダクタンスにより素子に印加される過電圧を低減する
ことができ、過電流しゃ断を素子破壊することなく安全
に行うことができる。以下に、本発明を図面に基づいて
さらに詳細説明する。

【００１７】

【実施例】図１，図２は図４，図５に類して表した本発
明の一実施例を示すものであり、Ｒ３，Ｒ４は抵抗器、
Ｄ２はダイオード、ＣＤは第１のコンデンサ、ＣＡは第
２のコンデンサであり、１７は図３に類する本発明の駆
動回路である。ここに、第2のコンデンサＣＡは抵抗器
Ｒ３，Ｒ４の分圧により、直流電源Ｖon，Ｖofを合わせ
た電位よりも若干低い電位ＶＳに充電してある。また、
後述する如くに第1のコンデンサＣＤの静電容量を比較
的小さく、第2のコンデンサＣＡのそれは第1のコンデン
サＣＤに比べ大きくなっている。ここで、かかる回路構
成において通常動作は図４の説明と同様であり、付加さ
れた抵抗器Ｒ３，Ｒ４とダイオードＤ２と第2のコンデ
ンサＣＡからなる回路部分はダイオードＤ２によってブ
ロックされるため、影響を与えない。

【００１８】つぎに短絡保護動作について説明する。Ｉ
ＧＢＴ15に過電流が流れた際に、短絡状態検出回路ＰＵ
ｓがそれを検出してベース駆動回路ＤＲｂの出力を解放
状態とし、トランジスタＴＲ３をオフするまでは図４と
同様である。

【００１９】時刻ＴＨ１においてトランジスタＴＲ３が
オンすると、第１のコンデンサＣＤが抵抗器２によって
放電される回路が形成され、第１のコンデンサＣＤの電
位変動がダイオードＤ１を介してトランジスタＴＲ１，
ＴＲ２のベース電圧となり、その動作を支配するように
なる。第１のコンデンサＣＤが放電されその電位が予め
充電された第２のコンデンサＣＡの電位Ｖｓになる（時
刻ＴＨ２）と、ダイオードＤ２が導通して第２のコンデ
ンサＣＡと第１のコンデンサＣＤの並列回路となり、時
刻ＴＨ２以後抵抗器Ｒ２は第２のコンデンサＣＡと第１
のコンデンサＣＤを放電することになる。

【００２０】よって、時刻ＴＨ２以後は放電時定数が変
化するため、図２に例示のようにＣＤ電圧つまりトラン
ジスタＴＲ１，ＴＲ２のベース電圧は２段階に放電され
ることになる。したがって、駆動回路出力もこの電位に
よって支配されるものとなって、図示のようにゲートエ
ミッタ電圧は、短絡検出したあと比較的速い時定数で電
位Ｖｓに下降し、それ以後緩慢な傾斜で減衰する波形と
なる。

【００２１】ゲートエミッタ電圧が図示のような波形に
なると、ＩＧＢＴ15に流れていた短絡電流は、図６に示
した電流伝達特性カーブにおいて、課題で示したポイン
トＡよりＣ電流が低い領域ＩＰ２でＧＥ間電圧ＶＲ２に
よる制限のポイントＢに達し、しゃ断動作が開始（時刻
ＴＨ３）される。結果的に、不感時間ＴＥＮが大巾に短
絡され、しゃ断電流ピークも低減されたことになる。し
かも、時刻ＴＨ３以後はコンデンサＣＤ，ＣＡおよび抵
抗器Ｒ２で決まる時定数でソフトしゃ断動作となるが、
短絡電流がすでにしゃ断され始めているから、このソフ
トしゃ断具合を制約なく緩慢にすることができるため、
短絡電流しゃ断をより緩やかにできることは明らかであ
る。

【００２２】コンデンサＣＡ，ＣＤの静電容量は、かよ
うな動作から解るように、第２のコンデンサＣＡについ
ては必要となるソフトしゃ断具合を実現する容量を選
び、第１のコンデンサＣＤは第２のコンデンサＣＡに対
して十分に小さい（例えば10％程度）にしておけばよ
い。また、電位Ｖｓは、厳密にいえば短絡電流の配線イ
ンダクタンスや駆動回路の検出速度によって選定しなけ
ればならない。つまり、過電流が流れ始めた時間から駆
動回路がそれを検知し保護動作に移ったときに、配線イ
ンダクタンスによって決まる短絡電流がどの程度流れて
いるかを把握し、その短絡電流を流し得るＧＥ間電圧よ
りも若干高めに電位Ｖｓを設定することが必要となる。
しかし、配線インダクタンスはどのような短絡経路を想
定するかによって変化し、特定することが難しい。そこ
で、簡略には図１の直流電流Ｖ0nに対して数ボルト低い
電位（Ｅ電位を基準として）に電位Ｖｓを設定しておけ
ば、機能を発揮することが可能である。

【００２３】さらには、図１に示した例においてはコン
デンサＣＡの電圧は抵抗Ｒ３，Ｒ４の分圧方式によるも
のとしたが、その抵抗器Ｒ４に代えて、ツェナーダイオ
ードまたはツェナーダイオードの直列回路を用いるな
ど、その種の電位設定方式によるものであってもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、過
電流保護動作時に不感時間を抑制して素子に流れるピー
ク電流を低減し得るとともに、ソフトしゃ断具合を制約
なく緩慢可能になって電流しゃ断をより緩やかにするこ
とを可能とした簡便な構成の装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例の要部構成を示す接続
図である。

【図２】図２は図１の説明のため表した各部波形図であ
る。

【図３】図３は電圧駆動形素子駆動回路が用いられるイ
ンバータ回路例を示す回路図である。

【図４】図４は従来例の電圧駆動形素子の駆動回路を示
す接続図である。

【図５】図５は図４の説明のため表した各部波形図であ
る。

【図６】図６はＩＧＢＴの電流伝達特性を示す図であ
る。

【図７】図７は従来の電圧駆動形素子駆動回路の動作説
明のため示した図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 配線インダクタンス ３ ＩＧＢＴ ４ ＩＧＢＴ ５ ＩＧＢＴ ６ ＩＧＢＴ ７ 駆動回路 ８ 駆動回路 ９ 駆動回路 10 駆動回路 15 ＩＧＢＴ 16 電流検出器17 駆動回路 ＤＲb ベース駆動回路 ＰＵs 短絡状態検出回路 ＴＲ１ トランジスタ ＴＲ２ トランジスタ ＴＲ３ トランジスタ Ｖon 直流電源 Ｖof 直流電源 Ｒ1 抵抗器 Ｒ2 抵抗器 Ｒ3 抵抗器 Ｒ4 抵抗器 Ｄ1 ダイオード Ｄ2 ダイオード ＲＧ 充電抵抗 ＣＤ 第1のコンデンサ ＣＡ 第2のコンデンサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１コンデンサと抵抗器をスイッチで接
   続し、該第１のコンデンサと抵抗器で決まる時定数で、
   電圧駆動形素子に流れる電流を検出してソフト遮断をす
   ることにより過電流保護動作を行う電圧駆動形素子の駆
   動回路において、前記第１のコンデンサと並列接続する
   第２のコンデンサを設け 、 また該両者間に第１のコンデ
   ンサ側をカソードとするダイオードを設け 、 更に第２の
   コンデンサの電圧は第１のコンデンサの電圧より低い電
   圧に充電するよう構成されたことを特徴とする電圧駆動
   形素子の駆動回路。